第22卷第1期2004年3月
文章编号:100027709(2004)0120001204
水 电 能 源 科 学WaterResourcesandPowerVol.22No.1
Mar.2004
水文相似和尺度分析
丁 晶 王文圣
(四川大学水电学院,四川成都610065)
摘要:水文尺度分析是当前水文科学的热点之一,为国内外水文学者关注和重视。综合论述以水文相似为基础的水文尺度分析,较详细地介绍了水文现象中普遍存在的三种水文相似——统计相似、自相似和动态相似,并根据已有的研究成果说明这些相似在水文中的应用。重点指出,水文相似和尺度分析紧密相联,进一步深入探讨水文现象的各种相似性非常必要。关键词:水文科学;水文相似;尺度分析;综述中图分类号:P33
文献标识码:A
1 概述
水文尺度分析是当今水科学研究的前沿。水文研究范围广泛,小到水质点,大到全球水循环变化,即水文学涉及各种尺度的对象。为了寻求水文学规律,首先要认识一定尺度的水文规律和特征,然后设法找出各尺度之间的联系,获得普遍规律的认识,以用于防洪减灾和水资源可持续发展研究。这就是所谓的尺度分析。
水文现象随空间和时间而变化,必然涉及空间和时间尺度。就空间尺度而言,流域面积大小是主要的,大、中、小流域具有因尺度不同而发生显著差异的水文特性;就时间尺度而言,时段的长短极其重要,不同时段的水文量(日平均流量、月平均流量、年平均流量等)呈现出性质迥异的变化特征。显然,水文量的变化规律是和尺度紧密联系的。一般人们掌握的是在一定尺度下的水文量及其变化特性。问题就在于如何从一种尺度水文量及其变化特性去认识和推论另一种尺度的水文量及其变化特性。这种认识和推论无论在理论上和实践上都是非常重要的。例如,利用中等流域的水文资料去推断小流域的水文特性在水文计算中具有重要的实践意义,而这个问题的实质就是空间尺度分析;又如估计水资源量(水量)长期的变化趋势是当前的热点问题,这个问题解决的关键是
收稿日期:2003212229
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271024)。
从“短期”尺度向“长期”尺度外延。这就是时间尺度分析的中心课题。
最近10年,国内外的水文学者大声疾呼水文尺度分析的重要性。文献[1]强调今后主要的研究问题与方向之一就是尺度问题,要解决尺度转换的国际难题。文献[2]着重指出:水文尺度问题是21世纪水文学基础研究的前沿课题。文献[3]将水文尺度研究提高到非常重要的地位,指出在不同时间、空间尺度的现象之间建立其统一的比尺关系,这种比尺关系找到之日将是真正水文学科建立之时。文献[4]全面介绍了生态水文关系相互作用的尺度问题,并一针见血地指出,尺度问题已成为环境科学研究增长点的一个焦点,被美国水文科学特设委员会确定为优先研究的项目。
水文尺度问题之所以成为热点,为国内外关注和重视,其原因是多方面的,但归结来主要是以下几大原因:①人口增长、技术发展和经济活动使得人类对水系统的影响尺度不断扩大;②由于在一定尺度下建立的水文模型对于另一种尺度下一般不适用,为了探索水文现象在各种尺度下的变化特性以适应更科学地利用水资源的要求,尺度分析和转换就成为热门课题;③尺度相匹配的要求引起了对水文尺度分析研究的重视;④最近10多年,新的理论、技术和方法,例如分形理论、混沌理论和子波分析法的引入大大推动了水文尺度分析向实用性发展的进程。
作者简介:丁晶(19352),男,江苏泰兴人,教授、博士生导师。
本文重点论述建立在水文相似性基础上的尺度分析。水文相似性分三种类型:统计相似性、自相似性和动态相似性,下面分别叙述。
2 统计相似性
水文现象受众多因素的影响,其变化呈现出随机性,即变化遵循统计规律。经多年的探索,水文现象所遵循的统计规律在绝大多数情况下,呈皮尔森
第22卷第1期2004年3月
文章编号:100027709(2004)0120001204
水 电 能 源 科 学WaterResourcesandPowerVol.22No.1
Mar.2004
水文相似和尺度分析
丁 晶 王文圣
(四川大学水电学院,四川成都610065)
摘要:水文尺度分析是当前水文科学的热点之一,为国内外水文学者关注和重视。综合论述以水文相似为基础的水文尺度分析,较详细地介绍了水文现象中普遍存在的三种水文相似——统计相似、自相似和动态相似,并根据已有的研究成果说明这些相似在水文中的应用。重点指出,水文相似和尺度分析紧密相联,进一步深入探讨水文现象的各种相似性非常必要。关键词:水文科学;水文相似;尺度分析;综述中图分类号:P33
文献标识码:A
1 概述
水文尺度分析是当今水科学研究的前沿。水文研究范围广泛,小到水质点,大到全球水循环变化,即水文学涉及各种尺度的对象。为了寻求水文学规律,首先要认识一定尺度的水文规律和特征,然后设法找出各尺度之间的联系,获得普遍规律的认识,以用于防洪减灾和水资源可持续发展研究。这就是所谓的尺度分析。
水文现象随空间和时间而变化,必然涉及空间和时间尺度。就空间尺度而言,流域面积大小是主要的,大、中、小流域具有因尺度不同而发生显著差异的水文特性;就时间尺度而言,时段的长短极其重要,不同时段的水文量(日平均流量、月平均流量、年平均流量等)呈现出性质迥异的变化特征。显然,水文量的变化规律是和尺度紧密联系的。一般人们掌握的是在一定尺度下的水文量及其变化特性。问题就在于如何从一种尺度水文量及其变化特性去认识和推论另一种尺度的水文量及其变化特性。这种认识和推论无论在理论上和实践上都是非常重要的。例如,利用中等流域的水文资料去推断小流域的水文特性在水文计算中具有重要的实践意义,而这个问题的实质就是空间尺度分析;又如估计水资源量(水量)长期的变化趋势是当前的热点问题,这个问题解决的关键是
收稿日期:2003212229
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271024)。
从“短期”尺度向“长期”尺度外延。这就是时间尺度分析的中心课题。
最近10年,国内外的水文学者大声疾呼水文尺度分析的重要性。文献[1]强调今后主要的研究问题与方向之一就是尺度问题,要解决尺度转换的国际难题。文献[2]着重指出:水文尺度问题是21世纪水文学基础研究的前沿课题。文献[3]将水文尺度研究提高到非常重要的地位,指出在不同时间、空间尺度的现象之间建立其统一的比尺关系,这种比尺关系找到之日将是真正水文学科建立之时。文献[4]全面介绍了生态水文关系相互作用的尺度问题,并一针见血地指出,尺度问题已成为环境科学研究增长点的一个焦点,被美国水文科学特设委员会确定为优先研究的项目。
水文尺度问题之所以成为热点,为国内外关注和重视,其原因是多方面的,但归结来主要是以下几大原因:①人口增长、技术发展和经济活动使得人类对水系统的影响尺度不断扩大;②由于在一定尺度下建立的水文模型对于另一种尺度下一般不适用,为了探索水文现象在各种尺度下的变化特性以适应更科学地利用水资源的要求,尺度分析和转换就成为热门课题;③尺度相匹配的要求引起了对水文尺度分析研究的重视;④最近10多年,新的理论、技术和方法,例如分形理论、混沌理论和子波分析法的引入大大推动了水文尺度分析向实用性发展的进程。
作者简介:丁晶(19352),男,江苏泰兴人,教授、博士生导师。
本文重点论述建立在水文相似性基础上的尺度分析。水文相似性分三种类型:统计相似性、自相似性和动态相似性,下面分别叙述。
2 统计相似性
水文现象受众多因素的影响,其变化呈现出随机性,即变化遵循统计规律。经多年的探索,水文现象所遵循的统计规律在绝大多数情况下,呈皮尔森