窟野河流域河川基流量變化趨勢及其驅動因素

雷泳南，張曉萍，張建軍，劉二佳

(1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌712100;2.中國科學院研究生院，100049，北京;3.西北農林科技大學水土保持研究所，楊凌712100)

河川基流是指由地下水補給河川的水量。在非汛期時，基流是河川徑流的主要組成部分。天然條件下，河川基流量穩定，具有維持河川徑流、維護河流生態以及表生生態植被良性發展等多種功能，對維持生態系統健康起著重要的作用［1］。近年來，在氣候變化和人類活動的耦合作用下，黃河流域河川基流量大幅度減少，導致湖泊萎縮、濕地減少、草場退化及黃河斷流等一系列生態環境問題的頻繁出現，嚴重制約著流域經濟發展和生態環境建設［2-5］。分析黃河河川基流的演變過程，認識演變規律和影響因素，不僅有助于深入了解黃河流域水資源的特性，為合理開發利用水資源提供依據，同時也有利于水土保措施以及生態環境重建工程的合理布局。因此，河川基流已成為生態水文學研究的熱點之一［6-8］。

窟野河位于黃土高原水蝕風蝕交錯區內，是黃河河口鎮至龍門段右岸一條較大支流。流域地處干旱半干旱過渡帶，降水稀少且暴雨集中，地形支離破碎，植被稀疏，自然災害頻繁，生態環境極其脆弱，水土流失異常嚴重［9］。為遏制嚴重的水土流失，從建國初尤其是20世紀70年代開始，開展了大規模的水土流失綜合治理和生態環境建設。同時，流域范圍內蘊藏著豐富的煤炭資源，人類活動頻繁［10］。大面積水土保持措施的實施和煤炭的開采，極大地改變了流域下墊面條件，產生了巨大的水文效應。近年來，隨著流域內經濟的迅速發展，流域水資源供需矛盾日益突出，甚至出現了嚴重的斷流現象，嚴重威脅到流域的生態環境與經濟的可持續發展［11］。

目前對窟野河流域的研究不少，但大多數主要集中在徑流、泥沙以及水沙運行規律［9-11］，關于對維持生態系統健康具有極其重要意義的河川基流卻鮮有文獻報道。鑒于此，本文選取窟野河流域最大控制站溫家川水文站實測日徑流數據和流域氣象資料，采用國內外常用的Chapman-Maxwell數字濾波法進行河川基流的計算，分析流域河川基流變化趨勢與演變特征，從氣候變化和人類活動兩方面探討了河川基流量變化的驅動因素，為流域水資源持續利用、生態環境建設提供科學依據。

1 研究區概況

窟野河流域位于陜西與內蒙古交界處鄂爾多斯臺地毛烏素沙漠邊緣(圖1)。河流發源于內蒙古自治區東勝市巴定溝，流向東南，在神木縣賀家川鎮沙峁頭村匯入黃河［12］。干流全長242 km，流域面積8 706 km2。屬于干旱或半干旱氣候，多年平均降水量410 mm，年內降水的70%—80%集中在6—9月，且多暴雨。流域上游為風沙地貌，以固定、半固定沙丘為主，地勢平坦，植被稀疏。流域中下游以蓋沙丘陵和黃土丘陵溝壑地貌為主，溝壑縱橫、梁峁起伏，溝深坡陡，地形破碎，水土流失嚴重，輸沙模數12 261.4 t/km2。為了遏制嚴重的水土流失，流域從20世紀50年代開始開展大規模的水土流失綜合治理，這些項目主要包括造林與種草等生物措施，梯田與壩地等工程措施，具體如表1所示。

表1 流域內各水土保持措施累積面積Table 1 Accumulative area by the soil conservation measures in the study catchment

流域內的沙漠草原主要分布第四季風積、沖積、湖積粉細沙夾砂土、亞粘土孔隙潛水，含水層厚度一般為15—100m，水位埋深較淺，一般埋深10m左右，地下水主要以降水入滲補給為主，以向河水排泄為主［4］。溫家川水文站是流域最大控制站，其控制面積8 645 km2，多年平均徑流深65.8 mm，多年平均基流深24.7 mm，占年總徑流量的38%(圖2)。

窟野河流域范圍是我國重要的能源化工基地。流域于1978年開始開采煤炭，在20世紀80年代年均開采煤炭量約為2.9×105t，20世紀90年代上升到5.2×106t，21世紀前5a年均采煤量迅速增加到5.4×107t［10］。煤炭產業的發展，使流域水資源供需矛盾日益突顯，甚至出現枯水期斷流現象［11］。

2 數據及研究方法

2.1 數據獲取及處理

圖2 流域月降水量與基流量的分配狀況Fig．2 Distribution of monthly precipitation and base flow in the catchment

圖1 窟野河流域概況圖Fig．1 Location of the Kuye catchment

溫家川水文站1959—2005年實測日徑流資料，來自于黃河中游水文站整編資料。采用Chapman-Maxwell濾波法［15-16］對日徑流量進行基流分割得到日基流量，由此按時間累計到年、月基流量。數據處理過程中，采用基流深(mm)概念，即將站點年(月)基流量除以控制面積，實際上反映了單位面積的基流量變化。流域氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網，利用Kriging空間插值后進行面積加權平均得到流域面平均降水量［13］，使用流域面平均降水量來進行降水量分析;根據Penman-Monteith公式計算流域潛在蒸散發面平均值［14］，使用流域潛在蒸散發面平均值進行潛在蒸散發分析。流域內煤炭開采資料和水土保持措施面積資料分別來源于文獻［10，17］，具體見圖3。

2.2 數據分析方法

2.2.1 Chapman-Maxwell數字濾波法

數字濾波法是近年來國際上應用廣泛的基流分割方法，它的原理是通過數字濾波器將信號分解為高頻和低頻，對應地將徑流過程劃分為地表徑流和基流［15］。與傳統手工作圖法相比，數字濾波法具有客觀性強、操作簡單、計算速度快等特點，在實踐中已得到了廣泛應用。

研究中采用Chapman-Maxwell數字濾波法分割徑流得到流域河川基流［15-16］。該方法由Chapman和Maxwell于1996年提出，假定某時刻的基流為該時刻的地表徑流和前一時刻基流的加權平均，即:

根據徑流由地表徑流和基流組成，即:

將式(2)代入式(1)消去地表徑流得到基流分割方程，即:

式中，q(i)為第i時刻的徑流量，m3/s;qf(i)為第i時刻的地表徑流量，m3/s;qb(i)為第i時刻的基流量，m3/s;k為退水系數，一般情況下，k取值為0.95。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數檢驗方法，其具有不受少數異常值干擾，不受數據分布特征影響的特點，近年來被廣泛應用于氣象和水文時間序列的變化趨勢分析。文獻［18］對該方法進行了詳細介紹。研究中利用Mann-Kendall檢驗法對流域年基流量和氣象要素的變化趨勢進行分析。

2.2.3 Pettitt檢驗法

Pettitt檢驗法是1979年提出的一種非參數檢驗方法，與Mann-Kendall檢驗方法相結合進行水文、氣象要素趨勢分析及突變時間確定，在國內外得到了廣泛的應用［19］。研究中利用Pettitt檢驗法對流域年基流量和氣象要素的突變時間進行分析。

圖3 流域年基流量、水土保持治理面積和采煤量Fig．3 Annual base flow，the area of treated by soil conservation measures and coal mining in the catchment

2.2.4 雙累積曲線法

雙累積曲線方法是目前分析水文氣象要素一致性或長期變化趨勢方法中最簡單、最直觀的方法［20］。它的理論基礎是在相同時間段內，對于一個事件只要給的數據呈現正比關系，那么兩個變量各自的累積值可在直角坐標系上表示為一條直線，其斜率為兩變量對應的比例常數，當直線的斜率發生突變時，表明兩個變量之間的比例常數發生了改變，那么斜率發生突變點對應的年份就是這兩個累積關系出現突變的時間。研究中利用年降水量與基流量的雙累積曲線來分析流域基流量的突變點，進一步驗證Pettitt方法檢驗的突變點。

2.2.5 歷時曲線法

流域的流量歷時曲線(FDC)是一種頻率累積曲線，可以表示給定時段內大于或等于某一流量的流量持續時間，能充分反映從豐水期、平水期到枯水期各流量狀態下流域的徑流特征［21］。近年來，流域歷時曲線法被廣泛應用于流域時段水文情勢特征分析。研究中設流域基流歷時曲線累積頻率為5%、50%、95%分別代表豐水期、平水期和枯水期，分析流域河川基流在不同時段相同頻率上變化差異，揭示流域人類活動引起的地表下墊面變化對流域河川基流的影響。

3 窟野河流域基流量變化分析

3.1 基流量年際變化趨勢及躍變時間

流域全年、春、夏、秋、冬及汛期和非汛期7個時段基流量均表現出0.001水平的極顯著減少趨勢，如表2所示。全年趨勢變化斜率達-0.628 mm/a，四季中夏季基流量下降趨勢最大，為-0.212 mm/a，其次為秋季、春季和冬季，分別為-0.196、-0.162、-0.050 mm/a。汛期內流域河川基流量減少程度是非汛期的1.6倍，達到-0.367 mm/a。

從表2可以看出，流域7個時段基流量在統計上均具有躍變性質，躍變時間出現在1979年到1988年間，除夏季出現0.01的顯著水平外，其余各時段均達到了0.001的極顯著性。圖4是利用Pettitt檢驗法對流域全年基流量的突變時間進行判斷，結果表明突變時間發生在1980年，這與張曉萍等［13］在該區對徑流突變時間研究結論基本一致。

為了進一步驗證流域全年基流量的突變時間，研究中同時利用年降水量和年基流量的雙累積曲線進行突變檢驗，如圖5所示。從圖5可以看出，流域全年基流量在1980年和1996年發生兩次突變，前者與流域在20世紀七八十年代大規模開展水土流失治理，尤其是大量修建水利水保工程有關;后者與流域內煤礦開采量大幅度增加，破壞含水層，漏失地下水資源，造成地下水對基流的補給量減少，進而導致河川基流量的大量衰減。

表2 流域基流Mann-Kendall趨勢檢驗結果Table 2 Results of trend tests for baseflow variables by Mann-Kendall in catchment

圖4 流域年基流量突變點檢驗Fig．4 Pettitt's test for detecting a change point in annual base flow of total year period

圖5 流域年基流深和降水量的雙累積曲線Fig．5 The double mass curve of cumulative annual precipitation and annual base flow depth in catchment

3.2 基流量變化程度

基于上述Pettitt檢驗和雙累積曲線檢驗的基流量突變時間為界，將研究中的水文序列劃為3個階段，即基準期(1959—1979年)、水土保持效應期(1980—1995年)和煤炭開發期(1996—2005年)。與基準期相比，流域日基流量在水土保持效應期和煤炭開發期內7時段豐水(5%)、平水(50%)和枯水(95%)時的變化量，如圖6和表3所示。

從圖6中可以看出，與基準期相比，水土保持效應期日基流量在5%頻率減少30%，20%—80%頻率普遍減少35%—40%，95%頻率減少54%;煤炭開發期日基流量在5%頻率減少57%，20%—80%頻率普遍減少65%—70%，95%頻率減少100%。相比基準期，水土保持效應期和煤炭開發期日基流量平均相對減少分別為36.3%和66.1%。

圖6 流域3個時期日基流歷時曲線和相對變化率Fig．6 Daily base flow curves in stage1 from 1959 to 1979，stage 2 from 1980 to 1995 and stage3 from 1996 to 2005 for total year period and the relative changes compared to stage1 in catchment

表3 流域7個時段日基流量在豐、平、枯水時期的相對變化率Table 3 The relative changes represented by daily base flow curves in high，midean and low flows in 7 time series in study catchment

其余6個時段的相對減少量差異很大，總體上看，煤炭開發期的日基流量減少量是后期的2倍(表3)。與基準期相比，水土保持效應期日基流量在5%頻率減少20%—30%，50%頻率減少30%—40%，95%頻率減少15%—100%;煤炭開發期日基流量在5%頻率減少50%—65%，50%頻率減少60%—75%，95%頻率減少50%—100%。

為了進一步分析流域日基流量的變化特性，統計了基準期、水土保持效應期和煤炭開發期3個時期流域7個時段基流量的豐水指數(Qb5/Qb50)和枯水指數(Qb95/Qb50)，如表4所示。從表4可以看出，流域7個時段基流量從基準期到水土保持效應期再到煤炭開發期總體呈現豐水指數增大，枯水指數減小的變化特征，表明流域內常水徑流及枯水徑流減少的比重較大。

表4 流域7個時段的豐水指數和枯水指數Table4 The high-flow indices and low-flow indices in 7 time stages in catchment

4 窟野河流域基流演變驅動因素分析

自然條件和人為因素都會引起流域水文發生效應變化，成為分析流域河川基流演變的兩大重要原因。從短時間尺度來看，流域地質地貌、土壤性質及地面組成物質等自然條件幾乎不會有變化，但流域河川基流量卻呈現極顯著減少趨勢，顯然，這種趨勢變化與流域氣候變化和人類活動有著重要的關系。本文中氣候變化主要分析流域降水量和潛在蒸散發兩個因素。

4.1 氣候變化

降水是地表徑流的本源，也是地下水的主要補給源。自然狀況下，流域基流數量及時間分布與降水存在著良好的對應關系［22］。尤其是在干旱半干旱地區，降水的微弱變化都會反映到徑流情勢中。流域內3個時期年降水量與年基流量的統計值，如表5所示。

表5 流域3個時期年降水量與基流量的統計值Table 5 The statistic of annual precipitation and base flow in the three periods in catchments

從表5可以看出，窟野河流域基流量與降水量的變化具有同步性。3個時期(基準期、水土保持效應期和煤炭開發期)基流量的多年平均降雨量分別為413.10 mm、373.03 mm和358.31 mm，多年平均基流量分別為33.61 mm、21.43 mm和11.43 mm，與基準期相比，水土保持期和煤炭開發期的降水量分別減少40.07 mm和54.79 mm，相對減少率分別為9.70%和13.26%，基流量分別減少12.18 mm和22.18 mm，相對減少率分別為36.23%和66.00%，一定程度上反映了流域基流量隨著降水量的減少而減少。

表6 流域降水量和潛在蒸散發變化趨勢及躍變時間檢驗Table 6 Analysis of precipitation and PE using the Mann-Kendall and Pettitt test

同時利用Mann-Kendall檢驗和Pettitt檢驗對流域年降水量及潛在蒸散發的變化趨勢和突變點進行檢驗，結果如表6。從表6可以看出，流域降水量呈現微弱的減少趨勢，但并未達到顯著性，降水序列中不存在突變點。

潛在蒸散發雖然不能代表流域內的實際蒸散發，但在一定程度上反映了流域內氣象要素的變化，對流域水循環有著重要的影響［14］。窟野河流域內的潛在蒸散發呈現極顯著的減少趨勢，并在1981年發生突變(表6)。可見，流域潛在蒸散發對河川基流量減少的影響不大。

4.2 人為因素

地下水作為河川基流的主要補給源，其時空分布狀況對基流的補給和消耗過程有著深刻的影響。窟野河流域地處干旱缺水地區，長期以來，地下水是維持流域人類生產生活的主要水源之一［1］。隨著流域工農業的發展，集中連片開采地下水及沿河灌溉取水等人類活動日益頻繁。這些人類活動，改變局部地下水的時空分布和水循環過程，對河川基流量的演變起到了巨大的影響。

4.2.1 煤礦等資源開采對基流的影響

煤礦開采是造成窟野河流域河川基流量大量衰減的最主要因素［10，23-24］。相關部門探測查明，在內蒙古南部與陜西北部接壤地帶，蘊藏著豐富的優質煤炭資源，其中90%近期重點開采的礦區面積位于窟野河流域［23］。從1978年開始開采煤炭尤其是20世紀90年后期以來，煤炭資源開采量大幅度增加。由于流域風沙地區內的河流40%—70%流量來源于地下水補給，且含水層埋藏淺，位于煤層之上，大量煤炭連片開采，破壞地下含水層，漏失地下水，導致補給河川基流的地下水不斷減少［1］。

大柳塔煤礦是流域內一座特大型現代化礦井，煤炭開采前，地下水原始流場為以母河溝泉為中心的自流盆地，隨著開采面積和強度的加大，地下水位迅速下降，幅度達10—12 m，最終穩定在基巖界面附近，同時礦區地下水位等高線向采空區一側傾斜，并形成了以采空區為中心的降落漏斗［23］。雙溝支流是窟野河上游烏蘭木倫河的一條支流，多年平均流量7 344 m3/d，煤炭開采后，該支流出現斷流，泉眼干枯［23-24］。據神木縣水利局資料，2000年窟野河斷流75 d，2001年創歷史斷流最長記錄，達106 d。近年來，隨著流域上游煤炭開采量大幅度增加，窟野河斷流現象日趨嚴重。

4.2.2 地下水過量開采及不合理的開發利用

流域河川基流量減少的另一個原因是流域內地下水開采量和非汛期灌溉引水量的增加。地下水開采與河川基流都是流域內地下水排泄方式的表現，在總量一定的條件，地下水開采增大，地下水側向排泄量相應減少，進而削減河川基流量［1］。在流域內的沙漠草原區一帶，井灌面積不斷擴大，地下水開采量大量增加，部分地區地下水位下降1—2 m，造成補給該地區河川基流的地下水量減少［4］。另一方面，隨著流域內經濟快速發展，高耗水工業的也隨之增多，用水量大幅度增加，地下水開采和傍河取水等活動頻繁發生。據統計資料表明［24-25］，該區工業的水資源利用水平極低，萬元產值耗水達964 m3，遠低于我國平均水平，水的重復利用率幾乎為零;農業灌渠水資源的有效利用率只有20%左右。可見，流域內地下水資源過量開采及不合理利用導致補給河川徑流的地下水不斷減少，最終削減了河川基流量。

4.2.3 水利工程對基流的影響

窟野河流域內的水利工程主要包括水庫、塘壩、溝渠等，這些水利工程的修建和使用，改變了流域下墊面狀況，影響流域水量平衡，進而導致河川基流量在時空分配上的變化。據神木縣志記載，到20世紀80年代末，該縣已建成灌溉渠道總長約168 km，抽水站500多處，總灌溉面積146 km2;水庫57座，池塘148個，總容量近5500萬m3;人畜飲水工程66處，解決大量的人、畜飲水問題。窟野河流域在50年代開始修建壩庫，至1988年現存壩庫844座，其中有662座修建于70年代［12］。大規模的水利工程措施改變了流域下墊面水循環狀況，20世紀70年代末和80年代初期凸顯了其水文效應［26］。流域內的水利工程建設對河川基流量的衰減有著一定程度的影響。

圖7 流域水保面積比值與基流指數關系圖Fig．7 The Ratio of Soil Conservation Measures Area and Base flow Index

4.2.4 水土保持對基流的影響

從建國之初尤其是20世紀70—80年代，黃土高原開展了大規模的生態環境建設和水土流失綜合治理。這些水土保持措施的實施，攔截部分降水入滲補給地下水，增加河川基流量。但基流量的大小主要取決于流域降水量的大小，水土保持措施對基流的影響主要表現在流域基流量占總徑流量比例(即基流指數)的變化［22］。由圖7可知，隨著流域水土保持面積占流域面積比值的增加，基流指數呈現增大趨勢。為了更直觀地解釋這個問題，圖8給出了流域年基流指數與年徑流量過程線，從圖中可以看出，流域年徑流量呈極顯著減少趨勢，但年基流指數基本保持穩定，甚至在1996年后基流指數呈現增加趨勢。1980年后年基流指數與年徑流量在圖上基本表現為對稱性分布關系，即年徑流量越小，年基流指數越大。這反映了水土保持措施對不同強度降水量的攔截作用，降水量強度較小時攔水作用明顯，地表產流少，利于下滲，相應的基流指數較大;反之，基流指數較低［22］。

綜合以上分析，窟野河流域河川基流量減少是氣候變化和人類活動共同影響的結果。其中降水量的變化一定程度上影響了流域河川基流量。對流域內的人類活動各因素的分析可以看出，流域內大面積連片開采煤炭資源是流域河川基流量減少最為主要的因素，其次是過量開發利用地下水，水利工程建設的作用也是不可忽視。雖然流域內開展的水土保持綜合治理，改變了流域下墊面狀況，增加了部分降水的入滲，對河川基流增加起到了正效應，但在降水量變化和煤炭開采、地下水開發及水利工程等人類活動的綜合效應下，流域河川基流量還是呈現顯著下降趨勢。

圖8 窟野河流域標準化年基流量與年基流指數過程線Fig．8 The Standardized Annual Base flow and Base flow Index Process Line in Study Catchments

5 結論

(1)近50年來，流域內7個時段(全年;春季、夏季、秋季、冬季;汛期和非汛期)的基流量均表現為極顯著減少趨勢。全年基流量的減少量為0.628 mm/a;四季中夏季減少量最大為0.212 mm/a，冬季最小為0.050 mm/a;汛期基流量減少程度是非汛期的1.6倍，達到-0.367 mm/a。流域內全年基流量在1980和1996年發生兩次明顯的突變。

(2)歷時曲線分析表明，與基準期(1959—1979年)相比，水土保持效應期(1980—1995年)的全年日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對減少率分別為30%，38%和54%，煤炭開發期(1996—2005年)的日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對減少率分別為57%，68%和100%。其余6個時段(春季、夏季、秋季、冬季;汛期和非汛期)的相對減少量差異很大，與基準期(1959—1979年)相比，水土保持效應期(1980—1995年)各時段日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對減少率分別為20%—30%，30%—40%和15%—100%，煤炭開發期(1996—2005年)各時段日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對減少率分別為50%—65%，60%—75%和50%—100%。

(3)近50年來，窟野河流域河川基流量減少是氣候變化和人類活動共同作用的結果，但主要驅動因素是流域內大面積連片開采煤炭資源和過量開發利用地下水。在流域降水量不顯著減少和潛在蒸散發極顯著減少的背景下，如何定量區分各因素對流域河川基流量變化的影響，有待深入分析。

致謝:黃河水利委員會黃河水利科學研究院蔣曉輝博士對資料收集提供幫助，特此致謝。

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