北洛河上游基流分割適宜性方法及基流特征

吳珍妮　穆興民　高鵬　趙廣舉　孫文義　田鵬

摘要：退耕還林工程實施以來北洛河上游植被恢復效果顯著，為探究該區(qū)域基流分割的適宜性方法及植被變化對基流量的影響，采用基流分割中的HYSEP法、數(shù)學濾波法、基流指數(shù)法3類方法（9種計算表達式）對吳旗水文站1971-2014年的實測徑流數(shù)據(jù)進行了基流分割估算，同時采用Mann-Kendall法和Pettitt法對基流量變化特征進行了分析。結(jié)果表明：數(shù)字濾波中的Fi法較適宜于北洛河上游地區(qū)基流分割;北洛河上游1971-2014年基流指數(shù)呈顯著增大趨勢，突變年為2002年;退耕還林的水土保持效益對涵養(yǎng)水源有很大作用。

關(guān)鍵詞：基流分割：數(shù)字濾波法;基流變化;北洛河流域

中圖分類號：P333.5

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.019

基流一般指來源于地下水或其他延遲部分的徑流，是枯水期河川徑流的主要補給來源，維持穩(wěn)定的河川基流量對流域生產(chǎn)、生活穩(wěn)定供水和生態(tài)環(huán)境保護具有重要作用[1]。可靠的基流分割方法對于地區(qū)基流特性研究、產(chǎn)流方式確定、水資源再分配以及優(yōu)化經(jīng)濟布局等起著重要作用。

傳統(tǒng)的基流分割方法以作圖法為主，計算繁瑣且主觀性強，實踐中難以用于分析和計算長序列資料[2]。數(shù)值模擬法具有方便、高效、可通過程序?qū)崿F(xiàn)自動分割大量水文數(shù)據(jù)的特點，HYSEP法、BFI法、數(shù)字濾波法、PART法、加里寧法等在黃河和長江流域等水文研究中被廣泛應用。由于南北方降水、土壤和植被等自然因素不同，降水一產(chǎn)流機制和地下水退水過程也不同[3]，因此不同基流分割方法在不同流域的適宜性不同。南方高雨量地區(qū)普遍采用數(shù)字濾波法，例如陳文艷等[4]應用數(shù)字濾波法及斜線分割法對新興江流域進行了基流分割，認為數(shù)字濾波法分割所得基流過程線更加順滑，更符合降水的波動性和流量過程線退水段的物理規(guī)律：段琪彩等[5]應用數(shù)字濾波等3種基流分割方法對松華壩水源地徑流區(qū)進行了基流分割，認為數(shù)字濾波法計算的基流過程有明顯起伏，反映的是流域年內(nèi)蓄水容量的變化情況，可以反映流域的水源涵養(yǎng)能力。北方黃土高原地區(qū)選用的基流分割方法則不統(tǒng)一，例如左海鳳等[6]應用BFI程序?qū)Ψ诤恿饔蚝硬硭恼镜幕髁窟M行了計算機分割，認為該方法在自動處理大量數(shù)據(jù)的同時能夠克服傳統(tǒng)基流分割方法的人為性和任意性，可以客觀反映流域基流的變化趨勢：郭軍庭等[7]采用數(shù)字濾波法分別對蔡家川6個嵌套小流域日徑流量進行了基流分割求算基流指數(shù)，并且分析了次降水量、土地利用、植被類型和地形特征等對基流量的影響：焦瑋等[8]基于錫林河流域的實測徑流資料進行了基流分割，認為HYSEP法中固定時間間隔法（ Fixed）、滑動時間間隔法（Slide），以及三次迭代數(shù)字濾波法中的F，法的基流量估算結(jié)果客觀穩(wěn)定可靠，均適合研究區(qū)的基流分析：周旭東等[9]認為黃河源區(qū)基流量計算中，數(shù)字濾波法計算結(jié)果穩(wěn)定，加里寧試算法更貼合實測徑流過程。進行基流分割時需要綜合考慮基流量相對穩(wěn)定的特點及基流過程線是否符合區(qū)域降水產(chǎn)流機制和退水過程，究竟哪類分割方法比較適用于黃土區(qū)，尚需全面對比和研究。

北洛河上游吳旗水文站位于黃土丘陵溝壑區(qū)，該區(qū)地形破碎，在退耕還林工程實施后，生態(tài)恢復效果顯著。植被具有良好的涵養(yǎng)水源作用，特別是對于基流的調(diào)節(jié)效果顯著。20世紀五十至七十年代北洛河流域植被覆蓋度低，水源涵養(yǎng)能力低，隨著黃土高原植被的大規(guī)模有效恢復，植被涵養(yǎng)水源效果如何有待研究。因此，探討區(qū)域自動基流分割法中3類方法9種表達式在黃土丘陵溝壑區(qū)的適宜性，分析不同基流分割方法的穩(wěn)定性和合理性，選出較為可靠的分割方法，并分析基流量變化特性，探討退耕還林效益。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北洛河是渭河的一級支流、黃河的二級支流，發(fā)源于陜西省定邊縣白于山南麓的郝莊梁，河長680.3 km，集水面積26 905 km²，河源海拔1506 m.河口海拔325m，總落差1181 m，河道平均比降0.198%。研究中的北洛河上游指北洛河流域吳旗水文站以上部分。吳旗水文站控制范圍為東經(jīng)107°32′40″-108°32′45″，北緯36°44′53″-37°19′28″，海拔1 270.6-1 888.9 m.總面積3 408 km²，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，流域地面切割破碎，地形崎嶇，水土流失嚴重，是北洛河泥沙源地。多年平均降水量448.7 mm，6-9月降水量占全年降水量的71.8%.年均氣溫約為7.5℃，無霜期96 -146 d.地處暖溫帶半干旱季風氣候區(qū)。多年平均陸地蒸發(fā)量400 -450 mm。主要土壤類型為黃綿土、黑壚土和灰褐土。

1999年，吳起和定邊作為全國試點縣開始開展退耕還林工程，截至2004年，兩縣累計實施退耕還林面積734.9 km2.且800-/0以上于1999年完成，占兩縣總面積的21.5%，其中退耕還林361.5 km²、荒山造林373.4km²。退耕還林帶來的下墊面條件改變成為評價期內(nèi)流域徑流、輸沙變化的重要原因。吳旗水文站1971-2014年實測日徑流資料來源于水利部黃河水利委員會《黃河流域水文年鑒》。

1.2 基流分割方法

（1） HYSEP法。HYSEP法由Pettyjohn和Henning于1979年提出，由于具有操作簡便、迅速、可計算長序列徑流資料等優(yōu)點，因此成為美國地質(zhì)調(diào)查局使用的主要基流計算方法[10]。該方法有固定時間間隔法（ Fixed）、滑動時間間隔法（Slide）和局部最小值法（Lo-calMin）3種計算方法。計算時首先利用經(jīng)驗公式計算出地表徑流的持續(xù)時間：

t=（ 2.59A）^0.2

（1）式中：t為直接徑流持續(xù)時間，d;A為流域面積，km²。

吳旗水文站控制流域面積為3 408 krri2，t計算結(jié)果為6.2 d。基流分割參數(shù)時間間隔Ⅳ取值為與2t最為接近且介于3-11 d的奇數(shù)，本文采用N=11 d計算基流指數(shù)。

（2）數(shù)字濾波法。數(shù)字濾波法的基本原理來源于信號分析，把徑流量當做高頻信號的地表徑流和低頻信號的基流疊加，當把高頻信號和低頻信號分離時即可從日流量過程中分割出基流量。1990年Nathan和Mcmahon首先將該方法引入到水文研究中[11]。近年來，數(shù)字濾波法在基流量計算研究中得到廣泛應用與改進，形成了較完整的方法體系，具有較好的客觀性和可重復性[12]。數(shù)字濾波法包括4種計算方法：F1、F2、F3、F4法。

（3）基流指數(shù)法（BFI）。基流指數(shù)法是由Wels等編寫的計算程序，于1980年由英國水文研究所首先提出[13]。BFI法分為標準BFI（F）法和改進BFI（ K）法2種計算方法。計算時首先確定單位時段Ⅳ值和拐點調(diào)試參數(shù)（參數(shù)f和k）。依據(jù)最小流量選擇原理，確定單位時段Ⅳ值，Ⅳ值的選取對基流量計算結(jié)果有較大影響。以吳旗水文站為例，1977年、1984年、2011年分別代表豐、平、枯水年，進行基流指數(shù)與Ⅳ值的關(guān)系分析，基流指數(shù)隨Ⅳ值的增大而減小，當Ⅳ≥5時，基流指數(shù)趨于穩(wěn)定，因此本文取Ⅳ=5。拐點調(diào)試參數(shù)，即參數(shù)f和k，其值的變化對基流量影響不顯著，一般取經(jīng)驗值0.9和0.979 15。

1.3 基流變化分析方法

采用Mann-Kendall（ MK）法和Pettitt法對基流量進行趨勢和突變檢驗。MK統(tǒng)計方法廣泛應用于水文、氣象要素等長序列趨勢檢驗中[14]，是一種非參數(shù)統(tǒng)計方法，其實質(zhì)是用數(shù)據(jù)序列的秩序代替實際數(shù)值來判斷兩個變量的相關(guān)程度，因此避免了水文研究中極大值、極小值對結(jié)果的影響，能夠相對客觀地反映時間序列的長期變化趨勢，其具體計算方法見文獻[15]。Pettitt方法通過統(tǒng)計的方法檢驗時間序列要素均值變化的確切時間，從而確定突變點，具體計算方法見文獻[16]。

選用14個指標來表征基流變化特點，主要指標有頻率指標（Q10%、Q20%、…、Q90%）、極值指標（Max，、Max7、Minl、Min7）和平均值（Mean）。頻率指標Q_i表示在頻率i（i= 10%、20%、…、90%）下的基流量，Max1和Max，分別表示1 d最大基流量和連續(xù)7d最大基流量，Min1和Min2分別表示1 d和連續(xù)7d最小基流量，Mean表示平均基流量。

2 結(jié)果與分析

2.1 基流分割方法適宜性分析

本文采用3類9種基流分割方法對北洛河流域吳旗水文站的實測徑流數(shù)據(jù)資料進行基流分割估算。分割結(jié)果用基流指數(shù)表示，基流指數(shù)是一定時段內(nèi)基流量和河川徑流量的比值，可以反映河川基流量的大小。由表1可以看出，HYSEP法和BFI法計算的基流指數(shù)結(jié)果差異不大且相對較集中，而數(shù)字濾波法的4種計算方法所得的計算結(jié)果較分散，特別是F2、F3方法計算基流指數(shù)結(jié)果不足0.1，即基流占河川徑流量不足10%，計算結(jié)果過于保守，不符合北洛河上游地區(qū)地下水的排泄特征。F2、F3方法所得結(jié)果較小可能是為了修正相位的失真，該方法一般采用正一反一正三次濾波的方法來得到更平滑的曲線，而濾波的次數(shù)越多，分割得到的基流量越小[17-18]。除20世紀90年代外，9種方法計算所得基流指數(shù)在10 a尺度上均表現(xiàn)出增大趨勢。

為了解各種基流分割方法得到的基流過程的特點，對比分析枯水年（1974年）、平水年（1996年）和豐水年（2008年）9-11月各方法基流分割結(jié)果（見圖1）。不同方法所得結(jié)果差異較大，9種方法分割基流得到的基流過程趨勢基本一致，但過程曲線重合程度較低，差異較大。相同方法、不同月份所得結(jié)果差異較大，10-11月降水量少，河川徑流量較小且動態(tài)變化幅度較小，基流過程線與徑流過程線較為平緩且重合程度較高;9月降水量多而集中，河川徑流量較大，基流過程線與徑流過程線動態(tài)變化基本一致，基流過程線始終位于徑流過程線下方，較好反映了流域產(chǎn)流的阻尼效應。相同月份、不同方法所得結(jié)果差異較大，HYSEP法基流過程線拐點較多，曲線呈鋸齒狀且與河川徑流量曲線表現(xiàn)出高度同步性，峰值出現(xiàn)的時間點高度一致，不能反映流域產(chǎn)匯流的遲滯效應：BFI法和數(shù)字濾波法中的F1法所得基流過程線較為平緩，不與徑流過程線重合，且能反映出徑流的漲水、退水過程和徑流過程的遲滯效應，計算基流分割結(jié)果較為合理。

由基流指數(shù)計算結(jié)果對比可知，數(shù)字濾波法中的F2、F3法不適用于本研究區(qū)。由基流分割過程對比結(jié)果可知，數(shù)字濾波法中的F1法和BFI法計算結(jié)果較為合理。為綜合對比分析不同基流分割方法計算結(jié)果的穩(wěn)定性，對9種基流分割方法計算結(jié)果進一步統(tǒng)計分析（見表2），由表2可以看出，數(shù)字濾波法中的F.法和BFI法兩種方法中，數(shù)字濾波法中的F1法基流指數(shù)統(tǒng)計值極值比最小（3.20）、方差也最小（ 0.344 3），說明該方法計算結(jié)果年際變化小、基流最穩(wěn)定。數(shù)字濾波法考慮了前后2d的徑流量，其結(jié)果與實際基流過程更為接近，符合基流的退水特點[19]。因此數(shù)字濾波法中的F1法是研究區(qū)最為可靠、穩(wěn)定的基流分割方法。采用數(shù)字濾波法中的F1法計算出的基流結(jié)果分析北洛河上游地區(qū)基流的變化。

2.2 吳旗水文站基流量年際變化分析

吳旗水文站1971-2014年基流量呈下降趨勢（見圖2），采用Mann - Kendall趨勢性檢驗法計算得到檢驗統(tǒng)計值Z為-0.617（20.os= +1.96），表明下降趨勢不明顯。由圖3可以看出，北洛河上游1971-2014年基流指數(shù)呈增大趨勢，決定系數(shù)R2為0.4，采用Mann -Kendall趨勢性檢驗法計算得到檢驗統(tǒng)計值Z為4.117（Zo.oi =+2.56），表明：隨著時間的推移，基流指數(shù)呈顯著增大趨勢且達到99%信度的顯著性水平。這與北洛河地區(qū)徑流量顯著減少有關(guān)[20]。采用Pettitt突變點檢驗法分析1971-2014年北洛河上游地區(qū)基流指數(shù)突變年，由圖4可知，突變年為2002年，置信水平為99%。

2.3 吳旗水文站基流量年內(nèi)變化分析

由表3可知，北洛河上游地區(qū)1月、12月基流量高頻率和低頻率事件均呈顯著上升趨勢，2月和11月基流量低頻率事件呈顯著上升趨勢：3月基流量高頻率和低頻率事件及9月基流量低頻率事件呈顯著下降趨勢：4-8月及10月基流量變化無顯著變化趨勢。即1月、12月月平均基流量呈顯著上升趨勢，3月月平均基流量呈顯著下降趨勢。

3 討論

經(jīng)綜合比較，認為數(shù)字濾波法中的F.法是北洛河上游較為適宜的基流分割方法。前人探討北洛河流域基流分割方法適宜性結(jié)果：于藝鵬等[21]對劉家河站徑流資料進行基流分割，認為BFI法和HYSEP法計算的流域多年平均基流指數(shù)接近，數(shù)字濾波法計算結(jié)果的極值比和標準偏差小于BFI、HYSEP法的，與本研究結(jié)果一致。在比較基流過程線時，于藝鵬等[21]認為，修正BFI法基流過程線較為平滑，而本研究綜合對比了豐水年、平水年、枯水年3種不同情況，及基流曲線對流域產(chǎn)匯流遲滯效應的反映等，認為BFI法和數(shù)字濾波法中的F1法基流分割結(jié)果較為合理。

影響基流的主要因素包括年平均降水量、流域面積、河道或流域坡度、河網(wǎng)密度、森林覆蓋率、流域形狀以及土壤和地質(zhì)指標[11]。在短時期內(nèi)可以認為流域面積、河道或流域坡度、河網(wǎng)密度、流域形狀以及流域地質(zhì)指標沒有發(fā)生變化。1960-2010年北洛河流域降水呈不顯著遞減趨勢，且降水下降幅度低于徑流量的，表明存在其他非降水因素干擾了降水與徑流的關(guān)系[22]。北洛河流域是水土流失綜合治理和退耕還林T程實施較早的地區(qū)之一[23].北洛河上游流域在1995-2014年平均植被覆蓋度從20. 21%增加到了51.22%[24]。隨著植被覆蓋狀況的改善，土壤水分相應發(fā)生了很大變化，流域時段平均土壤含水量從1986-1995年的41.8 mm減少至1996-2005年的33.7 mm和2006-2012年的26.9 mm。土壤水分季節(jié)值能夠較好反映土壤水分年內(nèi)季節(jié)動態(tài)變化特征：春季失墑、夏季增墑、秋末冬季緩慢失墑[25]。研究發(fā)現(xiàn)，北洛河上游1971-2014年基流指數(shù)呈顯著增大趨勢，突變年份為2002年，這與李澤根26]的研究結(jié)果一致，可以認為退耕還林效益從2001年開始顯現(xiàn)，水土保持效益好，攔水作用明顯，產(chǎn)流量小，有利于土壤水分下滲，相應基流指數(shù)增大。從年內(nèi)變化來看，1971-2014年7-10月月基流量呈減少趨勢，11月至翌年2月（枯水期）呈顯著增加趨勢。劉二佳等27研究認為，與1963-1979年相比2003-2009年退耕還林效應使豐水期徑流量減少40.2%.而使枯水期徑流量增加了128.1%。說明植被蓋度增大能有效增加土壤對夏季降水的攔截，進而增加枯水季節(jié)土壤向河道的水分補給。因此可以推斷，退耕還林T程實施后，生態(tài)植被恢復是影響北洛河上游基流變化的主導因素。

4 結(jié)論

采用3類9種基流分割方法對北洛河上游吳旗水文站1971-2014年的實測日徑流資料進行了基流分割，9種分割方法計算所得基流指數(shù)相差較大，BFI法、HYSEP法和數(shù)字濾波法中的F.法所得結(jié)果較為接近，為0.315 3- 0.420 8。數(shù)字濾波法表現(xiàn)出的其對降水產(chǎn)流過程的穩(wěn)定性優(yōu)于BFI法和HYSEP法。比較9種方法得到的基流過程線可知，數(shù)字濾波法估算得到的基流過程線較為平滑，能較客觀反映北洛河流域流量過程線退水段的物理規(guī)律，數(shù)字濾波法中的F.法在9種方法中最適宜于北洛河上游流域的基流分割。北洛河上游基流量下降趨勢不明顯，基流指數(shù)呈顯著增大趨勢，檢驗統(tǒng)計值Z為4. 117。1月和12月基流量呈顯著增大趨勢.2月和11月基流量在流量較高的情況下呈顯著增大趨勢，3月和9月基流量呈顯著減小趨勢，基流指數(shù)突變上升時間為2002年，退耕還林產(chǎn)生的植被涵養(yǎng)水源效益的顯現(xiàn)對增加枯水季節(jié)基流量有重要作用。

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