不同基流分割方法在渭河流域的应用对比分析

王 燕,赵雪花,张永波,郑秀清,祝雪萍

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原030024)

不同基流分割方法在渭河流域的应用对比分析

王 燕,赵雪花,张永波,郑秀清,祝雪萍

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原030024)

基于渭河中游流域咸阳水文站典型年日流量资料,分别选取枯水年(2001年)、丰水年(2003年)、平水年(2007年)径流量过程进行基流分割。采用BFI法、直线分割法、平滑最小值法、数字滤波法4类(7种)分割方式进行基流分割。结果表明,直线分割法获得的基流量最大,BFI分割法和平滑最小值法基流量值靠近,数字滤波法中F2和F3法是渭河流域最为稳定可靠的基流分割法。

基流分割；BFI法；直线分割法；平滑最小值法；数字滤波法

0 引 言

基流是地下水补给河流径流的基本流量,它不仅在流域水文分析、流域水资源规划中具有远大意义,而且也是流域产汇流计算和水文模拟的主要研究内容之一[1]。因此,找到适于渭河中游基流特点、简单易操作的基流分割方式,对于基流研究相当重要。目前,国际上广泛采用将总径流划分为地面径流和基流两部分的方法[2]。本文将采用此概念对渭河流域咸阳站典型年径流量进行基流分割。

前人对于基流分割已有很多研究,黄国如[3]对东江流域的研究表明：Chapman-Maxwell法得到的基流指数变化幅度小,结果最稳定。Eckhardt K[4]采用7种不同的基流分割方法对北美集雨65年的基流指数进行比较的结果表明,Eckhardt K算法更合理。段琪彩等[5]采用数字滤波法分割松华坝水源地径流区基流,并研究了流域内水源涵养能力。周旭东等[6]利用3种基流分割方法在黄河源区进行了应用,指出应根据不同的年内径流过程及计算目的选择合适的基流分割方法。陈文艳等[7]运用数字滤波法分割新兴江流域径流量,认为数字滤波法分割所得基流过程线更加平滑,特别切合流量过程线退水段的物理规律。鉴于此,本文采用多种方法分割基流,对不同方法的计算结果进行对比研究,以为渭河中游地区水资源开发利用提供重要依据。

1 研究方法

1.1 直线分割法

直线分割法是指用直线来连接流量过程线互异拐点来分割基流,适用于分割一般闭合山区流域的基流和地下水资源量估算,有水平线分割法和斜线分割法[8]。水平线分割是以日平均流量为依据,按月平均流量最小值在流量过程线上水平分割,直线下方部分即整年基流量。斜直线分割是在日均流量过程线上找到洪水起涨点和退水拐点,然后再用斜直线将它们相连,该直线以下为基流量。本文采用水平线分割法。

1.2 BFI法

BFI(基流指数)法别称最小滑动法,是1980年由英国水文研究所(Institute of Hydrology)提出的。该方法是把1年365天以N天为一个刻度划分为365/N个时段,把每个时段内的最小流量值求出来,若任一时段内的最小流量值与拐点检验因子的乘积比相邻时段最小流量值小,则该值所在位置即为要求的拐点；重复这个过程,求出全部拐点,然后用直线连接获得基流过程线,在分割图上,过程线下方的面积即为要求的基流量。其中,基流指数用基流量和径流量的比值来表现。BFI法分为标准BFI(f)法和改进BFI(k)法两种,其拐点检验因子f和k采取经验值0.9和0.979 15[9]。本文拟采用标准BFI法,其拐点检验因子f=0.9。

1.3 平滑最小值法

平滑最小值法(the Smoothed Minima),原理是将整个连续的日流量序列划分为以5 d为1个单位互不重复的块儿,得到块儿中的最小值；按照原则从这些最小值中选取拐点,并将所有拐点用直线连接取得基流序列。该方法简单易操作,在国内外应用较为广泛。计算步骤如下：

(1)划分块。将整个连续的日流量序列Qr(r=1,2,…,n)划分为i个以5 d为1个小单位的不重合块。若n不是5的整数倍,则需要去掉最后一个不完整的块。

(2)定出最小值。求出第(1)步分割块中的最小值,命名为最小值序列q1,q2,…,qi。

(3)确定拐点。根据英国水文研究所在众多流域上实践的结果,利用确定拐点的经验公式顺次考虑序列(q1,q2,q3),(q2,q3,q4),…,(qr-1,qr,qr+1)；若任一序列都满足kqr≤(qr-1-qr+1),则qr所在位置为基流过程线的一个拐点,此处k=0.9。

(4)确定基流序列。往复第(3)步工作,至求出所有拐点,然后用直线相连获得基流序列。

(5)计算基流指数值BFI。第(4)步中基流过程线以下的面积为总基流量,所要求的BFI值为总基流量与总径流量的比。

1.4 数字滤波法

数字滤波法[10],在1990年由Nathan和McMahon初次应用在基流分割中,该方法在国内外应用已经熟练。其原理是：通过数字滤波器分离高频信号和低频信号,方法中将直接径流视为高频信号,基流视为低频信号,从而把基流从日流量过程中分割出来。本文采用其中的四种分割方法如下：

(1)F1法。该方法于1979年初次提出,1990年由Nathan和McMahon首次应用在水文研究中,分割方程

(1)

Qbt=Qt-Qdt

(2)

式中,Qdt为t时刻的地表径流量,m3/s；Qd(t-1)为t-1时刻的地表径流量,m3/s；Qt为t时刻的径流量,m3/s；Q(t-1)为t-1时刻的径流量,m3/s；Qbt为t时刻的基流量,m3/s；k为滤波系数,本文分别取0.85、0.9、0.925、0.95四个值来进行计算,通过优化率定从中选取k=0.95作为本文公式中需要的滤波参数。

(2)F2法。该方法由Chapman于1991年对F1法做了修改,修改后基流分割方程为

(3)

Qbt=Qt-Qdt

(4)

(3)F3法。该方法是由Chapman和Maxwell在1996年提出,基流分割方程为

(5)

式中,f1为退水系数,本文f1取0.85、0.9、0.925、0.95四个值开始分析,从中选取最优退水系数为f1=0.95,其他参数含义与上面相同。

(4)F4法。该方法是Boughton在1993年提出,1996年Chapman等进行了改进,基流分割方程

(6)

式中,f1为退水系数,通过计算分析,从中选取最优退水系数f1=0.95；f2为固定参数,一般取值为0.15；其他参数含义与上面相同。

2 实例分析

本文以渭河流域咸阳水文站典型年日流量数据为基础,采用7种方法进行基流分割,通过对比7种方法分割的结果,选择出一种最适合该流域基流分割的方法。通过水文频率分析以2001年、2003年、2007年分别表征枯、丰、平水年,分析N值与BFI值的影响。在BFI法中本文将N值从1取到11,分析后确定本研究区域N值为7时,各水平年基流指数基本不发生变化。因此,在本区域以7 d为1个时段来进行基流分割比较合理。

图1 BFI法基流指数BFI与N值关系

2.1 基流指数对比

一般以基流占总径流量的比值作为基流指数来衡量基流量值。根据实测资料采用4类7种分割方法所得到的咸阳站典型年的基流指数见表1。

表1 7种基流分割方法计算的基流指数值

从表1可以看出各种基流分割方法的结果相差较大,直线分割法在枯水年和平水年基流指数值较丰水年相差太大,分别为0.763,0.884和0.465；数字滤波法分割的结果与其他3种方法相比较小,其中F1和F4两种方法计算的结果偏大,F2和F3计算的基流指数值最小相靠近。表1中数字滤波法F1和F4方法滤波两次后的结果如表2所示。

表2 数字滤波法F1和F4滤波两次后基流指数值

由表2可见,F1和F4法滤波两次后的结果与F2和F3法结果接近。因此,对于渭河咸阳站选取数字滤波法更优。

2.2 基流分割过程对比

为深切认识各类基流分割方式所得基流过程的特征,本文以2001年、2003年和2007年分别作为枯(P=75%)、丰(P=25%)、平水年(P=50%)的典型年,基流过程见图2。

图2 7种基流分割方法分割的结果对比

从图2可看出,7种分割方法计算的典型年基流过程线起伏很大,6种方法均可实现自动分割基流,方法较为简便,得到的基流曲线走势类似。但是直线分割法由于人工的主观性,所以分割结果较大,滤波法中F4法分割结果相比其他3种大。其中,平滑最小值法因对径流序列处理时采用了线性内插的方式,所以处理的结果存在太多拐点,不够平滑,虽然能够对地下径流自动分割,但没有很好地反映真实的产汇流规律。相反,数字滤波法得到的基流过程线更平滑,更切合水文学中降雨-径流在流域汇流时的阻尼效应。此外,7种分割方法在不同典型年分割的结果不大一致,2001年的直线分割法分割结果最大,平滑最小值法分割的结果次之,滤波法中F4法与BFI法分割结果接近,F2、F3法分割的基流过程较为平稳,二者部分过程重合。

从前人研究可知,数字滤波法是应用最为普遍的,也是最为适用的一种；但由于各地流域天然特性不同,滤波法中各种方法的适用性也不同。文中F2与F3法计算的基流结果较为稳定,是这7种分割方法中适用于渭河咸阳站一带最为可靠的方法。

3 结 论

(1)7种基流分割方式所得到的基流指数相差较大,直线分割法最大,F2法最小。BFI法和平滑最小值法分割过程走势基本一致,数字滤波法中F1和F4滤波两次后效果与F2和F3较为吻合。从年际变化来看,7种方法中较稳定的为数字滤波法中的F2和F3法,得到的基流过程变化较为平稳,适用于渭河中游咸阳水文站。

(2)数字滤波法中,不同的滤波参数与滤波次数将直接影响基流分割的结果；因此,滤波参数和次数的优选仍是基流分割研究的问题之一。今后还需研究更加适合渭河中游区域的基流分割方法,以实现资源的最优化利用。

[1]权锦, 马建良. 石羊河流域基流分割及特征分析[J]. 水电能源科学, 2010, 28(1)： 15-17, 27．

[2]党素珍, 王中根, 刘昌明. 黑河上游地区基流分割及其变化特征分析[J]. 资源科学, 2011, 33(12)： 2232-2237．

[3]黄国如. 流量过程线的自动分割方法探讨[J]. 灌溉排水学报, 2007, 26(1)： 73-78．

[4]ECKHARDT K. A comparison of baseflow indices, which were calculated with seven different baseflow separation methods[J]. Journal of Hydrology, 2008, 352(1/2)： 168-173．

[5]段琪彩, 方绍东, 王杰, 等. 昆明市松华坝水源地水源涵养能力时空变化研究[J]. 中国农村水利水电, 2012(10)： 170-173．

[6]周旭东, 杨涛. 三种基流分割方法在黄河源区应用中的对比分析[J]. 水电能源科学, 2014, 32(10)： 18-21．

[7]陈文艳, 夏达忠, 张行南. 数字滤波法分割基流的论证[J]. 水力发电, 2014, 40(2)： 37-40．

[8]左海凤, 武淑林, 邵景力, 等. 山丘区河川基流BFI程序分割方法的运用与分析—以汾河流域河岔水文站为例[J]. 水文, 2007, 27(1)： 69-71．

[9]徐磊磊, 刘敬林, 金昌杰, 等. 水文过程的基流分割方法研究进展[J]. 应用生态学报, 2011, 22(11)： 3073-3080．

[10]于艺鹏, 杨亚辉, 蔺鹏飞, 等. 自动基流分割法在北洛河流域的适宜性对比[J]. 水土保持研究, 2016, 23(2)： 302-307．

(责任编辑 陈 萍)

Comparison of Different Base Flow Separation Methods Applied in Weihe River Basin

WANG Yan, ZHAO Xuehua, ZHANG Yongbo, ZHENG Xiuqing, ZHU Xueping

(College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)

Based on the daily flow data in typical years of Xianyang Hydrologic Station of the middle reaches of Weihe River, three typical years which are the low flow year (2001), the high flow year (2003) and the normal year (2007) are selected to study the runoff process for base flow separation. The base flows are separated in seven methods that are BFI method, linear partition method, Smoothed Minima method and four kinds of digital filtering method. The results show that the base flow separated in linear partition method is the largest, the results adopting BFI method and the Smoothed Minima method are approximate, and the F2 and F3 of digital filtering method are the most stable and reliable base flow separation methods for Weihe River Basin．

base flow separation; BFI method; linear partition method; Smoothed Minima; digital filtering method

2016-05-31

山西省科技攻关计划(20140313023-4)；国家青年科学基金项目(51509176)；太原理工大学校基金(2015MS011)；山西省水文局项目(ZNGZ2015-036)

王燕(1991—),女,山西忻州人,硕士研究生,研究方向为水文水资源；赵雪花(通讯作者)．

P333.1

A

0559-9342(2017)02-0015-03