北洛河上游基流分割适宜性方法及基流特征
2019-10-21吴珍妮穆兴民高鹏赵广举孙文义田鹏
吴珍妮 穆兴民 高鹏 赵广举 孙文义 田鹏
摘要：退耕还林工程实施以来北洛河上游植被恢复效果显著，为探究该区域基流分割的适宜性方法及植被变化对基流量的影响，采用基流分割中的HYSEP法、数学滤波法、基流指数法3类方法（9种计算表达式）对吴旗水文站1971-2014年的实测径流数据进行了基流分割估算，同时采用Mann-Kendall法和Pettitt法對基流量变化特征进行了分析。结果表明：数字滤波中的Fi法较适宜于北洛河上游地区基流分割;北洛河上游1971-2014年基流指数呈显著增大趋势，突变年为2002年;退耕还林的水土保持效益对涵养水源有很大作用。
关键词：基流分割：数字滤波法;基流变化;北洛河流域
中图分类号：P333.5
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.019
基流一般指来源于地下水或其他延迟部分的径流，是枯水期河川径流的主要补给来源，维持稳定的河川基流量对流域生产、生活稳定供水和生态环境保护具有重要作用[1]。可靠的基流分割方法对于地区基流特性研究、产流方式确定、水资源再分配以及优化经济布局等起着重要作用。
传统的基流分割方法以作图法为主，计算繁琐且主观性强，实践中难以用于分析和计算长序列资料[2]。数值模拟法具有方便、高效、可通过程序实现自动分割大量水文数据的特点，HYSEP法、BFI法、数字滤波法、PART法、加里宁法等在黄河和长江流域等水文研究中被广泛应用。由于南北方降水、土壤和植被等自然因素不同，降水一产流机制和地下水退水过程也不同[3]，因此不同基流分割方法在不同流域的适宜性不同。南方高雨量地区普遍采用数字滤波法，例如陈文艳等[4]应用数字滤波法及斜线分割法对新兴江流域进行了基流分割，认为数字滤波法分割所得基流过程线更加顺滑，更符合降水的波动性和流量过程线退水段的物理规律：段琪彩等[5]应用数字滤波等3种基流分割方法对松华坝水源地径流区进行了基流分割，认为数字滤波法计算的基流过程有明显起伏，反映的是流域年内蓄水容量的变化情况，可以反映流域的水源涵养能力。北方黄土高原地区选用的基流分割方法则不统一，例如左海凤等[6]应用BFI程序对汾河流域河岔水文站的基流量进行了计算机分割，认为该方法在自动处理大量数据的同时能够克服传统基流分割方法的人为性和任意性，可以客观反映流域基流的变化趋势：郭军庭等[7]采用数字滤波法分别对蔡家川6个嵌套小流域日径流量进行了基流分割求算基流指数，并且分析了次降水量、土地利用、植被类型和地形特征等对基流量的影响：焦玮等[8]基于锡林河流域的实测径流资料进行了基流分割，认为HYSEP法中固定时间间隔法（ Fixed）、滑动时间间隔法（Slide），以及三次迭代数字滤波法中的F，法的基流量估算结果客观稳定可靠，均适合研究区的基流分析：周旭东等[9]认为黄河源区基流量计算中，数字滤波法计算结果稳定，加里宁试算法更贴合实测径流过程。进行基流分割时需要综合考虑基流量相对稳定的特点及基流过程线是否符合区域降水产流机制和退水过程，究竟哪类分割方法比较适用于黄土区，尚需全面对比和研究。
北洛河上游吴旗水文站位于黄土丘陵沟壑区，该区地形破碎，在退耕还林工程实施后，生态恢复效果显著。植被具有良好的涵养水源作用，特别是对于基流的调节效果显著。20世纪五十至七十年代北洛河流域植被覆盖度低，水源涵养能力低，随着黄土高原植被的大规模有效恢复，植被涵养水源效果如何有待研究。因此，探讨区域自动基流分割法中3类方法9种表达式在黄土丘陵沟壑区的适宜性，分析不同基流分割方法的稳定性和合理性，选出较为可靠的分割方法，并分析基流量变化特性，探讨退耕还林效益。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
北洛河是渭河的一级支流、黄河的二级支流，发源于陕西省定边县白于山南麓的郝庄梁，河长680.3 km，集水面积26 905 km2，河源海拔1506 m.河口海拔325m，总落差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吴旗水文站以上部分。吴旗水文站控制范围为东经107°32′40″-108°32′45″，北纬36°44′53″-37°19′28″，海拔1 270.6-1 888.9 m.总面积3 408 km2，属黄土丘陵沟壑区，流域地面切割破碎，地形崎岖，水土流失严重，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%.年均气温约为7.5℃，无霜期96 -146 d.地处暖温带半干旱季风气候区。多年平均陆地蒸发量400 -450 mm。主要土壤类型为黄绵土、黑垆土和灰褐土。
1999年，吴起和定边作为全国试点县开始开展退耕还林工程，截至2004年，两县累计实施退耕还林面积734.9 km2.且800-/0以上于1999年完成，占两县总面积的21.5%，其中退耕还林361.5 km2、荒山造林373.4km2。退耕还林带来的下垫面条件改变成为评价期内流域径流、输沙变化的重要原因。吴旗水文站1971-2014年实测日径流资料来源于水利部黄河水利委员会《黄河流域水文年鉴》。
1.2 基流分割方法
（1） HYSEP法。HYSEP法由Pettyjohn和Henning于1979年提出，由于具有操作简便、迅速、可计算长序列径流资料等优点，因此成为美国地质调查局使用的主要基流计算方法[10]。该方法有固定时间间隔法（ Fixed）、滑动时间间隔法（Slide）和局部最小值法（Lo-calMin）3种计算方法。计算时首先利用经验公式计算出地表径流的持续时间：
t=（ 2.59A）0.2
（1）式中：t为直接径流持续时间，d;A为流域面积，km2。
吴旗水文站控制流域面积为3 408 krri2，t计算结果为6.2 d。基流分割参数时间间隔Ⅳ取值为与2t最为接近且介于3-11 d的奇数，本文采用N=11 d计算基流指数。
（2）数字滤波法。数字滤波法的基本原理来源于信号分析，把径流量当做高频信号的地表径流和低频信号的基流叠加，当把高频信号和低频信号分离时即可从日流量过程中分割出基流量。1990年Nathan和Mcmahon首先将该方法引入到水文研究中[11]。近年来，数字滤波法在基流量计算研究中得到广泛应用与改进，形成了较完整的方法体系，具有较好的客观性和可重复性[12]。数字滤波法包括4种计算方法：F1、F2、F3、F4法。
（3）基流指数法（BFI）。基流指数法是由Wels等编写的计算程序，于1980年由英国水文研究所首先提出[13]。BFI法分为标准BFI（F）法和改进BFI（ K）法2种计算方法。计算时首先确定单位时段Ⅳ值和拐点调试参数（参数f和k）。依据最小流量选择原理，确定单位时段Ⅳ值，Ⅳ值的选取对基流量计算结果有较大影响。以吴旗水文站为例，1977年、1984年、2011年分别代表丰、平、枯水年，进行基流指数与Ⅳ值的关系分析，基流指数随Ⅳ值的增大而减小，当Ⅳ≥5时，基流指数趋于稳定，因此本文取Ⅳ=5。拐点调试参数，即参数f和k，其值的变化對基流量影响不显著，一般取经验值0.9和0.979 15。
1.3 基流变化分析方法
采用Mann-Kendall（ MK）法和Pettitt法对基流量进行趋势和突变检验。MK统计方法广泛应用于水文、气象要素等长序列趋势检验中[14]，是一种非参数统计方法，其实质是用数据序列的秩序代替实际数值来判断两个变量的相关程度，因此避免了水文研究中极大值、极小值对结果的影响，能够相对客观地反映时间序列的长期变化趋势，其具体计算方法见文献[15]。Pettitt方法通过统计的方法检验时间序列要素均值变化的确切时间，从而确定突变点，具体计算方法见文献[16]。
选用14个指标来表征基流变化特点，主要指标有频率指标（Q10%、Q20%、…、Q90%）、极值指标（Max，、Max7、Minl、Min7）和平均值（Mean）。频率指标Qi表示在频率i（i= 10%、20%、…、90%）下的基流量，Max1和Max，分别表示1 d最大基流量和连续7d最大基流量，Min1和Min2分别表示1 d和连续7d最小基流量，Mean表示平均基流量。
2 结果与分析
2.1 基流分割方法适宜性分析
本文采用3类9种基流分割方法对北洛河流域吴旗水文站的实测径流数据资料进行基流分割估算。分割结果用基流指数表示，基流指数是一定时段内基流量和河川径流量的比值，可以反映河川基流量的大小。由表1可以看出，HYSEP法和BFI法计算的基流指数结果差异不大且相对较集中，而数字滤波法的4种计算方法所得的计算结果较分散，特别是F2、F3方法计算基流指数结果不足0.1，即基流占河川径流量不足10%，计算结果过于保守，不符合北洛河上游地区地下水的排泄特征。F2、F3方法所得结果较小可能是为了修正相位的失真，该方法一般采用正一反一正三次滤波的方法来得到更平滑的曲线，而滤波的次数越多，分割得到的基流量越小[17-18]。除20世纪90年代外，9种方法计算所得基流指数在10 a尺度上均表现出增大趋势。
为了解各种基流分割方法得到的基流过程的特点，对比分析枯水年（1974年）、平水年（1996年）和丰水年（2008年）9-11月各方法基流分割结果（见图1）。不同方法所得结果差异较大，9种方法分割基流得到的基流过程趋势基本一致，但过程曲线重合程度较低，差异较大。相同方法、不同月份所得结果差异较大，10-11月降水量少，河川径流量较小且动态变化幅度较小，基流过程线与径流过程线较为平缓且重合程度较高;9月降水量多而集中，河川径流量较大，基流过程线与径流过程线动态变化基本一致，基流过程线始终位于径流过程线下方，较好反映了流域产流的阻尼效应。相同月份、不同方法所得结果差异较大，HYSEP法基流过程线拐点较多，曲线呈锯齿状且与河川径流量曲线表现出高度同步性，峰值出现的时间点高度一致，不能反映流域产汇流的迟滞效应：BFI法和数字滤波法中的F1法所得基流过程线较为平缓，不与径流过程线重合，且能反映出径流的涨水、退水过程和径流过程的迟滞效应，计算基流分割结果较为合理。
由基流指数计算结果对比可知，数字滤波法中的F2、F3法不适用于本研究区。由基流分割过程对比结果可知，数字滤波法中的F1法和BFI法计算结果较为合理。为综合对比分析不同基流分割方法计算结果的稳定性，对9种基流分割方法计算结果进一步统计分析（见表2），由表2可以看出，数字滤波法中的F.法和BFI法两种方法中，数字滤波法中的F1法基流指数统计值极值比最小（3.20）、方差也最小（ 0.344 3），说明该方法计算结果年际变化小、基流最稳定。数字滤波法考虑了前后2d的径流量，其结果与实际基流过程更为接近，符合基流的退水特点[19]。因此数字滤波法中的F1法是研究区最为可靠、稳定的基流分割方法。采用数字滤波法中的F1法计算出的基流结果分析北洛河上游地区基流的变化。
2.2 吴旗水文站基流量年际变化分析
吴旗水文站1971-2014年基流量呈下降趋势（见图2），采用Mann - Kendall趋势性检验法计算得到检验统计值Z为-0.617（20.os= +1.96），表明下降趋势不明显。由图3可以看出，北洛河上游1971-2014年基流指数呈增大趋势，决定系数R2为0.4，采用Mann -Kendall趋势性检验法计算得到检验统计值Z为4.117（Zo.oi =+2.56），表明：随着时间的推移，基流指数呈显著增大趋势且达到99%信度的显著性水平。这与北洛河地区径流量显著减少有关[20]。采用Pettitt突变点检验法分析1971-2014年北洛河上游地区基流指数突变年，由图4可知，突变年为2002年，置信水平为99%。
2.3 吴旗水文站基流量年内变化分析
由表3可知，北洛河上游地区1月、12月基流量高频率和低频率事件均呈显著上升趋势，2月和11月基流量低频率事件呈显著上升趋势：3月基流量高频率和低频率事件及9月基流量低频率事件呈显著下降趋势：4-8月及10月基流量变化无显著变化趋势。即1月、12月月平均基流量呈显著上升趋势，3月月平均基流量呈显著下降趋势。
3 讨论
经综合比较，认为数字滤波法中的F.法是北洛河上游较为适宜的基流分割方法。前人探讨北洛河流域基流分割方法适宜性结果：于艺鹏等[21]对刘家河站径流资料进行基流分割，认为BFI法和HYSEP法计算的流域多年平均基流指数接近，数字滤波法计算结果的极值比和标准偏差小于BFI、HYSEP法的，与本研究结果一致。在比较基流过程线时，于艺鹏等[21]认为，修正BFI法基流过程线较为平滑，而本研究综合对比了丰水年、平水年、枯水年3种不同情况，及基流曲线对流域产汇流迟滞效应的反映等，认为BFI法和数字滤波法中的F1法基流分割结果较为合理。
影响基流的主要因素包括年平均降水量、流域面积、河道或流域坡度、河网密度、森林覆盖率、流域形状以及土壤和地质指标[11]。在短时期内可以认为流域面积、河道或流域坡度、河网密度、流域形狀以及流域地质指标没有发生变化。1960-2010年北洛河流域降水呈不显著递减趋势，且降水下降幅度低于径流量的，表明存在其他非降水因素干扰了降水与径流的关系[22]。北洛河流域是水土流失综合治理和退耕还林T程实施较早的地区之一[23].北洛河上游流域在1995-2014年平均植被覆盖度从20. 21%增加到了51.22%[24]。随着植被覆盖状况的改善，土壤水分相应发生了很大变化，流域时段平均土壤含水量从1986-1995年的41.8 mm减少至1996-2005年的33.7 mm和2006-2012年的26.9 mm。土壤水分季节值能够较好反映土壤水分年内季节动态变化特征：春季失墒、夏季增墒、秋末冬季缓慢失墒[25]。研究发现，北洛河上游1971-2014年基流指数呈显著增大趋势，突变年份为2002年，这与李泽根26]的研究结果一致，可以认为退耕还林效益从2001年开始显现，水土保持效益好，拦水作用明显，产流量小，有利于土壤水分下渗，相应基流指数增大。从年内变化来看，1971-2014年7-10月月基流量呈减少趋势，11月至翌年2月（枯水期）呈显著增加趋势。刘二佳等27研究认为，与1963-1979年相比2003-2009年退耕还林效应使丰水期径流量减少40.2%.而使枯水期径流量增加了128.1%。说明植被盖度增大能有效增加土壤对夏季降水的拦截，进而增加枯水季节土壤向河道的水分补给。因此可以推断，退耕还林T程实施后，生态植被恢复是影响北洛河上游基流变化的主导因素。
4 结论
采用3类9种基流分割方法对北洛河上游吴旗水文站1971-2014年的实测日径流资料进行了基流分割，9种分割方法计算所得基流指数相差较大，BFI法、HYSEP法和数字滤波法中的F.法所得结果较为接近，为0.315 3- 0.420 8。数字滤波法表现出的其对降水产流过程的稳定性优于BFI法和HYSEP法。比较9种方法得到的基流过程线可知，数字滤波法估算得到的基流过程线较为平滑，能较客观反映北洛河流域流量过程线退水段的物理规律，数字滤波法中的F.法在9种方法中最适宜于北洛河上游流域的基流分割。北洛河上游基流量下降趋势不明显，基流指数呈显著增大趋势，检验统计值Z为4. 117。1月和12月基流量呈显著增大趋势.2月和11月基流量在流量较高的情况下呈显著增大趋势，3月和9月基流量呈显著减小趋势，基流指数突变上升时间为2002年，退耕还林产生的植被涵养水源效益的显现对增加枯水季节基流量有重要作用。
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