黑河流域上游山區(qū)基流量分割及其變化

趙韋　李占玲+王月華

摘要：基于黑河上游鶯落峽站1954年-2011年徑流資料，采用數(shù)字濾波法多種濾波方程對(duì)月流量資料進(jìn)行基流分割；在此基礎(chǔ)上，借助MannKendall、Pettitt、流量不穩(wěn)定系數(shù)、累積距平等方法分析研究區(qū)基流和基流指數(shù)（BFI）在年內(nèi)、年際以及多年時(shí)間尺度上的變化特征。結(jié)果表明，數(shù)字濾波法分割的基流能較好地反應(yīng)出不同月份之間基流量的差異及其年內(nèi)變化特征；研究區(qū)夏季基流量最大，其次是春季和秋季，冬季基流量最小；BFI最小值出現(xiàn)在夏季，冬季BFI最大；基流量和徑流量的年際變化趨勢(shì)大體一致，均呈緩慢增長趨勢(shì)，但基流變化相對(duì)緩和，且比較平穩(wěn)；基流量序列在1979年存在顯著變點(diǎn)，變點(diǎn)后基流量較變點(diǎn)前增加16%；多年變化中基流對(duì)徑流的貢獻(xiàn)變化幅度不大，BFI基本維持在027左右。

關(guān)鍵詞：基流；基流分割；基流指數(shù)；黑河流域

中圖分類號(hào)：P333.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16721683（2016）05002606

基流是地下水補(bǔ)給河流的水量，對(duì)維持河川徑流和流域水量平衡、開展流域水資源規(guī)劃等方面都具有重要作用。在干旱半干旱地區(qū)，基流也是流域最重要的枯季水文特征之一。黑河流域位于我國西北干旱地區(qū)，黑河上游是黑河流域的主要產(chǎn)水區(qū)，分析黑河上游山區(qū)基流的變化趨勢(shì)，不僅對(duì)于揭示當(dāng)?shù)氐乇硭偷叵滤嗷プ饔眠^程具有重要意義，同時(shí)，對(duì)深入了解內(nèi)陸河流域水資源特性、合理開發(fā)利用和保護(hù)水資源、促進(jìn)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面都具有重要的指導(dǎo)意義[12]。

基流分割是水文學(xué)研究的重點(diǎn)?；鞣指畹姆椒ǘ喾N多樣。近年來，數(shù)字濾波法、平滑最小值法、基流指數(shù)法、時(shí)間步長法和水文模型法等逐漸成為基流分割的主要方法 [37]。源于信號(hào)處理技術(shù)的數(shù)字濾波法，雖然參數(shù)物理意義不明確 [8]，但由其計(jì)算得到的基流量值滿足基流所具備的基本特征，并且該方法具有客觀、可重復(fù)、易操作的特點(diǎn)，因此在實(shí)踐中大量應(yīng)用并得到認(rèn)可 [9]。Liu等 [10]基于遞歸數(shù)字濾波法對(duì)美國密歇根州 17個(gè)流域的年基流量進(jìn)行了分析和討論；Fan等 [11]在中國西北的阿克蘇河采用數(shù)字濾波法對(duì)流域徑流序列進(jìn)行了基流分割；董薇薇 [12]等應(yīng)用遞歸數(shù)字濾波法分析了祁連山疏勒河上游的基流量變化；黨素珍 [13]等采用數(shù)字濾波法對(duì)黑河上游進(jìn)行了基流分割并分析了基流的變化特征；豆林等 [14]在對(duì)黃土區(qū)流域內(nèi)的河流進(jìn)行基流分割時(shí)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字濾波法分割的基流過程與實(shí)際基流狀況更為相符，可作為黃土區(qū)流域基流分割的最優(yōu)方法；董曉華等 [15]利用平滑最小值法和數(shù)字濾波法對(duì)三峽水庫日入庫流量進(jìn)行基流分割，結(jié)果表明，數(shù)字濾波法優(yōu)于平滑最小值法，所得的地下徑流更平滑，更符合流量過程線退水段的物理規(guī)律；張文娜等 [16]也認(rèn)為，從分割后基流指數(shù)的穩(wěn)定性和基流過程線的合理性來看，數(shù)字濾波法較平滑最小值法更優(yōu)。Teimouri等 [17]在阿塞拜疆省西部河流用雙參數(shù)數(shù)字濾波法估計(jì)基流指數(shù)，結(jié)果表明該方法的計(jì)算結(jié)果比其他方法更適合研究區(qū)。本文結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)字濾波法對(duì)黑河上游山區(qū)徑流量進(jìn)行基流分割，并與其他傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較；在此基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)基流量的變化特征進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)資料

黑河是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，地處干旱、半干旱區(qū)。發(fā)源于祁連山北麓，流域范圍介于38°N-42°N，98°E-101°30′E 之間，干流全長821 km，流域面積1429萬km2。黑河出山口鶯落峽水文站以上為流域上游地區(qū)，是流域的產(chǎn)流區(qū)，集水面積約10萬km2。上游地區(qū)下墊面植被良好，氣候陰寒濕冷，為典型的大陸性季風(fēng)氣候，年降水量350 mm，多年平均氣溫不足2 ℃；降水量隨高程的增加而增加，氣溫隨高程的增加而遞減。春季上游山區(qū)徑流以積雪融水和地下補(bǔ)給為主；夏、秋季以降水補(bǔ)給為主，同時(shí)隨氣溫升高，少量冰川融水加入；秋末、冬季部分降水則以固態(tài)形式存儲(chǔ)在流域內(nèi)。根據(jù)地下水形成條件、儲(chǔ)存特點(diǎn)和分布規(guī)律，黑河上游地下水分為多年凍土水和基巖裂隙水，是該流域基流的主要來源 [8]。

以黑河流域上游鶯落峽水文站（38°48′N，100°11′E，高程1 710 m）1954年-2011年月徑流資料（1988年-1989年資料缺失）為基礎(chǔ)，對(duì)黑河上游山區(qū)的流量過程進(jìn)行基流分割，并分析其變化特征。

2 研究方法

數(shù)字濾波技術(shù)是將流域降雨徑流過程中快速響應(yīng)和慢速響應(yīng)信號(hào)通過數(shù)字濾波器分解為高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，對(duì)應(yīng)地將徑流過程劃分為地表徑流和基流 [1821]。Nathan和McMahon在1990年首次將數(shù)字濾波技術(shù)應(yīng)用到基流分割中 [16，2225]?；鞣指罘匠蹋‵1）為：

3 結(jié)果分析與討論

3.1 基于數(shù)字濾波法的基流分割

采用濾波方程F1、F2、F3、F4分別對(duì)黑河上游鶯落峽水文站的流量序列進(jìn)行基流分割。四個(gè)濾波方程每次正反濾波得到的研究區(qū)多年平均基流量如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)“正、反”分別表示“正向運(yùn)算”和“反向運(yùn)算”，數(shù)字則表示濾波次數(shù)?？梢钥闯?，每次濾波后得到的基流量都有所減少。F1方程第四次反向?yàn)V波得到研究區(qū)多年平均基流量1497 m3/s，F(xiàn)4方程第二次反向?yàn)V波得到多年平均基流量1576 m3/s，F(xiàn)2和F3濾波方程經(jīng)過一次反向?yàn)V波即可得到較小的基流量（1074 m3/s 和1241 m3/s）。由此可見，F(xiàn)2和F3濾波方程可以更加快速、高效地從總流量序列中分割出基流量。根據(jù)趙良菊等人 [26]的研究結(jié)果，黑河上游山區(qū)冬季地表徑流量主要以基流為主，因此可以以該區(qū)冬季地表徑流量的多年平均值為依據(jù)來推估基流量的大小。通過計(jì)算，研究區(qū)冬季地表徑流量的多年平均值為144 m3/s，與文中F1濾波方程正反四次濾波結(jié)果、F2和F3方程正反一次濾波結(jié)果以及F4方程正反兩次濾波結(jié)果接近。為避免單一方程對(duì)基流分割結(jié)果的影響，文中以四個(gè)濾波方程基流分割結(jié)果的算術(shù)平均值作為研究區(qū)最終基流量。

3.2 基流量和BFI年內(nèi)變化特征

圖2給出了研究區(qū)多年平均月基流量的年內(nèi)變化?？梢钥闯?，研究區(qū)基流量在年內(nèi)表現(xiàn)為先微小增加、然后微小減小的過程；夏季基流量最大，其次是春季和秋季，冬季基流量最小。相比徑流量的年內(nèi)變化，基流量的年內(nèi)變化更為平穩(wěn)。圖2還給出了研究區(qū)多年平均月基流指數(shù)（Base Flow Index，簡稱BFI）的年內(nèi)變化過程線。其中，BFI是指流量序列中的基流量與總徑流量的比值，它可以反應(yīng)河流的水源補(bǔ)給特性；基流指數(shù)大，說明河流受地下水和壤中流的補(bǔ)給量大。研究區(qū)BFI的年內(nèi)變化過程是先減小后增加；冬季BFI最大，其次是春季和秋季，夏季最?。槐砻鞫净髁繉?duì)徑流總量的貢獻(xiàn)大，河流受地下水和壤中流的補(bǔ)給量大，受降水影響相對(duì)較小。

3.3 基流量和BFI年際變化特征

圖3顯示了研究區(qū)基流量的年際變化特征?？梢钥闯?，基流量呈現(xiàn)緩慢增長趨勢(shì)。進(jìn)一步根據(jù)MannKendall方法對(duì)研究區(qū)基流量的單調(diào)變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，基流量序列在001顯著性水平下呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。同時(shí)，對(duì)徑流量序列的年際變化進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)，結(jié)果表明徑流與基流變化趨勢(shì)大體一致，也呈增長趨勢(shì)；但相對(duì)于徑流量，基流量的變化幅度較小。這是由于徑流對(duì)外界條件的變化比較敏感，而基流主要受包氣帶調(diào)蓄作用和地下水補(bǔ)給的影響，對(duì)外界條件的變化相對(duì)不敏感。為進(jìn)一步分析基流量序列和徑流量序列在年際變化方面的差異性，文中分別計(jì)算了這兩個(gè)時(shí)間序列的離差系數(shù)Cv和不穩(wěn)定系數(shù)。Cv可以用來表示隨機(jī)變量對(duì)其均值的相對(duì)離散程度，系數(shù)越大則越為離散 [27]。不穩(wěn)定系數(shù)是最大年徑流量（或最大年基流量）與最小年徑流量（或最小年基流量）的比值，可以用來表征流量序列年際變化的穩(wěn)定性，該系數(shù)越大，說明流量序列年際變化越不穩(wěn)定。通過計(jì)算得到研究區(qū)基流量序列和徑流量序列的離差系數(shù)分別為010和016，不穩(wěn)定系數(shù)分別為158和212。這說明雖然基流量序列和徑流量序列在年際變化上均呈上升趨勢(shì)，但基流量的年際變化相對(duì)緩和，且比較平穩(wěn)。研究區(qū)基流量和徑流量序列呈上升趨勢(shì)與我國西部地區(qū)降水增加是密不可分的 [28]。除了降水增加對(duì)徑流的影響外，氣溫升高也對(duì)徑流變化有著重要影響。有研究表明，在黑河上游山區(qū)，氣溫升高對(duì)徑流的影響程度與降水增加對(duì)徑流的影響程度相當(dāng)，均高達(dá)40%以上 [29]。一方面，氣溫升高加速黑河上游冰川消融，從而形成更多融雪徑流；另一方面，氣溫升高還會(huì)導(dǎo)致黑河上游凍土活動(dòng)層增厚，從而增加土壤蓄水容量，進(jìn)一步影響流域的徑流量和基流量變化 [29]。研究區(qū)多年平均BFI為027，變幅為020～031，變化相對(duì)穩(wěn)定，表明在年際尺度上，基流量對(duì)徑流總量的貢獻(xiàn)變化不大。

3.4 基流量和BFI多年變化特征

通過分析研究區(qū)基流量的累積距平曲線（圖5），也可以發(fā)現(xiàn)1979年前后研究區(qū)基流量序列存在明顯的變化。由圖5可以看出，基流量序列大體可以分為1個(gè)偏少期和1個(gè)偏多期；1954年-1979年累積距平曲線波動(dòng)下降，為基流量偏少期，持續(xù)26年，負(fù)距平占923%，1979年負(fù)距平為歷史最低值；1980年-2011年累積距平曲線波動(dòng)上升，為基流量偏多期，持續(xù)32年，正距平占75%，2011年正距平達(dá)歷史最高值。

黑河上游徑流量、基流量以及BFI的年代際變化特征見表2。20世紀(jì)60年代和70年代研究區(qū)徑流量和基流量偏少，其余年代偏多。除20世紀(jì)90年代外，70年代以后研究區(qū)徑流量和基流量的年代際均值總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。2000年-2009年徑流量和基流量比多年平均值增加了9%和10%；2010年-2011年徑流量和基流量比多年平均值增加了11%和16%，達(dá)到了歷史最高值。BFI在20世紀(jì)50年代偏小，其余年代比較接近且較為穩(wěn)定；在多年變化中，BFI基本維持在027左右，表明基流對(duì)徑流的貢獻(xiàn)變化幅度不大。

4 結(jié)論

本文選用數(shù)字濾波法對(duì)黑河流域上游鶯落峽水文站多年月徑流量進(jìn)行基流分割，得到了鶯落峽站基流過程序列，并討論了不同時(shí)間尺度上研究區(qū)基流量序列以及BFI的變化特征。

數(shù)字濾波法中四個(gè)濾波方程在基流分割結(jié)果上比較接近，但濾波效率存在較大差異，文中綜合四個(gè)濾波方程基流分割結(jié)果的算術(shù)平均值作為研究區(qū)的基流量；與近10年最小月平均流量法、90%保證率最小月平均流量法相比，數(shù)字濾波法分割的基流能更好地反應(yīng)出其年內(nèi)變化趨勢(shì)。在年內(nèi)變化上，夏季基流量最大，冬季基流量最??；BFI年內(nèi)變化與基流年內(nèi)變化相反，夏季BFI最小，而冬季BFI最大。在年際變化上，基流量呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，與徑流量的變化相比，基流量變化更為緩和平穩(wěn)。研究區(qū)基流量和徑流量的增加與我國西部地區(qū)近些年來降水增多、氣溫升高等因素密不可分?；髁啃蛄性?979年突變最為明顯，1979年以前基流量處于偏少期，1979年以后基流量處于偏多期。在多年時(shí)間尺度上，1970年代以后研究區(qū)基流量的年代際均值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；BFI基本穩(wěn)定在027左右，多年變化幅度不大。參考文獻(xiàn)（References）：

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