長尺度下不同基流分割方法在香溪河流域的應用比較

摘要：隨著非點源污染對水環境影響的日益加劇，通過基流分割估算非點源污染負荷的應用日漸廣泛，合理的基流分割方法成為影響估算污染負荷的關鍵。研究根據三峽庫區香溪河流域興山水文站1962—2007年（共計46年）日徑流數據，分析濾波平滑最小值法的適用性。結果表明，濾波平滑最小值法不僅在起漲階段較好地追蹤了數字濾波法，而且在衰退階段較好地追蹤了平滑最小值法；濾波平滑最小值法延遲了基流過程線峰值的出現時間，顯現出基流比徑流匯水時間長這一水文特性；從枯水指數Q90/Q50來看，濾波平滑最小值法與數字濾波法分割結果更相近；相比數字濾波法需要向前—向后—向前3次濾波，濾波平滑最小值法的優勢只需要進行一次向前濾波。

關鍵詞：非點源污染；基流分割；日徑流；濾波平滑最小值法；香溪河流域

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0569-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.007

Abstract： As the influences of non-point source pollution on water environment grows， the application of base flow separation method on non-point source pollution load estimate is being more widely， and the reasonable base flow separation method has become the key factor. In this study， the applicability of filtered smoothed minima method was analyzed according to the daily runoff data of Xiangxi River Basin，Three Gorges Reservoir Region during 1962 to 2007， from Xingshan hydrological station.The results showed that the filtered smoothed minima method traced the digital filter method during ascension period and the smoothed minima method during decline stage well. In addition， the peaks of base flow sequence in the process were delayed with filtered smoothed minima method， presenting the characteristic of delayed water catchment by base flow than by stream flow.On the other hand， the low-flow index Q90/Q50 was observed to have similar properties between filtered smoothed minima method and digital filter method. Moreover， in the forward direction， filtered smoothed minima method had the advantage of requiring only one pass filtering instead of three （forward–backward–forward filtering） in the digital filter method.

Key words：non-point source pollution；base flow separation；daily runoff；filtered smoothed minima method；Xiangxi river basin

國際上普遍將流域總徑流劃分為地表徑流和基流兩部分[1-4]。基流一般指來源于地下水或其他延遲部分的徑流或者為下滲水到達地下水面并注入河道的部分[5，6]，是徑流過程線中最持續穩定的部分。

基流分割的研究一直是水文學、生態水文學研究的重難點問題，解決基流分割問題在水文預測的產匯流模型的模擬、非點源污染評價、區域水資源調查與評價等方面都具有十分重要的意義[6-8]。尤其是近年來，隨著非點源污染對水環境影響的日益加劇，以及中國國內水質監測史料的缺乏，使得徑流分割方法由于所需數據量少和計算簡便，被廣泛應用于非點源負荷的估算[9-12]，因此基流分割方法的可靠性也成為影響非點源負荷估算的重要因素。

在先前的研究中，直線分割法、固定基線分割法、斜線分割法[13]等圖形分離技術常應用于基流的分割，而圖形分離技術因特殊情況下不遵循徑流衰退曲線而不被廣泛使用。隨著基流分割方法應用研究的發展與改進，Piggott等[14]重新修訂的平滑最小值法在國內外被廣泛應用[15-17]，但由于其基于拐點處線性內插原理進行基流分割導致基流序列波動大，雖然水流起漲過程較為符合實際，但衰退過程線偏高。由Lyne and Hollick（1979）提出的數字濾波法被研究者廣泛使用[18-20]，該方法以日徑流數據作為地表徑流與基流進行疊加，通過層層濾波劃分基流，分割的結果較為平滑，比較接近實際情況。

本研究將平滑最小值法和數字濾波法兩種基流分割方法合二為一，即濾波平滑最小值法[21]。通過香溪河流域46年長時間水文流量數據，從基流過程線和統計量兩方面，研究與其他兩種基流分割方法相比，濾波平滑最小值法的現實適用性，為非點源污染負荷估算結果的準確性奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區流域概況

香溪河是湖北境內三峽庫區壩首的第一大支流，位于西陵峽口北岸，發源于神農架，總面積3 099 km2，干流全長95 km，途徑興山縣（約78 km）至秭歸縣。香溪河水系有大小支流百余條，其中主要有高嵐河、古夫河和南陽河三大支流，處于上游的南陽河和古夫河在響灘匯入主河道，高嵐河在中游峽口匯入（圖1）。香溪河流域降水量時空分布不均勻，夏澇冬旱，年降水量為600～1 400 mm。從日流量均值可以看出，汛期在4～10月（圖2），且在干旱年和濕潤年6～7月均達到年內流量最大值（圖3）。

以香溪河流域興山水文站1962 — 2007年（共計46年）實測日流量數據為基礎，采用不同方法進行基流分割，選擇最適合香溪河流域應用的基流分割方法。

1.2 研究方法

1.2.1 平滑最小值法 平滑最小值法是由1980年英國水文研究所提出計算基流分割的方法。該方法是將整個連續流量序列劃分成以5 d為一個單元的互不嵌套的塊，然后確定這些塊中的最小值，采用一定的規則由最小值組成拐點，將各個拐點連接起來得到基流序列[21]。該方法相對簡便易行，已在不同國家和地區得到應用。具體步驟：①將日流量數據劃分為以5 d為一個單元的互不重疊的塊。②找出每一分塊的最小值，并標記為Q1、Q2、Q3、……Qt。依次考慮系列（Q1，Q2，Q3），（Q2，Q3，Q4），…，（Qm-2，Qm-1，Qm），在任何一個序列（Qt-1，Qt，Qt+1）中，如果滿足0.9Qt