水利工程與氣候條件對典型小流域基流過程的影響研究

摘要：基流是枯水期河川徑流的主要來源，穩(wěn)定可靠的基流分割方法對基流研究具有重要作用。本文選取沙段站、復(fù)興堡站1964-2012年逐日流量資料，采用水文頻率分析的方法劃分了豐平枯水年份。利用HYSEP法（固定步長法、滑動步長法、局部最小值法）對逐日流量和典型年的資料進(jìn)行基流分割。

關(guān)鍵詞：基流分割;時空分布：HYSEP法

1 引言

基流也叫底水，是地下水和其他延遲的水資源補給河川徑流的部分水量，是枯水期河流的主要補給來源。其作為維持河流生態(tài)流量的基流量，是流域水文模擬產(chǎn)、匯流計算的重要研究內(nèi)容之一，在流域水資源開發(fā)利用、優(yōu)化配置及生態(tài)環(huán)境保護(hù)中具有實際指導(dǎo)性的意義[1]。近年來，全球水資源問題日益突出，作為枯水徑流的重要特征，基流逐漸成為水文學(xué)研究的熱點。基流作為重要的生態(tài)水文特征，其變化是對全球變化的重要響應(yīng)[2]。研究基流的基礎(chǔ)在于基流分割，采用合理的基流分割方法可以提高基流測值的精確度，對于基流的研究具有重要意義。

本次采用HYSEP法進(jìn)行基流分割，分析其在水利工程前后的變化，并對南北地區(qū)兩個不同流域在水利工程前后的變化進(jìn)行比較分析，從而得出不同氣候條件下水利工程對基流的影響效果。

本研究以沙段站、復(fù)興堡站為研究對象，選取HYSEP法分割實測日徑流資料，估算流域河川基流量，分析流域河川基流的變化特征，探究南北典型小流域分割結(jié)果在基流指數(shù)、徑流過程線和年基流量三方面的差異，為流域基流分割方法的選擇提供合理的建議。

本文的研究內(nèi)容為收集研究區(qū)——浙江始豐溪河流域沙段站、遼寧細(xì)河流域復(fù)興堡站的氣象水文資料，分析其降水、徑流統(tǒng)計特征;對比國內(nèi)外有關(guān)基流分割的不同方法特點和適用條件，選定HYSEP法用于兩站徑流分割;學(xué)習(xí)國內(nèi)外有關(guān)方法對比的研究成果，總結(jié)對比研究的研究要點和研究方法;結(jié)合不同時間尺度，不同方法的計算結(jié)果，評價沙段站、復(fù)興堡站多年基流演變趨勢，以及兩站數(shù)據(jù)結(jié)果的異同。

2 研究區(qū)概況

始豐溪流域瀕臨東海，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，暴雨集中于4至9月間，尤以7至9月最為集中，常常出現(xiàn)暴雨、大暴雨。由于汛期降雨量的高度集中。以及周圍高、中間低的地形，河道源短、坡降大等因素的影響，使始豐溪流域洪水表現(xiàn)為洪水位暴漲暴落，洪峰持續(xù)時間短，暴雨時洪水一瀉而下，極易形成突發(fā)性災(zāi)害。

沙段站上游的里石門水庫，1973年5月開工，1979年12月竣工，位于天臺縣西部龍溪鄉(xiāng)里石門村上游1km處的始豐溪上，距縣城41km，是1座以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水庫。水庫集雨面積296km2，總庫容1.793億m3 （原PMF 為1.99億m3），正常庫容1.22億m3，設(shè)計灌溉面積1.2萬hm2，防洪面積4333hm2，保護(hù)沿溪兩岸農(nóng)田、村鎮(zhèn)和城關(guān)鎮(zhèn)15萬人口以及104國道的防洪安全。

細(xì)河流域地形多為低山丘陵，土質(zhì)缺磷少氮，有機質(zhì)嚴(yán)重不足。氣候?qū)俦睖貛Т箨懶图撅L(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫5.7～6.3℃，年平均降雨量471mm，森林覆蓋率為21.6%，流域內(nèi)人口偏少，工農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱。

復(fù)興堡站上游的佛寺水庫是一座以灌溉為主，兼防洪養(yǎng)魚、市區(qū)供水為一體的綜合利用的大（2）型水庫，1976年3月開工，1984年10月竣工。位于大凌河水系細(xì)河右側(cè)最大支流伊圖河中下游的阜新縣佛寺鄉(xiāng)。集水面積為600km2，正常高水位140m，相應(yīng)庫容4940萬m3。

圖2.1、圖2.2為兩站多年月平均降水量，圖2.3、圖2.4所示為典型平水年份兩站降水徑流過程圖，根據(jù)年降水量資料統(tǒng)計及圖2.1-圖2.4可知沙段站多年平均降水量為1580mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中于5-9月，約占全年降水量的60%。年最大降水量為2233mm（1990年），年最小降水量為1003.9mm（1979年），極值比為2.23;復(fù)興堡站多年平均降水量為555mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中于6-9月，約占全年降水量的80%。年最大降水量為1059mm（1994年），年最小降水量為314.7mm（2009年），極值比為3.36，兩站地區(qū)的降水和徑流過程均有明顯的汛枯特點。

3 數(shù)據(jù)選取與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)選取

為保證基流分割結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確掌握河川基流的變化特征，必須保證選取具有較長、相同系列的水文觀測資料的基流分割斷面。本次研究選取始豐溪河流域沙段水文站、細(xì)河流域復(fù)興堡水文站1965-2012年期間逐日水位、降水量和流量資料為基礎(chǔ)，其中沙段站2001-2005年，復(fù)興堡站1986、1987及2002-2005年部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，不在本文討論范圍內(nèi)。

因沙段站數(shù)據(jù)系列來源于百步站和沙段站，兩站所處地理位置（經(jīng)緯度）基本一致，但略有遷移，所以需要對兩站的數(shù)據(jù)系列進(jìn)行一致性檢驗，以判斷沙段站1964-1979年和1980-2011年兩組數(shù)據(jù)是否來自同一總體。為了減少單一統(tǒng)計方法對統(tǒng)計結(jié)果評價的不確定性，本次檢驗采用非參數(shù)檢驗中的K-S檢驗（Kolmogorov-Smirnov Test）。檢驗規(guī)定，若漸進(jìn)顯著性大于0.05則通過一致性檢驗，否則不通過，經(jīng)過計算，得到百步站和沙段站流量系列的漸進(jìn)顯著性為0.27，降水系列的漸進(jìn)顯著性為0.48，均大于0.05，因此認(rèn)為兩站的流量、降水系列均滿足一致性，為同一數(shù)據(jù)系列。

3.2研究方法

為了使研究結(jié)果更合理，根據(jù)研究期的數(shù)據(jù)將研究期劃分豐平枯水年份，所以在介紹本文的基流分割方法之前需介紹水文頻率分析的計算方法并計算確定豐平枯水年份。

3.2.1 水文頻率分析

水文頻率分析計算的理論基礎(chǔ)是水文現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律，利用現(xiàn)有水文資料來分析水文變量設(shè)計值與頻率之間的定量關(guān)系，也就是根據(jù)有限的水文變量小樣本服從的分布推求估計該水文變量的總體分布，據(jù)此計算給定頻率的水文變量設(shè)計值。本文的水文變量樣本系列為1965-2012年間的年徑流量。根據(jù)我國水文頻率計算的經(jīng)驗驗證P-Ⅲ型頻率曲線適線擬合度更高，所以本文采用P-Ⅲ型頻率曲線。將計算出的經(jīng)驗頻率點據(jù)繪制在圖表中，根據(jù)原始數(shù)據(jù)估計參數(shù)均值Ex、離勢系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs的初值，繪制理論頻率曲線，優(yōu)化參數(shù)使理論頻率曲線的擬合度達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)計算，沙段站Ex=115000.0，Cv=0.30，Cs/Cv=1.5，標(biāo)準(zhǔn)頻率對應(yīng)的設(shè)計值如表3.1所示。復(fù)興堡站Ex=17761.4，Cv=0.80，Cs/Cv=2.5，標(biāo)準(zhǔn)頻率對應(yīng)的設(shè)計值如表3.2所示。

3.2.2豐平枯水年劃分

采用頻率P劃分徑流豐、平、枯的范圍，在表3.3中給出的區(qū)間對當(dāng)年來水量的豐、平、枯程度進(jìn)行判斷。在本文中，豐水年又細(xì)分為特豐水年和偏豐水年，枯水年細(xì)分為特枯水年和偏枯水年。豐平枯水年的劃分標(biāo)準(zhǔn)和劃分結(jié)果如表3.3所示，沙段站：豐水年的代表年份為1989年，平水年的代表年份為1972年，枯水年的代表年份為1968年。復(fù)興堡站：豐水年的代表年份為1995年，平水年的代表年份為1992年，枯水年的代表年份為2000年。

3.2.3 HYSEP法

PettyJohn和Henning于1979年提出了HYSEP程序，這一方法首次實現(xiàn)了基流計算的程序化[3]。HYSEP法有固定步長法、滑動步長法和局部最小值法三種方式[4～5]。

HYSEP程序具有易操作、計算速度快、可重復(fù)使用、可計算長期的徑流資料等優(yōu)點，現(xiàn)已成為美國地質(zhì)調(diào)查局使用的主要基流計算方法[6]。本次研究采用三種方法進(jìn)行基流分割，并對計算結(jié)果進(jìn)行對比，分析其在南北典型小流域的適用性。

4 結(jié)果分析

4.1基流指數(shù)對比分析

根據(jù)實測資料，沙段站年均實測徑流量為11.45億m3，復(fù)興堡站年均實測徑流量為1.77億m3。HYSEP法三種方法結(jié)果基本相近，此處選用局部最小值法結(jié)果圖。

利用HYSEP法所得出的各代際基流指數(shù)計算結(jié)果見表4.1。

從以上圖表可以看出，不同的分割方法的計算結(jié)果略有不同，滑動步長法和固定步長法計算結(jié)果基本一致，多年平均值沙段站為0.39，復(fù)興堡站為0.53，局部最小值法略偏小。由表可知，兩站BFI值均偏小，沙段站BFI值較小，考慮兩站位置，偏小是由于降水較多，且沙段站處于南方濕潤地區(qū)，降水補給比例更大。同時可以明顯看出，八十年代修建水庫后，BFI值變大，表明基流占比增加，水庫的調(diào)蓄作用得到了充分的體現(xiàn)。

為了深入探討不同基流分割方法間估算結(jié)果的差異，分析了HYSEP法計算的年基流指數(shù)值的統(tǒng)計特征，如表4.2。

結(jié)果表明，HYSEP法的三種分割方法基本一致，兩站的結(jié)果有差異，沙段站方差約為0.09、均值約為0.38，相比于復(fù)興堡站的方差約為0.19、均值約為0.52較小是由于南方氣候相對濕潤，降水占徑流總量比例較大，但較穩(wěn)定，故極值比也較小。

4.2徑流過程對比分析

本文選取典型年如下：沙段站，豐水年的代表年份為1989年，平水年的代表年份為1972年，枯水年的代表年份為1968年;復(fù)興堡站，豐水年的代表年份為1995年，平水年的代表年份為1992年，枯水年的代表年份為2000年。用HYSEP法推求出其基流過程線并進(jìn)行對比分析，對于典型年基流分割過程如圖4.3所示。

由圖4.3可以看出HYSEP法的三種方法所得的基流過程線有差別。本文研究中對比選擇合理的基流分割方法的原則可以包括以下兩個方面：首先分割的基流過程應(yīng)該趨向于符合產(chǎn)流的物理機制的方法;其次分割出的基流指數(shù)在年際和年內(nèi)的變化范圍合理。一般來說，同一站點的基流指數(shù)年際變化過小不能體現(xiàn)出具體年份的差異性，過大不能保證結(jié)果的可靠性，即BFI的值需較為穩(wěn)定，這樣才能保證選擇的基流分割方法相對可靠，計算結(jié)果才能有更高的可信度與研究意義。

用三種基流分割方法計算典型年的基流指數(shù)結(jié)果如表4.3所示：

根據(jù)表4.3可以看出：對于復(fù)興堡站，同一方法從豐水年到枯水年的變化趨勢是增大的，而沙段站所得結(jié)果則相反。相應(yīng)的，同樣的典型年不同方法之間也有差異。固定步長法和滑動步長法對豐平枯水年份的基流過程分割結(jié)果相差不大，局部最小值法略有不同。

一般地，豐水年雨量豐沛、流量增大、來此流域地表匯水的比重較大，而來自地下水補給的基流部分相對較少，從而計算所得的BFI值較小;枯水年雨量貧乏、地表徑流較少，徑流多來自于地下水的慢速補給，故BFI值越大。復(fù)興堡站計算所得1995、1992、2000年的BFI值依次增大，計算結(jié)果與理論推斷相吻合，且BFI值在不同年份下相差較大，說明HYSEP法對于不同年份的BFI值辨識能力較好。

5結(jié)論

通過對南北兩小流域基流的分割研究，得出以下幾點結(jié)論：

第一，資料方面，本次研究所用數(shù)據(jù)為1964-2012年的流量和降雨量數(shù)據(jù)，由于沙段數(shù)據(jù)來源于百步站（1964-1979年）和沙段站（1980-2011年），經(jīng)查閱，兩站地理位置略有差別，所以需要對百步站和沙段站的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗，從而確定兩站的流量降水系列來源于統(tǒng)一總體。

檢驗方法采用非參數(shù)檢驗中的K-S檢驗。檢驗結(jié)果為，百步站和沙段站流量系列的漸進(jìn)顯著性為0.27，降水系列的漸進(jìn)顯著性為0.48，均大于0.05，因此認(rèn)為兩站的流量、降水系列均滿足一致性，通過一致性檢驗。

第二，沙段站多年平均年徑流量為11.45億m3，復(fù)興堡站多年平均年徑流量為1.77億m3。從基流分割結(jié)果可以看出，沙段站的多年平均基流指數(shù)BFI在0.19～0.57之間，復(fù)興堡站的多年平均基流指數(shù)BFI在0.20～0.91之間。多年平均值沙段站為0.39，復(fù)興堡站為0.53，該BFI數(shù)值表明基流是流域流量的重要組成部分，復(fù)興堡站值較大，說明在北方相對干旱地區(qū)，基流量占比例較大。但BFI數(shù)值變化范圍較大，體現(xiàn)了小流域內(nèi)河流流量受降水影響較大的特點，同時也受到水庫修建后調(diào)蓄作用的影響。

第三，沙段站上游的里石門水庫，1979年12月竣工，復(fù)興堡站上游的佛寺水庫，1984年10月竣工。里石門水庫修建前，沙段站的多年平均BFI值為0.29，修建后，沙段站的多年平均BFI值為0.43。佛寺水庫修建前，復(fù)興堡站的多年平均BFI值為0.36，修建后，復(fù)興堡站的多年平均BFI值為0.65。可以明顯看出，八十年代修建水庫后，BFI值變大，表明基流占比增加，水庫的調(diào)蓄作用得到了充分的體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡興林. 黑河流域徑流演變規(guī)律及區(qū)域性水資源優(yōu)化配置分析[J]. 水文， 2003， 23（1）： 32-36.

[2]張華，張勃，趙傳燕.黑河上游多年基流變化及其原因分析[J].地理研究報，2011，30（8）：1421-1430.

[3] SLOTO R A，CROUSE M Y.HYSEP：A computer program for streamflow hydrograph separation and analysis[R].Lemoyne，Pennsylvania：U.S.GeologicalSurvey Water-resources Investigations Report，1996：96-4040.

[4]PETTYJONH W A.HENNING R.Preliminary estimate of ground-water recharge rates，related stream-flower and water quality in Ohio[R].Ohio State University Water Resources Center Project Completion Report，1979，552：323-325.

[5]ECKHARDT K.A comparison of baseflow indices，which were calculated with seven different baseflow separation methods[J].Journal of Hydrology，2008，352（1-2）：168-173.

[6]楊蕊，王龍，韓春玲.9種基流分割方法在南盤江上游的應(yīng)用對比[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，28（5）：707-712.

作者簡介：李俊江（1994—），男，遼寧本溪人，黃河水利委員會山東水文水資源局，助理工程師，研究方向：水文數(shù)據(jù)分析。