生态水文区划研究进展

白梦婷，李发文，杨锁林，白锐峥

（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072； 2. 太原市水资源管理保护中心，山西 太原 030002；3. 山西省农业生态保护与资源区划中心，山西 太原 030002）

0 引 言

随着全球气候的变化以及人类活动的影响，流（区）域生态过程发生了显著的变化，水文情势也因此出现了新的格局，随之带来的是一系列生态环境及社会经济的可持续发展问题［1］，其中淡水资源短缺是最重要的问题之一。在此背景下，生态水文学作为一门水资源管理的科学，在20 世纪90 年代由INGRAM 首次提出［2］，1992 年在都柏林国际水环境大会上正式明确了生态水文学（Eco-hydrology）概念［3，4］。目前，生态水文学主要研究生态过程与水文过程的耦合机制与发展规律，其已成为生态学和水文学研究的热点问题之一［5］。

近年来，水资源短缺、水资源时空分布不均、水资源浪费、水污染等问题突出，掌握时空变化下水资源分布规律、制定适合当地生态环境可持续发展的生态保护策略［6］，确立基于水资源承载力条件下的流域管控模式及水资源开发战略，已成为当前水资源合理配置的紧迫需求。要实现以上需求和目标，生态水文区划是基础，生态水文区划目标是为不同生态系统和不同水文特征条件下的分析和评价提供最小的管理单元［7］，只有对流（区）域进行生态水文区划进而制定水资源管控模式，才能符合“适宜性管理”的理念［8］，即个性化管理。

研究从生态水文区划发展历程、生态水文区划指标体系构建、生态水文区划划分方法等方面总结其相关进展，并对未来生态水文区划的发展动态做出展望，以期为制定基于生态水文区划的水资源管控模式提供思路和参考。

1 生态水文区划发展进程

生态水文分区划定亦称作生态水文区划，是指对特定流（区）域某一种或多种生态系统水文特征进行分类与整合。生态水文区划概念是由生态区划与水文区划演进而来的。

图1 生态水文区划演进研究历程表Fig.1 Research history of ecohydrological regionalization evolution

1.1 生态区划发展历程

生态区划是为获得植被的分布规律及特征而对不同生态系统进行区划。生态区划可为确定生态环境管理目标，进一步开展生物多样性保护工作打下坚实的理论基础［9］。生态区划常选用地形、地貌、土壤、气候等生态因子作为指标项，利用地理信息技术（Geographic Information System，简称GIS）、聚类法、主成分分析法等多种方法划分等级。

从19 世纪初到20 世纪70 年代，自然区划分级理念［10］—自然地带学说［11］—气候植被分类思想［12］—不同生态系统的划定方案［13］等研究的兴起，逐步衍生出了生态区划的概念［14］。直到1972 年，生态学家BAILEY［15］首次提出了美国四级体系的生态区划方案，自此生态区划理论走向成熟。20 世纪80 年代以来，以国家为尺度的区划研究成果显著，但以全球尺度的区划并不多见，这可能是由于数据资料的匮乏导致的。BAILEY［16］在研究美国和北美生态区域的基础上编制了全球陆地生态区划图，WIKEN［17］完善了加拿大全国区域内的生态区划方案，且完成了陆地和海洋不同生态系统的生态区划。21世纪以来，由于矢量文件及遥感数据等资料的完备，全球尺度的区划研究也逐渐涌现。OLSON［18］在BAILEY 的研究基础上，集成了诸多学者对区划方案的研究，最终再次制定了全球陆地生态区划方案。SPALDING［19］及ABELL［20］分别对全球尺度下的海洋生态系统及淡水生态系统进行了区划，为生物多样性保护提供了坚实的理论依据，此后生态学学者在生物多样性保护研究方面略有成效［21，22］。

国内对生态区划研究相对较晚，早期多侧重于自然状态下定性的生态区划，但随着经济社会的不断发展，人类活动对生态环境的干预作用增强，20 世纪80 年代初开始国内涌现出人类活动强烈干扰下生态区划的研究热潮，很大程度推动了生态区划研究进程。2001 年，傅伯杰［23］将我国西部划分为7 个一级区和22个二级区，并在区划过程中将人类活动较为强烈的地域单独划分出来，如农业生态区的划分；2012年，谢高地［24］采用定量方法即空间叠置及模糊聚类法将全国分为4 个生态大区，11个生态地区和63个生态区，该研究也首次保证了县域边界的完整性，可为各地开展生态环境评价提供强有力的理论支撑；2013 年，傅伯杰［25］进一步扩大尺度，考虑生态敏感性和人类活动等要素研究全国尺度下的生态区划。除了因生态地理格局不同而进行的生态划分之外，国内学者也重视根据生态系统的特征和类型不同进行区划研究。2001年，李森［26］对青藏高原土地沙漠化进行生态区划；2005 年，倪健［27］对西北干旱区进行生态区划；2008 年，徐文铎［28］对东北植被区进行生态区划；2013年，申元村［29］对沙漠戈壁区进行生态区划，土地沙漠化等现象本身就是人类过度利用土地，以及水资源-生态环境之间不协调的产物，揭示地域差异的内在不同，进行区域的划分，有利于相关部门达成管理目标［30］。目前，生态区划研究的发展不仅仅是生态地理及特征的区划，更侧重于生态功能区划［31］，生态功能区划多关注于人与自然协同发展，以及区划结果对区域的指引意义。

1.2 水文区划发展历程

水文区划是为了解水文特征的规律而对特定区域进行区划。水文区划可为水文监测站点的布置、水资源管理及配置提供数据支撑。水文区划主要针对降水量、径流量、蒸发量等水文因子作为指标项，利用聚类、模糊聚类、流域水文模型等进行水文区划。

水文区划的研究侧重于区划方法的研究及改进。国外水文区划的研究最早开始于1981年，MOSLEY［32］利用聚类法对新西兰洪水水文数据进行分析，结果表明水文区划不适用于较小复杂的区域，如新西兰，而更适用于水文要素在空间上具有相对均一性的大区域，例如美国中西部和非洲。1982 年，TASKER［33］将聚类分析方法成功应用到水文区划的研究中。1990 年，NATHAN［34］使用多元回归将聚类分析法进行改进，选择和加权最合适的变量，然后使用聚类分析得出初步分组，最后使用多维绘图技术和最小化初步分组进行异质性水文分类。以上水文区划的方法聚焦于传统聚类法，随着人类认知水文循环过程的提高以及计算机技术的发展，计算机模拟及新型聚类算法逐渐兴起。2000 年，CHIANG［35］首次采用时间序列模型构建了16 个水文参数，通过聚类算法将阿拉巴马州、乔治亚州和密西西比州划分为6 个水文区划。2005 年，RAO［36，37］研究了混合聚类算法以及模糊聚类算法在水文区划中的有效性。2011年，OLDEN［38］总结了水文区划研究的框架以及常用方法。

我国学者对水文区划的研究较早。1954年，罗开富［39］教授首次拟定了中国水文区划草案，将中国分为三级九区，虽然区划分级较粗糙，但确是一个良好的开端。1956 年，中国科学院地理研究所以径流深、河水季节变化、水利条件为指标，进一步细化了区划分级，将全国分为13 个水文区，46 个水文地带和89个水文省，基本上全面地反映了全国水文区域的面貌和特征，在水文区划工作领域是一个标志性的研究成果。由于测站布设的不完善且数据序列较短、野外监测资料的稀缺等均导致国内早期的水文区划研究较粗糙。到20 世纪80 年代，胡凤彬［40］等在福建、浙江、江西、湖南四省范围内111 个区域进行了日流量过程的模拟，并通过模拟参数与地形地貌、植被等因子的单向性关系进行综合水文区划。自此，流域水文模型参数法逐渐进入大众视野，但国内鲜少用此方法进行水文区划，主要是因为调试模型较复杂，且精度不好把控。到20 世纪90 年代，随着测站数量增多，监测数据充足，基础资料的获取逐渐变得容易，水文区划的精度也越来越高。1995 年，熊怡［41］利用径流量、气候带等指标在全国尺度开展水文区划研究，依据我国的地域差异和水情差异划分了11 个一级区、56 个二级区。近年来，一些新的区划方法被引进到水文区划中，如混合聚类、模糊聚类等方法引入到水文区划，取得了较好的成果［36，37，42］。

1.3 生态水文区划发展历程

国内外生态领域研究者主要进行生态区划，水文研究者主要进行水文区划，面向生态的水文区划属跨学科跨领域的研究。生态水文区划是在考虑生态过程与水文过程互馈效应的基础上，为揭示生态水文现象地域性规律进行的区划。以区划为基础，制定基于水资源承载力条件下的流域管控模式及水资源开发战略是区划的最终目标。生态水文区划是在生态区划与水文区划研究的基础上发展而来的，故研究时间较晚、研究方法较新，但研究成果较少。

国外学者多集中于生态区划、水文区划、农业区划、地理景观区划等其他区划的独立研究，对于生态水文区划的研究较少。国内直到2005 年，生态水文区划才进入学者们的研究范畴。尹民［43］率先界定了河流生态水文区划的内涵，开启了生态水文区划的研究，随后诸多学者也逐渐开展生态水文区划研究［41-70］，而近年来，大尺度的生态水文区划研究成为研究热点，如张洪波［56］在黄河流域开展生态水文区划工作，魏兆珍［73］对海河流域进行生态水文区划，刘延国［50］在青藏高原进行生态水文区划等。

2 生态水文区划研究方法

生态水文区划的目标主要是根据不同指标进行区域生态水文界限的确定。其研究流程是：确定研究尺度（框定范围）→构建生态水文指标体系（基础与理论基础）→选择适合的区划方法（核心与重点）→对研究区域进行区划（目标与任务）。

2.1 研究尺度的确定

进行生态水文分区划定，首先要明确研究尺度，研究尺度包括时间尺度和空间尺度［44，45］。目前关于生态水文区划的空间尺度多集中于全球、流域或区域等大尺度上的过程研究，时间尺度主要以年际时间序列或多年平均序列等长序列固定时间段为主。

李相南［46］空间上对全球尺度进行了分析，时间上利用1960-2017 年年际气象、生态、水文数据，构建了考虑人类水资源开发利用的全球气候-生态-水文区划。何旭亚［47］空间上以横断山山区为研究对象，时间上开展了1970、1980、1990、1995、2010、2015、2018 年共7 期的基于生态-气象-水文区划的研究。李淑霞［48］空间上以宁夏回族自治区为研究对象，时间上利用生态系统、水文水资源和社会经济条件多年平均数据的基础上，将宁夏划分为4 个区域，并对各区域水资源开发利用提出思路和建议。

截止目前，较小尺度的生态水文区划研究并不多，这是因为区域较小时，水文、生态相似性比较单一，并不会产生异质化现象，但从区域管理角度出发，大尺度的研究无法匹配具体的管理目标，故缺少生态水文区划为水循环及生态保护提出实际管控策略的应用；在时间尺度上，以年际时间序列或多年平均时间序列等连续固定时间段的研究较多，并没有考虑时间动态变化影响下的生态水文类型区划的不同。

2.2 指标体系的构建

如何能从现有资料入手，经过叠加、计算、模拟等方法获取生态水文情势，进一步根据生态水文特征对区域进行划分是目前研究的重点。为了使生态水文区划更加科学合理，需要选取较为独立且敏感的指标［49］，以期充分反映区域的生态环境情势、气象条件以及水文特征。选取合适的指标即构建生态水文指标体系将是研究生态水文变化及区划的基础与理论依据。不同学者根据区域的独特性选取不同的指标构建生态水文综合指标体系。

流域生态水文指标体系的选取要强调其表征与评价功能，需遵循“易代全”原则：

（1）指标的易获取性：在选取指标时，应主要考虑指标获取的难易程度，尽量选取难度低的指标进行评价。尹民［33］、杨爱民［42］选取降水量、径流量、径流系数等多个生态水文因子构建生态水文指标体系，以上指标均可由全国水资源综合规划统计资料及全国土地利用图直接获取或经简单处理得到。

（2）指标的代表性：即应抓住表征流域生态水文情势主要矛盾的主导因素，能够准确反映特定流域特定尺度条件下生态水文特征。刘延国［50］针对山地灾害严重的青藏高原东缘地形急变带选取高程、坡度等指标，蔡燕［51］针对黄河流域水资源匮乏及生态环境污染问题，选取土壤侵蚀模数、植被覆盖度等指标构建指标体系。

（3）指标的全面性：选取指标时要全面，既要考虑生态现状和水文情势，亦要考虑空间特性（地形、气候等）及人类干扰因素。杨爱民［42］、王韶伟［52］等选取生态环境、水文条件、人类活动等不同维度指标全面构建生态水文指标体系。

在构建指标体系的基础上，还必须对指标的重要性进行赋权，即对各指标在整个体系运转过程中的影响力大小进行评价。指标的权重确定方法主要包括主观法和客观法。

主观赋值法指的是对所选指标进行定性分析，邀请行业知名专家进行探讨，构建成对判断矩阵，并计算其最大特征值，最主要的方法是层次分析法（The Analytic Hierarchy Process，简称AHP）。孙艳［53］邀请相关专家讨论并利用层次分析法确定指标权重，最终对南水北调东线一期工程受水市县划分为5个区划，区划结果将为农业水资源和节水农业的发展提供个性化策略。

客观赋值法指的是将所选指标进行定量分析计算，主要包括主成分分析［34，54，55］、相关分析［56］和熵值法［6，57］。NATHAN［34］、DAVID［54］、林蔚［55］利用主成分分析法对所选指标权重进行赋值；张洪波［56］采用PEARSON 相关分析法对黄河流域生态水文指标进行赋权，并构建了黄河生态水文指标体系；AGARWAL［57］利用基于小波的多尺度熵确定指标权重；尹晔［6］通过计算指标的熵值、熵权确定权重。

目前生态水文指标体系构建尚未形成统一的研究方法，且受主观因素影响较大，经验选取较多，随意性较强；指标的选取并不是越多越好，亦不是越少越好，需要制定一定的原则，有选择地选取具有代表性、易获取的指标，舍弃一些与生态水文研究不相关的边缘指标。

2.3 区划方法的选择

构建生态水文区划指标体系及对指标进行赋权之后，即可进行区划计算。区划方法要根据一定的途径或通道实现，这种途径可分为“自上而下”和“自下而上”［58］。“自上而下”的通道主要面向国家尺度前三级单位（大区、地区和区），精准度较高，但越往细划分，指标越难选择，界限越模糊，且无法考虑人类活动的影响，故该种通道不适合流域尺度的划分；“自下而上”的通道是对某流（区）域生态水文指标相似性进行合并，逐级往上得到区划单元，但该种通道工作量较大且只能在已有土地类型图资料的流（区）域进行。

流域生态水文区划方法从宏观角度可分为定性方法与定量方法［59，60］。定性方法即邀请行业知名专家进行研讨商议，最终确定区划结果，该种方法受主观认知影响较大，随之带来较大的主观性和随意性，故现作为辅助区划方法；定量方法即在一定的理论基础和计算方法下进行区划，主要包括叠置分析法、传统聚类分析法及“新”聚类法等。

（1）叠置分析法。叠置分析法又叫专题图叠加法，是以生态水文学原理为基础，以陆地系统科学方法为依托，利用地理信息系统的分析功能，进行数据的简单叠加和处理。

尹民［43］采用自上而下逐级划分的研究思路，利用GIS 的叠置分析功能，在以全国水资源区划基础上叠加地貌区划图、干燥度图和径流带分布图作为二级区划，同样以相同的方法在二级区的结果上叠加全国水资源三级区划图、水系与水库节点分布图以及湖泊湿地分布图作为三级区划。DAVID［54］利用地理信息系统GIS 对美国的水文景观区划分为20 个不连续的区域。倪健［27］以专家经验判断及地理信息系统相结合，将西北干旱区划分为3 个生态域、23 个生态区和80 个生态小区。NABATI［61］利用模糊逻辑和地理信息系统原理，首次提出抗性品种，以春、秋作物的形式确定伊朗西部鹰嘴豆的最佳种植生态区划。

以上专题图叠加方法在研究与实践应用中较为普遍，且常用于大尺度的生态水文区划，中小尺度并不适用，这是因为：利用叠置法对中小尺度生态水文进行区划，势必会产生更多的区划指标，分析时容易出现无法合并的碎斑块，如若留下不理会，则会增加区划的种类，组内样本个数较少，不具有代表性；如若去除，该碎块处如何处理需考虑，徒增工作量，且会失去区划的原有意义。

（2）传统聚类分析法。聚类分析法是研究多个随机变量之间相关依赖关系以及内在统计规律的方法，它将大量相似样本划分为一个类别，即遵照“物以类聚，人以群分”的主旨思想。传统聚类分析法主要指的是K 均值算法（K-means clustering algorithm，简称K-means）。K-means 聚类法是对样本进行不断迭代并调整质心，以达到各点到质心距离平方和最小的分类方案。目前，传统利用聚类分析法是生态水文区划较为常用的方法之一。

林蔚［55］利用K-means聚类方法，设定聚类数为5，对我国汀江上游流域生态水文空间差异性进行研究，经过16 次迭代分析，最终划分为汀江干流下游多水区、汀江干流上游平水区、七里河少水区、铁长河和郑坊河上游多水区以及七里河和郑坊河下游平水区。姬海娟［62］利用K-means 聚类方法，设定聚类数为5，将我国青藏高原雅鲁藏布江流域划分为高寒荒漠区、高原温带河谷区、高原峡谷稀林区、高原冰川雨雪区和，亚热带山地多雨区，以达到有资料地区向无资料地区水文资料移用的目标。张璐［63］利用系统聚类法，设定聚类数为5，对南水北调中线一期工程受水区进行了生态水文区划，最终将其划分为豫平原少水极强度活动生态水文区、豫北冀平原缺水极强度活动生态水文区、沧州地区极缺水极强度活动生态水文区、北京缺水强度活动生态水文区以及天津极强度活动生态水文区。

传统聚类法虽能保证算法的稳定性和准确率，以实现流域或区域区划，但仍存在以下问题：①传统聚类法受异常值及噪音值影响较大，并不能准确识别出异常值，常导致区划的相似性较差；②传统聚类法通常适合于分类数目已知的聚类，对于无法提前设定分类数目的聚类，无法使用该方法，故较为死板，又称作“硬聚类”；③根据传统聚类“欧氏距离”的理解，传统聚类只对简单的、分离性能好的且圆形分布的数据有比较好的结果。

（3）“新”聚类法。“新”聚类法指的是任何基于“聚类”法的改进方法。例如基于人工神经网络的聚类、基于模糊算法的聚类等。

人工神经网络（Artificial Neural Networks，简称ANNs）是通过模拟人的大脑，将复杂的数据进行自适应处理。目前，ANNs技术已广泛应用于聚类算法中。例如王韶伟［52］分别用系统聚类法与自组织特征映射人工神经网络（Self-Organizing Feature Map，简称SOFM）聚类法对福建省泉州市进行区划，通过分析比较，SOFM 网络聚类法更能反映人类影响下各地域生态水文特征。

模糊聚类法是将模糊数学理论运用到聚类分析法中，是传统聚类法的一种改进方法，即用模糊数学的方法确定样本之间的定量关系，模糊聚类法更加灵活，能够更好更精准地聚类，又称“软聚类”。丁亚明［64］利用改进的神经网络模糊聚类算法基于主成分分析结果，对淮河流域124716 个原始数据进行了处理，该种方法在一定程度上解决了模糊C-均值聚类算法的局部收敛问题，能够提高时间效率和求解精度。杨爱民［42］采用ISODATA（Interative Self Organizing Date Analysis Technique A）模糊聚类分析法进行运算，将全国划分为3个生态水文大区，36个生态水文区。

“新”聚类法已逐渐进入生态水文学者研究领域，目前该方法在水文区划及其他学科中应用较广泛，但在生态水文学的研究并不多。笔者认为出现这种状况的原因是水文区划概念已存在较长时间，但生态水文研究是近来兴起的课题，尤其面向生态的水文区划亦就是近10年以来才成为热门的研究方向。

3 生态水文区划研究难点与发展趋势

3.1 研究难点

（1）如何构建合理的指标体系。生态水文区划研究的基础与理论依据是指标的选取，指标选取的是否合理，对于后续的生态水文区划工作具有重要的意义，因此指标体系的确立必须依靠一定的理论基础及计算方法。但目前指标的选择及权重的赋值较随意，且与研究者的科研经验密切相关，主观性较强，定量筛选研究的精度还有待提高。

（2）如何扩大研究范围。目前生态水文区划研究主要集中于大中尺度或经济发达地区，这是因为大中尺度或经济发达地区水文站网密度较大，水文资料较丰富，可通过水文站直接获取到水文数据，但小尺度或山区河流、无资料地区，由于缺乏基础数据支撑，生态水文区划研究几乎为空白。

（3）如何提高生态水文区划精度。目前生态水文区划虽大多采用定性分析与定量分析结合的方法，但仍旧面临提高定量分析精度的问题。例如基于地理信息系统GIS 进行叠置分析时，会出现无法聚类的碎斑块；基于传统或K-means 聚类法进行分析时，适合于分类数目已知的聚类，对于无法提前设定分类数目的聚类，无法使用该方法等问题。

3.2 发展趋势

针对生态水文区划研究的复杂性、区域性及交叉性，未来研究方法及思路呈现出以下趋势：

（1）定性与定量结合筛选评价指标。在对生态水文相关指标进行定性初筛后，还是会存在指标多、范围大、维度高等问题，因此需要引入定量方法进行降维处理，例如主成分分析法、因子分析法等，即找出可用少数代表多数的指标，亦可用少数的指标高度概况多数指标，且彼此间互不相关。除此之外，利用组合权重法对指标进行赋权，综合考虑了指标本身重要程度及客观事物之间的关系，组合权重法在水质评价［65，66］及水资源承载力评价［67，68］等方面都得到了广泛应用，有效提高了评价的科学性，在未来生态水文区划的研究中也可引进此方法。主客观组合赋权法将是未来构建生态水文指标体系的主要发展目标。

（2）多源数据融合。许多区域水文测站并不完善，某些地区也因为下垫面和气候条件的变化导致过去的水文资料不再适用。利用水文相似法将有资料地区数据移植到缺乏资料地区［69］，或可考虑利用遥感卫星降雨数据与相近站点雨量数据进行对比率定，从而通过数据订正等多种优化方法融合多源数据。多源数据融合将是解决无资料地区水文数据获取的重要研究方向。

（3）优化区划方法。随着人们对生态-水文相互作用机理的认识逐步扩大和加深，一些计算机专业学者也进入生态水文区划研究圈，通过计算机语言实现聚类，很大程度上提高了聚类的灵活性及精准度。在未来研究中可优化常用的K-means算法，例如高斯混合模型聚类可对不同分布的数据拟合更加准确、密度聚类可充分识别出数据的异常值、狄利克雷过程混合模型可无需在聚类前确定区划类别数量等。除此之外，Li［70］采用随机向量对无资料地区开展水文区划工作、胡秀［71］以红姜花为例，采用MaxEnt模型对近自然林模式栽培的野生植物进行引种区划等，这些区划的 “新”方法都将是未来生态水文区划工作的研究重点。

（4）目前，水文水资源区划主要做固定时间段的研究，而生态系统较敏感，容易受周围环境的影响，例如气候变化、土地利用、植被覆盖等，当这些环境因子随时间发生变化时，生态系统也会随之发生改变，生态水文区划中需考虑这种变化带来的影响。例如2014 年，魏兆珍［72］以海河流域为研究对象，对水文类型区划中充分考虑了土地利用的变化。故未来的研究可按照一定的分期进行生态水文区划动态监测或预测区域未来生态水文区划的趋势，为分阶段制定水资源管理制度或流域水资源管控模式提供更合理的、科学的依据。

4 结 论

生态过程与水文过程互馈互利，相伴而生，两者之间的关系和影响错综复杂。面向生态的水文区划研究可为管理者制定流域管控模式及水资源开发战略提供有利抓手，为决策者制定生态保护政策提供坚实的理论基础。

目前国外的研究主要集中于生态区划或水文区划的单独研究，考虑生态与水文耦合关系的区划研究较缺乏。而国内生态水文区划的研究虽然已开展，但都集中于主成分分析及聚类法等传统方法、固定时间段的分析以及大中空间尺度的研究等。优化评价指标体系、融合多源数据、提升区划方法精度以及监测区划动态变化将是未来重要的研究方向。