1959-2011年北洛河上游流域徑流量及其組分變化趨勢和時間分配特征

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，對維護區(qū)域生態(tài)平衡、維持經(jīng)濟可持續(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，其缺點是處理效率低[2]。基流指數(shù)法、數(shù)字濾波法、平滑最小值法和時間步長等時間序列法，能快速有效得到連續(xù)的基流過程[3]。運用水文模型，可以獲取具有物理基礎(chǔ)的分割結(jié)果，是發(fā)展的一個趨勢[4-5]。同位素法可以作為上述方法的對比驗證[3]。由于基流量不能實測獲得，即使在同一區(qū)域也暫時得不到普遍認(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)，以長時間序列實測水文數(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個縣域，86%以上人口為農(nóng)村人口，經(jīng)濟發(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%，降雨過程具有歷時短、雨量大的特點。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個水文站1959-2011年的實測日徑流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)序列經(jīng)過嚴(yán)格校驗和檢查，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和可靠。基流數(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

隨著計算機技術(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法估算基流量時需要確定兩個參數(shù)：(1)拐點檢驗因子f(turning point test factor)；(2)時間間隔N，即按N將年內(nèi)日流量過程分割成365/N個時間段，再根據(jù)最小流量選擇原理，確定每個時間段(N)中流量最小值，然后與相鄰時間段流量最小值進行比較。如果該流量的最小值與拐點檢驗因子的積小于相鄰時間段最小流量值，則可確定該點為拐點[24]。重復(fù)此過程，在流量過程線上確定出所有拐點，將拐點進行連線，分割連線下方即為全年基流量。經(jīng)過試驗，f取值0.97915、N取4時，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、暴雨歷時短、降雨不能及時補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)計檢驗方法，在水文和氣候變量數(shù)據(jù)序列趨勢檢驗中廣泛采用[25]，在1998年被世界氣象組織(WMO)定為水文氣象系列趨勢檢驗的標(biāo)準(zhǔn)方法。M-K趨勢檢驗方法、顯著性檢驗及時間序列上年均變率的確定等具體見文獻[9]的應(yīng)用。

3.4 年徑流序列階段劃分

受人類活動階段性特征影響，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)工程實施時間(1999年)基本吻合。考慮上述研究結(jié)果，本文以1979、1999年為時間節(jié)點，將時間序列劃分為3個階段，即1979之前、1980-1999年之間和2000年之后，分別作為基準(zhǔn)期(P1)、水土保持措施實施效應(yīng)期(P2)和重大生態(tài)工程效應(yīng)期(P3)，來進一步分析徑流及其組分的時間變化特征。

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給地下水等過程的發(fā)生。

受氣候變化和人類活動雙重作用影響，1959-2011年3個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個水文站徑流及其組分統(tǒng)計

表2 1959-2011年北洛河上游流域3個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個時期年均徑流深均呈減小趨勢。與P1相比，P2時期年均徑流深表現(xiàn)出小幅減少態(tài)勢，減少程度分別為9.5%、13.8%和4.2%；P3時期則大幅減少，減少比例達到42.7%、56.3%和38.7%。其影響因素有兩個：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反映在徑流的變化中；另一方面是人類活動對流域下墊面劇烈地擾動和改造活動的影響。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時期的水土流失綜合治理活動對該時期徑流量減少貢獻率約為40%，而P3時期繼續(xù)實施重大生態(tài)工程的影響，人類活動貢獻率提高到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時期地表徑流深減少幅度分別為15.8%、17.9%、16.7%，P3時期減少幅度更大，分別達到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。隨著時期推進，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。

4.3 徑流量及其組分年內(nèi)分配特征

圖2為研究區(qū)3個水文站不同時段徑流和基流年內(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個峰，成為主汛期。基流量峰值出現(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給作用較強，基流量增加，形成了基流的第1個峰值。夏季的降雨量主要以形成地表徑流為主，同時植被生長旺盛，蒸騰蒸發(fā)作用強烈，加之土層深厚，導(dǎo)致7、8月降雨和徑流對基流的補給作用出現(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，隨著時段進展下降趨勢非常明顯，表現(xiàn)出P3時期較P2下降更為突出的特點。相較于P1時期，P2時期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時期，吳起、志丹和劉家河3站月均基流量普遍表現(xiàn)出P2時期增加，P3時期減少的規(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)分配過程線隨著時段進展趨于平緩，尖瘦陡峭峰型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘制骄彿逍停菟诨髁吭黾印τ趨瞧鸷蛣⒓液诱荆菟诨髁康脑黾涌赡苁悄昊髁匡@著增加的直接原因。

表3 1959-2011年北洛河上游流域3個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個水文站不同時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方法檢驗了月和季節(jié)基流量在研究時段上的變化趨勢，如表4所示。

表4 M-K檢驗北洛河上游3個水文站月和季節(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。