文章导读

在干旱区水资源管理中，河流流量监测存在严重不足，尤其缺乏对狭窄河道水文过程的有效观测。为突破这一瓶颈，中国科学院新疆生态与地理研究所陈亚宁教授团队提出一种多模型融合的遥感反演框架，系统评估了曼宁公式、水文几何模型 (AHG) 及其多站点模型 (AMHG) 在昆仑山北坡典型干旱区河流的适用性。基于Google Earth Engine平台集成多源遥感影像 (Sentinel-2、Landsat-8与高分一号)，结合遗传算法进行径流估算。曼宁方程总体表现最佳 (RMSE=21.78 m³/s，NSE=0.94)，对河流宽度提取误差具有高度鲁棒性，曼宁粗糙系数的影响明显大于水力坡度。AHG模型可以根据有限的测量数据构建长期流量序列，但对河流宽度提取的准确性很敏感。虽然AMHG模型提高了检索性能，但其有效性受到代理变量系统偏差的限制。该研究还发现，该地区河流的AHG指数b表现出高度的稳定性 (变异系数<0.09)，为构建可持续的流量监测系统提供了理论依据。本研究开发的综合方法为数据稀缺的干旱地区的动态水文监测和定量水资源管理提供了可靠的技术途径。

研究内容与结果

本研究基于2014-2024年期间共1153景多源遥感影像 (涵盖Sentinel-2、Landsat-8与高分一号)，聚焦昆仑山北坡三条典型干旱区河流，采用三种水文模型进行交叉比对与系统评估：一方面，应用基于物理机制的曼宁方程，通过整合遥感反演的河宽与DEM地形数据，直接计算河道流量，充分体现了水动力过程的物理约束。另一方面，并行采用两种基于经验的遥感水文几何方法：其一是单站水力几何模型，利用有限站点数据建立河宽-流量关系，以重构长期径流序列；其二是多站水力几何模型，通过挖掘多个断面间河宽变化的协同规律，实现在极少地面数据支持下的径流估算。通过这种 “物理机制与数据驱动相结合” 的交叉验证框架，本研究系统量化了各模型在干旱区的性能差异，并讨论了跨流域迁移潜力，显著提升了遥感径流反演结果的可靠性与适用性。

AHG模型的长期径流估算与参数可转移性

AHG模型表明在昆仑山北坡的干旱区河流中，尽管存在季节性波动，但河宽与流量具有稳定且可预测的幂律关系，河流的河道形态在长期内是相对稳定的，一旦通过短期实测数据确定了参数，就可以用于长期估算。这对于像研究区这样水文站点稀少、数据匮乏的干旱区而言，具有极其重要的应用价值，意味着可以用最低的监测成本构建长期径流序列。同时研究发现AHG参数在相似流域间具有一定的可转移性，为无资料地区的径流估算提供了可能。

图.AHG模型估算流量和实测流量对比

AMHG模型的水力几何分析与精度限制

AMHG模型表明，尽管在干旱区河流中能够识别出多断面之间的水力几何协同规律，但其径流反演精度严重依赖于代理变量的准确性和参数约束的宽松度，揭示了该模型在理论上可实现“无源估算”，但在实际应用中仍需谨慎对待其系统性偏差。

图.AMHG关系、模型估算流量和实测流量对比

曼宁公式的高精度径流反演与鲁棒性

曼宁公式表明，基于物理机制的径流反演方法在干旱区狭窄河流中具有卓越的适用性，其精度最高、鲁棒性最强，尤其是在刻画高流量季节的水文动态方面表现优异。公式对河宽提取误差不敏感，在应用实践中，应将参数率定的重点和精度控制的资源优先放在确定更可靠的糙率值上。

图.曼宁公式估算流量与实测流量对比

敏感性分析表明曼宁公式最稳健，其对河宽误差最不敏感，即使在±10米的误差下性能下降也有限。这证明了物理机制模型在应对输入不确定性方面的固有优势。AHG模型最敏感，其精度高度依赖于河宽提取的准确性。这是因为AHG是纯粹的统计经验关系，输入数据的质量直接决定了其拟合关系的可靠性。AMHG模型对河宽误差表现出一定的容忍度，但其性能更受制于代理变量 y 的准确性，而非直接的宽度测量误差。

图.敏感性分析

研究总结

本研究系统评估了曼宁公式、AHG模型与AMHG模型在昆仑山北坡干旱区河流的径流反演性能。结果表明，曼宁公式综合表现最优 (NSE = 0.94)，精度高且对河宽误差不敏感，是干旱区高精度径流监测的首选方案。AHG模型则展现出在极有限实测数据下重建长期径流序列的强大能力，其关键参数 (指数b) 在年际尺度上高度稳定 (变异系数<9%)，为数据稀缺流域的水文分析提供了经济有效的途径。AMHG模型虽能实现仅凭河宽估算流量，但其精度严重依赖代理变量的准确性，在放宽参数约束后性能显著提升。本研究证实，基于物理机制的曼宁公式在干旱区窄河道中可靠性最高，而基于经验的AHG/AMHG模型在特定场景下具有重要应用价值。研究成果为干旱区内陆河流域的水资源动态监控与定量管理提供了可靠的技术路径和理论依据。

研究展望

本研究不仅系统评估了三种遥感径流模型在干旱区窄河道的适用性，更构建了一套适用于数据稀缺地区的低成本、可持续水文监测方案。在进行流量估算的断面选择时，应优先考虑河道顺直、形态稳定的天然河段，避免游荡型或分汊型河道，以确保遥感提取的河宽能准确反映水力变化。断面几何形态宜选择宽浅式河道 (如梯形、V形或弧形)，避免近垂直的矩形或U形断面，从而保证流量变化能有效转化为河宽变化。同时，需避开坡降过大的陡峻河段，选择河道几何与水力条件沿程均一的平缓段，以最大限度满足遥感径流反演模型的基本假设与精度要求。研究成果直接服务于干旱区水资源精准管控与生态安全保障，为实现水资源约束下的区域可持续发展提供了可靠的遥感技术支撑。

原文出自 Water 期刊：https://www.mdpi.com/3566052

Water 期刊介绍

主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France

期刊涵盖所有水资源领域相关的科学技术，主要包括全球和区域水循环的可持续管理，水资源及其与粮食、能源、生物多样性、生态系统功能和人类健康的互联。期刊鼓励领域内研究人员发表实验、理论、建模和大数据等相关研究成果。

2024 Impact Factor：3.0

2024 CiteScore：6.0

Time to First Decision：19.1 Days

Acceptance to Publication：2.6 Days