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、數學濾波法、基流指數法3類方法（9種計算表達式）對吳旗水文站1971-2014年的實測徑流數據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。結果表明：數字濾波中的Fi法較適宜于北洛河上游地區基流分割;北洛河上游1971-2014年基流指數呈顯著增大趨勢，突變年為2002年;退耕還林的水土保持效益對涵養水源有很大作用。

關鍵詞：基流分割：數字濾波法;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，維持穩定的河川基流量對流域生產、生活穩定供水和生態環境保護具有重要作用[1]。可靠的基流分割方法對于地區基流特性研究、產流方式確定、水資源再分配以及優化經濟布局等起著重要作用。

傳統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]。數值模擬法具有方便、高效、可通過程序實現自動分割大量水文數據的特點，HYSEP法、BFI法、數字濾波法、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。南方高雨量地區普遍采用數字濾波法，例如陳文艷等[4]應用數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律：段琪彩等[5]應用數字濾波等3種基流分割方法對松華壩水源地徑流區進行了基流分割，認為數字濾波法計算的基流過程有明顯起伏，反映的是流域年內蓄水容量的變化情況，可以反映流域的水源涵養能力。北方黃土高原地區選用的基流分割方法則不統一，例如左海鳳等[6]應用BFI程序對汾河流域河岔水文站的基流量進行了計算機分割，認為該方法在自動處理大量數據的同時能夠克服傳統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，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），以及三次迭代數字濾波法中的F，法的基流量估算結果客觀穩定可靠，均適合研究區的基流分析：周旭東等[9]認為黃河源區基流量計算中，數字濾波法計算結果穩定，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定的特點及基流過程線是否符合區域降水產流機制和退水過程，究竟哪類分割方法比較適用于黃土區，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，該區地形破碎，在退耕還林工程實施后，生態恢復效果顯著。植被具有良好的涵養水源作用，特別是對于基流的調節效果顯著。20世紀五十至七十年代北洛河流域植被覆蓋度低，水源涵養能力低，隨著黃土高原植被的大規模有效恢復，植被涵養水源效果如何有待研究。因此，探討區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的適宜性，分析不同基流分割方法的穩定性和合理性，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 研究區概況

北洛河是渭河的一級支流、黃河的二級支流，發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，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。多年平均陸地蒸發量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點，因此成為美國地質調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。計算時首先利用經驗公式計算出地表徑流的持續時間：

t=（ 2.59A）^0.2

（1）式中：t為直接徑流持續時間，d;A為流域面積，km²。

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

（2）數字濾波法。數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]。數字濾波法包括4種計算方法：F1、F2、F3、F4法。

（3）基流指數法（BFI）?；髦笖捣ㄊ怯蒞els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值和拐點調試參數（參數f和k）。依據最小流量選擇原理，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，進行基流指數與Ⅳ值的關系分析，基流指數隨Ⅳ值的增大而減小，當Ⅳ≥5時，基流指數趨于穩定，因此本文?、?5。拐點調試參數，即參數f和k，其值的變化對基流量影響不顯著，一般取經驗值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]，是一種非參數統計方法，其實質是用數據序列的秩序代替實際數值來判斷兩個變量的相關程度，因此避免了水文研究中極大值、極小值對結果的影響，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7d最大基流量，Min1和Min2分別表示1 d和連續7d最小基流量，Mean表示平均基流量。

2 結果與分析

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據資料進行基流分割估算。分割結果用基流指數表示，基流指數是一定時段內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法計算的基流指數結果差異不大且相對較集中，而數字濾波法的4種計算方法所得的計算結果較分散，特別是F2、F3方法計算基流指數結果不足0.1，即基流占河川徑流量不足10%，計算結果過于保守，不符合北洛河上游地區地下水的排泄特征。F2、F3方法所得結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在10 a尺度上均表現出增大趨勢。

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果（見圖1）。不同方法所得結果差異較大，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、不同月份所得結果差異較大，10-11月降水量少，河川徑流量較小且動態變化幅度較小，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，較好反映了流域產流的阻尼效應。相同月份、不同方法所得結果差異較大，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出高度同步性，峰值出現的時間點高度一致，不能反映流域產匯流的遲滯效應：BFI法和數字濾波法中的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，計算基流分割結果較為合理。

由基流指數計算結果對比可知，數字濾波法中的F2、F3法不適用于本研究區。由基流分割過程對比結果可知，數字濾波法中的F1法和BFI法計算結果較為合理。為綜合對比分析不同基流分割方法計算結果的穩定性，對9種基流分割方法計算結果進一步統計分析（見表2），由表2可以看出，數字濾波法中的F.法和BFI法兩種方法中，數字濾波法中的F1法基流指數統計值極值比最?。?.20）、方差也最?。?0.344 3），說明該方法計算結果年際變化小、基流最穩定。數字濾波法考慮了前后2d的徑流量，其結果與實際基流過程更為接近，符合基流的退水特點[19]。因此數字濾波法中的F1法是研究區最為可靠、穩定的基流分割方法。采用數字濾波法中的F1法計算出的基流結果分析北洛河上游地區基流的變化。

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年基流指數呈增大趨勢，決定系數R2為0.4，采用Mann -Kendall趨勢性檢驗法計算得到檢驗統計值Z為4.117（Zo.oi =+2.56），表明：隨著時間的推移，基流指數呈顯著增大趨勢且達到99%信度的顯著性水平。這與北洛河地區徑流量顯著減少有關[20]。采用Pettitt突變點檢驗法分析1971-2014年北洛河上游地區基流指數突變年，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變化分析

由表3可知，北洛河上游地區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

經綜合比較，認為數字濾波法中的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接近，數字濾波法計算結果的極值比和標準偏差小于BFI、HYSEP法的，與本研究結果一致。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匯流遲滯效應的反映等，認為BFI法和數字濾波法中的F1法基流分割結果較為合理。

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、河網密度、森林覆蓋率、流域形狀以及土壤和地質指標[11]。在短時期內可以認為流域面積、河道或流域坡度、河網密度、流域形狀以及流域地質指標沒有發生變化。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。土壤水分季節值能夠較好反映土壤水分年內季節動態變化特征：春季失墑、夏季增墑、秋末冬季緩慢失墑[25]。研究發現，北洛河上游1971-2014年基流指數呈顯著增大趨勢，突變年份為2002年，這與李澤根26]的研究結果一致，可以認為退耕還林效益從2001年開始顯現，水土保持效益好，攔水作用明顯，產流量小，有利于土壤水分下滲，相應基流指數增大。從年內變化來看，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，生態植被恢復是影響北洛河上游基流變化的主導因素。

4 結論

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相差較大，BFI法、HYSEP法和數字濾波法中的F.法所得結果較為接近，為0.315 3- 0.420 8。數字濾波法表現出的其對降水產流過程的穩定性優于BFI法和HYSEP法。比較9種方法得到的基流過程線可知，數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律，數字濾波法中的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，基流指數呈顯著增大趨勢，檢驗統計值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，基流指數突變上升時間為2002年，退耕還林產生的植被涵養水源效益的顯現對增加枯水季節基流量有重要作用。

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