皖南郎川河流域基流分割

董廣博

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

基流的一般定義為補(bǔ)給多數(shù)河流枯水期河川徑流的流量，基流也是河流生物維持基本生存的必要條件之一[1]，從水文學(xué)的角度出發(fā)，認(rèn)定基流為深層地下徑流[2]，其中地下徑流又可分為快速（淺層）和慢速（深層）[3]。近些年，全球的極端天氣頻繁出現(xiàn)，更使得水資源分配不平衡現(xiàn)象加劇，也使得可用水資源量一再發(fā)生變化。安徽南方地區(qū)地理環(huán)境相對復(fù)雜，氣候變化較為明顯，目前該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異性較大。境內(nèi)水資源豐富，且主要以山區(qū)、丘陵區(qū)為主，對過境客水依賴程度高；近些年工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)發(fā)展的不合理不科學(xué)等情況突出，水質(zhì)污染造成水質(zhì)性缺水日益嚴(yán)重，水資源形勢不容樂觀。

為此，本選題以皖南郎川河流域?yàn)榛A(chǔ)，基于目前相對較為成熟的多種基流分割方法，圍繞郎川河流域基流分割后基流指數(shù)的穩(wěn)定性，基流量的演變趨勢以及對基流量的驗(yàn)證的結(jié)果，比選最優(yōu)方法，在郎川河流域進(jìn)行實(shí)施。

1 研究方法及數(shù)據(jù)資料

在基流分割領(lǐng)域，許多專家學(xué)者投入大量研究，得出多種較為成熟的基流分割方法?；趯鞯亩x存在差異性及基流過程的復(fù)雜性，現(xiàn)階段還沒有某一種基流分割方法可以適用于的所有情況，因此針對不同地區(qū)選擇基流分割方法至關(guān)重要。本章節(jié)總結(jié)目前較為成熟的多種方法，可以根據(jù)適用條件比選為郎川河流域基流分割提供依據(jù)。

1.1 水量平衡法

水量平衡法主要包括參數(shù)分割法和水文模擬法。參數(shù)分割法主要包括加里寧法和水庫法。加里寧法來源于二十世紀(jì)五十年代蘇聯(lián)學(xué)者加里寧，二十世紀(jì)八十年代，有學(xué)者對該方法進(jìn)行了改進(jìn)，對改進(jìn)后的方法進(jìn)行總結(jié)，得出基流估算方程為：

Q下n-1——時(shí)刻n-1 的基流量（m3）；

Q下n——時(shí)刻n 的基流量（m3）；

B——比例系數(shù)，基流與徑流的比值；

α——退水系數(shù)，地表水與地下水轉(zhuǎn)換速率。

1.2 時(shí)間步長法

時(shí)間步長法利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究開發(fā)出相應(yīng)程序，這些年來被廣泛采用。運(yùn)用時(shí)間步長法進(jìn)行基流分割，首先要計(jì)算的是直接徑流所持續(xù)的時(shí)間，目前計(jì)算該時(shí)間采用的是經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

N——直接徑流持續(xù)時(shí)間長度（d）；

A——流域面積（km2）；

時(shí)間間隔時(shí)長益取在3～11d，且應(yīng)為2N 數(shù)值最為接近的奇數(shù)。

1.3 基流指數(shù)法

基流指數(shù)法又稱為PART 法。是美國地質(zhì)調(diào)查局提出的基流分割方法，后期設(shè)計(jì)出計(jì)算程序。此種方法主要圍繞年內(nèi)日徑流量，基于一次降雨洪峰后期，在消退期進(jìn)行基流分割。

1.4 平滑最小值法

該方法主要針對全年的日徑流量數(shù)據(jù)組進(jìn)行處理，將全年365 天按時(shí)間間隔劃分成N 份，在每個(gè)時(shí)間間隔365/N 天中確定一個(gè)最小的qt組成數(shù)列，將每個(gè)qt與相鄰時(shí)間段的最小值（qt-1，qt+1）進(jìn)行比較，若滿足kqt≤min（qt-1，qt+1），則將該點(diǎn)確定為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上文所述比較過程。

1.5 數(shù)字濾波法

數(shù)字濾波法計(jì)算基流分割原理源于信號(hào)分析，把徑流過程進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。Lyne 和Hollick 于二十世紀(jì)七十年代末期提出Lyne－Hollick 濾波法，于1990 年應(yīng)用于基流分割。在月徑流的基礎(chǔ)上，該濾波法可分割出月基流，采用1 次濾波進(jìn)行濾波參數(shù)調(diào)試較為合理。

Chapman 在Lyne－Hollick 基礎(chǔ)上，提出Chapman 濾波法，其計(jì)算公式為：

對目前水文工作者主要使用的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括上文所述幾種方法。

2 項(xiàng)目區(qū)概況

郎川河流域位于皖南山區(qū)，流域內(nèi)地勢高差起伏較大，以山地丘陵為主，域內(nèi)河道天然沖積形成，河道坡降較大，河槽過流能力比較小。郎川河發(fā)源于廣德縣東南境內(nèi)的牛山，牛山最高點(diǎn)為661.8m。盧村水庫控制流域面積139km2。壩址以上分為東、西兩支，東支來水面積為71km2，西支來水面積為68km2，均屬高山區(qū)。河道兩側(cè)兩山對峙坡陡流急，河道平均比降東支為10.2‰，西支為8.15‰，最高山峰海拔高程661.8m。

3 郎川河流域河川基流分割及估算

傳統(tǒng)的基流分割方法以手工圖解法為主，該方法操作復(fù)雜、主觀性較強(qiáng)，且對于長系列數(shù)據(jù)處理較麻煩。基于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和水文計(jì)算手段的發(fā)展，基流分割方法越來越趨于簡便快速，現(xiàn)在可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行基流分割處理，目前使用較為成熟的方法包括濾波法、水量平衡法、時(shí)間步長法等。

目前不同的基流分割方法適用條件區(qū)別不夠明顯，且重合度較高，針對研究較少，數(shù)據(jù)資料缺乏的區(qū)域進(jìn)行基流分割較為困難，且所得結(jié)果準(zhǔn)確性無法保證。本文以皖南郎川河流域?yàn)槔?，探討出適用性與可靠性較高的計(jì)算方法，為了解和分析該流域基流的演變提供技術(shù)支持。

3.1 基流分割結(jié)果分析

根據(jù)盧村水庫1983-2012 年30 年徑流資料，采用數(shù)字濾波法（F1、F2、F3、F4）、BFI 法（F、K）、HYSEP 法（FI、SI、LM）、加里寧等四類10 種方法進(jìn)行基流分割，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 10 基流分割方法估算基流指數(shù)

為了進(jìn)一步研究10 種基流分割結(jié)果之間的差異性，進(jìn)而比選其穩(wěn)定性，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見表2，由表可知，數(shù)字濾波法的F2、F3 法求得極值較大；BFI 兩種方法求得極值比基本一致；而數(shù)字濾波法F1、F4 法與HYSEP 方法三種方法計(jì)算結(jié)果的極值比較接近；加里寧法屬于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)徑流量百分比所確定；由此可知數(shù)字濾波法F1、F4 法與HYSEP方法三種方法計(jì)算結(jié)果波動(dòng)性較小，相較于前幾種更為穩(wěn)定。

3.2 徑流過程線研究

采用Nash-Sutcliffe 方法對10 種基流分割方法所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表3。從表中可知，僅數(shù)字濾波法的FI 法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值基本一致，效率系數(shù)為0.7，相對誤差為9.33%，根據(jù)效率系數(shù)與相對誤差相關(guān)要求對比可得：滿足效率系數(shù)L 超過0.6，平均相對誤差R 小于10%，因此由此可知數(shù)字濾波法的FI 法較為合理。

3.3 基流分割方法的驗(yàn)證

根據(jù)上文比選結(jié)果，郎川河流域基流分割采用數(shù)字濾波法F1 法較為合理，由于基流分割方法缺乏嚴(yán)格理論依據(jù)，不能排除計(jì)算結(jié)果的偶然誤差，因此基流分割方法的選取必須進(jìn)行多方論證。本章節(jié)根據(jù)郎川河流域附近地形、地勢、氣候條件，選取兩個(gè)等較為相似區(qū)域典型封閉小流域，對所選取基流分割方法進(jìn)行驗(yàn)證。

選取東津河流域沙埠站和西津河流域胡樂司站水文1968～2010 年水文資料，對年徑流數(shù)據(jù)資料進(jìn)行排頻，選取具有代表性的枯水年、平水年、豐水年，對代表年進(jìn)行基流分割計(jì)算，驗(yàn)證數(shù)字濾波法F1 法在皖南地區(qū)的適用性。由計(jì)算結(jié)果可知，東津河、西津河平均誤差分別為5.32%、8.00%。計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測值基本接近，誤差率平均在10%以內(nèi)，基流分割結(jié)果與實(shí)際過程擬合性較好，進(jìn)一步確認(rèn)數(shù)字濾波法F1 法在郎川河流域的適用性。

表2 10 種方法驗(yàn)證成果表

表3 東津河、西津河基流分割驗(yàn)證成果表

4 結(jié)論

4.1 對基流過程線對比分析，采用Nash-Sutcliffe 方法對10種基流分割方法所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)字濾波法的FI 法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值基本一致，效率系數(shù)為0.7，相對誤差為9.33%，滿足效率系數(shù)L 超過0.6，平均相對誤差R 小于10%，因此由此可知數(shù)字濾波法的FI 法較為合理。

4.2 數(shù)字濾波法FI 法于該地區(qū)適用性更理想，選取東津河與西津河流域進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測值基本接近，基流分割結(jié)果與實(shí)際過程擬合性較好，因此，可知采用數(shù)字濾波法在寧國市區(qū)域內(nèi)的東津河、西津河流域進(jìn)行基流分割較為合理。