黑河流域上游山区基流量分割及其变化

赵韦　李占玲+王月华

摘要：基于黑河上游莺落峡站1954年-2011年径流资料，采用数字滤波法多种滤波方程对月流量资料进行基流分割；在此基础上，借助MannKendall、Pettitt、流量不稳定系数、累积距平等方法分析研究区基流和基流指数（BFI）在年内、年际以及多年时间尺度上的变化特征。结果表明，数字滤波法分割的基流能较好地反应出不同月份之间基流量的差异及其年内变化特征；研究区夏季基流量最大，其次是春季和秋季，冬季基流量最小；BFI最小值出现在夏季，冬季BFI最大；基流量和径流量的年际变化趋势大体一致，均呈缓慢增长趋势，但基流变化相对缓和，且比较平稳；基流量序列在1979年存在显著变点，变点后基流量较变点前增加16%；多年变化中基流对径流的贡献变化幅度不大，BFI基本维持在027左右。

关键词：基流；基流分割；基流指数；黑河流域

中图分类号：P333.1 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）05002606

基流是地下水补给河流的水量，对维持河川径流和流域水量平衡、开展流域水资源规划等方面都具有重要作用。在干旱半干旱地区，基流也是流域最重要的枯季水文特征之一。黑河流域位于我国西北干旱地区，黑河上游是黑河流域的主要产水区，分析黑河上游山区基流的变化趋势，不仅对于揭示当地地表水和地下水相互作用过程具有重要意义，同时，对深入了解内陆河流域水资源特性、合理开发利用和保护水资源、促进干旱区生态环境保护等方面都具有重要的指导意义[12]。

基流分割是水文学研究的重点。基流分割的方法多种多样。近年来，数字滤波法、平滑最小值法、基流指数法、时间步长法和水文模型法等逐渐成为基流分割的主要方法 [37]。源于信号处理技术的数字滤波法，虽然参数物理意义不明确 [8]，但由其计算得到的基流量值满足基流所具备的基本特征，并且该方法具有客观、可重复、易操作的特点，因此在实践中大量应用并得到认可 [9]。Liu等 [10]基于递归数字滤波法对美国密歇根州 17个流域的年基流量进行了分析和讨论；Fan等 [11]在中国西北的阿克苏河采用数字滤波法对流域径流序列进行了基流分割；董薇薇 [12]等应用递归数字滤波法分析了祁连山疏勒河上游的基流量变化；党素珍 [13]等采用数字滤波法对黑河上游进行了基流分割并分析了基流的变化特征；豆林等 [14]在对黄土区流域内的河流进行基流分割时发现，数字滤波法分割的基流过程与实际基流状况更为相符，可作为黄土区流域基流分割的最优方法；董晓华等 [15]利用平滑最小值法和数字滤波法对三峡水库日入库流量进行基流分割，结果表明，数字滤波法优于平滑最小值法，所得的地下径流更平滑，更符合流量过程线退水段的物理规律；张文娜等 [16]也认为，从分割后基流指数的稳定性和基流过程线的合理性来看，数字滤波法较平滑最小值法更优。Teimouri等 [17]在阿塞拜疆省西部河流用双参数数字滤波法估计基流指数，结果表明该方法的计算结果比其他方法更适合研究区。本文结合前人的研究经验，运用数字滤波法对黑河上游山区径流量进行基流分割，并与其他传统方法进行比较；在此基础上，对研究区基流量的变化特征进行探讨。

1 研究区概况和数据资料

黑河是我国西北地区第二大内陆河，地处干旱、半干旱区。发源于祁连山北麓，流域范围介于38°N-42°N，98°E-101°30′E 之间，干流全长821 km，流域面积1429万km2。黑河出山口莺落峡水文站以上为流域上游地区，是流域的产流区，集水面积约10万km2。上游地区下垫面植被良好，气候阴寒湿冷，为典型的大陆性季风气候，年降水量350 mm，多年平均气温不足2 ℃；降水量随高程的增加而增加，气温随高程的增加而递减。春季上游山区径流以积雪融水和地下补给为主；夏、秋季以降水补给为主，同时随气温升高，少量冰川融水加入；秋末、冬季部分降水则以固态形式存储在流域内。根据地下水形成条件、储存特点和分布规律，黑河上游地下水分为多年冻土水和基岩裂隙水，是该流域基流的主要来源 [8]。

以黑河流域上游莺落峡水文站（38°48′N，100°11′E，高程1 710 m）1954年-2011年月径流资料（1988年-1989年资料缺失）为基础，对黑河上游山区的流量过程进行基流分割，并分析其变化特征。

2 研究方法

数字滤波技术是将流域降雨径流过程中快速响应和慢速响应信号通过数字滤波器分解为高频信号和低频信号，对应地将径流过程划分为地表径流和基流 [1821]。Nathan和McMahon在1990年首次将数字滤波技术应用到基流分割中 [16，2225]。基流分割方程（F1）为：

3 结果分析与讨论

3.1 基于数字滤波法的基流分割

采用滤波方程F1、F2、F3、F4分别对黑河上游莺落峡水文站的流量序列进行基流分割。四个滤波方程每次正反滤波得到的研究区多年平均基流量如图1所示，图中横坐标“正、反”分别表示“正向运算”和“反向运算”，数字则表示滤波次数。可以看出，每次滤波后得到的基流量都有所减少。F1方程第四次反向滤波得到研究区多年平均基流量1497 m3/s，F4方程第二次反向滤波得到多年平均基流量1576 m3/s，F2和F3滤波方程经过一次反向滤波即可得到较小的基流量（1074 m3/s 和1241 m3/s）。由此可见，F2和F3滤波方程可以更加快速、高效地从总流量序列中分割出基流量。根据赵良菊等人 [26]的研究结果，黑河上游山区冬季地表径流量主要以基流为主，因此可以以该区冬季地表径流量的多年平均值为依据来推估基流量的大小。通过计算，研究区冬季地表径流量的多年平均值为144 m3/s，与文中F1滤波方程正反四次滤波结果、F2和F3方程正反一次滤波结果以及F4方程正反两次滤波结果接近。为避免单一方程对基流分割结果的影响，文中以四个滤波方程基流分割结果的算术平均值作为研究区最终基流量。

3.2 基流量和BFI年内变化特征

图2给出了研究区多年平均月基流量的年内变化。可以看出，研究区基流量在年内表现为先微小增加、然后微小减小的过程；夏季基流量最大，其次是春季和秋季，冬季基流量最小。相比径流量的年内变化，基流量的年内变化更为平稳。图2还给出了研究区多年平均月基流指数（Base Flow Index，简称BFI）的年内变化过程线。其中，BFI是指流量序列中的基流量与总径流量的比值，它可以反应河流的水源补给特性；基流指数大，说明河流受地下水和壤中流的补给量大。研究区BFI的年内变化过程是先减小后增加；冬季BFI最大，其次是春季和秋季，夏季最小；表明冬季基流量对径流总量的贡献大，河流受地下水和壤中流的补给量大，受降水影响相对较小。

3.3 基流量和BFI年际变化特征

图3显示了研究区基流量的年际变化特征。可以看出，基流量呈现缓慢增长趋势。进一步根据MannKendall方法对研究区基流量的单调变化趋势进行检验，结果表明，基流量序列在001显著性水平下呈现上升趋势。同时，对径流量序列的年际变化进行趋势性检验，结果表明径流与基流变化趋势大体一致，也呈增长趋势；但相对于径流量，基流量的变化幅度较小。这是由于径流对外界条件的变化比较敏感，而基流主要受包气带调蓄作用和地下水补给的影响，对外界条件的变化相对不敏感。为进一步分析基流量序列和径流量序列在年际变化方面的差异性，文中分别计算了这两个时间序列的离差系数Cv和不稳定系数。Cv可以用来表示随机变量对其均值的相对离散程度，系数越大则越为离散 [27]。不稳定系数是最大年径流量（或最大年基流量）与最小年径流量（或最小年基流量）的比值，可以用来表征流量序列年际变化的稳定性，该系数越大，说明流量序列年际变化越不稳定。通过计算得到研究区基流量序列和径流量序列的离差系数分别为010和016，不稳定系数分别为158和212。这说明虽然基流量序列和径流量序列在年际变化上均呈上升趋势，但基流量的年际变化相对缓和，且比较平稳。研究区基流量和径流量序列呈上升趋势与我国西部地区降水增加是密不可分的 [28]。除了降水增加对径流的影响外，气温升高也对径流变化有着重要影响。有研究表明，在黑河上游山区，气温升高对径流的影响程度与降水增加对径流的影响程度相当，均高达40%以上 [29]。一方面，气温升高加速黑河上游冰川消融，从而形成更多融雪径流；另一方面，气温升高还会导致黑河上游冻土活动层增厚，从而增加土壤蓄水容量，进一步影响流域的径流量和基流量变化 [29]。研究区多年平均BFI为027，变幅为020～031，变化相对稳定，表明在年际尺度上，基流量对径流总量的贡献变化不大。

3.4 基流量和BFI多年变化特征

通过分析研究区基流量的累积距平曲线（图5），也可以发现1979年前后研究区基流量序列存在明显的变化。由图5可以看出，基流量序列大体可以分为1个偏少期和1个偏多期；1954年-1979年累积距平曲线波动下降，为基流量偏少期，持续26年，负距平占923%，1979年负距平为历史最低值；1980年-2011年累积距平曲线波动上升，为基流量偏多期，持续32年，正距平占75%，2011年正距平达历史最高值。

黑河上游径流量、基流量以及BFI的年代际变化特征见表2。20世纪60年代和70年代研究区径流量和基流量偏少，其余年代偏多。除20世纪90年代外，70年代以后研究区径流量和基流量的年代际均值总体呈现上升趋势。2000年-2009年径流量和基流量比多年平均值增加了9%和10%；2010年-2011年径流量和基流量比多年平均值增加了11%和16%，达到了历史最高值。BFI在20世纪50年代偏小，其余年代比较接近且较为稳定；在多年变化中，BFI基本维持在027左右，表明基流对径流的贡献变化幅度不大。

4 结论

本文选用数字滤波法对黑河流域上游莺落峡水文站多年月径流量进行基流分割，得到了莺落峡站基流过程序列，并讨论了不同时间尺度上研究区基流量序列以及BFI的变化特征。

数字滤波法中四个滤波方程在基流分割结果上比较接近，但滤波效率存在较大差异，文中综合四个滤波方程基流分割结果的算术平均值作为研究区的基流量；与近10年最小月平均流量法、90%保证率最小月平均流量法相比，数字滤波法分割的基流能更好地反应出其年内变化趋势。在年内变化上，夏季基流量最大，冬季基流量最小；BFI年内变化与基流年内变化相反，夏季BFI最小，而冬季BFI最大。在年际变化上，基流量呈现缓慢增加趋势，与径流量的变化相比，基流量变化更为缓和平稳。研究区基流量和径流量的增加与我国西部地区近些年来降水增多、气温升高等因素密不可分。基流量序列在1979年突变最为明显，1979年以前基流量处于偏少期，1979年以后基流量处于偏多期。在多年时间尺度上，1970年代以后研究区基流量的年代际均值呈现上升趋势；BFI基本稳定在027左右，多年变化幅度不大。参考文献（References）：

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