自動(dòng)基流分割法在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)典型流域適用性分析

雷泳南，張曉萍，張建軍，劉二佳，張慶印，陳妮

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

自動(dòng)基流分割法在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)典型流域適用性分析

雷泳南1，2，張曉萍1，3?，張建軍1，2，劉二佳1，2，張慶印1，3，陳妮1，3

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，河川基流量的多少及其變化對(duì)維持該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。利用黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)窟野河流域多年實(shí)測(cè)徑流資料，研究國內(nèi)外常用的滑動(dòng)最小值法、HYSEP法和數(shù)字濾波法3類共8種自動(dòng)基流分割方法在該研究區(qū)的適用性。結(jié)果表明:1)8種方法所得年均基流指數(shù)差異較大，最大為0.651 5，最小為0.330 5，而濾波法中的F2(Chapman-Maxwell法)和F4(Eckhardt法)法估算的結(jié)果最為穩(wěn)定可靠，均值分別為0.386 8和0.330 5，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.042 8和0.046 1;2)F2和F4法分割的基流過程線與實(shí)際更吻合，2種方法估算的年基流量與實(shí)際觀測(cè)值的驗(yàn)證效果最好，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.691和0.718，平均相對(duì)誤差分別為9.83%和5.05%，F(xiàn)2和F4法估算的基流結(jié)果均能客觀穩(wěn)定地反映該研究區(qū)的基流狀況，適合于該研究區(qū)進(jìn)行基流分析;3)從F2和F4 2種方法估算值的平均值來看，窟野河流域基流量近50年來呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其減少量占總徑流減少量的41%。

基流分割;數(shù)字濾波法;適宜性;水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū);黃土高原

河川基流是指由地下水補(bǔ)給河川的水量，是枯水徑流的主要組成部分，在維持河川生態(tài)系統(tǒng)健康中有著重要作用［1-2］。近年來，在氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下，黃河流域河川基流量大幅度減少［3-4］，造成黃河下游頻繁斷流［5-6］，對(duì)流域經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響［7］。同時(shí)，由于地表徑流和地下徑流在水循環(huán)及泥沙運(yùn)移過程中的機(jī)制差異［8］，河川基流量的分割技術(shù)及估算，將影響到區(qū)域水資源評(píng)價(jià)和侵蝕產(chǎn)沙模擬等相關(guān)研究，一直是國內(nèi)外水文工作者研究的重要內(nèi)容［9-10］。

傳統(tǒng)的基流分割法以作圖法為主，主觀性強(qiáng)，計(jì)算繁瑣，實(shí)踐中難以應(yīng)用于長(zhǎng)序列資料的分析計(jì)算。近年來，采用數(shù)學(xué)方法分割流量過程線的自動(dòng)分割技術(shù)得到了快速發(fā)展，其中應(yīng)用較廣的有滑動(dòng)最小值法［11-12］、HYSEP 法［13］、PART 法［14］、數(shù) 字 濾 波法［15］等，具有客觀性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、計(jì)算速度快等特點(diǎn)，在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。錢云平等［3］運(yùn)用滑動(dòng)最小值法對(duì)黃河中游河川基流進(jìn)行了估算，分析了黃河中游河川基流的特點(diǎn)及變化。左海鳳等［16］運(yùn)用同樣的方法對(duì)汾河流域河川基流進(jìn)行了估算與分析，客觀反映了流域基流變化趨勢(shì)。Huang等［17］利用Chapman-Maxwell數(shù)字濾波法對(duì)黃河中游典型流域河川基流進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著水土保持措施的實(shí)施，流域年基流量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。然而，針對(duì)黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)降水集中且多暴雨的氣象特征，采用何種基流分割方法更能準(zhǔn)確反映該區(qū)的河川基流狀況方面的研究，還少有文獻(xiàn)報(bào)道。探討不同的基流分割方法在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的適用性，選出合適的分割方法，對(duì)正確了解該區(qū)河川基流變化具有重要意義。筆者以位于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的典型流域窟野河流域?yàn)槔捎?類8種基流分割技術(shù)進(jìn)行河川基流的分割，通過比較分割結(jié)果，探討不同方法的穩(wěn)定性和可靠性，選出適宜的計(jì)算方法，為了解和分析該區(qū)流域基流的演變提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

窟野河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝市巴定溝，流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)、伊金霍洛旗、準(zhǔn)格爾旗和陜西省榆林市府谷和神木5縣(旗或區(qū))，于神木縣賀家川鎮(zhèn)沙峁頭村匯入黃河。流域面積8 706 km2，干流全長(zhǎng)約242 km。地處干旱、半干旱地區(qū)，多年平均降雨量410 mm，集中分布在6—9月，占全年降水量的70% ～80%，且多暴雨，多年平均徑流量為5.69億m3。主要地形地貌有西北部的風(fēng)沙區(qū)和東南部的黃土丘陵溝壑區(qū)［18］。研究區(qū)儲(chǔ)藏有豐富的優(yōu)質(zhì)煤資源，是我國重要的能源化工基地，近年來隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，流域水資源供需矛盾日益突出，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷流現(xiàn)象［19］。

2 數(shù)據(jù)來源

溫家川水文站是窟野河出口控制站，集水面積8 645 km2。受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，1999年后流域內(nèi)的年徑流量顯著減少。為了更好地反映各種基流分割方法的穩(wěn)定性，同時(shí)保證足夠長(zhǎng)的序列資料以便得到可靠的分析結(jié)果，選擇1954—1998年共45 a的實(shí)測(cè)日徑流資料進(jìn)行基流分割。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院水利部水土保持研究所圖書館和黃河水利委員會(huì)。

3 研究方法

3.1 基流分割方法簡(jiǎn)介

3.1.1 滑動(dòng)最小值法 滑動(dòng)最小值法(minimum smoothing method，MSM)是1980年英國水文研究所提出的一套基流計(jì)算方法［11］?；驹硎窍葘⒚磕耆諒搅鬟^程按照一定時(shí)間間隔分成365/N個(gè)時(shí)間段(N為時(shí)間步長(zhǎng)，d);然后，確定每個(gè)時(shí)間段中的最小流量值，并與相鄰時(shí)間段最小流量值進(jìn)行比較，如果該時(shí)間段的最小流量值與拐點(diǎn)檢驗(yàn)因子(Turning point test factor)f的積小于等于相鄰時(shí)間段的最小流量值，則可確定該點(diǎn)為流量過程線上的一個(gè)拐點(diǎn)。重復(fù)以上步驟，直至確定所有拐點(diǎn)為止。連接所有拐點(diǎn)，即可得到基流過程線，連線以下面積就是分割所得的基流量。國內(nèi)外很多學(xué)者［12，16］的研究結(jié)果表明，拐點(diǎn)檢驗(yàn)因子f值的變化對(duì)基流分割的結(jié)果影響不顯著，一般取值可定為0.9。時(shí)間步長(zhǎng)N可以通過試算法來確定［12］。經(jīng)前期數(shù)據(jù)處理分析，本研究中將N值確定為4。

3.1.2 HYSEP分割法 HYSEP(A computer program for streamflow hydrograph separation and analysis)法共有3種流量分割法:固定時(shí)間間隔法(FI)、滑動(dòng)時(shí)間間隔法(MI)和局部最小值法(LM)［13］。首先利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出地表徑流的持續(xù)時(shí)間

式中:t為地表徑流持續(xù)時(shí)間，d;A為流域面積，km2。時(shí)間間隔取值為與2t最為接近且介于3～11 d的奇數(shù)。確定時(shí)間間隔取值后，利用FI、MI、LM 3種方法進(jìn)行基流計(jì)算。

3.1.3 數(shù)字濾波法 數(shù)字濾波法是近年來國際上應(yīng)用最為廣泛的基流分割方法，它的原理是通過數(shù)字濾波器將信號(hào)分解為高頻和低頻，對(duì)應(yīng)地將徑流過程劃分為地表徑流和基流［15，20］。目前應(yīng)用廣泛的數(shù)字濾波法有 Lyne-Hollick 濾波法［15，21］(F1)、Chapman-Maxwell濾波法［22］(F2)、Boughton-Chapman 濾波法［22-23］(F3)和 Eckhardt濾波法［24］(F4)。

F1方法是由Lyne和Hollick于1979年首次提出，1990年，Nathan和 McMahon對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，其基流分割方程為:

式中:qi為第i時(shí)刻的徑流量，m3/s;qfi為第i時(shí)刻的地表徑流量，m3/s;qbi為第i時(shí)刻的基流量，m3/s;α為濾波因數(shù)。R.J.Nathan等［15］對(duì)澳大利亞186個(gè)流域以及J.G.Arnold等［25］對(duì)美國11個(gè)流域的研究結(jié)果表明，α取0.925時(shí)分割的基流效果較好。

F2方法是由Chapman和 Maxwell于1996年提出，基流分割方程為

式中:k為退水系數(shù)，一般情況下，k取值為0.95。

F3方法是由Boughton于1993提出，Chapman和Maxwell在1996年對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，基流分割方程為

式中C為參數(shù)，一般情況下C取值為0.15。

F4方法是2005年由Eckhardt提出的，基流分割方程為

式中Bmax為河流最大的基流因數(shù)，Eckhardt推薦在以孔隙含水層為主的常流河，Bmax取值為0.80，在以孔隙含水層為主的季節(jié)性河流，Bmax取值為0.50，在以弱透水層為主的常流河，Bmax取值為0.25。該方法是前幾種方法的一種改進(jìn)，可應(yīng)用于任何時(shí)間步長(zhǎng)的水文序列。K.Eckhardt［26］在美國65個(gè)流域應(yīng)用該方法與其他方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明，該方法估算的基流量可能最為合理。

3.2 數(shù)據(jù)分析方法

3.2.1 基流指數(shù) 基流指數(shù)(baseflow index，BFI)是指時(shí)段內(nèi)河川基流量占總徑流量的比例，反映河川基流量的大小。為了比較各種基流分割方法的差異，運(yùn)用8種基流分割方法對(duì)窟野河流域溫家川水文站45 a間的實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行基流計(jì)算，獲取基流指數(shù)值，分析其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差等統(tǒng)計(jì)特征，公式如下:

式中:a是水文序列中基流指數(shù)的平均值，量綱為1;an是水文序列中待統(tǒng)計(jì)的基流指數(shù)值，量綱為1;n是水文序列長(zhǎng)，a;D是標(biāo)準(zhǔn)偏差，D越小，說明待統(tǒng)計(jì)值起伏變化越小，D越大，說明待統(tǒng)計(jì)值起伏變化越大。

3.2.2 流量過程線 以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以流量為縱坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)流量繪成的流量過程曲線。從流量過程線上可以看出流域流量的變化過程。為了更直觀地了解各種基流分割方法的分割特點(diǎn)，在對(duì)日徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分割后，繪制出日基流過程線，通過觀察基流過程線的平滑度，探討不同分割方法分割基流的差異。

3.2.3 實(shí)際基流量確定 枯水指數(shù)是反映地下水補(bǔ)給河川徑流特性的重要指標(biāo)，Q90和Q50分別代表時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)頻率大于等于90%和50%時(shí)的徑流量，采用日流量歷時(shí)曲線來確定［9］。用枯水指數(shù)(Q90/Q50)與年總徑流量的乘積來作為年基流量的實(shí)際觀測(cè)值，用于和上述基流分割估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)作為評(píng)價(jià)觀測(cè)值與估算值的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)［27］。公式為

式中:E為Nash-Sutcliffe效率系數(shù);Qmi為第i年觀測(cè)的年基流量，億m3;Qpi為第i年估算的年基流量，億

式中:R為平均相對(duì)誤差，%，R越接近0，說明模擬效果越好;Qas為估算的平均年基流量，億m3。

一般認(rèn)為，Nash-Sutcliffe效率因數(shù) E超過0.600，平均相對(duì)誤差R小于10%模擬結(jié)果就具有較好的精度。m3;Qam為觀測(cè)的平均年基流量，億m3。

E取值一般在0～1之間，E越接近1，說明估算效果越好，E越接近0，說明效果越差。采用平均相對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)，表達(dá)式為

4 結(jié)果與分析

4.1 基流指數(shù)對(duì)比分析

運(yùn)用3類8種基流分割方法對(duì)窟野河流域溫家川水文站1954—1998年的實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行基流估算，估算結(jié)果見表1?？梢钥闯?，不同分割方法估算結(jié)果不一致，F(xiàn)1、F3法估算的基流指數(shù)值偏大，多年均值分別為0.651 5和 0.558 8，而 MSM、FI、SI、LM、F2和F4法估算的基流指數(shù)值偏小且比較接近，這與錢云平等［3］在本研究區(qū)應(yīng)用類似方法得到的研究結(jié)果較為一致。

表1 8種基流分割方法估算的基流指數(shù)值Tab．1 Baseflow indices estimation with 8 base flow separation methods

將8種方法估算的每年基流指數(shù)值作相關(guān)分析，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，MSM與HYSEP法的相關(guān)性總體要好于與數(shù)字濾波法的相關(guān)性，說明這2類方法基流分割結(jié)果接近。在4種數(shù)字濾波法中，F(xiàn)2法估算結(jié)果與其他7種方法估算結(jié)果相關(guān)性最好，其最低相關(guān)系數(shù)為0.871 5，其應(yīng)用穩(wěn)定性最高。F4雖然與其他7種分割方法相關(guān)系數(shù)普遍不高，但各相關(guān)系數(shù)較為接近，最低和最高相關(guān)系數(shù)相差不大，可見F4也具有一定的穩(wěn)定性。

為了深入探討不同基流分割方法間估算結(jié)果的差異，分析了8種基流分割方法計(jì)算的年基流指數(shù)值的統(tǒng)計(jì)特征(表3)。結(jié)果表明，8種基流分割方法中，滑動(dòng)最小值法(MSM)和HYSEP法的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，而數(shù)字濾波法標(biāo)準(zhǔn)偏差普遍較小。其原因是前2種方法計(jì)算某天的基流量與選取該天所在時(shí)段內(nèi)的最低徑流量有關(guān)，受當(dāng)?shù)乇┯晔录挠绊?，分割出的基流量起伏變化較大，而后者在分割某天的基流量時(shí)只與該天前后2 d的徑流量有關(guān)，分割出的基流量較為平穩(wěn)。

表2 8種基流分割方法基流指數(shù)值的相關(guān)系數(shù)Tab．2 Correlation coefficient of annual baseflow indices with 8 base flow separation methods

表3 8種基流分割方法各年基流指數(shù)值的統(tǒng)計(jì)特征Tab．3 Statistical characteristics of annual baseflow indices with 8 base flow separation methods

4種數(shù)字濾波法中:F2法對(duì)基流估算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，為0.042 8，均值為0.386 8，極值比(最大值/最小值)偏小，為1.620 0;F4法的標(biāo)準(zhǔn)偏差次之，為 0.046 1，均值為0.330 5，極值比為1.890 0。說明F2和F4法均具有較高的穩(wěn)定性。

4.2 徑流過程線對(duì)比分析

為了直觀地了解各種基流分割方法分割徑流過程的特點(diǎn)，選取了降雨量較多的1980年7—10月的觀測(cè)資料，8種基流分割方法的流量過程線見圖3?？梢钥闯?，8種方法所得1980年汛期的基流過程線有較大差異。由于滑動(dòng)最小值法和HYSEP法分割過程是流量最低點(diǎn)的連線，對(duì)汛期的徑流降水過程幾乎沒有表現(xiàn)，而數(shù)字濾波法對(duì)汛期降水過程中(如08-29左右)隨地下水消退的基流分割較為合理。4種濾波法中，F(xiàn)2和F4法分割的結(jié)果較為平穩(wěn)，而F1和F3法的基流過程線隨降雨過程起伏較大，甚至出現(xiàn)非枯季基流過程線與徑流過程線重合的現(xiàn)象。

4.3 年基流量對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，選出研究區(qū)最優(yōu)基流分割方法，以枯水指數(shù)Q90/Q50與年總徑流量的乘積作為實(shí)際觀測(cè)值，以8種基流分割方法計(jì)算的年基流量作為估算值進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表4和圖1。

從表4、圖1可以看出:F1和F3法估算的年基流量值偏大，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為負(fù)數(shù)，平均相對(duì)誤差高達(dá)57.09% ～83.37%，說明這2種方法在研究區(qū)的年基流量估算中不理想;MSM、FI、SI、LM和F2、F4等6種基流分割方法估算的年基流量與實(shí)際觀測(cè)值點(diǎn)群集中在 1∶1線附近，MSM、FI、SI、LM等4種方法的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)在0.405～0.489之間，平均相對(duì)誤差控制較好，計(jì)算的基流量較為接近，具有一定的模擬效果;F2和 F4法的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.691和0.718，平均相對(duì)誤差控制在10%以下，分別為9.83%和5.05%，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)均超過0.600，可見，F(xiàn)2和F4法估算的基流量與實(shí)際觀測(cè)值的模擬效果最好。

圖1 1980年8種基流分割法的基流過程線比較Fig．1 Baseflow processes with 8 baseflow separation methods in 1980

基于以上分析，為了更好地了解窟野河流域河川基流的變化情況，采用濾波法F2和F4法分割基流結(jié)果對(duì)研究流域各年代的基流狀況做統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5。可以看出，2種濾波法估算的河川基流量隨著年代的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。從F2、F4 2種估算方法的均值看，基流量由20世紀(jì)50年代的2.92億m3減少到20世紀(jì)90年代的1.57億m3，與50年代相比，基流量減少46%，占總徑流減少量(3.33億m3)的41%。

表4 8種基流分割方法的驗(yàn)證結(jié)果Tab．4 Verification results of base flow with 8 base flow separation methods

表5 窟野河流域年代基流量Tab．5 Multi-year baseflow of age in the Kuyehe Watershed 億m3

5 結(jié)論

1)3類8種自動(dòng)基流分割方法估算的年基流指數(shù)值差異較大，其中數(shù)字濾波法中的F2(Chapman-Maxwell法)和F4(Eckhardt法)法估算的基流指數(shù)值較穩(wěn)定可靠，其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.042 8和0.046 1，均值分別為0.386 8和0.330 5，極值比較小，分別為1.62和1.89。

圖2 8種基流分割方法的年基流量對(duì)比Fig．2 Comparison of base flow with 8 base flow separation methods

2)3類8種自動(dòng)基流分割方法在典型年汛期的基流過程線有較大差異，數(shù)字濾波法分割的基流過程線較好地反映了隨退水曲線變化的基流過程，F(xiàn)2和F4法則更為合理。與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比較，F(xiàn)2和F4法估算的基流量模擬效果最好，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.691和0.718，平均相對(duì)誤差分別為9.83%和5.05%。

3)滑動(dòng)最小值法、HYSEP法和數(shù)字濾波法3類基流分割方法中的F2和F4法估算的基流結(jié)果最為客觀穩(wěn)定，可作為窟野河流域適宜的基流分割方法。應(yīng)用F2和F4法得到的流域基流量均值在近50年呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，占總徑流減少量的41%。

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所鄭紅星博士提供了基流分割程序，在此表示感謝!

［1］黃錫荃.水文學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1993［2］陳志愷，王維第，劉國瑋.水文與水資源分冊(cè)［M］.北

京:中國水利水電出版社，2004

［3］錢云平，蔣秀華，金雙彥，等.黃河中游黃土高原區(qū)河川基流特點(diǎn)及變化分析［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，26(2):88-91

［4］梁四海，徐德偉，萬力，等.黃河源區(qū)基流量的變化規(guī)律及影響因素［J］.地學(xué)前緣，2008，15(4):280-289

［5］劉昌明，成立.黃河干流下游斷流的徑流序列分析［J］. 地理學(xué)報(bào)，2000，55(3):257-265

［6］劉昌明，張學(xué)成.黃河干流實(shí)際來水量不斷減少的成因分析［J］. 地理學(xué)報(bào)，2004，59(3):323-330

［7］王雁林，王文科，錢云平，等.黃河河川基流量演化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因子探討［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2008，23(3):479-486

［8］戴明英.黃河中游支流基流的分割及特性分析［J］.人民黃河，1996(10):40-43

［9］Smakhtin V.Low flow hydrology:a review［J］.Journal of Hydrology，2001，240:147-186

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

［11］Institute of Hydrology.Low flow studies［R］.Wallingford，UK:Institute of Hydrology，1980:12-19

［12］Wahl K L，Wahl T L.Determining the flow of comal springs at New Braunfels，Texas［J］.Texas Water，1995，95:16-17

［13］Ronald A S，Michele Y C.HYSEP:A computer program for streamflow hydrograph separation and analysis［R］.USGS Water-resources Investigations Report 96-4040，Lemoyne，Pennsylvania:USGS，1996

［14］Rutledge A T.Computer programs for describing the recession of ground-water discharge and for estimating mean ground-water recharge and discharge from streamflow records［R］.USGS Water-resources Investigations Report 98-4148，Lemoyne，Pennsylvania:USGS，1998

［15］Nathan R J，McMahon T A.Evaluation of automated techniques for base flow and recession analyses［J］.Water Resources Research，1990，26(7):1465-1473

［16］左海鳳，武淑林，邵景力，等.山丘區(qū)河川基流bfi程序分割方法的運(yùn)用與分析:以汾河流域河岔水文站為例［J］. 水文，2007，27(1):69-71

［17］Huang M B，Zhang L.Hydrological responses to conservation practices in a catchment of the Loess Plateau，China［J］.Hydrological Processes，2004，18(10):1885-1898

［18］王小軍，蔡煥杰，張?chǎng)?，?窟野河季節(jié)性斷流及其成因分析［J］.資源科學(xué)，2008，30(3):475-480

［19］蔣曉輝，谷曉偉，何宏謀.窟野河流域煤炭開采對(duì)水循環(huán)的影響研究［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2010，25(2):300-307

［20］Arnold J G，Allen P M.Automated methods for estimating baseflow and ground water recharge from streamflow［J］.Journal of the American Water Resources Association，1999，35(2):411-424

［21］Lyne V，Hollick M.Stochastic time-variable rainfall-runoff modeling［C］.Institute of Engineers Australia National Conference.Camberra:Institute of Engineers Australia，1979，10:89-93

［22］Chapman T G，Maxwell A I.Baseflow separation-comparison of numerical methods with tracer experiments［C］.Institute Engineers Australia National Conference.Camberra:Institute of Engineers Australia，1996，5:539-545

［23］Boughton W C.A hydrograph-based model for estimating the water yield of ungauged catchments［C］.Institute of Engineers Australia National Conference.Camberra:Institute of Engineers Australia，1993，14:317-324

［24］Eckhardt K.How to construct recursive digital filters for baseflow separation［J］.Hydrological Processes，2005，19(2):507-515

［25］Arnold J G，Allen P M，Muttiah R，et al.Automated base flow separation and recession analysis techniques［J］.Ground Water，1995，33(6):1010-1018

［26］Eckhardt K.A comparison of baseflow indices，which were calculated with seven different baseflow separation methods［J］.Journal of Hydrology，2008，352:168-173

［27］Nash J E，Sutcliffe J V.River Flow Forecasting through Conceptual Models PartⅠ:A Discussion of Principles［J］.Journal of Hydrology，1970，10:282-290

Suitability analysis of automatic baseflow separation methods in typical watersheds of water-wind erosion crisscross region on the Loess Plateau，China

Lei Yongnan1，2，Zhang Xiaoping1，3，Zhang Jianjun1，2，Liu Erjia1，2，Zhang Qingyin1，3，Chen Ni1，3

(1.The State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming in Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing;3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi:China)

The water-wind erosion crisscross region on the Loess Plateau is the main source of the coarse sediments of the Yellow River，where eco-environment is very fragile.The baseflow is of great significance to maintain sustainable development of the river ecosystem in this region.In order to test the applicability of automated baseflow separation methods on the water-wind erosion crisscross region on the Loess Plateau，several commonly and widely used methods including minimum smoothing method，HYSEP and recursive digital filter were tested by the runoff data of Kuyehe Watershed.The results show that there were significant difference of baseflow indices of eight methods with the maximum 0.651 5 and minimum 0.330 5.The statistical characteristics of annual baseflow indices that were used Chapman-Maxwell filtering method and Eckhardt filtering method to estimate are the best with the mean values 0.386 8 and 0.330 5，respectively，and the standard deviation 0.042 8 and 0.046 1，respectively.The baseflow discharge curves are smooth，which accords with realistic base flow condition.The verification results show that Nash-Sutcliffe efficiency coefficients were 0.691 and 0.718，respectively，and the average relative errors were 9.83% and 5.05%，respectively.Therefore Chapman-Maxwell filtering method and Eckhardt filtering method separate most objective and stable base flow，which could be used as optimal base flow separation method in this study area.The mean baseflow estimated by Chapman-Maxwell filtering method and Eckhardt filtering method showed a significant negative trend in the near 50 years and the reduction of baseflow account for 41%of the total runoff.

baseflow separation;recursive digital filter;suitability;water-wind erosion crisscross region;the Loess Plateau

2011-06-25

2011-09-14

項(xiàng)目名稱:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目“中國主要水蝕區(qū)土壤侵蝕過程與調(diào)控研究”(2007CB407203);國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)“水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)侵蝕環(huán)境演變的地學(xué)—生物學(xué)過程及其調(diào)控”(10502-Z12-1)

雷泳南(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向:土地利用變化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。E-mail:leiyn604@126.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:張曉萍(1971—)，女，研究員。主要研究方向:土地利用/覆被變化環(huán)境效應(yīng)。E-mail:zhangxp@ms.iswc.ac.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)