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  中国水土保持科学   2023, Vol. 21 Issue (2): 144-154.  DOI: 10.16843/j.sswc.2023.02.017
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引用本文 

柯奇画, 张科利. 我国径流时空尺度效应问题研究进展[J]. 中国水土保持科学, 2023, 21(2): 144-154. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.02.017.
KE Qihua, ZHANG Keli. Spatial and temporal scale effect on runoff in China: A review based on literature statistical analysis[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2023, 21(2): 144-154. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.02.017.

项目名称

国家自然科学基金重点项目"西南黄壤区不同尺度土壤侵蚀与泥沙运移规律耦合关系"(41730748)

第一作者简介

柯奇画(1993-), 女, 博士。主要研究方向: 土壤侵蚀与水土保持。E-mail: qihuake@mail.bnu.edu.cn

通信作者简介

张科利(1962-), 男, 博士, 教授。主要研究方向: 土壤侵蚀与水土保持。E-mail: keli@bnu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2021-08-31
修回日期：2022-06-24
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
我国径流时空尺度效应问题研究进展
柯奇画 , 张科利     
北京师范大学地理科学学部 地理学院地表过程与资源生态国家重点实验室, 100875, 北京
收稿日期：2021-08-31; 修回日期：2022-06-24
项目名称：国家自然科学基金重点项目"西南黄壤区不同尺度土壤侵蚀与泥沙运移规律耦合关系"(41730748)
第一作者简介：柯奇画(1993-), 女, 博士。主要研究方向: 土壤侵蚀与水土保持。E-mail: qihuake@mail.bnu.edu.cn
通信作者简介：张科利(1962-), 男, 博士, 教授。主要研究方向: 土壤侵蚀与水土保持。E-mail: keli@bnu.edu.cn
摘要：通过文献定量分析法，从时间历程、研究主题、研究机构、时空尺度分布、研究区分布、研究方法和数学模型等方面，对我国径流尺度效应的相关研究进行分类统计。结果表明：1）研究发展历程可分为1989—2000年的早期阶段、2001—2006年的快速发展阶段和2007年后的稳定发展阶段。2）时间尺度以年际尺度和次降雨尺度为主；空间尺度以流域尺度为主。3）研究区的流域分布以黄河和长江为主；水土保持分区以西北黄土高原区为主，其次是西南紫色土区、南方红壤区和北方土石山区；地形区分布以高原为主，其次是山地、丘陵和平原；气候区分布以降雨较多的湿润和半湿润区以及气温较适宜的暖温带、亚热带和中温带居多。4）研究手段和方法种类繁多，且不同研究方法和数学模型所适用的时空尺度可能存在差异。未来应加强极端暴雨洪水过程时空尺度问题的研究，应注重对水文连通性尺度效应、变尺度水文预报模型以及尺度转换等研究主题的关注。
关键词：径流    时间尺度    空间尺度    文献计量分析    
Spatial and temporal scale effect on runoff in China: A review based on literature statistical analysis
KE Qihua , ZHANG Keli     
State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, School of Geography, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, 100875, Beijing, China
Abstract: [Background] Scale effect on runoff is a frontier and hot issue in the field of hydrology and water resources. Since the end of the 1980s, many researchers in China have carried out a wide range of related studies across the country. However, the existing relevant review articles have not yet systematically and quantitatively analyzed the study of the scale effect on runoff in China from the overall progress and regional distribution. [Methods] Based on the 517 pieces of literature in six bibliometrics databases and through the method of word frequency analysis, we reviewed the studies of the scale effect on runoff in China. Specifically, we summarized the studies from the development history, research topics, research institutions, distributions of spatial and temporal scale, study areas, research methods, and mathematical models. The searching pattern in the CNKI database was Title=(((runoff OR hydrolog* OR flood OR "overland flow" OR "base flow" OR "stream flow" OR "river flow) AND (*scale OR *scaling) NEAR/1 (*temporal OR time* OR spatial* OR spatio* OR different OR multi* OR effect OR affect OR impact OR influence OR dependent OR transf* OR convers* OR analy* OR issue)). [Results] 1) The development history of relevant research could be divided into three stages: the initial stage from 1989 to 2000, the rapid development stage from 2001 to 2006, and the stable development stage after 2007. 2) Inter-yearly scale and rainfall event scale predominated in the temporal scales; watershed-scale predominated in the spatial scales. 3) Regarding the river basins, the Yellow River and Yangtze River were the main study areas. Regarding the soil and water conservation zones, considerable studies were conducted in the northwestern Loess Plateau, and then followed by the southwestern purple soil region, southern red soil region, and northern hilly and mountainous region. Regarding the terrain types, many studies were clustered in the plateau, and then followed by mountain, hill, and plain. Regarding the climate zones, most study areas were located in humid and semi-humid areas that had adequate rainfall as well as in warm temperate, subtropical, and mid-temperate zones that had a suitable temperature. 4) There were a wide variety of research methods, and different research methods and numerical models were applicable to different temporal and spatial scales. [Conclusions] Overall, the scale issue of runoff or hydrology still has an urgent need for further exploration and discussion. Research on the spatio-temporal scale issues of flood processes regarding extreme rainstorms should be further strengthened. Also, attention should be paid to the subjects of scale effect on hydrological connectivity, variable-scale hydrology model, and scale conversion. This review may provide basic data for a systematic understanding of the research status quo of the scale issue in hydrology in China, as well as directions for future research and work in the fields of hydrology and soil and water conservation.
Keywords: runoff    temporal scale    spatial scale    bibliometrics analysis    

尺度问题对于地表过程及水土流失研究具有重要意义。径流作为陆地上重要的水文现象，是水分循环和水量平衡的基本要素，也是土壤侵蚀的重要营力和泥沙输移的主要载体。径流是一个具有时空变化的动态概念，也是一个包括水、沙和溶质运移的多相流过程；因此，径流尺度效应在狭义上指径流模数随时空尺度的变化规律，而在广义上则是一个同时涉及水、沙和溶质的多相流随时空尺度的变化规律的问题。作为当今地学界和水文学界研究的前沿与热点问题之一，径流尺度效应问题近年来受到众多研究者的广泛关注。由于水文现象及其影响因素的空间异质性及时空变异性，在某一尺度上观测到的特征或规律在另一尺度上的表现可能不同[1]。小尺度上的径流结果或产流模式应用到大时空尺度上时很困难，而通过大尺度观测到的水文数据推算无资料的小尺度径流特征的难度也很大；且由于区域的差异性，一个地区的研究结果在应用到其他差异性较大的地区时也可能存在困难。径流尺度效应问题不仅是一个科学挑战，而且还是水文预报、水利工程防洪设计和水土流失治理中需要面临的实际问题[2]。现有的综述性文章缺乏对径流尺度效应研究各方面整体进展和分区概况的定量分析和系统整理。笔者运用文献分析法，对我国径流尺度效应问题目前已有的相关文献资料进行计量统计，旨在为准确把握我国径流尺度效应研究进展提供基础数据，为我国水文水资源和水土保持领域的研究和工作提供参考。

1 资料来源与分析方法

所选取样本文献来自国内外6大权威期刊论文数据库。其中，中文数据库包括知网、万方和维普，英文数据库包括Web of Science、Scopus和ProQuest。通过高级检索式，对每个数据库中与陆面水文和径流时空尺度问题有关的文献进行检索，检索日期为2021年4月30日，所有文献发表时间在1979年至2021年4月范围内。其中，以知网为例的检索式为：题目=((‘径流’+‘产流’+‘水文’+ ‘洪水’)*(‘时间尺度’+‘空间尺度’+‘时空尺度’+‘不同尺度’+‘尺度影响’+‘尺度效应’+‘尺度问题’+‘多尺度’+‘尺度转换’))。本次文献分析所涉及的主要研究领域有地理学、农学、地球科学、环境科学、物理学、水利工程、水资源学。

将以上6个数据库中搜索到的文献题录信息下载并导入Excel中，去除重复和无关条目，最终得到362篇中文文献和155篇英文文献的题录信息，共517条文献数据。每一条文献数据包括题目、关键词、摘要、作者、机构、发表年份等信息。基于以上题录信息，通过词频分析法对目标字词出现的频率进行计数统计，以此反映各关键词在领域内的研究热度和整体的研究概况。

2 文献统计结果与分析 2.1 时间历程

我国最早研究径流尺度效应的文献[3]发表于1989年，探讨暴雨洪水及水资源旱涝丰枯的时空尺度问题；之后的研究以2000和2006年为分界大致分为3个阶段(图 1)。早期阶段(1989—2000年)，研究发展缓慢，年均产出文献仅1篇。早期研究大致可分为2方面：一方面是探讨径流输沙的空间尺度效应问题[4]；另一方面是探讨不同流域尺度间产流模式和洪水过程的差异[3, 5]。21世纪开始(2001—2006年)，研究进入快速发展阶段，年均文献产出近9篇；此阶段关于径流时间尺度效应的研究也开始发展起来，且多是关于河川径流过程的多时间尺度周期性变化规律的研究[6-7]。进入稳定发展阶段(2007年至今)，年均文献产出高达31篇；此阶段时间尺度也成为径流尺度效应研究中不可忽视的主要内容，融雪径流[8]、冰川径流[9]和水文连通性[10]的尺度效应研究开始出现，纯粹关注径流的空间尺度效应研究[11]也迅速发展起来。

图 1 文献数量随时间变化的过程 Fig. 1 Trend of published papers through time
2.2 研究主题

径流过程通常涉及到次降雨过程中的入渗产流、土壤侵蚀、泥沙和养分运移等问题。从研究主题来看，国内关于径流尺度效应研究的文献以径流和水文过程为主题的居多，其次是土壤侵蚀和泥沙输移为主题的研究；关注暴雨洪水的研究较少，也少量存在与径流输沙过程有关的非点源污染、崩塌/滑坡/泥石流等形式的主题研究。从主题发展历程(图 2)来看，对径流和水文过程的研究最早，始于1989年[3]；其次是土壤侵蚀、泥沙输移和暴雨洪水为主题的研究，始于1992年[11]；涉及非点源污染和崩塌/滑坡/泥石流的研究相对较晚，分别始于2005[2]和2011年[12]。在全球气候极端化的背景下，近年来对场次洪水空间尺度效应的研究增多，关于海绵城市建设对暴雨水文调节尺度效应的相关研究也开始出现[13]。

图 2 研究主题随时间变化的过程 Fig. 2 Trend of research topics through time
2.3 研究机构

截至目前为止，全国各地共有196所研究机构参与径流尺度效应的相关研究，前30强单位发表的文献合计比例约66%(图 3)。其中，前5强单位依次是：中科院地理科学与资源研究所、黄河水利委员会、西北农林科技大学、中国水利水电科学研究院和中科院水利部水土保持研究所。这5家单位以径流空间尺度效应的相关研究为主，发表的文献占总文献的27%。

1: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS. 2: Yellow River Conservancy Commission. 3: Northwest A & F University. 4: China Institute of Water Resources and Hydropower Research. 5: Institute of Soil and Water Conservation, CAS & MWR. 6: Wuhan University. 7: Beijing Normal University. 8: Changjiang Water Resources Commission. 9: Beijing Forestry University. 10: Xi′an University of Technology. 11: Hohai University. 12: Graduate University of the Chinese Academy of Sciences. 13: University of Chinese Academy of Sciences. 14: Tianjin University. 15: Tsinghua University. 16: Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS & MWR. 17: Nanjing University. 18: Huazhong Agricultural University. 19: East China Normal University. 20: Zhengzhou University. 21: Chinese Academy of Forestry Sciences. 22: Sun Yat-sen University. 23: Chongqing University. 24: Research Center for Eco-Environmental Sciences, CAS. 25: Peking University. 26: China Agricultural University. 27: Taiyuan University of Technology. 28: China University of Geosciences. 29: Southwest University. 30: Fujian Normal University. 图 3 研究机构中前30强单位的文献发表情况 Fig. 3 Publications of top 30 research institutions

由表 1可知，我国径流尺度效应研究单位和文献发表主要集中于环渤海湾的京津冀鲁辽以及黄河中下游与长江中下游之间的区域，其次是珠江下游地区；台湾和香港也有一些研究机构在关注；宁夏、吉林、青海和西藏地区的研究非常少，而海南和澳门尚无相关研究。

表 1 研究机构和文献的地区分布概况 Tab. 1 Regional distributions of research institutions and publications
2.4 时空尺度分布

从时间尺度(图 4a)来看，国内关于径流尺度效应的研究主要集中在年尺度，其次是次降雨尺度，然后依次是季尺度、月尺度和日尺度。其中，年尺度以年际尺度(1~9 a)为主，而涉及年代际尺度(10~19 a)和数年代际尺度(20~99 a)的研究非常少。

Ⅰ: Temporal scale. a: Event. b: Daily. c: Monthly. d: Seasonal. e: Yearly. f: Inter-yearly. g: Inter-decadal. h: Multi-decadal. Ⅱ: Areal spatial scale. a: Slope. b: Watershed. c: Region. d: Mini-plot. e: Plot. f: Mini-watershed. g: Micro/Milli-watershed. h: Meso-watershed. i: Macro-watershed. j: Normal watershed. k: Normal region. l: Macro-region. Ⅲ: Linear spatial scale. a: Slope channel. b: River system. c: Rill. d: Gully. e: Minor gully. f: Branch gully. g: Modern incised valley. h: Ancient incised valley. i: Riverway. j: Tributary. k: Trunk. l: Reservoir and dam. m: Lake. 图 4 不同时间尺度和不同空间尺度的分布概况 Fig. 4 Distributions of different temporal scales and spatial scales

从面状空间尺度(图 4b)来看，相关研究集中在流域尺度，其次是坡面尺度，而区域尺度的研究较少。由于大多数文献在题录文摘信息中未说明具体汇水面积，因此统计结果显示大多数研究是在普通小区、普通小流域或普通区域尺度上进行的，而涉及微型小区、微型小流域和大区域尺度的研究极少。从流域大小来看，相关研究集中在小流域尺度，而涉及中流域和大流域的研究较少。从线状空间尺度(图 4c)来看，大部分研究与河流相关，而沟道相关研究较少。其中，河流相关研究聚焦于干支流河道，其次与河流所建库坝有关，还有小部分研究关注与河流相连的湖泊。与沟道有关的研究中，按照侵蚀沟的发育程度，涉及细沟的研究较多，其次是支沟，关于毛沟、切沟、冲沟和干沟的研究较少，而浅沟未被提及。

2.5 研究区分布 2.5.1 流域分布

如图 5所示，黄河和长江2大流域的研究最多，而后依次是华南的珠江和东南沿海水系(包括港澳台)，东北的松花江，华北的内蒙古内流区、海河和淮河；西北内流区、辽河和西南水系相关研究很少，藏北高原内流区更是研究空白区。从文献构成来看，黄河、长江和海河侧重于输沙空间尺度效应的研究，而珠江、松花江、内蒙古内流区、淮河、西北内流区和西南水系的相关研究则侧重于径流时间尺度效应的探讨。

1: Yellow River. 2: Yangtze River. 3: Pearl River. 4: South East Coastal River System. 5: Songhua River. 6: Inner Mongolia Inland River System. 7: Hai River. 8: Huai River. 9: North West Inland River System. 10: Liao River. 11: South-West River System. 图 5 不同流域的分布概况 Fig. 5 Distribution of different river basins
2.5.2 水土保持分区分布

如图 6所示，西北黄土高原区的相关研究最多，其后依次是西南紫色土区、南方红壤区和北方土石山区；而在北方风沙区、东北黑土区、西南岩溶区、青藏高原区的相关研究较少。从文献构成来看，在研究高地黄土高原区和西南紫色土区，以径流输沙空间尺度效应研究为主；而在研究较为薄弱的北方风沙区、西南岩溶区和青藏高原区，大多是针对径流时间尺度效应的研究。

1: Loess Plateau region. 2: Southwestern purple soil region. 3: Southern red soil region. 4: Northern rocky mountainous region. 5: Northern windy and sandy region. 6: Northeastern black soil region. 7: Southwestern karst region. 8: Qinghai-Tibet Plateau region. 图 6 不同水土保持分区的分布概况 Fig. 6 Distribution of soil and water conservation region division

从各水土保持分区的区内研究分布来看，黄土高原区的相关研究主要分布在黄河中游的黄土丘陵沟壑区[14]。西南紫色土区的相关研究则集中在长江上游的川中紫色土丘陵区[15]和三峡水库[2]。南方红壤区相关研究较为分散，主要有长江中下游的赣江[16]、珠江中下游的东江[17]、东南沿海诸河中的晋江[18]和台湾石门水库[19]。北方土石山区则主要有辽河平原区[20]和华北平原区的黄河下游河段[21]、淮河[22]、滦河[23]、海河[24]以及北京密云水库[25]。在北方风沙区，相关研究主要集中在与黄土高原区临近的甘肃[26]和内蒙古[27]，而新疆地区研究较少且以塔里木河[28]为主。东北黑土区的相关研究则主要集中在纬度较低的松嫩平原[29]。西南岩溶区相关研究则主要分布在乌江[30]和西江[31]。青藏高原区的相关研究则主要聚焦三江(长江、黄河、澜沧江)源区[6, 32]、岷江上游[33]以及雅鲁藏布江[34]流域。

2.5.3 地形区分布

如图 7所示，高原是研究开展的主要地形区，尤其是黄土高原，其次是内蒙古高原，而云贵高原和青藏高原研究较少。以山地、丘陵、平原为研究区的研究居中，其中以起伏较大的南方山地、丘陵居多，但由于地形平坦的平原(主要包括华北平原和东北平原)是主要农业区，其所占比例也不少。在地形平缓的盆地区的研究所占比例最少，在5大地形区中仅占不到10%。

1: Plateaus. 2: Mountains. 3: Hills. 4: Plains. 5: Basins. 图 7 不同地形区的分布概况 Fig. 7 Distribution of different topographical regions
2.5.4 气候区分布

从气候类型(图 8)来看，季风性气候区的相关研究略多；不过由于黄土高原的广泛研究，大陆性气候区的相关研究也不少。从干湿分带来看，现有研究主要集中在降雨较多的湿润和半湿润区；其次是降雨较少的半干旱区；而降水稀少的干旱地区则属于研究洼地。从温度带来看，现有研究主要集中在气温较为适宜的暖温带和亚热带；其次是冬季平均气温低于0 ℃的中温带；气候类型复杂的青藏高原垂直气候带研究较少；由于分布面积较少，在我国寒温带开展的相关研究非常少，而热带地区则尚无相关研究。

1: Monsoon. 2: Continentality. 3: Humid. 4: Semihumid. 5: Semiarid. 6: Arid. 7: Frigid temperate zone. 8: Mid temperate zone. 9: Warm temperate zone. 10: Subtropical zone. 11: Vertical climatic zone on the Qinghai-Tibet Plateau. 图 8 不同气候区的分布概况 Fig. 8 Distribution of different climate regions
2.6 采用的研究方法

国内径流尺度效应相关研究所采用的研究手段和方法种类繁多，不同研究方法所适用的时空尺度存在差异。如图 9所示，相关研究多采用直接计算和统计分析类方法，其次是模型估算法，利用人工降雨和水槽径流冲刷进行模拟试验的研究很少。

1: Measurement and investigation. 2: 3S technology. 3: Tracer technique. 4: Hydrology statistics. 5: Prediction via mathematical statistics. 6: Analysis via mathematical statistics. 7: Analysis via complexity statistics. 8: Spatial statistics. 9: Sediment estimation. 10: Model construction. 11: Model prediction. 12: Model validation. 13: Parameter calibration. 14: Uncertainty analysis. 15: Sensitivity analysis. 16: Rainfall simulation. 17: Scouring simulation. 图 9 不同研究方法的应用概况 Fig. 9 Application overview of different research methods

直接计算类方法中，多以实测与调查为手段，其中径流小区监测多用于空间尺度效应研究，水文站监测多用于时间尺度效应研究，野外调查多为探索空间尺度效应的辅助手段；3S技术(包括RS、GIS和GPS)多用在流域和区域的大尺度径流输沙相关研究中；同位素示踪技术也是探索径流尺度效应的主要研究方法之一，其中137Cs、210Pb(ex)、7Be等放射性同位素示踪是分析径流输沙空间尺度效应的主要手段，氢氧同位素则是用于监测径流过程和水分来源的常用手段。

统计分析类方法中，水文统计(时间序列分析与预测)是研究径流时间尺度效应的主要方法。其中，时间序列分析法以周期性、季节性、趋势性或突变性分析为主，并有少量时序相关性和频率分析；时间序列预测法以分解预测法[35]为主，其次是灰色预测法和平滑预测法，而涉及时间序列模型法[36]、误差修正模型[37]和弹性系数法[38]的研究极少。此外，数学统计预测(回归分析法、神经网络算法等)和数学统计分析(数理统计、相关分析等)也是重要的统计分析方法。复杂度分析中，景观格局[39]和分形理论[10]多用于空间尺度效应研究，而熵理论[40]、混沌理论[41]和模糊集理论[42]则多用于时间尺度效应研究。空间统计分析(空间插值、叠加分析、缓冲区分析、空间自相关分析等)和泥沙估算(沙量平衡法、泥沙归因诊断等)则多用于探讨径流输沙空间尺度效应。

2.7 应用的数学模型

据统计结果，国内径流尺度效应研究涉及到的数学模型有24种(图 10)。从模型结构类型来看，考虑过程时空变化的分布式模型多用于时间尺度效应相关研究，而描述总体平均状态的集总式模型多用于空间尺度效应相关研究。从模型模拟的方式来看，经验模型多用于空间尺度效应相关研究，如USLE[43]、RUSLE[44]、CSLE[45]、HEC[46]和SEDD[47]等模型；而物理模型则多用于时间尺度效应相关研究，如SWAT[48]、SWIM[49]、HMS[46]、HBV[50]、MIKE SHE[51]等模型；介于两者之间的概念模型也多用于时间尺度效应相关研究，如新安江模型[52]、HSPF[53]和陕北模型[54]。

Ⅰ: Temporal scale. Ⅱ: Spatial scale. a: Lumped model. b: Distributed model. c: Empirical model. d: Conceptual model. e: Physical model. f: Xin′anjiang model. g: Shaanbei model. 图 10 我国径流时间尺度和空间尺度相关研究数学模型应用概况 Fig. 10 Overview of the application of different numerical models for temporal scale and spatial scale
3 存在的问题与展望

20世纪80年代末以来，国内众多学者进行了大量关于地表水文、径流过程和输沙过程的时空尺度效应研究，研究区分布广泛，研究方法和手段多种多样，不同研究区、不同研究方法、不同尺度下得到的结果之间的可比性和推广性问题尚需探讨。径流小区和水文站观测资料时间序列多为连续的高时间分辨率的次降雨或日尺度数据，而不同集水区的汇水面积大小具有较强的随机性，通常表现为不连续的低空间分辨率；由此导致径流时间尺度效应的研究较多，而空间尺度效应研究则相对薄弱。而且，关于径流空间尺度效应的研究中，近八成最终落脚于其输沙空间尺度效应或泥沙输移比的研究上，而纯粹或真正关注径流的空间尺度效应研究较少，其研究深度和水平有待进一步提高。径流汇水面积的随机性和不连续性还会引发模拟尺度与观测尺度的不一致，给径流数据的空间尺度转换造成了很大困难。总体而言，尽管径流尺度问题的研究在我国已有三十余年的历史，但迄今尚处于发展和探讨阶段，其中关于尺度转换，尤其是降尺度研究，则更是目前的难点和热点问题。

可预见，基于分形理论、混沌理论、小波分析、人工神经网络算法和分布式水文模型等多种新技术攻克水文尺度转换难题，将成为未来径流尺度效应研究的主要方向之一。其中，能与观测数据时空尺度相匹配和能与气候模型时空尺度相匹配的变尺度水文模型是未来的开发趋势。此外，准确把握不同地理分区不同尺度下的主导水文过程，可提升水文模型在不同地区的多尺度预测精度。而加强水文连通性尺度效应研究和跨学科的综合研究，可能为进一步解决径流尺度问题开拓新思路。在全球气候极端化的背景下，有关极端暴雨条件下洪水过程的时空尺度问题将成为未来研究的重点，而与现代技术如GIS和遥感动态监测技术、多尺度洪水预报技术等的紧密结合将成为新的研究趋势。

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