基于層次分析法的河南省流域水文相似性研究

程艷濤　劉大川　羅清元

摘 要： 本文根據(jù)河南省內(nèi)河流現(xiàn)狀和特點，并以淮河流域的沱澮河、渦河流域為典型河流，選取河流流域的水文相似性指標(biāo)，同時利用改進(jìn)的層次分析法，建立了河南省河流流域相似性指標(biāo)體系，進(jìn)行了流域水文相似性分析計算，為河南省半干旱季節(jié)性河流的水文分析計算提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

關(guān)鍵詞： 水文;河流;相似性;層次分析

【中圖分類號】S157 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-3733（2020）09-0292-02

1 河南省流域概要

我省地跨淮河、長江、黃河、海河四大流域，流域面積分別占全省總面積的52.87%、16.29%、21.68%、9.16%。大部分河流發(fā)源于境內(nèi)西部、西北部和東南部的山區(qū)。

全省的河川徑流主要由降水形成，徑流總量304億m3，平均徑流深183.6mm。我省位于中原，處于自然氣候和地理形勢的兩個“過渡”地帶，由于降水時空分布不均，河川徑流不僅年內(nèi)集中，而且年際變化也大，豐枯交替變化頻繁且不規(guī)律。豫南、豫西山區(qū)徑流量較為豐沛，豫北、豫東平原區(qū)較為匱乏;全年地表徑流量主要集中在汛期，約占全年的60%～70%。

我省集水面積在100km2以上的河道共計493條，其中：流域面積3000km2以上的河流有24條;流域面積200～3000km2的河流有243條;流域面積100～200km2的河流有233條。中小河流（流域面積小于3000km2的河流）總集水面積為10.3萬km2，多數(shù)處于山區(qū)與流域上游，河流比降大，具有河短坡陡、水急、落差大的特征。又具有很強的區(qū)域性，一般山丘區(qū)較多，平原區(qū)較少。

但在針對一些集水面積相對較小河流的水文分析計算中，經(jīng)常遇到設(shè)計流域上缺乏實測水文資料、水文資料序列太短無法展延或者完全沒有的情況。因此，本文采用水文比擬法或相關(guān)分析法，將氣候與地理條件相似的參證流域的水文資料移置到設(shè)計流域，以解決流域無資料的困難;或與具有短期資料的設(shè)計流域建立相關(guān)關(guān)系，達(dá)到展延水文資料的目的。

2 基于層次分析法的流域水文相似性分析

目前國內(nèi)外許多水文學(xué)家認(rèn)為，兩個流域若具備以下條件之一，就認(rèn)為是水文相似流域。第1種條件是具有相同的無量綱洪水頻率分布曲線;第2種條件是在相同的動力條件下，對單位降雨具有相同的徑流響應(yīng)函數(shù)（如地貌單位線相似即認(rèn)為流域水文相似）。根據(jù)流域水文相似的條件，得到水文相似性的研究原則。

2.1 水文相似性研究原則

（1）綜合分析原則

在進(jìn)行水文相似性研究時，廣泛分析各種動態(tài)的水文要素：包括河水補給類型、水量平衡要素、徑流的年內(nèi)分配、河流水情以及冰情等;分析變化相對緩慢的因素：如水體類型、水網(wǎng)密度、河谷形態(tài)等;分析自然地理條件、氣候和地形，它們是影響水文區(qū)域差異的基本因素。

（2）相似性與差異性原則

以一種或幾種水文特征值為指標(biāo)，把相似的因素連接起來，而把相異因素分開。相似性不僅表現(xiàn)在各種水文特性方面，還表現(xiàn)在自然地理方面。相似性只能是大體上表現(xiàn)出來，因為在相當(dāng)范圍的流域內(nèi)，各部分的自然條件不可能完全一樣，因而研究區(qū)域內(nèi)部的水文情況仍然有一定的差異。這些差異就是進(jìn)一步研究低一級水文相似程度的依據(jù)。由此可見，水文區(qū)域從高級單位到低級單位，其內(nèi)部的水文相似性是逐級增大的，低級單位一方面具有高級單位的一般特點，另一方面又表現(xiàn)出局部差異。

（3）成因分析原則

同一水文現(xiàn)象在不同的自然條件下可能是由不同原因引起的，不能只求表面現(xiàn)象上的水文相似，而應(yīng)該分析這些水文現(xiàn)象的成因，同一個水文區(qū)域內(nèi)的水文現(xiàn)象在成因上應(yīng)具有對一相似度取值范圍。

2.2 基于層次分析法的河南省流域水文相似性分析模型

（1）構(gòu)造流域水文相似度層次模型

建立層次模型，將流域水文相似度劃分成地形要素、植被指數(shù)、干旱指數(shù)和氣候因素等組成指標(biāo)，由于水文相似的復(fù)雜性，將其地形要素和氣候因素指標(biāo)繼續(xù)向下劃分，地形要素分為山地、丘陵和平原，氣候因素分為日照時間、氣溫和風(fēng)速。將這些指標(biāo)按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)，劃分為A層、B層和C層等三層次（如圖1所示）。

3 河南省流域水文相似性分析計算

將無水文資料的河流與其附近的典型河流進(jìn)行流域水文相似性計算。流域水文相似性大的河流直接采用典型河流的水文數(shù)據(jù)或者根據(jù)流域水文相似度進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，便于對無資料或缺少資料的地區(qū)的水文計算;對于流域相似性小、有水文資料的河流則采用根據(jù)水文資料，還原其河流天然徑流量，得出其徑流代表站多年平均天然徑流量月分配表和流域年徑流量，從而推算出河流的年天然徑流量。

本文以渦河、沱澮河為典型基準(zhǔn)河流，選取了一些大小河流進(jìn)行河南省流域水文相似性示例計算。計算結(jié)果如下（表1）：

由以上計算結(jié)果，可以得出與典型河流渦河基本相似的河流有淮河、洪河、沙潁河、泉河、惠濟河、沙河、丹江、唐河、衛(wèi)河、賈魯河、雙洎河;較相似的河流有白河、潢河;一般相似的河流有黃河;不相似的河流有衛(wèi)河。與典型河流沱澮河基本相似的河流有淮河、洪河、沙潁河、泉河、沙河、丹江、唐河、潢河、賈魯河、雙洎河、惠濟河;一般相似的河流有白河、衛(wèi)河、黃河。

4 結(jié)論

本文研究方法不但適用于有水文資料的流域，也適用于無資料或者缺少資料的流域地區(qū)，解決了無資料地區(qū)水文計算的困難。為洪水預(yù)警預(yù)報、水資源量計算提供了科學(xué)依據(jù)，在促進(jìn)水資源的充分合理利用，帶動周邊地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展方面有積極的意義;有利于防汛抗旱、生態(tài)環(huán)境和水資源管理，對推進(jìn)水生態(tài)建設(shè)、水災(zāi)害防御、水環(huán)境改善具有促進(jìn)作用，順應(yīng)了建設(shè)節(jié)約型社會的需求。本研究雖然取得了一定的成果，但是由于資料的不完整、時間的局限，還存在一些有待解決的問題，具有更深一步研究的意義。

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