東江流域基流變化特征及影響因素

張泳華，劉祖發(fā)，趙銅鐵鋼，梁廖逢，高藝桔，符洪恩

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275； 2.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275； 3.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

基流一般來(lái)源于地下水或其他延遲部分的徑流，在枯水期維持著河流徑流量，是自然徑流的重要組成部分。在工農(nóng)業(yè)供水、水安全、非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)、水資源評(píng)價(jià)與調(diào)查、降雨和徑流關(guān)系模擬等水資源研究中，基流的研究占有重要地位[1-2]。

基流涉及氣候、地理等多方面，無(wú)法通過(guò)觀測(cè)直接獲取，需要結(jié)合數(shù)值方法進(jìn)行分割[3-4]。基流分割方法很多，且適用范圍不同[5]。數(shù)字濾波法和平滑最小值法利用數(shù)值模擬簡(jiǎn)化分割過(guò)程，是國(guó)內(nèi)外常用的基流分割方法[6-7]。這兩種方法在不同流域適用性不同。王敬哲等[8]對(duì)呼圖壁河進(jìn)行基流分割，發(fā)現(xiàn)平滑最小值法優(yōu)于數(shù)字濾波法；董曉華等[9]進(jìn)行三峽水庫(kù)基流分割，認(rèn)為數(shù)字濾波法優(yōu)于平滑最小值法；郝璐等[10]在秦淮河流域進(jìn)行基流分割，認(rèn)為數(shù)字濾波法更穩(wěn)定。基流特征時(shí)空變化受氣候和人類活動(dòng)的影響，Smettem等[11]根據(jù)澳大利亞南海岸的基流特征得出基流時(shí)空變化與流域的水文地質(zhì)地貌、人類活動(dòng)等有關(guān)；董薇薇等[12]認(rèn)為降水在長(zhǎng)時(shí)間尺度上主要影響疏勒河基流；白樂(lè)等[13]發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是影響禿尾河基流演變的主要因素；亢小語(yǔ)等[14]研究黃土高原流域基流特征后，認(rèn)為人類活動(dòng)是基流變化的驅(qū)動(dòng)因素。

珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，是我國(guó)三大增長(zhǎng)極之一[15]。東江水資源供給珠三角地區(qū)的香港、深圳和廣州等重要城市。近年來(lái)東江流域枯水期提前，沿海咸潮頂托，發(fā)生了供水危機(jī)。枯水期徑流主要由基流組成，開(kāi)展東江基流分割研究，對(duì)于流域生產(chǎn)生活供水穩(wěn)定和水環(huán)境保護(hù)具有重要作用。整體上，東江基流研究集中于分割方法的討論，對(duì)影響因素的研究較少。文佩[16]對(duì)東江部分流域進(jìn)行基流分割，比較改進(jìn)TOPMODEL模型與多種傳統(tǒng)方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)字濾波法更接近模型模擬結(jié)果。黃國(guó)如[17]研究東江13個(gè)子流域的基流特征后認(rèn)為不同分割方法差距較大，得到穩(wěn)定基流指數(shù)(base flow index， BFI)的數(shù)字濾波法可能是最優(yōu)的分割方法。

本文運(yùn)用數(shù)字濾波法和平滑最小值對(duì)東江博羅水文站1954—2010年實(shí)測(cè)日流量過(guò)程進(jìn)行基流分割適用性研究，探討博羅年均基流量和BFI的變化特征，討論降水和人類活動(dòng)對(duì)基流量的影響。

1 研究區(qū)概況

東江發(fā)源于江西省，上游稱尋烏水，南流入廣東省境內(nèi)，至龍川定南水后稱東江。東江干流流經(jīng)多個(gè)城市至東莞石龍，分南北兩水道入獅子洋，經(jīng)虎門出海。流域范圍在東經(jīng)113°52′～115°52′、北緯 22°38′～25°14′，流域面積為35 340 km2。流域內(nèi)地貌以低山丘陵為主，土壤類型以赤紅壤和紅壤為主。東江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，4—6月多為副熱帶高壓控制的鋒面雨，7—9月則為熱帶氣團(tuán)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水。受降水的影響，河流的汛期是每年4—9月。

供水區(qū)域內(nèi)人口超千萬(wàn)的廣州、深圳、東莞平均經(jīng)濟(jì)密度大，香港更高達(dá)16億元/km2[18]。東江流域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展使東江水資源利用和管理面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

本研究選取的博羅站匯水面積為25 325 km2，占流域總面積71.7%，具有代表性[19]。博羅水文站設(shè)立于1953年8月，位于東江下游的廣東省博羅縣，是國(guó)家一類精度水文站，也是東江干流下游控制站，地理位置為東經(jīng)114°18′、北緯23°10′。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

研究數(shù)據(jù)為東江控制性水文站博羅站1954—2010年實(shí)測(cè)逐日徑流量時(shí)間序列，對(duì)日徑流量進(jìn)行基流分割，日基流量按時(shí)間累計(jì)得到月基流量和年基流量。

2.2 基流分割方法

2.2.1數(shù)字濾波法

在1990年，Nathan等[20]通過(guò)多組方法對(duì)比，揭示了數(shù)字濾波法對(duì)于基流分割的有效性。數(shù)字濾波法由于參數(shù)少，操作簡(jiǎn)單，在基流分割中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文采用的濾波方程為

(1)

Qb,t=Qt-Qd,t

(2)

式中：Qt、Qt-1分別為時(shí)段t和t-1內(nèi)河段的總徑流量；Qd,t、Qd,t-1分別為時(shí)段t和t-1內(nèi)的地表徑流產(chǎn)生量；Qb,t為時(shí)段內(nèi)河段的基流量；α為濾波參數(shù)，表征基流衰減度。

根據(jù)各流域的氣候、地質(zhì)等實(shí)際情況得到濾波參數(shù)取值0.9～0.95，采用正反相交濾波計(jì)算能使基流更穩(wěn)定[21]。本研究中，當(dāng)濾波參數(shù)分別取值0.9、0.925、0.95、0.975，得到的基流指數(shù)分別為0.632、0.602、0.559、0.483。當(dāng)濾波參數(shù)為0.95時(shí)，第3次濾波計(jì)算后，基流量分別比第二次和第一次減少9%和23%，且反映水文序列變異程度的離散系數(shù)Cv分別減少了0.05和0.14，基流相對(duì)平穩(wěn)，因此濾波參數(shù)α取0.95，采用正、反、正3次濾波。

2.2.2平滑最小值法

先將連續(xù)日徑流長(zhǎng)序列按照固定步長(zhǎng)劃分為不重疊的短序列，然后將每個(gè)短序列的最小值qt組成一個(gè)新序列。若0.9qt≤min(qt-1,qt+1)，則qt為基流過(guò)程線的一個(gè)拐點(diǎn)。將所有拐點(diǎn)用線性內(nèi)插法計(jì)算剩下的其他點(diǎn)，最終連接所有點(diǎn)得到基流過(guò)程線。東江博羅站流域面積較大，劃分步長(zhǎng)不宜過(guò)短，取步長(zhǎng)為5 d。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

水文系列的相關(guān)系數(shù)按積差方法計(jì)算，若相關(guān)系數(shù)為正，則水文序列呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為負(fù)則水文序列呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，兩水文序列的相關(guān)程度越高。采用線性回歸法[22]對(duì)水文序列進(jìn)行線性趨勢(shì)分析，R2為線性回歸的決定性系數(shù)，方程一階導(dǎo)數(shù)為單位時(shí)間內(nèi)的變化率。R2越大，水文序列線性擬合程度越高。Manner-Kendall檢驗(yàn)法(M-K法)能夠檢驗(yàn)非線性趨勢(shì)[23]，被廣泛應(yīng)用于水文、氣候等領(lǐng)域[24]。ZMK為時(shí)間序列變化趨勢(shì)值，若ZMK>0，表示水文序列隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，反之表示呈減小趨勢(shì)。當(dāng)顯著性水平為5%時(shí)，|ZMK|>1.96，水文序列數(shù)據(jù)存在顯著趨勢(shì)性。UFK和UBK分別為順時(shí)間和逆時(shí)間的累積統(tǒng)計(jì)值，當(dāng)UFK、UBK兩曲線相交時(shí)，則水文序列存在突變點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基流量和基流指數(shù)的年內(nèi)變化特征

基流指數(shù)是指一段時(shí)間間隔內(nèi)基流量與總徑流量的比值。圖1為研究區(qū)徑流量、基流量與基流指數(shù)的年內(nèi)月變化趨勢(shì)(a和b分別代表數(shù)字濾波法和平滑最小值法兩種方法的計(jì)算結(jié)果，下同)。博羅站年內(nèi)徑流量集中在汛期4—9月，徑流量自4月明顯增加，夏季6月達(dá)到最大，而后逐步減少，進(jìn)入10月后徑流量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。兩種方法計(jì)算所得的基流量的漲落規(guī)律與徑流量一致，均呈先增加后減少的趨勢(shì)。基流指數(shù)先減小后波動(dòng)增加，其中 6月基流指數(shù)最小。7月和8月的基流指數(shù)較6月和9月有小幅增長(zhǎng)，在這兩個(gè)月降水量減少，但6月部分徑流量下滲為地下水時(shí)流速減緩，并在7月補(bǔ)給基流，基流量的減幅小于徑流量，基流指數(shù)增大。8月與7月類似，但此類補(bǔ)給亦隨著徑流量減少而減少。10月進(jìn)入枯水期，徑流量顯著減少，基流指數(shù)逐漸增大。枯水期BFI均大于0.6，表明枯水期的徑流主要來(lái)源為基流。

圖1 徑流量基流量與基流指數(shù)的年內(nèi)月變化

3.2 基流量和BFI的年際變化特征

對(duì)兩種方法得出的博羅站流量序列進(jìn)行線性回歸趨勢(shì)分析，放到年際基流變化及趨勢(shì)如表1和圖2所示。在1954—2010年間，東江博羅站年均徑流量為741.05 m3/s，總體有不顯著的上漲趨勢(shì)。兩種方法得到的線性回歸變化速率均為每年增加約 3 m3/s，為年徑流量增速的4倍。兩種方法計(jì)算所得的基流量的ZMK和R2均高于徑流量，基流量趨勢(shì)更顯著，線性回歸的擬合程度也更高。基流受地下水和地表徑流兩者影響，在博羅站，基流量的變化大于徑流量，可能地下水對(duì)基流的影響較大。河流基流量受流域包氣帶調(diào)蓄作用和下滲過(guò)程等影響，這說(shuō)明東江流域近年來(lái)的土地利用變化改變了流域的下墊面，對(duì)河流產(chǎn)匯流影響較大。

表1 1954—2010年徑流量與基流量的年際變化特征

圖2 徑流量與基流量的年際變化

圖3為兩種方法計(jì)算所得的年際BFI變化過(guò)程及趨勢(shì)。兩種方法計(jì)算所得的多年平均BFI分別為0.56和0.66。數(shù)字濾波法分割所得的BFI變幅為0.37～0.68，R2為0.468 7，Cv為0.151 4。平滑最小值法的BFI變化幅度較大，為0.46～0.81，R2為0.497 3，Cv為0.122 3。兩種方法計(jì)算所得的BFI變化過(guò)程存在一定差異，但總體離散程度相似，且在年際變化上均表現(xiàn)為明顯遞增的趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率每 10 a 高達(dá)0.035。

圖3 BFI的年際變化

3.3 兩種基流分割方法的比較

兩種方法分割出的基流特征存在一定差異，平滑最小值法分割的基流量與BFI均大于數(shù)字濾波法。Eckhardt[25]認(rèn)為常年排水性流域BFI的最大值小于0.8。本研究數(shù)字濾波法得到的BFI最大值低于0.8，更適用于博羅站。以1982平水年和1983豐水年為例，如圖4所示，平滑最小值法計(jì)算的基流漲落明顯，特別在洪水較多的汛期，分割的基流包含過(guò)多地面徑流，基流量偏大，與Aksoy等[26]的研究結(jié)果一致。在流域產(chǎn)匯流時(shí)，下墊面對(duì)降水有阻尼等效應(yīng)，基流過(guò)程線較光滑。平滑最小值法分割的基流量Cv(0.489 8)大于數(shù)字濾波法(0.434 5)，數(shù)字濾波法的基流過(guò)程線比平滑最小值法的更為平穩(wěn)。在博羅站，數(shù)字濾波法計(jì)算的基流值更為準(zhǔn)確，下文均選用數(shù)字濾波法分割的基流數(shù)據(jù)。

圖4 1982年和1983年徑流量和基流量

3.4 不同水平年的基流量和BFI的變化特征

根據(jù)徑流量年際變化過(guò)程，采用SL250—2000《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》，用年徑流量和距平百分率劃分豐平枯水年，東江博羅站劃分標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果見(jiàn)表2。博羅站徑流量年際變化較大，1963年最少，1983年最多。博羅站的年均基流量在枯水年和偏枯水年分別為80.2億m3和109億m3，平水年為132億m3，偏豐水年和豐水年分別為154億m3和178億m3。枯水年BFI最大可達(dá)0.68，枯水年和偏枯水年的多年平均BFI均為0.55；偏豐水年和豐水年分別為0.57和0.55；平水年的BFI最大，多年平均為0.57。

表2 豐平枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 基流的影響因素

4.1 降水

在東江流域所有氣象要素中，與徑流關(guān)聯(lián)度最大的是降水[27]。董滿宇等[28]基于東江流域及鄰近12個(gè)氣象站點(diǎn)1959—2004年逐月完整的降水量資料得到東江全流域年降水量分布情況，同時(shí)也選用M-K檢驗(yàn)方法對(duì)東江流域降水情況進(jìn)行分析。結(jié)合其相關(guān)降水?dāng)?shù)據(jù)和本研究對(duì)應(yīng)的1959—2004年的徑流和基流情況，得到東江流域降水量與博羅站徑流、基流量的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值ZMK如表3所示。

1959—2004年，東江流域降水量多年ZMK平均值為1.04，雖總體呈上升趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著。年內(nèi)5—6月和10—11月的降水量呈下降趨勢(shì)，汛期5月和6月的下降趨勢(shì)較顯著。與降水量年際變化不同，博羅站的徑流量雖圍繞平均值波動(dòng)，較為離散，但ZMK值為-0.70，有不明顯的減小趨勢(shì)。區(qū)域內(nèi)多年降水量和徑流量應(yīng)持平，而為了緩解供水地區(qū)的缺水問(wèn)題，東江流域從1965年逐步建設(shè)東深供水工程等跨流域引水工程，對(duì)東江流域徑流量有一定影響。在年內(nèi)，徑流量在汛期除了4月和9月有不顯著的上升趨勢(shì)外，5—8月為下降趨勢(shì)，其中6月下降趨勢(shì)最明顯。從10月到翌年3月減少趨勢(shì)減緩，枯水期的1—3月趨勢(shì)轉(zhuǎn)為增加，且增加趨勢(shì)顯著。徑流量的年內(nèi)趨勢(shì)與降水趨勢(shì)差別較大，在枯水期尤為明顯，可能與人類活動(dòng)的影響有關(guān)。

與徑流量不同，博羅站的基流ZMK值為1.89，總體趨勢(shì)增加，比降水和徑流的增加趨勢(shì)更為顯著。除了6月和11月有不顯著減少趨勢(shì)外，其余月份的基流量均呈增加趨勢(shì)，1—5月的趨勢(shì)顯著。枯水期的基流趨勢(shì)與徑流基本一致，說(shuō)明枯水期徑流受降水的影響較小，徑流主要來(lái)源于基流，這與周平等[29]研究結(jié)論一致。同時(shí)，基流量的年際和年內(nèi)的增長(zhǎng)趨勢(shì)均高于徑流量，進(jìn)一步說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)東江流域的下墊面影響較大。

4.2 人類活動(dòng)

4.2.1大型水庫(kù)對(duì)基流的影響

大型水庫(kù)的調(diào)蓄使東江流域徑流年內(nèi)分配顯著改變[30]。東江流域新豐江、楓樹(shù)壩、白盆珠三大水庫(kù)分別于1959年、1973年和1985年投入使用，總控制面積占博羅站以上控制面積46.4%[31]。三大水庫(kù)的總庫(kù)容分別是138.96億m3、19.32億m3和12.2億m3，總庫(kù)容占總徑流73%；集雨面積分別為5 734 km2、5 150 km2和856 km2，所處河段分別是新豐江、東江干流和西枝江。大型水庫(kù)在汛期儲(chǔ)水、枯水期泄洪，調(diào)節(jié)了東江洪枯流量。

以汛期徑流量和基流量最大的6月和進(jìn)入枯水期的10月為例，圖5為博羅站徑流量和基流量M-K法突變檢驗(yàn)結(jié)果。在1954—2010年，博羅站6月徑流上升趨勢(shì)波動(dòng)減緩，隨時(shí)間變化出現(xiàn)下降趨勢(shì)。相似地，博羅站的徑流除了4月和8月有上升趨勢(shì)外，其余汛期月份上升趨勢(shì)波動(dòng)減緩。在枯水期徑流量趨勢(shì)上升，隨時(shí)間變化達(dá)到顯著。水庫(kù)在汛期攔蓄，使博羅站的上游來(lái)水減少；在枯水期下泄庫(kù)容，使博羅站徑流量增加，與張正浩等[32]的結(jié)論一致。博羅站6月基流減少趨勢(shì)波動(dòng)減緩，隨時(shí)間出現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)。相似地，博羅站各月份基流總體趨勢(shì)上升，趨勢(shì)轉(zhuǎn)變的突變年份集中在1970—1980年。1960年起新豐江水庫(kù)運(yùn)行，全年的徑流量和基流量減少趨勢(shì)減緩。1973年楓樹(shù)壩水庫(kù)運(yùn)行，枯水期徑流量和基流量呈上升趨勢(shì)，隨時(shí)間變化趨勢(shì)更明顯。徑流和基流的突變年份和三大水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間重合。

圖5 部分月份徑流和基流M-K突變檢驗(yàn)曲線

圖6為不同時(shí)段的基流指數(shù)月變化情況。在1959年三大水庫(kù)運(yùn)行前，1月和12月的基流指數(shù)最大，其他月份均較小。隨著三大水庫(kù)運(yùn)行，1月和12月的BFI減小，2—11月明顯增大。1960年三大水庫(kù)運(yùn)行前后，各月份基流量的平均增加量相比徑流量多了34%，這說(shuō)明基流受大型水庫(kù)的調(diào)節(jié)影響更深遠(yuǎn)。

圖6 不同時(shí)段的基流指數(shù)月變化情況

1960年新豐江水庫(kù)運(yùn)行后，年內(nèi)各月份基流量平均增加量比徑流量多了15%。隨著楓樹(shù)壩水庫(kù)投入使用，年內(nèi)各月份基流指數(shù)均比1965—1974年進(jìn)一步增大，各月份基流量平均增加量比徑流量多了20%，對(duì)博羅站的影響更大。雖然楓樹(shù)壩水庫(kù)的庫(kù)容只占三大水庫(kù)庫(kù)容的11%，但是集雨面積與新豐江水庫(kù)相當(dāng)且地處干流，對(duì)博羅站的影響不小于新豐江水庫(kù)。1985年白盆珠水庫(kù)開(kāi)始運(yùn)行，BFI與前一時(shí)段差異不大。白盆珠水庫(kù)的庫(kù)容只占三大水庫(kù)的7%，集雨面積小且處于東江支流，對(duì)處于干流的博羅站基流的影響小于另外兩個(gè)水庫(kù)。水庫(kù)蓄水 1 a 后會(huì)提升地下水水位[33]，東江大型水庫(kù)蓄水使流域地下水水位提高，基流量較徑流量增加更多，BFI增加。水庫(kù)調(diào)度對(duì)基流的影響與水庫(kù)的庫(kù)容、集雨面積和位置有關(guān)。

4.2.2采砂活動(dòng)對(duì)基流的影響

20世紀(jì)80年代以來(lái)，東江下游地區(qū)有較大規(guī)模的采砂活動(dòng)，采砂邊界上移逼近博羅河段[34]。采砂活動(dòng)使河床持續(xù)下切，枯水期潮區(qū)界向上游推移。2006年的潮區(qū)界已到達(dá)博羅站附近，博羅站初顯潮汐特征，到2007年博羅站已完全具有潮水位站特征[35]。以進(jìn)入枯水期的10月為例，從圖5可知，博羅站10月徑流和基流的UFK和UBK曲線在2005年有波動(dòng)，其中UFK在2005年波動(dòng)下降。博羅站9月、11月的徑流和11月的基流在2005年的UFK和UBK曲線亦有波動(dòng)，說(shuō)明在2005年徑流和基流的增加量有所下降。1986年后三大水庫(kù)對(duì)基流影響趨于穩(wěn)定，與1986—2005年相比，2006—2010年全年各月份基流平均增加量相比徑流只多了1%，其影響小于三大水庫(kù)調(diào)度。

上下游河段采砂規(guī)模、強(qiáng)度的不同使局部水面比降劇增，流速沿程變化明顯，河床溯源沖刷[36]。河床的變化引起區(qū)域產(chǎn)匯流機(jī)制的變化，影響徑流和基流。采砂活動(dòng)對(duì)基流的影響不如大型水庫(kù)，但長(zhǎng)期的采砂已改變局部流域下墊面，影響未來(lái)的水文過(guò)程。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用數(shù)字濾波法和平滑最小值法對(duì)東江流域控制性水文站博羅站1954—2010年的實(shí)測(cè)日徑流進(jìn)行基流分割，通過(guò)比較這兩種方法分割出的BFI與基流過(guò)程線，發(fā)現(xiàn)兩種方法對(duì)東江博羅站的基流分割結(jié)果存在差異，平滑最小值法的結(jié)果偏大，數(shù)字濾波法的基流過(guò)程更穩(wěn)定，但在研究區(qū)內(nèi)數(shù)字濾波法優(yōu)于平滑最小值法。東江博羅站基流量的年內(nèi)分布先增加后減少，BFI先減小后波動(dòng)增加；東江博羅站年均基流量和BFI總體呈增加的趨勢(shì)，多年平均基流量為414.04 m3/s，多年平均BFI為0.56。枯水年和偏枯水年的平均BFI均為0.55，平水年的BFI為0.57，偏豐水年和豐水年的BFI分別為0.57和0.55。

本文主要討論對(duì)徑流基流影響較大的降水因素，其他氣象要素對(duì)基流的影響本研究并未涉及。同時(shí)，除了大型水庫(kù)設(shè)施建設(shè)和采砂活動(dòng)，人類活動(dòng)也通過(guò)植被覆蓋度的變化、地下水的開(kāi)采和水土保持措施等方式影響基流，但任何的人類活動(dòng)對(duì)水文過(guò)程的影響都是發(fā)生在某種氣候背景下，它不是獨(dú)立的。如何選取和定量分析各要素對(duì)東江基流的影響，需要后續(xù)深入研究。