意大利南部半岛无资料流域长期流量历时曲线区域化——基于非零流量分数分离间歇性—常年性河流并集成水文地质信息

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Regionalization of flow-duration curves for ungauged catchments in southern peninsular Italy

　　

长期流量历时曲线（long-term flow-duration curves, LFDCs）在意大利南部半岛无资料流域开展区域化。将零流量发生与非零流量量级分离，并分别对间歇性与常年性河流进行区域化。平均非零流量（Q_nz）的预测具有较高的刀切法（jackknife）稳定性（R²=0.98）。基流指数（Base Flow Index, BFI）控制μ_p，即常年性LFDC的位置参数。

研究背景与问题：流量历时曲线（flow-duration curves, FDCs）描述给定时间内流量等于或超过某一时间百分比的分布，可紧凑表征河流流情。长期流量历时曲线（long-term flow-duration curves, LFDCs）汇总全部可用流量记录，反映总体流情。无资料流域（ungauged catchments）的区域化通过相似有资料流域信息转移来估计FDC。已有意大利研究多集中于较小且内部相对均质的子区域；地质与水文地质条件虽被反复认为控制FDC形状，但常以较聚合或空间覆盖有限描述符表示；零流量发生、流域异质性与水文地质变异性在广域地中海FDC区域框架中的综合表达仍不充分。地中海半干旱环境常见长时间零流量序列，若将零流量直接纳入连续分布，可能产生非物理负流量或需强制零下界。因此，研究人员在南部半岛构建LFDC区域框架，分离有流概率与非零流量条件分布，分别区域化间歇性与常年性河流，并集成空间一致的水文地质信息，以评价精细地质描述符与气候、地形变量结合后对LFDC模型物理可解释性和预测性能的作用。

研究人员开展的研究、结论与意义：研究人员重建日流量与年平均降水量（mean annual precipitation, MAP）等资料，筛选58个测站，构建条件LFDC，以非零流量分数（fraction of non-zero flow, τ）表达有流持续性与间歇性，对非零流量按均值归一化后拟合对数正态分布，并区域化τ、间歇性河流位置参数μ_i、常年性河流位置参数μ_p、平均非零流量（mean non-zero flow, Q_nz）和基流指数（Base Flow Index, BFI）。结果表明，Q_nz预测最稳健，μ_p和BFI较稳定，τ和μ_i对单站剔除更敏感；重建FDC分位在多数超越概率上与观测吻合。该研究将零流量发生与非零流量量级显式分离，并把水文地质描述符纳入大区域LFDC区域化，为地中海异质无资料流域提供更物理可解释、可迁移的估计框架。

技术方法概述（不超过250字）：研究人员利用意大利国家水文与海洋服务局（Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale, SIMN）出版的《Annali Idrologici》重建数据，来源包括Naples（1925—1994）、Catanzaro（1950—1984）和Bari（1950—1996）区域办公室记录；初始122个测站经筛选后保留58个，最短记录15年。以日流量Q构建LFDC，用混合分布将零流量概率质量与非零流量连续分布分离，以τ表示有流天数比例；非零流量按均值归一化后取log₁₀，用Weibull位置赋超越概率，并以对数正态分布拟合，通过Q–Q、RMSE、MAE和R²评价。采用主成分分析（principal component analysis, PCA）解释流域描述符结构，采用偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLS）建立区域预测方程，并用刀切法（jackknife）交叉验证评价无资料流域预测性能。

研究结果：
4.1 概率分布选择：通过全部测站Q–Q图及误差指标评价，归一化非零流量的对数正态分布整体贴合1:1线，中心部分吻合较好，尾部有偏离；说明对数正态可满意表示归一化条件LFDC。μ和σ²存在强经验关系，用于由μ估计σ²，减少待区域化参数。
4.1.1 站点间性能分布：58站MAE为0.015—0.154，均值0.050；RMSE为0.029—0.188，均值0.070；R²为0.940—0.997，多数在0.97—0.99。说明多数站拟合误差较小、观测与模型分位线性关联强。
4.2 区域化：对τ、μ_i、μ_p、Q_nz和BFI分别建立标准化PLS方程并进行校准与jackknife验证。
4.2.1 非零流量分数区域化：PCA保留3个成分解释80.91%方差；τ与PC2相关最高（Pearson r=0.61），PC1中等。混合对数PLS保留A、MAP、Slope_MC和Forest；Slope_MC与A正主导，Forest为负。校准R²=0.81，jackknife R²=0.70，整体可接受但对单站剔除有敏感性。
4.2.2 间歇性河流μ_i区域化：沿用间歇性河流描述符矩阵，PCA结构同上；μ_i与PC2相关最强（r=-0.52），PC1和PC3亦有关联。最终PLS保留Forest、Slope_MC和SD，Slope_MC正主导，Forest为负；校准R²=0.80，jackknife R²=0.70。
4.2.3 常年性河流μ_p区域化：PCA前5成分解释84.76%方差，前3成分解释69.80%；μ_p与PC2相关最强（r=0.75）。最终PLS以BFI主导、A次之；校准R²=0.82，jackknife R²=0.81，验证稳定。
4.2.4 Q_nz区域化：PCA保留4成分解释82.71%方差；Q_nz与PC1相关最强（r=0.80）。幂律PLS保留ln(A)和ln(MAP)，A主导、MAP次之；校准与jackknife均R²=0.98，为最稳定方程。
4.2.5 无资料流域BFI区域化：PCA保留4成分解释81.88%方差；BFI与PC1相关最强（r=0.67），PC3中等。PLS保留MAP、H_mean、SD和SoilB；校准R²=0.77，jackknife R²=0.75，可作为无资料流域中间预测变量。

讨论部分总结：PCA与PLS在多数响应上具有一致性：τ综合气候—地形与流域尺度结构；μ_i的预测信号更多来自坡面条件、排水密度与土地覆盖；μ_p与储存—土壤—基流结构高度一致，BFI主导；Q_nz主要受流域面积与降水控制；BFI综合气候—地形、土壤与排水组织。间歇性河流的τ和μ_i验证性能下降，反映阈值过程、季节降雨、前期湿润、地下水—河道临时断开等静态描述符难以完全表达；常年性河流μ_p稳定，但无资料时BFI需区域估计，基于描述符的μ_p方程性能较低（校准R²=0.64，jackknife R²=0.50）。Q_nz体现面积标度与降水贡献；BFI模型中H_mean可能部分携带气候—能量信号。FDC分位重建整体贴近观测，Q₅的R²=0.96，Q₉₅的R²=0.86，低流量尾部偏差较大。局限包括记录时段异质与非平稳性可能影响代表性，经验方程受校准水气候范围约束，超出范围需独立验证或重校准；区域化框架本身可迁移。

研究结论翻译：本研究构建了意大利南部半岛无资料流域长期流量历时曲线（LFDCs）估计的区域框架。该方法处理地中海流域常年与间歇性流态共存的核心难题，通过分离零流量发生与非零流量条件分布，显式处理有流天数比例τ，避免将零流量观测强行纳入连续流量分布。非零LFDC分量采用对均值归一化非零日流量拟合的对数正态分布表示。μ与σ²的经验依赖减少了需区域化变量数，最终框架集中于τ、μ_i、μ_p、Q_nz和BFI。该结构为从有资料向无资料流域转移LFDC信息提供了简约且具水文可解释性的基础。区域模型识别了主要LFDC变量的不同关联。在间歇性河流中，τ主要与MAP、A、Slope_MC和Forest有关，μ_i与Slope_MC、SD和Forest有关。在常年性河流中，μ_p主要与BFI相关，A提供次要贡献。Q_nz是最稳健的区域化变量，证实A和MAP在解释非零流量量级中的强关联。BFI方程保留气候、地形、排水网络和渗透性描述符，支持水文地质信息对区域LFDC估计的相关性。Jackknife验证显示Q_nz、μ_p和BFI预测性能稳定，而τ和μ_i对单个流域剔除更敏感。这一差异与间歇性地中海河流的水文行为一致：零流量发生和非零流量可能与阈值过程、季节降雨分布、前期湿润状况和临时地下水—河流断开有关，静态流域描述符只能部分表达这些过程。重建LFDC分位在多数超越概率上与观测值吻合较好，最大偏差出现在接近Q₉₅的低流量尾部。总体而言，结果表明将零流量发生与非零流量分离可为异质地中海流域LFDC区域化提供可迁移框架。未来工作应通过纳入季节气候指数、干旱指标、地下水信息和流域湿润度与水文连通性的动态描述符，改进间歇性河流变量的估计。