基于数字滤波法的怒江流域基流时空分异

刘新有,谢飞帆

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098;2.云南省水文水资源局,云南 昆明 650106)



基于数字滤波法的怒江流域基流时空分异

刘新有1,2,谢飞帆2

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098;2.云南省水文水资源局,云南 昆明 650106)

为明晰怒江流域基流时空分异特征,利用数字滤波法进行怒江干流和南汀河支流的基流研究。结果表明:①怒江干流3站基流指数IBF在0.71～0.74之间,南汀河支流2站的多年平均IBF在0.68左右,南汀河支流IBF明显低于怒江干流,干支流基流量和IBF自上游向下游递增;②各站基流量与径流量变化过程基本一致,两者相关系数均在0.9以上;③怒江干支流各站多年平均基流量和径流量年内分配均呈“尖廋”的单峰形,而多年平均基流指数年内分配均呈“V”字形,但两者变化过程不完全相反;④怒江干流代表站道街坝站和南汀河支流代表站姑老河站IBF均为丰水年<平水年<枯水年,这与基流相对于径流更为稳定有关。

基流量；径流量；基流分割;数字滤波法;时空分异;怒江流域

基流是河川径流中比较稳定的组成部分,在维持河流健康、维护流域生态平衡、保障供水安全、优化水资源配置等方面具有不可替代的重要作用。基流可由谷底地表附近的存储水补给,在降水过程中这些地方水分快速汇集,并且能保证干旱季节不间断地向河流侧向补给,该部分的存储水分严格来讲并不是真正的“地下水”;使用水化学示踪剂与环境同位素进行水文过程线分割,可更好地理解径流的形成过程,但容易受到环境的影响而产生不确定性,且费用较高,在实际中很少采用[1]。传统的直线平割法其操作上的人为性和随意性较大,所分割出来的基流量结果粗略、可靠性受到质疑,且由于依靠手工操作,效率很低,难以处理长系列水文数据[2]。由于无法通过实验对径流分割和水源划分的结果进行科学论证[3],基流分割一直是水文学、生态水文学研究的重点和难点之一,也一直受到国内外学者的广泛关注,迄今已取得了一定的进展与突破[4]。近年来,具有客观性强、操作简便、计算速度快等特点的滑动最小值法、HYSEP法、PART法、数字滤波法等自动分割技术快速发展[5]。其中,数字滤波法对基流分割的结果具有较好的客观性和可重复性,近年来在国际上得到广泛的应用。利用数字滤波方法,吕玉香等[6]对贡嘎山黄崩溜沟流域进行了基流估算,并分析出基流指数与地表水及地下水中化学元素含量具有较高的一致性和相关性;郭军庭等[7]对黄土丘陵沟壑区小流域基流特点及其影响因子的分析表明,随着次降雨量增加,基流指数减小,土地利用类型中的农地、灌丛和人工林对基流产生负影响,基流指数与流域河网密度和河流比降呈线性相关;权锦等[8]对石羊河流域的基流分割研究表明,基流量与降水、地形等因素密切相关;崔玉洁等[9]对三峡库区香溪河流域基流分割的研究指出,滤波方程的参数和次数对基流分割结果有影响，因此,使用者能够在分割基流的过程中比较方便地加入自己的经验[10];雷泳南等[5]以黄土高原窟野河流域为对象,对滑动最小值法、HYSEP法和数字滤波法3类自动基流分割方法进行对比分析,结果表明数字滤波法分割的基流过程线与实际观测值的验证效果最好;豆林等[11]以我国黄土区6个流域为对象,选取PART法、数字滤波法及滑动最小值法等自动基流分割方法，对这3种方法在该地区的适用性进行分析,结果表明数字滤波法分割的基流过程与实际基流状况更为相符。本文采用数字滤波方法,对怒江流域进行基流分割,并对其基流量、基流指数、基流年内分配、基流与径流的关系进行分析,以明晰怒江流域基流时空分异特征。

1 研究区概况

怒江发源于青藏高原唐古拉山南麓的吉热拍格,经中国云南德宏州出境流入缅甸后改称萨尔温江,最后注入印度洋的安达曼海。从河源至入海口全长3 240 km,其中中国部分2 013 km,流域面积13.67万km2,多年平均出境流量约700亿m3。怒江上游属高原地区,山势较平坦,水面较宽,河流补给以冰雪融水为主，降雨为辅;中游云南段山高谷深,河道比降大,水流湍急,河流补给以降雨为主,冰雪融水为辅;下游缅甸和泰国区域雨水丰沛,地势开阔,水流平缓,农业灌溉条件优越。怒江流域中上游地理环境和气候条件复杂,生物多样性突出,山地灾害频发,水资源和水电能源丰富。云南境内怒江干流水能资源理论蕴藏量达1 815万kW,经济可开发量达1 797万kW,目前水能资源开发率仅约2%。但由于怒江处于断裂带和“三江并流”世界自然遗产保护区,怒江水电开发自2003年以来就广受争议。近年来,有关怒江气候变化[13-14]、水文过程及其对气候变化的响应[15-18]、土地利用[19]、生态安全[20-21]等方面的研究逐步增多,但与其他国际大河相比,对怒江的研究基础仍较为薄弱,对其基流的研究更是空白。自20世纪80年代以来,在西南纵向岭谷区的金沙江、澜沧江相继进行了大规模梯级水电开发,唯有怒江仍保持相对自然的状态,受到人类活动的影响较小,怒江成为揭示我国西南纵向岭谷区水文自然变化过程唯一的理想场所。

2 研究方法与数据来源

2.1 数字滤波法

数字滤波法是Nathan和McMahon于1990年首次提出的一种模仿人工分割流量过程的数学方法[22],通过将日径流资料作为地表径流(高频信号)和基流(低频信号)的叠加将基流划分出来,易于计算机自动实现。数字滤波法提出之后,其他学者曾先后从不同角度对滤波方程进行了改进[23-25],但改进多出于经验性判断,未能充分体现其在精度和普适性方面比原滤波方程更为优越。因此,本文仍采用最初提出的滤波方程:

式中:qt、qt-1分别为t、t-1时刻过滤出的地表径流;Qt、Qt-1分别为t、t-1时刻实测河川径流;bt为t时刻的基流;β为滤波参数。

由于β和滤波次数对基流分割的准确性会产生一定影响,因此在利用数字滤波方法进行基流分割时,应根据流域气候和地理特征进行合理的参数取值。崔玉洁等[9]对三峡库区香溪河流域基流分割的研究表明,β越大,滤波次数越多,分割得到的基流越小,而β取0.925,滤波次数采用3次时基流分割结果最优。怒江流域与三峡库区香溪河流域均为喀斯特峡谷区,地形、地貌和降水量相近,因此怒江流域基流分割中β和滤波次数采用三峡库区香溪河流域的成果,即β取0.925,滤波次数选用3次。

2.2 基流指数

为方便流域基流特征分析,在利用数字滤波法分割出各站逐日基流后,分别按月、年统计,并通过基流占总径流量的比重,即基流指数(base flow index,IBF)来量化。

2.3 丰平枯水平年的划分

为对不同径流丰平枯水平年基流特征进行对比分析,在基流分割的基础上进行年径流丰平枯的划分和基流统计。利用实测年径流资料,采用P-Ⅲ型频率曲线法,以一定保证率P作为划分年径流丰平枯的标准。在此基础上,计算丰平枯划分标准所对应的年径流量与多年平均径流量的比值,即模比系数k,以直观表示各年份径流相对丰枯程度。

2.4 数据来源

怒江流域水沙时空分异特征分析数据来自流域水文观测站,包括贡山、道街坝、木城3个干流水文站及南汀河支流的姑老河、大湾江水文站实测日径流数据。怒江流域水文站点分布见图1,各站基本情况及资料年限见表1。

图1 怒江流域水文站点分布

表1 怒江流域水文站基本情况及资料年限

3 结果分析

3.1 基流时空分布特征

由于各站资料年限不统一,为便于对比分析怒江流域输沙时空特征及其之间的关系,将各站基流量和IBF按照资料年限和2005—2011年时间段分别进行统计,并给出其与径流量的pearson相关系数。

由表2可知,怒江干流各站多年平均基流量在954.3～1 337.0 m3/s之间,IBF多年平均值在0.7～0.8之间,基流量自上游到下游递增,下游木城站的IBF均值稍大于贡山站和道街坝站。南汀河支流的姑老河站和大湾江站多年平均基流量分别为62.2 m3/s和117.6 m3/s,IBF多年平均值在0.68左右,下游大湾江站的IBF均值稍大于中游的姑老河站。干流IBF大于南汀河支流,这种差异主要与河流补给形式有关。怒江干流贡山站、道街坝站和南汀河支流的姑老河站3站2005—2011年径流量和基流量均小于其长序列统计值,这主要与流域2006年以来降水较常年偏少有关。各站基流量与径流量的pearson相关系数均在0.9以上,且通过α=0.01置信水平的显著性检验,表明基流量与径流量呈显著正相关。

表2 各站多年平均基流量及其与径流量的关系

从各站年均基流量及IBF变化过程(图2)来看,各站基流量与径流量变化过程和趋势基本一致,IBF年际变幅较小且变化趋势不明显。

图2 怒江干支流3站年均基流量、径流量及IBF变化过程

3.2 基流年内分配特征

由图3可知,怒江干流的贡山站、道街坝站和南汀河支流的姑老河站多年平均径流量和基流量年内分配均呈“尖廋”的单峰形,且年内分配过程基本一致;各站多年平均IBF年内分配均呈“V”字形,即旱季高雨季低,多年平均IBF最低值均出现在6月,但年内分配过程不完全与径流相反。干流贡山站、道街坝站径流量和基流量低值均出现在12月至次年3月,最高值均出现在7月;南汀河支流的姑老河站径流量和基流量低值出现在3—5月,最高值均出现

图3 怒江干支流3站基流量、径流量及IBF年内变化过程

表3 贡山、道街坝和姑老河站年径流量丰枯水平年的划分标准

在8月。怒江干流和南汀河支流基流年内分配特征的差异主要与区域气候和地理条件有关。西南季风6月开始沿怒江河谷由南向北推进,下游雨季开始早而结束晚,3—5月春旱明显;干流上游4月气温开始上升,融雪补给增加,径流量和基流量也随之增加。从上游到下游,干流多年平均月IBF最低值增大,最高值减小,变幅呈下降趋势;南汀河支流多年平均5—8月IBF明显低于其他月份,9月—次年4月IBF变幅较小。基流年内分配及IBF年内变化主要与河流补给特征区域分异有关。

3.3 不同水平年基流特征

根据水文相关规范,P-Ⅲ型频率曲线法需要的样本序列一般不少于30年,因此只对径流样本序列较长的干流贡山站、道街坝站和南汀河支流的姑老河站进行丰平枯水年的划分。根据各站年径流量丰平枯水平年的划分标准(表3),分别将丰平枯水年年均基流量和IBF进行统计(表4)。3站年均基流量均为丰水年> 平水年> 枯水年,年均IBF均为丰水年 < 平水年 < 枯水年,这是由于河流径流量不同水平年差异较大,而河流基流相对于径流量更为稳定,在枯水年份径流中的比例增加所致。

表4 贡山、道街坝和姑老河站不同水平年的年均基流量及IBF

4 结 论

a. 怒江干支流各站基流量与径流量变化过程基本一致,基流量与径流量呈显著正相关,IBF值年际变幅较小且变化趋势不明显。

b. 南汀河支流基流量及IBF值明显低于怒江干流,同一时期(2005—2011年)干支流基流量和IBF值均呈自上游到下游递增的规律;怒江干支流各站2005—2011年径流量和基流量均小于其长序列统计值,这主要与流域该时期年均降水较常年偏少有关。

c. 怒江干流贡山站、道街坝站和南汀河支流姑老河站多年平均基流量和径流量年内分配均呈“尖廋”的单峰形,各站多年平均IBF值年内分配均呈“V”字形,但两者变化过程不完全相反。各站基流年内分配及IBF值年内变化差异主要与河流补给特征区域分异有关。

d. 怒江干流贡山站、道街坝站和南汀河支流姑老河站年均基流量均为丰水年>平水年>枯水年,且变幅较大;年均IBF值均为丰水年 < 平水年 < 枯水年,但变幅较小。

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Spatial-temporal differentiation of base flow in Nujiang River Basin based on digital filtering method

LIU Xinyou1, 2, XIE Feifan2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.HydrologyandWaterResourcesBureauofYunnanProvince,Kunming650106,China)

In order to examine the spatial-temporal differentiation characteristics of the base flow in the Nujiang River Basin, the digital filtering method was used to analyze the base flow in the main stream of the Nujiang River and in the Nantinghe River, which is one of tributaries of the Nujiang River. The results are as follows: (1) The multi-year average base flow index (BFI) was between 0.71 to 0.74 for the three hydrological stations over the main stream of the Nujiang River. The multi-year average BFI was around 0.68 for the two hydrological stations over the Nantinghe River, which was significantly lower than that for the main stream. The volume of base flow and BFI increased from upstream to downstream for both the main stream of the Nujiang River and the Nantinghe River. (2) The variations of the base flow and runoff were basically consistent, and their correlation coefficient exceeded 0.9. (3) The average intra-annual variations of the base flow and runoff exhibited a single peak pattern, while the average intra-annual BFI had a V-shaped variation for all of the hydrological stations over the main stream of the Nujiang River and the Nantinghe River. However, their variations were not exactly opposite. (4) The BFI values were ranked in the following ascending order: the wet year, the normal year, and the dry year, for the Daojieba Station, which is a typical hydrological station of the main stream of the Nujiang River, and for the Gulaohe Station, which is a typical hydrological station of the Nantinghe River. This is because base flow is more stable than runoff.

base flow; runoff; base flow separation; digital filtering method; spatial-temporal differentiation; Nujiang River Basin

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.005

江苏省博士后科研资助计划(1501060B);云南省水利科技项目(2014003)

刘新有(1981—),男,高级工程师,博士,主要从事水文水资源与生态安全研究。E-mail: xyliu1981@163.com

TV121

A

1004-6933(2017)01-0018-06

2016-06-03 编辑：徐 娟)