黑河上游基流計(jì)算與變化分析

楊正華

(甘肅省水利廳水利管理局,甘肅 蘭州 730000)

1 概述

山丘區(qū)徑流過程中包括地表徑流、壤中流和地下徑流 3部分。地下徑流量 (基流量)是指河川徑流量中由地下水滲透補(bǔ)給河水最持續(xù)穩(wěn)定的部分,即地下水對河道的排泄量。常年有水的河流在枯水期,河水幾乎全部由地下水的排泄來補(bǔ)給;洪水期間,河水則由大部分洪水和少部分地下水排泄量構(gòu)成。

內(nèi)陸河流域降水主要集中在汛期(7～10月),10月 ～次年 5月降水較少,河川基流大部分由地下水補(bǔ)給,此階段天然河川徑流量基本可以代替河川基流量。2～3月的凌汛水量主要是 11月河流封凍后,地下水繼續(xù)不斷補(bǔ)給河流,使河道蓄水量不斷增加,冰面不斷升高,春季解凍開河時(shí),積蓄在河道里的水量一下子釋放出來,這些水量實(shí)際上都是冬季積蓄的河川基流量,因此在基流計(jì)算時(shí)也包括在內(nèi)。

2 基流切割方法

目前,計(jì)算山丘區(qū)地下水資源的方法較多,主要有水文分割法、理化分析法和水文 ～水文地質(zhì)法等。由于后兩者在計(jì)算時(shí)分析成本高,故在第二次全國水資源評價(jià)時(shí)推薦采用工作量較小的直線分割法與加里寧試算法分割河川基流量。

無論是直線切割還是斜線切割,均忽略了汛期地下水補(bǔ)給機(jī)理過程,其結(jié)果偏小且精度較低,成果僅供參考。且在逐日河川徑流過程線上,洪峰起漲點(diǎn)比較明顯易于確定,而退水段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)往往不容易分辨,分割結(jié)果比較粗略。加里寧試算法由于試算量大,計(jì)算時(shí)段采用日、侯、旬的結(jié)果是不同的,一般時(shí)段愈長,結(jié)果愈大。理化分析法和水文 ～文地質(zhì)法由于成本大,推廣起來有一定的難度。

如何根據(jù)實(shí)測水文資料,尋求一種經(jīng)濟(jì)適用又切合實(shí)際的河川基流量分割簡便方法,減少基流切割的工作強(qiáng)度,克服人工進(jìn)行基流切割的任意性和非確定性,是水利水資源工作者的迫切需要。在眾多基流自動(dòng)分割程序中,選取應(yīng)用最廣泛的數(shù)字濾波法對黑河上游進(jìn)行基流分割計(jì)算,為流域水資源保護(hù)和合理分配提供了科學(xué)依據(jù)。數(shù)字濾波法的原理是：通過數(shù)字濾波器將脈沖信號(hào)分解為高頻和低頻信號(hào),與此相應(yīng)將徑流過程劃分為地表徑流和基流兩個(gè)部分。濾波方程為：

qt=βqt-1+[(1+β)/2](Qt-Qt-1) (1)

基流方程為：

bt=Qt-qt (2)

式中：qt為時(shí)刻 t內(nèi)過濾掉的地表徑流,即洪水徑流量(m3/s);β為濾波參數(shù),影響基流衰減度,Nathan和 M cMahon推薦 β取 0.95;Qt為第 t時(shí)刻天然總徑流(m3/s);bt為基流量(m3/s)。

為提高精度需對數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)濾波,計(jì)算步驟如下：

第一步：按開始 ～結(jié)束時(shí)刻順序,據(jù)公式(1)從總徑流過程線中過濾出地表徑流,再據(jù)公式(2)將總徑流減去地表徑流即得初次基流過程。

第二步：相反順序計(jì)算,按照結(jié)束 ～開始時(shí)刻順序,根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算可再次獲得一組基流過程。

第三步：再按開始 ～結(jié)束時(shí)刻順序,按式(1)、(2)計(jì)算獲得最終基流過程數(shù)據(jù)。

數(shù)字濾波法是應(yīng)用公式(1)、(2),按照不同的起始順序重復(fù)計(jì)算基流過程的一種方法,計(jì)算的次數(shù)顯著影響了基流過程線的平滑度,由結(jié)束向開始時(shí)刻順序重新計(jì)算基流是為擯除第一次計(jì)算中的失真數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)字濾波法原理,甘肅水文局杜克勝編寫了基流切割計(jì)算機(jī)程序,其具有自動(dòng)計(jì)算、速度快等優(yōu)點(diǎn),特別適合計(jì)算長系列資料。本次黑河上游基流計(jì)算均用此程序,逐年計(jì)算祁連 (1968～2009)、扎馬什克 (1957～ 2009)、鶯落峽(1957～2009)等三站的基流量。

3 黑河上游概況

3.1 自然地理

黑河是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河,位于東經(jīng) 96°42′～102°04′、北緯 39°45′～ 42°40′之間 ,上游海拔介于 2 500 ～5 000m之間,4 000m以上發(fā)育有現(xiàn)代冰川,最高峰團(tuán)結(jié)峰海拔 5 826.8m,山峰終年積雪。

黑河干流源頭分為東、西兩岔,均發(fā)源于青海省祁連山區(qū)。東岔八寶河,源于俄博灘東的錦陽嶺,自東向西流程約106 km;西岔野牛溝河(黑河),源于鐵里干山,自西向東流程約 208 km。東、西兩岔呈“丫”字型匯于黃藏寺后折向北流,流程長約 95 km后出山,進(jìn)入中游河西走廊平原地帶,經(jīng)甘肅省流入內(nèi)蒙地區(qū)。

東、西兩岔是黑河干流上游最為主要的集水區(qū)域,總控制面積為 7 438 km2,占黑河干流上游匯流面積的 74%。根據(jù)多年水文觀測資料,上游兩岔來水量占黑河出山口水量達(dá)70%以上,是黑河最為主要的產(chǎn)流區(qū)和發(fā)源地。鶯落峽為干流出山口控制斷面,斷面以上為上游區(qū),總集水面積10 009 km2,為地表徑流形成區(qū)。

3.2 水文地質(zhì)條件

地下水的形成主要受水文、氣象、地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造等因素的控制和影響,根據(jù)黑河上游地下水的形成條件、儲(chǔ)存特點(diǎn)和分布規(guī)律,地下水分為多年凍層水和基巖裂隙水。

多年凍層水根據(jù)埋藏的部位,分為凍結(jié)層上水和凍結(jié)層下水。凍結(jié)層上水,主要分布在多年凍土層上部的季節(jié)性融化層內(nèi),水位埋藏淺,水質(zhì)較好。主要補(bǔ)給來源為大氣降水,徑流途徑短,主要以水平徑流和垂直蒸發(fā)形式排泄。

基巖裂隙水存在于風(fēng)化裂隙的變質(zhì)巖、碎屑巖中,地下水接受大氣降水及冰雪融水的補(bǔ)給后,以泉或潛流形式補(bǔ)給山間河谷及山前平原。

多年凍層水和基巖裂隙水是黑河上游基流的主要來源。

3.3 氣候特征

黑河?xùn)|、西兩岔位于青藏高原北緣,歐亞大陸腹地。兩岔流域內(nèi)下墊面植被良好,流域植被屬山地森林草原,生長有高山灌叢和喬木林,呈片狀、塊狀分布,垂直帶譜分明,氣候陰濕寒冷,為典型的大陸性季風(fēng)氣候,降水量隨高程的增加而增加,氣溫隨高程的增加而遞減。

受東亞大陸季風(fēng)氣候的影響,東、西兩岔流域降水量年內(nèi)變化較大,降水多集中在 6至 9月氣溫較高的夏季;冬季降雪較少,氣溫低,陰冷潮濕而漫長;春季升溫快,但氣溫日較差大;夏、秋季涼爽而短促,初霜來臨較早。

扎馬什克站多年(1958～2009)平均降水量 450 mm左右,年平均(1973～2009年)氣溫在 0.7～3.6℃之間,多年平均 1.8℃左右。

上游祁連站多年(1973～2009)平均降水量 396 mm左右,年平均(1984～2009年)氣溫在 1.3～3.3℃之間,多年平均 2.3℃左右。

鶯落峽站多年(1957～2009)平均降水量 181 mm左右,年平均(1974～2009年)氣溫在 7.9～10.3℃之間,多年平均 9℃左右。

兩岔徑流補(bǔ)給形式主要為大氣降水,冰川融水,受氣溫影響較大。圖 1為 2005年祁連水文站流量與氣溫相關(guān)關(guān)系曲線圖,春季徑流以積雪融水和地下水補(bǔ)給為主,夏、秋季以降水補(bǔ)給為主,同時(shí)隨氣溫升高,輔以冰川融水;秋末、冬季部分降水則以固態(tài)形式儲(chǔ)存在流域內(nèi)。

圖1 2005年祁連水文站徑流與氣溫關(guān)系圖

4 基流計(jì)算

4.1 西岔野牛溝河(黑河)

西岔野牛溝河(黑河)由札馬什克水文站控制,距黑河西岔源頭 182 km,海拔 2 635 km,位于青海省祁連縣扎馬什克鄉(xiāng)。根據(jù)實(shí)測資料,其年均實(shí)測徑流量為 7.26億 m3

圖 2為扎馬什克站 2008年流量過程線。從圖中可以看出,馬什克站降水主要集中在 7～10月,降水強(qiáng)度小,持續(xù)時(shí)間長,洪峰過程起漲快,回落平緩。

圖2 扎馬什克站 2008年日流量過程線

本站基流計(jì)算結(jié)果見表 1。從計(jì)算結(jié)果可以看出,基流占徑流的比重較大,基徑比(年基流總量與徑流量總量的比值)在 0.70～0.76之間變化,平均基徑比為 0.74。基徑比大是由于該地區(qū)為山丘區(qū),植被較好,有利于降雨入滲形成淺層地下水,非汛期降水主要為固體,地表水、地下水冬季凍結(jié),夏季融化,有利于地下水的補(bǔ)給。

表1 扎馬什克站基流計(jì)算結(jié)果

由于西岔野牛溝河以上地處祁連山區(qū)深處,人類活動(dòng)影響較少,流域處于天然狀態(tài)。其徑流變化與年降水量密切相關(guān)。20世紀(jì) 50、60年代年均基流量為 55 717萬 m3/a,年平均降水量 428mm,基徑比為 0.75;70年代最小,年均基流量為49 630萬 m3/a,年平均降水量 429mm,基徑比為 0.75,其中 1973年基流最小,只有 40 560萬 m3,基徑比為 0.77;80年代年均基流量為 54 629萬 m3/a,年平均降水量 463 mm,基徑比為 0.73;90年代年均基流量為 50 514萬 m3/a,年平均降水量 463mm,基徑比為 0.74;21世紀(jì)前十年最大,年均基流量為 59 125萬 m3/a,年平均降水量 457 mm,基徑比為0.75,其中 2009年基流量最大,為 75 540萬 m3,基徑比為0.76。

圖3 扎馬什克站徑流、基流、降水量關(guān)系曲線圖

扎馬什克站歷年實(shí)測徑流與計(jì)算徑流過程線見圖 3?？梢钥闯?徑流量、基流量與降水量明顯相關(guān),基本呈一一對應(yīng)。降水量大,基流量也大,反之亦然。2000以后,由于上游修建水庫、引水灌溉等人類活動(dòng)的影響,降水量與實(shí)測徑流和基流量已經(jīng)沒有對應(yīng)關(guān)系。

4.2 東岔八寶河(祁連)

東岔野八寶河(黑河)由祁連水文站控制,距黑河入河口6 km,海拔 2 590 km,位于青海省祁連縣。根據(jù)實(shí)測資料,其年均實(shí)測徑流量為 4.2 666億 m3

圖4 祁連站 2008年日流量過程線

圖 4為祁連站 2008年流量過程線。從圖中可以看出,馬什克站冰雪消融集中在 3～6月,降水主要集中在 7～10月,降水強(qiáng)度小,持續(xù)時(shí)間長,洪峰過程起漲快,回落平緩。

本站基流計(jì)算結(jié)果見表2 。從計(jì)算結(jié)果可以看出,基流所占比重較大,基徑比在 0.73～0.86之間變化,平均基徑比為 0.81,大于扎馬什克站,說明其上游流域下墊面條件好于西岔野牛溝河流域,植被較好,非汛期降水形成的凍結(jié)層上水地下水量豐富,地表水、地下水冬季凍結(jié),夏季融化,地下水的補(bǔ)給大。

表2 祁連站基流計(jì)算結(jié)果

由于西岔野牛溝河以上地處祁連山區(qū)深處,基本無人類活動(dòng),流域處于天然狀態(tài)。其徑流變化與年降水量密切相關(guān)。20世紀(jì) 70年代年均基流量為 32 429萬 m3/a,基徑比為0.82;80年代年均基流量為 39 987萬 m3/a,基徑比為 0.81;90年代年均基流量為 23 965萬 m3/a,基徑比為 0.77;21世紀(jì)前十年最大,年均基流量為 42 797萬 m3/a,基徑比為0.83,其中 2003年基流量最大,為 53 230萬 m3,降水量也為最大值 508.6 mm。

圖 5 祁連站徑流、基流、降水量關(guān)系曲線圖

祁連站歷年實(shí)測徑流和計(jì)算徑流與降水量關(guān)系曲線見圖 5。其流量與降水量明顯相關(guān),呈對應(yīng)關(guān)系。降水量大的年代,基流量大,降水量小的年代,基流量小。20世紀(jì) 90年代,降水量最小 397mm,基流量也為最小值 23 965萬 m3;2000以后,降水量增大,最大達(dá) 398 mm,基流量也達(dá)到最大值42 979萬 m3,基徑比達(dá)到 0.83;1998年值明顯偏左的原因是局部暴雨洪水所致,洪水由于歷時(shí)短,強(qiáng)度大,地表水下滲量小,沒有及時(shí)轉(zhuǎn)化為地下水,故基流偏小。

4.3 黑河上游

鶯落峽水文站為黑河上游的控制站,本站以上為黑河上游,控制流域面積 10 009 km2,分布有高山、峽谷及荒灘,平均海拔 3 000m以上,黑河源頭主峰海拔 5 547m。鶯落峽站年平均氣溫 1℃～8℃,年降水量為 180.9mm。洪水多出現(xiàn)在 7～9月,實(shí)測最大洪峰流量為 1310m3/s,發(fā)生在 1996年8月 22日。根據(jù)實(shí)測資料,其年均實(shí)測徑流量為 15.9 881億m3。

本站基流計(jì)算結(jié)果見表3 。從計(jì)算結(jié)果可以看出,基流所占比重較大,并且穩(wěn)定,平均基徑比為 0.83,說明其上游流域下墊面條件較好,植被良好,當(dāng)年或前一年夏秋涵蓄于森林植被中降水和森林分布線以上疏松坡積物涵蓄的水量豐富,加之非汛期降水形成的凍結(jié)層上水水量豐富,地表水、地下水冬季凍結(jié),夏季融化,地下水的補(bǔ)給量大。

表3 鶯落峽站基流計(jì)算結(jié)果

2000年以后,基流量顯著增加,從 2000年的 120 500萬m3/a增加到 2009年 174 500萬 m3/a, 環(huán)比增加了 44.81%,比多年平均值大 10.42%。

圖 6 鶯落峽站徑流、基流、降水量關(guān)系曲線圖

通過列表統(tǒng)計(jì)鶯落峽枯水期(1～3月)差積累計(jì)曲線∑(Ki-1)與年基流∑(K'i-1)進(jìn)行對比分析,由圖 7可以看出兩曲線起伏一致,豐枯周期基本一致,表面枯水期流量的變化與前一年的徑流量(降水量)的大小有關(guān),這主要由于枯季 1～3月徑流量主要來源于流域蓄水(包括地下水)補(bǔ)給,當(dāng)前一年降水量或徑流量較大時(shí),降水入滲補(bǔ)給量大,地下水量大,次年枯水期徑流相應(yīng)較大,反之較小。

圖 7 鶯落峽水文站枯季徑流∑(Ki-1)-T與年徑流∑ (K′i-1)-T對比圖

5 結(jié)論

1)黑河上游山區(qū)地表徑流及基流年內(nèi)分配與降水過程和高溫季節(jié)基本一致,徑流量與降水量集中于暖季,春季徑流以冰雪融水和地下水補(bǔ)給為主,夏秋季以降水補(bǔ)給為主,同時(shí)隨氣溫升高,輔以冰川融水;秋末、冬季部分降水則以固態(tài)形式儲(chǔ)存在流域內(nèi)。具有春汛、夏洪、秋平、冬枯的特點(diǎn)

2)年內(nèi)變化呈明顯的周期規(guī)律,受氣溫、森林植被的影響,冬春枯水季節(jié)(10～3月),基流量占年徑流總量的38.5%。這時(shí)地表水主要由兩部分構(gòu)成,一部分來自基巖裂隙水,一部分為當(dāng)年或前一年夏秋涵蓄于森林植被中降水和森林分布線以上疏松坡積物涵蓄的水量。

3)基流年際變化不大,CV值只有 0.02,且基徑比較大,并且穩(wěn)定,說明其上游流域下墊面條件較好,植被良好,當(dāng)年或前一年夏秋涵蓄于森林植被中降水和森林分布線以上疏松坡積物中涵蓄的水量豐富,加之非汛期降水形成的凍結(jié)層上水水量豐富,地表水、地下水冬季凍結(jié),夏季融化,地下水的補(bǔ)給大。

[1]權(quán)錦,馬建良.石羊河流域基流分割及特征分析.水電能源科學(xué).2010.27(1)：51-53.

[2]伍立群,代興蘭.河川基流分割法在山丘區(qū)地下水資源量評價(jià)中的運(yùn)用.中國農(nóng)村水利水電,2005,1：35-38.

[3]陳利群,劉昌明,李發(fā)東.基流研究綜述.地理科學(xué)進(jìn)展,2006,25(1)：1-15.

[4]黃國如,陳永勤.枯水徑流若干問題研究進(jìn)度.水電能源科學(xué),2005,23(4)：61-64.

[5]黃國如.流量過程線的自動(dòng)分割方法探討.灌溉排水學(xué)報(bào),2007,26(1)：73-78.

[6]倪雅茜,張文華,郭生練.流量過程線分割方法的分析探討.水文,2005,25(3)：10-14.

[7]陳利群 ,劉昌明,郝芳華,劉九玉,戴 東.黃河源區(qū)基流變化及影響因子分析.冰川凍土,2006,28(2).