基于主成分聚类分析的青海省水文分区研究
2018-09-10张国栋樊东方李其江
张国栋 樊东方 李其江
摘要：青海省地处我国青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交汇区，地质条件、地形地貌及水文条件复杂。根据青海省自然地理特征及气候特征的空间分布，在主成分聚类分析方法的基础上，通过水文分区合理性分析，采用GIS综合青海省的自然地理特征进行水文分区，将青海省划分为4个一级分区、8个二级分区和20个三级分区，并参照每个分区的典型特征给分区命名，对每个分区的重要水文特性进行了描述。
关键词：自然地理;主成分聚类分析法;水文分区;青海省
中图分类号：P333 文献标志码：A
水文分区是通过综合考察区域的水文特征和气候、地貌地质、植被覆盖等自然地理条件而划分的水文地理区域，其使得同一分区内下垫面和气候条件相似性最大且差异性最小，分区间下垫面和气候条件相似性最小且差异性最大[1]，目的在于从空间上揭示水文特性的相似与差异[2]，提高对水文地理的综合认知水平，指导区域代表水文站的布设[3]。常用的水文分区方法有地理水文分区法、等值线图法、地貌单位线法、流域水文模型参数法及聚类分析法等[4]。传统的地理水文分区法从地形地貌、地质岩土、植被覆盖和景观等自然地理角度[5]进行分析，但对水文特性的差异性与相似性、个性与共性考虑较少，并不等同于用水文资料做出的分区。其他方法在分区时以水量平衡条件大致相同为原则，再参照下垫面因素的相似性划分子区，只能做出单因子分区，一方面在分区时加入了水文分区者个人的经验判断，同时在分区过程中利用流域内水文站点的观测资料进行人工选样，难以保证水文站点密度满足分区要求[6];另一方面，面对众多的单因子分区，进一步全面、综合考虑比较困难，但此类分区可以按一定的精度进行水文因子的地理内插，解决水文资料的移用问题。而水文站网规划和水文综合分析所需要的，是把各单因子分区的类似性进行归纳后做出能够体现全部或大部分水文因子综合效应、概括共同规律的水文分区[7]。
为把诸多水文因子所表現的“集体效应”用计量手段有效地提取出来，20世纪80年代，黄委水文局龚庆胜等[8]参照数据处理的聚类分析原理，提出了“水文分区的主成分分析法”，基本思路：在考察区域地图上，均匀适量地选择一批地理坐标点作为样点，编号并记下经纬度;选择与分区目标有成因联系的水文因子，绘制单项因子等值线图或地理分区图，内插出每个样点相应的水文因子特征值，组成原始因子资料矩阵，经过数据处理与线性正交变换，使原来具有一定相关关系的原始因子变成相互独立、不再含有重叠信息的新变量——主成分，在绘制的主成分聚类图上将聚合在一起的同类样点所代表的空间范围在地图上圈绘出来，构成水文分区图[9]。
水文分区对于研究流域水文特性的空间分布规律、水文资料的移用及水文站网的规划调整都有着重要的意义[7]。本文以青海省为研究对象，根据青海省自然地理特征及气候特征的空间分布，采用GIS及主成分聚类分析法，在对水文分区的合理性进行论证的基础上，通过调整原始因子、修正错误，对青海省进行水文分区，参照每个分区的典型特征给分区命名，并对每个分区的重要水文特性进行描述。
1 研究区概况、数据来源及研究方法
1.1 研究区概况
青海省地处我国青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交汇区，地质构造和地质活动颇为复杂，地势差异特大，地貌类型多样。地表质地类型有裸露的岩石、戈壁沙地、冰碛洪积物、水积湖积物、沉积黄土、沼泽、湿地、淤泥等。植被从草甸草、草原草、灌丛、农作物到乔木林都有分布。气候表现为高海拔地区空气稀薄、日照时间长，低海拔地区气温偏低但季节尚分明。水量赋存状态有河流、水库、湖泊、冰川、沼泽、湿地等。
1.2 基础数据及选取
选用青海省内51处水文站的年降水量、年径流深、年水面蒸发量、干旱指数、悬移质输沙模数、年均气温共6项水文因子作为基础数据。在因子确定后，通过对历史实测资料的检验和分析，分别绘制各因子等值线图或分区图。本次水文分区在工作底图上基本按照等距方格网方式选择180个样点，其中：柴达木盆地，54个样点;羌塘高原内陆区，7个样点;金沙江石鼓以上，22个样点;金沙江石鼓以下，2个样点;澜沧江，8个样点;河西内陆河，10个样点;黄河龙羊峡以上，23个样点;黄河龙羊峡至兰州，36个样点;青海湖、哈拉湖流域，14个样点;泯沱江，4个样点。
1.3 研究方法
在选择确定水文分区影响因子的基础上，利用GIS及主成分聚类分析法，以网格为单元，结合自然地理特征调整因子，得出青海省水文类型分区图。具体步骤：
（1）选择水文因子，即年降水量、年径流深、年水面蒸发量、干旱指数、悬移质输沙模数、年均气温6项水文因子。
（2）选择样点。在绘制的水文因子等值线及分区图上，均匀选择地理坐标作为样点并进行标记，确定经纬度。
（3）内插确定各样点的水文因子，组成原始资料矩阵。
（4）利用主成分聚类分析方法对所有网格进行分组，每一组子网格初步确定为一类水文类型分区，初步构成水文分区图。
（5）在对水文分区合理性进行论证的基础上，采用GIS技术，结合自然地理特征调整原始因子，修正错误，使分区特征与实际情况一致，得出水文分区图。参照每个分区的典型特征进行命名，并定性和定量描述其水文特征。
2 水文分区分析
2.1 水文因子空间变化分析
从总体趋势看，降水量、径流深二者的等值线图具有极强的相似性。祁连及青南地区是青海省降水量及径流深的高值区，年降水量为500～700mm，年径流深为200～400mm;柴达木盆地是全省的低值区，年降水量小于50mm，年径流深小于5mm。柴达木盆地中心为全省最干旱的地区，年水面蒸发量高达2000mm，干旱指数超过50;祁连山、青南地区则为低值区，年水面蒸发量为650～900mm，干旱指数小于2.0。全省气温的高值区及次高值区分别为河湟谷地及柴达木盆地，年均气温分别为8、4℃;全省低温区位于长江、黄河源头区及祁连山一带，年均气温低于-4℃。河湟地区（湟水西宁以下、黄河龙羊峡以下）悬移质输沙模数为300～3000t/（km2a），省内其余地区大都在300t/（km22）以下。
2.2 主成分聚类分析
对180个样点的年降水量、年径流深、年水面蒸发量、干旱指数、悬移质输沙模数、年均气温的资料进行计算，得到的主成分特征值及特征向量见表1。由表1可见，前两个主成分的累计贡献率为82.97%，第一个主成分的贡献率为65.44%;第一主成分中反映水分因素的降水量、径流深、蒸发量及干旱指数的特征向量均较大，降水量、径流深、输沙模数的特征向量均为负值，蒸发量、干旱指数、气温的特征向量均为正值。第二主成分中，输沙模数的特征向量达0.7905，远大于其他因子的。
以经线性正交变换而成的新组合变量G0代表水分条件从湿润向干旱变化，G1代表输沙模数从弱到强变化。以G0作为横轴（称水分轴）、G1作为纵轴（称侵蚀强度轴）建立直角坐标系，将计算的（G0，G1）数据点绘在主成分聚类图中，对上述6项水文因子进行不同组合，总体表现为水分条件是最显著的主成分，其贡献率均超过65%;侵蚀强度在第二主成分中最显著，它对应的特征向量约为0.8。主成分聚类图中从左到右可分为4个大区（一级区），即半湿润区、半干旱区、干旱区、极干旱区。根据其计算值并考虑自然地理地貌情况，在地图上划分二级分区（见表2和图1）。反映水分条件的地理样点从左到右可分为4个大区，即半湿润区、半干旱区、干旱区、极干旱区，但反映侵蚀强度的地理样点主要集中在低值区。聚类区与映射分区中主要分类为柴达木盆地极干旱区，柴达木盆地边缘、茶卡、沙珠玉干旱区，长江、黄河源头半干旱区，黄河丘陵半干旱区，河湟谷地强侵蚀半干旱区，青海湖、哈拉湖半干旱区，祁连山半湿润区和青南半湿润区共8个区，其中：柴达木盆地极干旱区包含了32个样点，柴达木盆地边缘、茶卡、沙珠玉干旱区包含了25个样点，长江、黄河源头半干旱区包含了29个样点，黄河丘陵半干旱区包含了13个样点，河湟谷地强侵蚀半干旱区包含了21个样点，青海湖、哈拉湖半干旱区包含了16个样点，祁连半湿润区包含了16个样点，青南半湿润区包含了28个样点。
2.3 与自然地理法结合的水文分区成果
分区过程中把主成分聚类图的分区作为背景基础（第一级），主要反映气候干湿程度;把大地貌单元作为第二级，主要反映自然地理概况;把较直接影响水文现象和过程的地形、地表质地、植被分布等有关下垫面要素作为第三级，并考虑水系的完整性和水文站网规划的可操作性。本次水文分区拟分3级，一级分区用代码Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表极干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区。
极干旱区的二级分区即柴达木盆地极干旱区，用角标1作为代码（其三级分区代码为-1、-2）。干旱区的二级分区即柴达木盆地边缘、茶卡、沙珠玉干旱区，用角标1作为代码（其三级分区代码为-1、-2、-3）。半干旱区的二级分区有：长江、黄河源头半干旱区，用角标1作为代码（其三級分区代码为-1、-2，-3）;黄河丘陵半干旱区，用角标2作为代码（其三级分区代码为-1、-2）;河湟谷地半干旱区，用角标3作为代码（其三级分区代码为-1、-2、-3、-4）;青海湖、哈拉湖半干旱区，用角标4作为代码（其三级分区代码为-1、-2）。半湿润区的二级分区有：青南半湿润区，用角标1作为代码（其三级分区代码为-1、-2）;祁连山半湿润区，用角标2作为代码（其三级分区代码为-1、-2）。结合省内自然地理特征的综合水文分区见表2和图2。
2.4 水文分区特征
各分区的水文特征及其在青海省的空间分布规律如下：
（1）极干旱区（Ⅰ）。极干旱区内年降水量大都小于100mm（个别区域达到160mm），大都为非产流区，蒸发能力为1350～2000mm，干旱指数大于8.8，且大部分大于50。阿尔金山东麓剥蚀山地极干旱区（I1-1）和柴达木盆地潴水湿地极干旱区（I1-2）为其三级分区。I1-1分区地势为波状平缓山丘，降水量极小，蒸发能力特强，气候极干燥，为低温地区，但年、日温差极大，地表风化特发育，剥蚀作用强烈，山丘顶部多岩体裸露，山坡多覆盖岩屑、砾石、卵石，几无植被生存，形成典型的高山荒漠戈壁自然景观。I1-2分区地势总体广平，河、湖、草滩、盐碱地、沙丘沙地及戈壁交错分布，气候极干旱，降雨量极小，区内自产径流贫乏，分布有达布逊湖、北霍布逊湖、托索湖、盐湖等众多湖泊和面积大小不同的沼泽湿地。
（2）干旱区（Ⅱ）。干旱区内年降水量为160～280mm，年径流深为5～110mm，年水面蒸发量为1000～1400mm，干旱指数为4.1～8.5。该区域内包含祁连山柴达木盆地过渡地带山丘干旱区（Ⅱ1-1）、昆仑山柴达木盆地过渡地带丘源干旱区（Ⅱ1-2）和沙珠玉河流域干旱区（Ⅱ1-3）。
Ⅱ1-1分区主要分布有土尔根达坂山、柴达木山、宗务隆山等山脉，海拔从4500m左右过渡到2500m左右，部分高海拔山峰上发育有现代冰川，地势从山区到盆地边缘逐步平缓，为较大河流的中游区段。气候干旱、降雨稀少，除河谷地带植被尚好外，绝大部分区域是荒芜裸地。区内自产径流有限，但由山区产生通过本区进入柴达木盆地的径流量不小。
Ⅱ1-2分区处于昆仑山北坡向柴达木盆地的过渡地带，昆仑山北坡较陡峭，与柴达木盆地之间高差为1 500-2 500m，源自北坡的诸多河流注入柴达木盆地。该区域水系较发达，过境水流较丰富，人口较密集，经济发展较好。区域内总体属山麓冲洪积倾斜平原、丘源，可称为柴达木盆地的南盆缘，也形成有不少河川盆地及多个自然地貌单元。
Ⅱ1-3分区主要处于茶卡一共和盆地，区内地形多为大小不一的阶地台地及宽谷，台地至沟谷底高差为20～40m，流水侵蚀作用强烈，沟壑纵横，地形破碎，海拔2990～3200m。该区地表覆盖较厚沙层，植被较差，水文特征为气候干旱、降水稀少，区内自产径流较少，径流以地下水补给为主，出山口后转为潜流，在盆地低处溢出，众泉水汇流成河或湖泊。
（3）半干旱区（Ⅲ）。半干旱区年降水量为240～650mm，年径流深为40～190mm，年水面蒸发量为700～1200mm，干旱指数为1.4～4.0。该区域内包含可可西里高原草甸潴水湿地半干旱区（Ⅲ1-1）、长江源头高山冻融半干旱区（Ⅲ1-2）、黄河源头山丘冻融半干旱区（Ⅲ1-3）、共和一兴海荒漠草原风力侵蚀半干旱区（Ⅲ2-1）、黄河峡谷段山地丘陵水力侵蚀半干旱区（Ⅲ2-2）、湟水谷地川水带强侵蚀半干旱区（Ⅲ3-1）、湟水谷地浅山带强侵蚀半干旱区（Ⅲ3-2）、涅水谷地脑山带强侵蚀半干旱区（Ⅲ3-3）、黄河干流黄土丘陵半干旱区（Ⅲ3-4）、哈拉湖高山湖盆冻融侵蚀半干旱区（Ⅲ4-1）和青海湖山丘湖盆水力侵蚀半干旱区（Ⅲ4-2）。
Ⅲ1-1分区位于青海省西南部，处于昆仑山以南、乌兰乌拉山以北，东起青藏公路，西迄省界，为青藏高原腹地，平均海拔在4600m以上，东部为以楚玛尔河为主的长江北源水系，西部和北部是分布着众多湖泊的内流水系。地貌多为较小起伏的高海拔丘陵、台地和平原。受冻融作用影响深刻，植被主要为耐高寒的草甸草被。该区气温较低，以雪为主的固体降水占比较大，水面蒸发不甚强烈，融雪径流较发育，径流多汇聚成湖或沼泽湿地。
Ⅲ1-2分区位于青海省西南部，北邻昆仑山脉、南界为唐古拉山、西依可可西里山，海拔多在5000m左右。该区主要分布有高山荒漠土、高山草甸土、高山草原土、沼泽土等，具有特殊的高原自然地理环境。区内地表水以河流、湖泊、沼泽和冰川形式存在，储量较丰，地下水属山丘区地下水，主要为基岩裂隙水。
Ⅲ1-3分区内黄河源头湖泊较多（约5300多个），拥有全国海拔最高的淡水湖——扎陵湖和鄂陵湖。该区地形为丘陵和盆地，植被为低草牧草，区域内拥有广大的水域湿地，在强烈蒸发作用下，成为当地水汽的重要来源，对内陆循环和当地气候产生较大的影响。主要水文地理特征为地势高，气候干旱，空气稀薄，冰水冻融交替，有较多的潴水沼泽湿地，水汽交换较强烈。
Ⅲ2-1分区即共和一兴海一带地势较平缓、沙层覆盖较深厚、地表多为流动沙丘和平坦的积沙沙地，自然地理景观为荒漠草原，风力侵蚀比较强，具有较独特的水文地理特征。
Ⅲ2-2分区为从玛曲到循化的黄河峡谷段，区域内为一系列走向北西或近乎东西向的大山，河谷忽宽忽窄，出现川峡相间的河谷形态。该区海拔不高，山體陡峭、峡谷下切很深，基岩多有裸露，山地丘陵部分坡地台源地有薄层黄土覆盖，水力侵蚀比较强烈。该区段是黄河水力开发的主要区域，已经建成十数座水电站和水库，对河川径流有较大影响。
Ⅲ3-1分区主要为涅水流域黄土低山丘陵之间的河谷平川，海拔1565～2200m。该地区黄土深厚、坡度较陡、降雨较多，沟谷侵蚀发育，是青海省人居密度最大的地带，基础设施和工业最为集中。
Ⅲ3-2分区基本环绕Ⅲ3-1分区向上延续到山峁边缘，海拔2200～2800m，相对高差300～600m，黄土沉积较厚，降雨较多较强，沟谷极为发育，沟道短、坡度大，是青海省现代水力侵蚀作用最强烈的地段，植被稀疏，水土流失严重。该地区人居较密，社会经济基础薄弱。
Ⅲ3-3分区处于湟水谷地的较高地带，海拔2800～3200m，地貌属黄土高原低山梁峁丘陵，地势平缓，多为宽浅沟谷所分割的梁状丘、圆顶峁，零星分布有高源，地形景观形体浑圆，波状起伏，梁、峁、源坡角约为5°，上覆黄土，植被较好，局部山坡生长次生林，放牧草场占很大的比重。该区地广人稀，降水较多，是湟水许多支流的发源地和主要产流区，水力侵蚀比较严重。
Ⅲ3-4分区主要指贵德—循化一带的黄河区段，河谷虽然有较深的切割，但黄土高原地貌类型也很明显，有起伏平缓的丘陵、开阔广平的河谷盆地及零星的高源台地，黄土覆盖厚薄不一，降雨较多，植被良好，人居不少，农牧业较发达。
Ⅲ4-1分区处于祁连山系中段，主要分布有走廊南山、托勒山、托勒南山、疏勒南山等高山和哈拉湖盆地。其中：疏勒南山由数个相对高差不大的主峰聚集组成块状山体，海拔4500～5000m，是祁连山系的最高峰（主峰岗则吾结峰海拔5826.8m），该山也是祁连山系中现代冰川最为发育的一条山脉。
Ⅲ4-2分区属于雨源水文区，但青海湖是咸水湖。青海湖东侧的日月山是一条北西向的断块山，海拔4000m左右，为我国季风区与非季风区、外流流域与内流区域的分界线，是传统观念上黄土高原的最西缘、青海省内农业区与牧业区的分界线，也是我国非常重要的一条自然地理分界线。布哈河流域是祁连山系向青海湖高原盆地的过渡地带，上游呈现高山景观，中下游则为山丘地貌。青海湖盆地山湖之间是向湖区倾斜的流水坡积平原，尽显广柔的草原风光。
（4）半湿润区（Ⅳ）。青南半湿润区年降水量为400～780mm，年径流深为150～400mm，年蒸发能力为700～890mm，干旱指数为0.9～1.8，输沙模数为40～200t/（km2a），年均气温为-4～4℃。包括青南高山草原冻融侵蚀半湿润区（Ⅳ1-1）、青南高山林地水力侵蚀半湿润区（Ⅳ1-2）、祁连山北部冻融侵蚀半湿润区（Ⅳ2-1）和大通河流域高山盆地水力侵蚀半湿润区（Ⅳ2-2）。
Ⅳ1-1分区为明显的冻融侵蚀区，总体地势高，但地形较平缓，间有高山峡谷，植被覆盖以草甸草、灌木丛等低等植物居多，大部分地区是宽广平坦的草滩、草甸，牧草生长良好。降水较多，降水量略小于蒸发量，呈半湿润气候特征;坡地平地蓄水能力强，多沼泽湿地。
Ⅳ1-2分区位于Ⅳ1-1分区南部，海拔较Ⅳ1-1区较低，但地形坡度较陡，降雨量大，降水与蒸发量大致持平，气温等条件适合生长高大的乔木，是重要的林区，农业也较发达。该区的水文特征是产水多外流也多，储水能力不如Ⅳ1-1区强。
Ⅳ2-1分区多高山峻岭，平均海拔4800m，许多山峰常年积雪或为冰川覆盖，尽显半湿润状况，气候高寒，为明显的冻融侵蚀区。
Ⅳ2-2分区的地势特征为大通河干流河道被两侧高山夹持，西北高、东南低，海拔为1650～4700m。流域水系呈羽毛状，干流河道峡谷与盆地相间分布，峡谷深窄，水势湍急、下切力强，水流落差大，水能资源丰富。盆地为开阔的草原，也有农耕开发，但生态环境脆弱。青石嘴以上为上游，主要特征是遍布高山草原，间有林区，气候寒冷湿润;青石嘴以下为中下游，适宜森林和农作物生长。该区降水量较大，为明显的水力侵蚀区。
水文分区是对水文气候和水文地理的综合，也体现水文观测和自然地理考察等方面的工作成就和认知水平。从分区成果看，高原、高山、沙漠、戈壁等高寒缺氧、人烟稀少的地区分区较粗，河湟地带的黄土高原分区较细，这与青海省的客观情况和水文发展的水平及需求是一致的。
3 结语
青海省深居内陆，从海洋远距离输运来的水汽有限，水文大循环发展轮次较少，但本地的蒸发聚集产生局地降水的随机性很强，水文小循环较活跃。地理外营力的风力、水力、冻融及重力坍塌都有活动区域和表现场合。地形地貌复杂，且水体存储状态多种多样。青海省的人居主要偏于河涅地带的黄土高原，人们对这里的开发利用程度較高，认识也较深刻;广大的高原、高山、沙漠和戈壁高寒缺氧，人烟稀少，人们对其认识相当有限。
本次水文分区将水文定量参数统计的主成分分析方法与自然地理景观特征结合起来，从分区成果看，高原、高山、沙漠、戈壁等高寒缺氧、人烟稀少的地区分区较粗，河湟地带的黄土高原分区较细，这与青海省的客观情况和水文发展的需求是一致的。通过水文分区也发现一些水文现象（概念）的描述存在矛盾或不适合的地方，比如从蒸发能力和降水的对比考察气候干湿的总表现，柴达木盆地腹地为“极干旱”区，但又汇集贮存着较丰富的水资源，遍布胡泊、沼泽和湿地，似为“重度涝”区，有悖于干旱的常识概念。诸如此类的疑问有待探讨。
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