水文尺度概述

1. 基本概念

“尺度”是与地理信息相关的基本概念之一，它有多种含义，如分辨率、颗粒度以及详细程度等，是研究客体或过程的空间维和时间维，它标志着对所研究对象细节了解的水平。

“水文尺度”是指水文过程、水文观测或水文模型的特征时间或长度。通常水文尺度的大小划分为3大类：微观尺度、中观尺度和宏观尺度。

“水文尺度问题” 是指水文系统在不同尺度之间进行尺度转换时所遇到的问题。

“水文模型”是对真实自然水文过程概化表达，用来仿真水文事件，揭示复杂的水文现象实质。

2. 水文尺度问题的概述

水文尺度问题是当今水文系统研究的前沿。根据不同水文学者的研究成果，可以将尺度问题的出现归于以下几个原因：
(1)表面过程的空间异质性
如地貌、土壤、降雨、蒸发和土地利用等的时空不均匀分布；
(2)响应的非线性
比如山坡过程和河道过程的响应快慢不同；
(3)过程的临界阀值
比如根据不同决定因素，将产流机制分为蓄满产流和超渗产流；
(4)随着尺度的变化，占主导地位的过程在发生改变；
(5)在研究过程中发现的一些新特性，比如边缘效应；
(6)人类活动的影响，如修建大坝、引水或者土地利用变化等。
过去因为受到测量技术等的限制，往往以小尺度的研究为主，随着遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等新技术在水文学中的应用，空间尺度逐渐从流域、区域、大陆扩展到全球，时间尺度则从秒、时、日、月延长到年、百年甚至更长。
表1是目前水文尺度的一种分类方法。
表1水尺度分类
分类 空间尺度 时间尺度 研究目标
超宏观尺度 全球 10⁷km² 地质时期 10⁴ 年 地质时期全球气候变化水文过程
宏观尺度 大区域 10⁵km² 历史时期 10² 年 区域水文特性百年尺度变化过程
中观尺工 流域 10²km² 年际变化 1年 流域水文特性年际变化过程
中微观尺度 小单元 1km² 年内变化 1月 单元内水文特性年内变化分析与建模
微观尺度 实验点 10^-8km² 实验过程 1s 实验过程变化
超微观尺度 分子 10^-20km² 实验过程 10^-10s 水文机实验与理论研究
由表1可知，根据不同的研究目的，所使用的时空尺度往往是不一样的。如何将某一尺度下得到的研究成果用于另一尺度，实现数据或规律等的有效利用，已成为我们面临的新问题。

3．水文尺度转换问题简介

由于水文条件和水文通量的时空非恒定性、不同观测尺度的水文条件和水文通量会产生不同的水文过程，而且水文学理论和模型具有高度的尺度特性，不同时空尺度的水文系统规律有很大的差异，因此，不同尺度上建立的基本理论和确定的重要参数不能互相移植。这从很大程度上限制了模型或者数据的适用性。由于在不同的尺度下，研究对象所表现出来的特性可能完全不同，所以大尺度流域的特征值并不是若干小尺度值的简单叠加，小尺度值也不能通过简单的插值或分解得到，而是要通过分析建立不同尺度之间的转换关系。

传统的聚集方法有简单的取平均或者按经验公式转换。这些方法的不足之处在于容易损失大量信息。理论上我们可以将大陆或全球范围离散成很小的网格，从而利用观测结果模拟，但是由于受到计算能力的限制，在实际应用中无法实现。不过，水文学家受到这个想法的启发，提出了分布式水文模拟法，已得到认可并付诸实施。