多種數(shù)值模擬基流分割法在鄂北丘陵山區(qū)隨縣的應(yīng)用對(duì)比研究

譚光超, 李?yuàn)檴? 李智民, 柳曉晨, 李 業(yè)

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州 434020)

基流是補(bǔ)給河水的地下徑流,是河流中比較穩(wěn)定的徑流部分。通常認(rèn)為地下徑流是枯水季節(jié)河流的基本流量,故稱(chēng)其為基流[1]?；鞯难芯砍晒麖V泛地應(yīng)用于流域水文模擬、水資源評(píng)價(jià)與管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量的科學(xué)研究及實(shí)際應(yīng)用表明,數(shù)值模擬法計(jì)算的基流值滿(mǎn)足基流所應(yīng)具備的特征,具有客觀、可重復(fù)性、易操作等特點(diǎn)[2-4],成為目前基流分割中最常采用的方法。數(shù)值模擬基流分割法包括數(shù)字濾波法、HYSEP法和BFI法,由于不同研究區(qū)的產(chǎn)匯流條件存在較大的差異,各種基流分割方法在不同研究區(qū)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性并無(wú)絕對(duì)性。

隨縣位于長(zhǎng)江中下游北部,屬于長(zhǎng)江流域二級(jí)地下水流系統(tǒng),該區(qū)地貌形態(tài)包括構(gòu)造侵蝕剝蝕低山、構(gòu)造侵蝕剝蝕丘陵和弱侵蝕堆積崗波狀平原,屬于典型的丘陵山區(qū)地貌區(qū)[5],河川基流量是丘陵山區(qū)地下水的主要排泄項(xiàng),在河川徑流中占有一定比例。隨縣水文地質(zhì)研究程度相對(duì)較低,1∶50萬(wàn)湖北省地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告采用徑流模數(shù)法和入滲系數(shù)法評(píng)價(jià)了多年平均天然資源量,1∶20萬(wàn)隨縣幅水文地質(zhì)調(diào)查未開(kāi)展地下水資源評(píng)價(jià)工作,探索適合于鄂北丘陵山區(qū)隨縣各河流的基流分割方法,是研究該區(qū)河川基流量及其動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ),對(duì)于提高該區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)精度,加強(qiáng)地下水資源管理具有重要意義。

以設(shè)立于隨縣境內(nèi)的各支流水文站實(shí)測(cè)逐日徑流量資料為基礎(chǔ),采用數(shù)字濾波法、HYSEP法和BFI法等基流分割法對(duì)平水年、枯水年、特枯年3個(gè)代表年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基流分割,選取計(jì)算結(jié)果最合理、最穩(wěn)定的方法,為后續(xù)開(kāi)展該區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)工作奠定基礎(chǔ),并為水文地質(zhì)條件類(lèi)似的流域河川基流量動(dòng)態(tài)變化研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

隨縣位于長(zhǎng)江中下游北部,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,春秋季節(jié)短、夏冬季節(jié)長(zhǎng),年平均氣溫15.6 ℃,多年平均年降雨量960 mm,降雨集中在5—8月,約占年降水量的70%,年蒸發(fā)量1 450～1 520 mm。流經(jīng)隨縣的長(zhǎng)江支流有府河、漢水、淮河,其中隨縣境內(nèi)府河流域面積為4 539.85 km2,占縣域面積的80.03%,漢水流域面積437.98 km2,占縣域面積的7.72%,淮河流域面積695.17 km2,占縣域面積的12.25%。

根據(jù)隨縣境內(nèi)流域分布及水文站的布設(shè)情況,隨縣境內(nèi)漢水、淮河流域支流均未布設(shè)水文站,府河流域的涢水源、均水、涢水、漂水均布設(shè)了水文站,并且4個(gè)水文站均有多年實(shí)測(cè)逐日徑流量資料。考慮到府河流域占據(jù)隨縣縣域面積的80.03%,且隨縣境內(nèi)府河流域與漢水及淮河流域水文地質(zhì)條件、產(chǎn)匯流條件類(lèi)似,地下水類(lèi)型以變質(zhì)巖裂隙水為主,主要賦存于風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中,局部富水帶多沿?cái)嗔褬?gòu)造和侵入巖與變質(zhì)巖接觸帶展布,地下水排泄以分散徑流型為主,地下水天然動(dòng)態(tài)類(lèi)型均屬于入滲—徑流型[注]李智民、卞學(xué)軍、譚光超等,鄂北丘陵山區(qū)嚴(yán)重缺水地區(qū)隨縣、應(yīng)城市(北部)水文地質(zhì)調(diào)查成果報(bào)告,湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2016。。因此將府河流域各水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為本次研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)具有相當(dāng)程度的代表性,其研究結(jié)果可以類(lèi)比用于整個(gè)隨縣。各水文站基本情況如表1所示。

表1 水文站基本情況Table 1 Basic information of the hydrological station

2 研究方法

數(shù)值模擬基流分割方法包括數(shù)字濾波法、HYSEP法和BFI法,根據(jù)計(jì)算公式的不同或參數(shù)選取的方法不同,這3類(lèi)數(shù)值模擬基流分割法可劃分為9種。

2.1 數(shù)字濾波法

數(shù)字濾波法由學(xué)者Nathan和McMahon[6]于1990年引入到水文計(jì)算中,并由Chapman、Maxwell[7]進(jìn)行了多次改進(jìn),該方法源于信號(hào)分析,其主要原理是將日徑流量視為高頻信號(hào)的地表徑流和低頻信號(hào)的河川基流組成,利用信號(hào)處理技術(shù),將高頻信號(hào)和低頻信號(hào)分離,從而從逐日徑流量過(guò)程中分割出基流[8-9],該方法利用長(zhǎng)歷時(shí)逐日徑流量資料計(jì)算,具有較好的客觀性和可重復(fù)性。根據(jù)基流分割方程的不同,可以分為F1、F2、F3、F4四種。

F1計(jì)算方法的基流分割方程為:

Qdt=Qd(t-1)·α+[Qt-Q(t-1)]·(1+α)/2

Qbt=Qt-Qdt

F2計(jì)算方法的基流分割方程為:

Qdt=Qd(t-1)·(3α-1)/(3-α)
+[Qt-α·Q(t-1)]·2/(3-α)

Qbt=Qt-Qdt

F3計(jì)算方法的基流分割方程為:

Qbt=Qb(t-1)·β/(2-β)+Qt·(1-β)/(2-β)

F4計(jì)算方法的基流分割方程為:

Qbt= Qb(t-1)·k/(1+k)+Qt·k/(1+k)

式中:Qdt和Qd(t-1)分別為第t時(shí)刻和第t-1時(shí)刻的地表徑流;Qt和Q(t-1)分別為第t時(shí)刻和第t-1時(shí)刻的河川徑流總量;Qbt為第t時(shí)刻的基流;α為濾波參數(shù),一般取值0.95;β為退水參數(shù),一般取值0.95;k為固定值,一般取值0.15。

2.2 HYSEP法

HYSEP法由PettyJohn 和Henning[10]于1979 年提出,是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局推薦使用的方法。原理是利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算直接徑流的持續(xù)時(shí)間,選定相應(yīng)的時(shí)間間隔,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算基流,根據(jù)選取的時(shí)間間隔內(nèi)基流取值的選取方法不同,HYSEP法分為固定步長(zhǎng)法(Fixed)H1、滑動(dòng)步長(zhǎng)法(Slide)H2、局部最小值法(Lealman)H3,3種方法的經(jīng)驗(yàn)公式為:

N=A0.2

式中:A為流域面積;N為直接徑流的持續(xù)時(shí)間,時(shí)間間隔通常3—11 d,選擇與2N最接近的奇數(shù)作為時(shí)間間隔,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基流計(jì)算。

2.3 BFI法

BFI法由英國(guó)水文所學(xué)者Wels[11]于1980年提出,是以基流指數(shù)為權(quán)系數(shù)計(jì)算基流量的方法。根據(jù)拐點(diǎn)檢驗(yàn)因子f和k經(jīng)驗(yàn)值取值不同,BFI法分為標(biāo)準(zhǔn)BFI(F)法B1、改進(jìn)BFI(K)法B2。該方法基于“簡(jiǎn)單平滑分割法”,其計(jì)算原理是將每年以N天為一時(shí)段劃分成365/N個(gè)時(shí)段,確定每一時(shí)段內(nèi)的最小流量值,如果某時(shí)段內(nèi)的最小流量值與拐點(diǎn)檢驗(yàn)因子的積小于相鄰左右時(shí)段內(nèi)的最小流量值,則確定其為拐點(diǎn),將所有拐點(diǎn)直線連接,即可得到基流過(guò)程線,過(guò)程線以下的面積即為該年的基流量。

3 結(jié)果與分析

3.1 基流分割過(guò)程對(duì)比

根據(jù)隨縣雨量站1957—2015年的逐年降雨量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用水文頻率計(jì)算適線法,選取頻率P=50%、P=75%、P=95%對(duì)應(yīng)的降雨量作為平水年、枯水年、特枯年的設(shè)計(jì)值,并按照“年內(nèi)分配最不利”原則確定2002年、2004年、2011年為平、枯、特枯年。

2002年4個(gè)水文站實(shí)測(cè)逐日徑流量的基流分割結(jié)果如圖1-圖4所示。

圖1 2002年澴潭站基流分割結(jié)果Fig.1 Base flow segmentation results of Huantan Station in 2002

圖2 2002年均川站基流分割結(jié)果Fig.2 Base flow segmentation results of Junchuan Station in 2002

圖3 2002年隨州站基流分割結(jié)果Fig.3 Base flow segmentation results of Suizhou Station in 2002

圖4 2002年萬(wàn)店站基流分割結(jié)果Fig.4 Base flow segmentation results of Wandian Station in 2002

圖5 2004年澴潭站基流分割結(jié)果Fig.5 Base flow segmentation results of Huantan Station in 2004

圖6 2004年均川站基流分割結(jié)果Fig.6 Base flow segmentation results of Junchuan Station in 2004

2004年各水文站實(shí)測(cè)逐日徑流量的基流分割結(jié)果如圖5-圖8所示。

圖7 2004年隨州站基流分割結(jié)果Fig.7 Base flow segmentation results of Suizhou Station in 2004

圖8 2004年萬(wàn)店站基流分割結(jié)果Fig.8 Base flow segmentation results of Wandian Station in 2004

2011年各水文站實(shí)測(cè)逐日徑流量的基流分割結(jié)果如圖9-圖12所示。

圖9 2011年澴潭站基流分割結(jié)果Fig.9 Base flow segmentation results of Huantan Station in 2011

圖10 2011年均川站基流分割結(jié)果Fig.10 Base flow segmentation results of Junchuan Station in 2011

圖11 2011年隨州站基流分割結(jié)果Fig.11 Base flow segmentation results of Suizhou Station in 2011

圖12 2011年萬(wàn)店站基流分割結(jié)果Fig.12 Base flow segmentation results of Wandian Station in 2011

從圖1-圖12中可以看出,各基流分割方法的計(jì)算結(jié)果存在較為明顯的差異,主要體現(xiàn)為三個(gè)方面:

(1) 不同方法之間的結(jié)果差異較大,9種方法均可實(shí)現(xiàn)基流過(guò)程的分割,得到的基流過(guò)程趨勢(shì)基本一致,但是9種基流過(guò)程曲線重合程度較低、差異較大。

(2) 相同方法、不同月份數(shù)據(jù)得到的結(jié)果差異較大,在降雨量少、河川徑流量較小且動(dòng)態(tài)變化幅度較小的1月初—4日底、9月初—12月底的兩個(gè)階段,基流過(guò)程線與徑流量過(guò)程線均呈現(xiàn)較為平緩的曲線,曲線重合程度較高;在降雨量多而集中、河川徑流量較大的5月初—8月底,基流、徑流曲線整體動(dòng)態(tài)變化特征基本一致,但是基流過(guò)程線始終位于徑流過(guò)程曲線下方,能夠較好的反映出流域產(chǎn)流的阻尼效應(yīng)。

(3) 相同月份數(shù)據(jù)、不同方法得到的結(jié)果差異較大,濾波分析法的F1、F2、F3基流過(guò)程曲線整體較為平緩,對(duì)于不同年份或不同月份的基流指數(shù)值辨識(shí)能力均較弱,HYSEP法H1、H2、H3基流過(guò)程曲線拐點(diǎn)較多,曲線整體呈鋸齒狀且與河川徑流量過(guò)程曲線呈現(xiàn)高度的同步性,峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)高度重合,未反映出流域產(chǎn)匯流的遲滯效應(yīng);濾波分析法F4、BFI法B1和B2基流過(guò)程曲線整體較為平滑,反映出了徑流的漲水、退水過(guò)程,且體現(xiàn)了徑流過(guò)程的遲滯效應(yīng),基流分割計(jì)算結(jié)果較為合理。

3.2 基流指數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

基流指數(shù)是基流量與年徑流量的比值,依據(jù)收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用9種數(shù)值模擬基流分割法得到的各河流不同代表年的基流指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出,9種數(shù)值模擬基流分割方法的計(jì)算結(jié)果差異巨大,基流指數(shù)結(jié)果最小值F3為0.006 2、最大值H1為0.630 6,差距約100倍;基流指數(shù)結(jié)果平均值最小值F2為0.017 1、平均值最大值H2為0.476 6,差距約28倍。數(shù)字濾波法的基流指數(shù)值計(jì)算結(jié)果較分散,平均值最小值0.017 1、平均值最大值0.339 4,尤其是F2、F3方法計(jì)算基流指數(shù)結(jié)果不足0.02,即基流占比不足河川徑流量的2%,計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守,不符合鄂北丘陵山區(qū)地下水排泄特征;HYSEP法的計(jì)算結(jié)果差異不大,基流指數(shù)值計(jì)算結(jié)果相對(duì)較集中,平均值在0.4～0.5;BFI法的計(jì)算結(jié)果差異也不大,基流指數(shù)值計(jì)算結(jié)果相對(duì)較集中,平均值在0.25～0.3。

表2 基流指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Base flow index calculation result

3.3 基流分割方法的對(duì)比研究

上述基流分割過(guò)程對(duì)比結(jié)果得知濾波分析法F4、BFI法B1和B2計(jì)算結(jié)果較為合理,而基流指數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比得知濾波分析法F2、F3方法不適用與本研究區(qū),其余方法的合理性有待進(jìn)一步對(duì)比研究。為綜合對(duì)比分析不同基流分割方法計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性,對(duì)9種數(shù)值模擬基流分割法得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表3。

從表3可以看出,除去濾波分析法F2、F3以外,濾波分析法F4基流指數(shù)統(tǒng)計(jì)值極值比最小(1.961 1)、方差最小(0.003 5),不同水文站年際基流指數(shù)值在0.20～0.42,反映出該方法計(jì)算結(jié)果年際變化小、基流成果最穩(wěn)定,說(shuō)明濾波分析法F4是這9種方法中最為可靠、穩(wěn)定的基流分割方法。

4 結(jié)論

本文以設(shè)立于隨縣境內(nèi)的涢水源、均水、涢水、漂水4個(gè)水文站實(shí)測(cè)逐日徑流量資料為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),采用3類(lèi)9種數(shù)值模擬基流分割法對(duì)平水年、枯水年、特枯年3個(gè)代表年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基流分割,得到如下結(jié)論:

相同研究區(qū)、相同數(shù)據(jù),9種基流分割方法的計(jì)算結(jié)果差異巨大。通過(guò)基流分割過(guò)程對(duì)比,濾波分析法F4、BFI法B1和B2基流過(guò)程曲線最為平滑,較好的反映出了降雨—徑流過(guò)程的阻尼效應(yīng)和遲滯效應(yīng),基流分割過(guò)程曲線較為合理;通過(guò)進(jìn)一步分析,根據(jù)基流指數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比、基流指數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)值對(duì)比,濾波分析法F4基流指數(shù)統(tǒng)計(jì)值極值比最小(1.961 1)、方差最小(0.003 5),不同水文站年際基流指數(shù)值在0.20～0.42,反映出該方法計(jì)算結(jié)果年際變化最小、基流成果最穩(wěn)定。

表3 基流指數(shù)值計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值Table 3 Statistical value of the calculation result of the base flow index value

綜上所述,依據(jù)基流過(guò)程的年際變化和年內(nèi)變化特征,濾波分析法F4是這9種方法中最為可靠、穩(wěn)定的基流分割方法?？紤]到本次研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)具有相當(dāng)程度的代表性,其研究結(jié)果可以類(lèi)比用于整個(gè)隨縣,因此濾波分析法F4可以適用于鄂北丘陵山區(qū)隨縣境內(nèi)河流的基流分割,從而為后續(xù)隨縣地下水資源評(píng)價(jià)工作提供依據(jù),并可以為類(lèi)似的變質(zhì)巖區(qū)河川基流量及其動(dòng)態(tài)變化的研究提供重要參考。結(jié)合其他學(xué)者研究成果,充分表明不同基流分割方法在不同地區(qū)表現(xiàn)的適宜性不同,適用其他地區(qū)的具體基流分割方法尚需開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究。