1959-2011年北洛河上游流域徑流量及其組分變化趨勢和時(shí)間分配特征

晁智龍

(陜西省水文水資源勘測局， 陜西 西安 710068)

1 研究背景

河川基流是維持生態(tài)平衡的基礎(chǔ)水量，也是水資源的重要組成部分。受氣候變化尤其是退耕還林草等重大生態(tài)工程的影響，近年來黃河中下游干流和主要支流的徑流量明顯減少[1]。分析和掌握生態(tài)環(huán)境建設(shè)背景下流域內(nèi)徑流量及其組分的變化規(guī)律，對維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡、維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及合理利用水資源具有重要意義。

目前對基流的研究主要集中在以下幾方面：(1)基流分割方法的研究。圖解法是基本的基流分割法，其缺點(diǎn)是處理效率低[2]?；髦笖?shù)法、數(shù)字濾波法、平滑最小值法和時(shí)間步長等時(shí)間序列法，能快速有效得到連續(xù)的基流過程[3]。運(yùn)用水文模型，可以獲取具有物理基礎(chǔ)的分割結(jié)果，是發(fā)展的一個(gè)趨勢[4-5]。同位素法可以作為上述方法的對比驗(yàn)證[3]。由于基流量不能實(shí)測獲得，即使在同一區(qū)域也暫時(shí)得不到普遍認(rèn)同的基流分割法[6-12]。(2)基流變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素分析。劉柏君等[4]和祖明娟等[7]對海流兔河流域、亢小語等[12]對黃土高原昕水河流域、白樂等[13]對禿尾河流域等進(jìn)行分析，均表明基流呈現(xiàn)顯著減少趨勢，植被覆蓋變化、地下水開發(fā)、煤炭開采和水土保持措施等人類活動(dòng)是基流變化的主要因素。顧磊等[8]研究認(rèn)為，黃土高原黃土區(qū)基流較風(fēng)沙區(qū)更容易受到降雨和人類活動(dòng)的影響。李娟等[14]通過SWAT模擬認(rèn)為，梯田等水土保持工程措施，具有滯洪補(bǔ)枯的作用。楊倩楠等[11]認(rèn)為，寧夏清水河流域基流量極顯著減少，其減少與土地利用類型的空間配置和組成等關(guān)系密切。

北洛河上游流域位于黃土高原腹地的黃土丘陵溝壑區(qū)，溝壑縱橫，植被稀疏，侵蝕劇烈，是黃河下游粗泥沙的主要來源區(qū)之一。國家歷來非常重視這一區(qū)域的水土流失治理，1998年，受國家政策影響，該區(qū)吳起縣在全國范圍內(nèi)率先開展退耕還林(草)工程，植被覆蓋度大幅度提高，生態(tài)環(huán)境得以改善[15-16]，成為研究植被恢復(fù)背景下流域水循環(huán)要素變化特征的典型區(qū)。目前集中在該研究區(qū)的主要研究方向有植被恢復(fù)情況[15-16]、徑流量、輸沙量變化[17-20]、模型模擬水沙時(shí)空變化[21-22]和次洪水沙分析[23]等方面。于藝鵬等[9]在基流分割方法、基流量的時(shí)間變化特征等方面開展了初步研究，但更加深入的對比分析還比較少。本文選擇北洛河上游為研究區(qū)，以長時(shí)間序列實(shí)測水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用分割法分割基流估算基流量，分析河川地表、地下等徑流組分在年際、年內(nèi)的分配規(guī)律和變化特征，豐富該區(qū)生態(tài)水文過程研究內(nèi)容，并為該區(qū)水土保持規(guī)劃和水資源合理利用等提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

北洛河為黃河的二級支流，流域總面積26 905 km2，在陜西大荔縣三河口匯入渭河。上游劉家河水文站控制面積7 325 km2，占流域總面積的近1/3，為典型黃土丘陵溝壑地貌類型區(qū)。區(qū)內(nèi)另有吳起和志丹水文站，控制面積分別為3 408 km2和774 km2，如圖1所示。流域內(nèi)涉及定邊、吳起、靖邊、志丹等4個(gè)縣域，86%以上人口為農(nóng)村人口，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平落后。

該區(qū)地處半干旱、半濕潤向干旱氣候過渡區(qū)域，具有明顯大陸性季風(fēng)氣候特征。多年平均降雨量452 mm，以汛期(6-9月)為主，占全年降雨量的74.5%，降雨過程具有歷時(shí)短、雨量大的特點(diǎn)。土層厚度50～100 m不等，土壤類型主要有黃綿土、黑壚土和灰褐土，初育黃綿土分布廣泛，占該區(qū)面積的90%以上。流域相對切割深度150～200 m，溝壑密度2.86 km/km2 [15]，山高坡陡，水土流失嚴(yán)重。植被區(qū)系具有森林向灌叢草原過渡的典型特征[15]。在退耕還林(草)生態(tài)治理工程的作用下，該區(qū)植被覆蓋度達(dá)到了51.2%，多年輸沙模數(shù)由退耕前的15 000 t/(km2·a)降低到2010年后的1 300 t/(km2·a)，減少了約90%[23]。

圖1 北洛河流域位置圖

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

收集整理了志丹、吳起、劉家河3個(gè)水文站1959-2011年的實(shí)測日徑流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)序列經(jīng)過嚴(yán)格校驗(yàn)和檢查，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和可靠?；鲾?shù)據(jù)采用了基流指數(shù)(BFI)法分割日徑流得到。

3.2 基流分割方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可采用不同的基流分割法。選擇哪種基流分割法視研究區(qū)包氣帶和降雨特點(diǎn)而定[3]。

1980年英國水文研究所(Institute of Hydrology)提出了基流指數(shù)法(base flow index, BFI)。BFI法估算基流量時(shí)需要確定兩個(gè)參數(shù)：(1)拐點(diǎn)檢驗(yàn)因子f(turning point test factor)；(2)時(shí)間間隔N，即按N將年內(nèi)日流量過程分割成365/N個(gè)時(shí)間段，再根據(jù)最小流量選擇原理，確定每個(gè)時(shí)間段(N)中流量最小值，然后與相鄰時(shí)間段流量最小值進(jìn)行比較。如果該流量的最小值與拐點(diǎn)檢驗(yàn)因子的積小于相鄰時(shí)間段最小流量值，則可確定該點(diǎn)為拐點(diǎn)[24]。重復(fù)此過程，在流量過程線上確定出所有拐點(diǎn)，將拐點(diǎn)進(jìn)行連線，分割連線下方即為全年基流量。經(jīng)過試驗(yàn)，f取值0.97915、N取4時(shí)，BFI法估算得到的基流過程線平穩(wěn)，能客觀地反映類似本研究區(qū)包氣帶很厚、暴雨歷時(shí)短、降雨不能及時(shí)補(bǔ)給地下水的流量過程線退水段的物理規(guī)律[16]。

3.3 Mann-Kendall趨勢檢測

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，在水文和氣候變量數(shù)據(jù)序列趨勢檢驗(yàn)中廣泛采用[25]，在1998年被世界氣象組織(WMO)定為水文氣象系列趨勢檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。M-K趨勢檢驗(yàn)方法、顯著性檢驗(yàn)及時(shí)間序列上年均變率的確定等具體見文獻(xiàn)[9]的應(yīng)用。

3.4 年徑流序列階段劃分

受人類活動(dòng)階段性特征影響，黃土高原流域年徑流量普遍具有階段性特征。在眾多的水沙變化研究中，張勝利等[26]、冉大川[27]、姚文藝等[28]、劉曉燕等[29]認(rèn)為，由于20世紀(jì)70、80年代水土流失綜合治理工程的影響，可以確定1979年為流域徑流量發(fā)生變化的突變時(shí)間。劉二佳等[18]、Zhang等[23]的研究表明，吳起、志丹和劉家河水文站年徑流量突變時(shí)間分別發(fā)生于2002、1996和1999年，與退耕還林(草)重大生態(tài)工程實(shí)施時(shí)間(1999年)基本吻合?？紤]上述研究結(jié)果，本文以1979、1999年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將時(shí)間序列劃分為3個(gè)階段，即1979之前、1980-1999年之間和2000年之后，分別作為基準(zhǔn)期(P1)、水土保持措施實(shí)施效應(yīng)期(P2)和重大生態(tài)工程效應(yīng)期(P3)，來進(jìn)一步分析徑流及其組分的時(shí)間變化特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 年徑流量及其組分的變化趨勢

1959-2011年北洛河上游志丹、吳起、劉家河3站平均徑流深分別為37.6、27.1、31.8 mm，地表徑流量多年均值分別為26.6、17.2、18.2 mm，基流量分別為11.0、9.9、13.6 mm，如表1所示。說明吳起站控制范圍內(nèi)單位面積產(chǎn)流能力較低，志丹站范圍內(nèi)單位面積產(chǎn)流能力較高。從徑流組分看，3站總徑流量中均以地表徑流為主，其比例均值為57.2～70.7%，平均為63.8%，而基流量所占比例不到總徑流量的一半，為29.3～42.8%，平均為36.2%。說明研究區(qū)山高坡陡、溝壑縱橫的地形地貌特征不利于土壤入滲補(bǔ)給地下水等過程的發(fā)生。

受氣候變化和人類活動(dòng)雙重作用影響，1959-2011年3個(gè)水文站年徑流量均表現(xiàn)出顯著減少趨勢，如表2所示。劉家河站年均變率為-0.29 mm/a，吳起和志丹兩站年均變率分別為-0.32、-0.69 mm/a，其年徑流量減少程度較劉家河站大。

3站地表徑流量也均表現(xiàn)為顯著地減少趨勢，多年平均變率分別為-0.33、-0.59、-0.31 mm/a。與總徑流量年均變化幅度相比，地表徑流量年均變化幅度占比接近100%，說明總徑流量的減少，是由地表徑流量的減少來決定的。

由表2可看出，3站基流深變化趨勢具有差異，支流的志丹站為不顯著的減少趨勢，吳起站基流深表現(xiàn)出顯著的增加趨勢(P<0.05)，兩站年均變率分別為-0.02、0.03 mm/a；劉家河站則表現(xiàn)出顯著增加趨勢(P<0.01)，年均變率為0.05 mm/a。

表1 1959-2011年北洛河上游3個(gè)水文站徑流及其組分統(tǒng)計(jì)

表2 1959-2011年北洛河上游流域3個(gè)水文站徑流及其組分年際變化趨勢

注：“***”、“**”、“*”分別對應(yīng)顯著性水平0.001、0.01、0.05；ns表示沒有顯著性。

4.2 徑流及其組分在年代際尺度上的分配特征

1959-2011年北洛河上游流域3個(gè)水文站年代際徑流及其組分變化趨勢見表3。由表3可看出，吳起、志丹和劉家河3站3個(gè)時(shí)期年均徑流深均呈減小趨勢。與P1相比，P2時(shí)期年均徑流深表現(xiàn)出小幅減少態(tài)勢，減少程度分別為9.5%、13.8%和4.2%；P3時(shí)期則大幅減少，減少比例達(dá)到42.7%、56.3%和38.7%。其影響因素有兩個(gè)：從氣候變化角度分析，降雨是徑流來源，其任何小的變化都會(huì)反映在徑流的變化中；另一方面是人類活動(dòng)對流域下墊面劇烈地?cái)_動(dòng)和改造活動(dòng)的影響。據(jù)劉二佳等[18]、Zhang等[30]通過對吳起站徑流量減少影響因素的分析認(rèn)為，P2時(shí)期的水土流失綜合治理活動(dòng)對該時(shí)期徑流量減少貢獻(xiàn)率約為40%，而P3時(shí)期繼續(xù)實(shí)施重大生態(tài)工程的影響，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率提高到75%。

由表3還可以看出，3站徑流深的變差系數(shù)大致表現(xiàn)為隨時(shí)段呈減小趨勢，說明年徑流深數(shù)值上趨于平穩(wěn)。而P2階段變差系數(shù)較大，與這一期間發(fā)生的暴雨現(xiàn)象有關(guān)。20世紀(jì)90年代研究區(qū)內(nèi)發(fā)生多場暴雨，特別是1994年8月發(fā)生了100年一遇特大暴雨，在這場暴雨中，吳起和劉家河站均產(chǎn)生了2.5～3倍于多年平均徑流深的徑流量。

3站地表徑流深平均值均表現(xiàn)出逐時(shí)期減小趨勢，其減少幅度大于總徑流深。與基準(zhǔn)期相比，3站P2時(shí)期地表徑流深減少幅度分別為15.8%、17.9%、16.7%，P3時(shí)期減少幅度更大，分別達(dá)到64.7%、71.5%和61.8%。而變差系數(shù)表現(xiàn)出增大趨勢，則可能與基流的變化趨勢相關(guān)。

基流深的變化表現(xiàn)不同。與基準(zhǔn)期相比，吳起站基流量呈小幅度的增加趨勢，志丹站為P2階段保持穩(wěn)定，P3階段減少，劉家河站則表現(xiàn)為P2階段大幅增加，P3階段保持增加但幅度降低，與表2中的年變化趨勢特征吻合。隨著時(shí)期推進(jìn)，除了志丹站P3階段，3站均表現(xiàn)出變差系數(shù)減小態(tài)勢，說明年基流深的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

4.3 徑流量及其組分年內(nèi)分配特征

圖2為研究區(qū)3個(gè)水文站不同時(shí)段徑流和基流年內(nèi)分配曲線。由圖2可看出，受降雨和溫度變化影響，徑流和基流的年內(nèi)分配均呈雙峰型特征，其中流域徑流峰值出現(xiàn)在3月和8月，形成春汛和夏汛。隨著春季溫度升高，地表積雪不斷融化，河川徑流量增加，形成春汛。夏季降雨量大且歷時(shí)短，受丘陵起伏地形影響，容易形成地表徑流，在8月份形成第2個(gè)峰，成為主汛期?；髁糠逯党霈F(xiàn)在3月和10月，且3月基流量比10月份大。分析其原因，可能是由于春汛徑流水量較小，徑流和積雪融化向地下水的補(bǔ)給作用較強(qiáng)，基流量增加，形成了基流的第1個(gè)峰值。夏季的降雨量主要以形成地表徑流為主，同時(shí)植被生長旺盛，蒸騰蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，加之土層深厚，導(dǎo)致7、8月降雨和徑流對基流的補(bǔ)給作用出現(xiàn)一定的延遲。上述原因可能造成了基流的第2個(gè)峰值，且3月基流量大于10月的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與黃錫荃等[31]對森林與地下水位關(guān)系的敘述相吻合。

分析圖2可知，吳起、志丹和劉家河3站月均徑流量，尤其在7-8月的夏汛期，隨著時(shí)段進(jìn)展下降趨勢非常明顯，表現(xiàn)出P3時(shí)期較P2下降更為突出的特點(diǎn)。相較于P1時(shí)期，P2時(shí)期3月的月均徑流量3站平均下降10.7%(7.7%～16.3%)，7-8月夏汛期的月均徑流量平均下降了18.0%(6.9%～27.6%)。P3時(shí)期3月月均徑流量3站平均下降21.8%(1.2%～45.5%)，而7-8月月均徑流量平均下降了65.2%(55.2%～71.1%)。相較于P1時(shí)期，吳起、志丹和劉家河3站月均基流量普遍表現(xiàn)出P2時(shí)期增加，P3時(shí)期減少的規(guī)律，與表3結(jié)論一致。而P1到P3總體上7-10月間基流量減少，平均降低8.9%(2.7%～14.8%)，3月基流量變化不規(guī)律，枯水期11-12月和1月基流量有增加的特征。

由圖2還可看出，北洛河流域上游黃土丘陵溝壑區(qū)3站的月內(nèi)分配過程線隨著時(shí)段進(jìn)展趨于平緩，尖瘦陡峭峰型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘制骄彿逍停菟诨髁吭黾?。對于吳起和劉家河站，枯水期基流量的增加可能是年基流量顯著增加的直接原因。

表3 1959-2011年北洛河上游流域3個(gè)水文站年代際徑流及其組分變化趨勢

注：“***”、“**”、“*”、“+”分別表示顯著性水平0.001、0.01、0.05和0.1。

圖2 北洛河流域上游3個(gè)水文站不同時(shí)段徑流量及其組分年內(nèi)分配過程線對比

4.4 月基流量變化趨勢

采用M-K方法檢驗(yàn)了月和季節(jié)基流量在研究時(shí)段上的變化趨勢，如表4所示。

表4 M-K檢驗(yàn)北洛河上游3個(gè)水文站月和季節(jié)基流量年變化趨勢 mm/a

注：表內(nèi)數(shù)據(jù)的正負(fù)表示增加趨勢和減少趨勢；“***”、“**”、“*”、“+”分別表示顯著性水平0.001、0.01、0.05和0.1。

吳起、志丹和劉家河3站月基流量的時(shí)間變化趨勢比較一致，均表現(xiàn)為冬、春枯水季節(jié)基流量顯著增加，夏、秋基流量不顯著變化的特征。3站的12月和1月的基流量均為顯著增加趨勢，直接導(dǎo)致了春季和冬季基流量的顯著增加。5-8月總體上表現(xiàn)出不顯著增加趨勢，9-10月為不顯著減少趨勢，直接導(dǎo)致夏、秋兩季基流量變化不顯著。

5 結(jié) 論

采用基流分割法，分析了黃土高原北洛河流域上游1959-2011年徑流及其組分的變化趨勢，以期為該區(qū)水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)對水文水資源的影響提供科技支持。結(jié)果表明：

(1) 北洛河上游吳起、志丹和劉家河3個(gè)水文測站建站至2011年多年平均徑流深為27.1、37.6、31.8 mm，多年地表徑流深為17.2、26.6、18.2 mm，多年平均基流量為9.9、11.0、13.6 mm。年總徑流量組分中地表徑流量平均比值為63.8%，基流量為36.2 %。

(2) 1959-2011年3站年徑流深和地表徑流深均呈極顯著減少趨勢，年變率平均值均接近-0.43 mm/a。地表徑流量的變化量主導(dǎo)了總徑流量的變化程度。吳起、劉家河站年基流量顯著增加，志丹站年基流量較為穩(wěn)定。

(3) 徑流量及其組分的月內(nèi)分配均表現(xiàn)出3月和8月的雙峰型特征。與1979年前比，1980-1999年間夏汛期平均年徑流量降低18.0%，2000年后降低了 65.2%。

(4) 3站均表現(xiàn)出冬、春枯水季節(jié)基流量顯著增加，夏、秋基流量不顯著變化的特征，由12月、1月的基流量顯著增加以及5-8月和9-10月的穩(wěn)定變化趨勢所決定。