基于数字滤波法的甘肃省河川基流特性分析

张 丽

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

基流是河川径流的重要组成部分，是非汛期河川径流的主要补给来源，全年基流量相对稳定，在保障供水安全、加强水生态保护、优化水资源配置、开展水资源调查评价、水力工程设计、降雨-径流关系模拟等方面具有重要意义[1][2]。基流分析计算是山丘区地下水资源评价的重要内容。近年来，国内外学者对基流切割的方法进行了大量的研究和探索，取得了丰硕的成果，较为常用的方法有图形法、水文模型法、水量平衡法、数字滤波法、环境同位素和水化学方法、时间步长法等。采用数字滤波方法，对甘肃省112个水文站2001-2016年的逐日平均流量进行基流分割，并对其基流量、基流指数、基流模数分布规律进行分析，以明晰甘肃省基流特性，为甘肃省水资源调查评价和水资源优化配置技术支撑。

1 研究方法与数据来源

1.1 数字滤波法

数字滤波法是1990年Nathan 和 McMahon提出的模仿人工分割流量过程的数学方法，通过将逐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。采用公式为：

(1)

式中：Qt为第t日的日平均流量(t=1，2，……365(366))；qt为过滤基流后的地表径流；bt为河川基流量；β为滤波参数(0<β<1)。

本次采用全年逐日平均流量绘制全年过程线，使用滤波算法切割基流量，滤波参数β取0.999，近似于直线切割。

1.2 水文站的选取

为计算基流量而选用的水文站(以下称选用站)应符合下列要求：

(1)选用站具有比较完整的逐日流量观测资料；

(2)选用站所控制的流域闭合，地表水与地下水的分水岭基本一致；

(3)当选用站以上流域人类活动影响较大时，选用站的径流需进行还原计算。

全省共选用112个水文站，其中内陆河流域20个水文站，黄河流域72个站，长江流域选取了20个站。

1.3 计算单元的划分

根据选定代表性水文站分布情况，勾绘出水文站控制流域面积，结合流域内不同水文分区的降水径流条件，将水文站控制区域、下垫面条件、县级行政区相互叠加，切割后划分出县级山丘区Ⅲ级类型区地下水资源评价计算单元。甘肃省山丘区共划分278个计算单元，在内陆河流域划分了86个计算单元，其中疏勒河流域16个，黑河流域41个，石羊河流域28个，柴达木盆地西部1个；黄河流域划分了166个计算单元，其中黄河干流40个，湟水和大通河流域8个，大夏河与洮河流域32个，泾河流域43个，渭河流域37个，清水河与苦水河流域4个，北洛河流域2个；长江流域划分了26个计算单元，其中嘉陵江流域划分25个(10个属于白龙江水系)，汉江流域划分1个。

1.4 基流的计算

(1)对于有选用水文站控制的计算单元，按下述要求计算评价期内逐年天然河川基流量：

根据选用站资料，点绘评价期内逐年、逐日天然流量过程线。对人类活动影响较小的选用站，可将实测流量过程线近似作为天然流量过程线；对人类活动影响较大的选用站，应在径流还原的基础上，计算天然流量过程线。

在选用水文站天然河川基流量的基础上，可采用水文比拟法，按下式确定计算单元的天然河川基流量：

Rg计算单元=F计算单元×Rg水文站/F水文站

(2)

式中：Rg计算单元、Rg水文站分别为计算单元、水文站的逐年天然年河川基流量，单位均为万m3；F计算单元、F水文站分别为计算单元、水文站控制的流域面积，单位均为km2。

(2)对于无水文站控制的计算单元，可选取下垫面条件相同或类似的水文站，采用水文比拟法，按式(3)确定逐年天然河川基流量；也可选取下垫面条件相同或类似的水文站，采用基径比法，按下式确定逐年天然河川基流量：

Rg计算单元=R计算单元×Rg水文站/R水文站

(3)

式中：R计算单元、R水文站分别为计算单元、水文站的逐年天然年径流量，单位均为万m3。

2 基流计算结果分析

2.1 单站基流切割成果

单站基流系列的推算根据所选用的水文站2001-2016年的地表径流资料，用建立(包括类比)的R～Rg关系曲线，推算出单站2001-2016年的河川基流量系列和基流模数系列。

根据所选的水文站年径流量和切割出的年基流量建立R-Rg关系曲线，单站R-Rg相关系数均在0.9以上，成果较为理想，基流量与径流量存在显著的正相关关系。

2.2 甘肃省天然河川基流量

经分析计算，甘肃省2001-2016年多年平均天然河川基流量为91.33亿 m3，其中内陆河流域18.21亿 m3，黄河流域34.56亿 m3，长江流域38.57亿 m3。

2.3 基径比、基流模数在面上的分布情况

基径比(基流占总径流量的比重)是判断河川径流年内分配均匀与否的一个重要指标，基流模数(多年平均基流量与集水面积的比值)是判断区域基流量的直接指标，对研究区域用水问题及径流调节有一定的意义。

2.3.1 内陆河流域

内陆河流域基径比平均为0.34。基径比在面上的分布规律是：高值区分布在发源于祁连山南坡的黑河(0.52)、讨赖河(0.66)、党河(0.64)；低值区分布在发源于祁连山北坡的河流，如石油河(0.18)、丰乐河(0.20)、洪水河(0.15)、杂木河(0.18)等，这些河流基径比的分布规律与河流的长度有一定的关系，河流长度短基径比相对小、河流长度长基径比相对大。基流模数在面上的分布规律是：祁连山南坡是模数分区的高值区，最大值可达9.71万 m3/km2·a，分别沿祁连山山脉向东西两侧递减，至最东端减小到2.45万 m3/km2·a、最西端减小到0.88万 m3/km2·a。

2.3.2 黄河流域

黄河流域基径比平均为0.40。高值区出现在植被条件好的区域或河流源区，如大夏河源区(0.48)、洮河源区(0.61)、蒲河(0.48)、冶木河(0.50)；低值区出现在植被条件差的季节性河流，如西河(0.02)，南河(0.05)、祖厉河(0.10)。基径比在面上的分布规律是：南部山区大于北部山区，流域上游大于下游，植被条件好的地区大于植被条件差的地区，这与整个流域面上的降水分布情况基本一致。平均基流模数3.93万 m3/km2·a，最大值为16.55万 m3/km2·a，最小值为0.004万 m3/km2·a。基流模数在面上的分布规律与基径比在面上的分布规律基本一致。

2.3.3 长江流域

长江流域多年平均基径比0.48。2001-2016年我省长江流域进入了枯水段，在分析计算中发现，枯水期基径比比丰水期相对值要大。基流模数最大值出现在白龙江水系甘南高山森林区拱坝河的黄鹿坝(22.79万 m3/km2)和白水江的文县站(21.18万 m3/km2)，最小值出现在西汉水上游黄土山林区礼县站(2.18万 m3/km2)。基流模数分布与该流域降水、径流分布趋势一致，基本符合上游大于下游、支流大于干流、植被条件好的地区大于植被条件差的地区等自然规律。

3 结语

从甘肃省三大流域河川基流量的计算结果来看，基径比和基流模数总体上是：内陆河流域<黄河流域<长江流域。基径比和基流模数分布与该流域降水、径流分布趋势一致。基径比和基流模数受植被条件影响巨大，植被条件好的地区大于植被条件差的地区。