地理科学进展  2017 , 36 (7): 864-872 https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2017.07.008

研究论文

两种自动基流分割方法在干旱半干旱地区的对比研究

李瑞123, 张士锋12*

1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
2. 中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101
3. 中国科学院大学,北京 100049

Comparative study on two automatic baseflow separation methods in the arid and semi-arid regions

LI Rui123, ZHANG Shifeng12*

1. Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
2. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, CAS, Beijing 100101, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者:  张士锋(1965-),男,湖北荆州人,副研究员,研究方向为水文水资源,E-mail: zhangsf@igsnrr.ac.cn

版权声明:  2017 地理科学进展 《地理科学进展》杂志 版权所有

基金资助:  中国科学院重点部署项目(KFZD-SW-301)国家自然科学基金项目(41171032)

作者简介:

作者简介:李瑞(1990-),男,河南济源人,硕士研究生,研究方向为水文水资源,E-mail: lirui6553@163.com

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摘要

基流是河川径流的重要组成部分。在干旱半干旱地区,基流对于维持水源的稳定性及持续性、确定河流生态需水等方面具有重要作用。因此,基流分割结果的准确性至关重要。本文以黄河流域上游小流域为研究区,分别使用滑动最小值法和数字滤波法对典型年进行基流分割,然后用数字滤波法对1980-2014年日均径流进行基流分割,并分析基流的变化趋势。研究表明,数字滤波法在干旱半干旱地区具有较好的应用效果,滑动最小值法分割的基流结果偏小;在特定研究区的参数难以确定时,应结合两种方法的优点确定最佳的基流分割方案。研究区1980-2014年的平均基流指数为0.69,高于全国平均值0.26、西北诸河区的0.57及黄河区的0.43;趋势分析显示,研究区的年径流、基流、BFI的增长幅度分别为0.086 (m3/s)/10a、0.169 (m3/s)/10a、0.038/10a。MK趋势检验结果显示,年径流未通过10%的显著性检验,增长趋势不明显;基流和BFI分别通过了2.5%和1%的显著性检验,增长趋势显著。

关键词: 干旱半干旱地区 ; 自动基流分割 ; 滑动最小值法 ; 数字滤波法 ; 基流指数

Abstract

Baseflow is a crucial component of streamflow. In the arid and semi-arid region, baseflow plays an important role in maintaining the stability and sustainability of the river flow and determining the ecological water requirement. Therefore, the results of baseflow separation are of great importance. In our research, a typical drainage basin located in the upstream of the Yellow River region was taken as the study area. Considering runoff in several typical years, we used smoothed minima and determined the parameters of digital filtering. Then we used digital filtering for baseflow separation using the data from 1980-2014 and analyzed the trend of baseflow. The results show that digital filtering performed better in the arid and semi-arid region and the results gained from smoothed minima indicate lower baseflow values. In areas where the parameters are difficult to determine, baseflow estimation should take advantage of both methods. The average BFI of the study area from 1980 to 2014 was 0.69, which was greater than the national average (0.26), BFI of the rivers in northwestern China (0.57), and BFI of the Yellow River region (0.43). Trend analysis shows that the increase of annual flow, baseflow, and BFI was 0.086 (m3/s)/10a, 0.169 (m3/s)/10a, and 0.038/10a. MK trend test results show that the growth of annual flow was not obvious because it did not pass the significance test of 90%; baseflow and BFI showed significant positive trends for they had passed the significance test of 97.5% and 99% respectively.

Keywords: arid and semi-arid regions ; automatic baseflow separation ; smoothed minima ; digital filtering ; baseflow index

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李瑞, 张士锋. 两种自动基流分割方法在干旱半干旱地区的对比研究[J]. , 2017, 36(7): 864-872 https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2017.07.008

LI Rui, ZHANG Shifeng. Comparative study on two automatic baseflow separation methods in the arid and semi-arid regions[J]. 地理科学进展, 2017, 36(7): 864-872 https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2017.07.008

1 引言

基流是河川径流的重要组成部分。研究显示,黄河基流量约占河川径流量的44%,唐乃亥以上黄河源区的多年平均基流量与河川径流量的比值更高达65.2%(陈利群, 刘昌明, 郝芳华等, 2006; 王雁林等, 2008)。基流在水安全、粮食安全、非点源污染评价,水资源评价和调查,水资源配置、工农业供水和降雨—径流关系模拟中有着广泛的应用(陈利群, 刘昌明, 李发东, 2006)。此外,在干旱半干旱地区,基流对于维持水源的稳定性及持续性、确定河流生态需水等方面具有重要作用。

基流分割方法很多。传统的基流分割方法主要为图解法,包括斜线分割法、下包线分割法、近似的平割法等,其繁琐性和人为主观性使得分割效率和精度难以保证。近年来,采用数学方法分割流量过程线的自动分割技术得到了快速发展,主要包括滑动最小值法(Aksoy et al, 2009)、数字滤波法(Nathan et al, 1990)、HYSEP法(Sloto et al, 1996)、PART法(Rutledge, 1998)等。其中应用最广的是滑动最小值法和数字滤波法。滑动最小值法(Smoothed Minima, SM)最早由英国水文研究所(UKIH)在1980年提出,其核心是通过连接流量过程线上的一系列拐点从而得到基流过程,该方法所需资料较少,原理清晰,操作简便,已在很多国家和地区得到应用(Wahl et al, 1995; 黄国如, 2007; 张文娜等, 2015)。数字滤波法来源于信号分析,由Nathan(1990)于1990年首次应用于水文研究中,其核心是通过滤波手段对不同频率的径流成分进行信号分离,达到基流分割的目的。该方法参数少、精度高、且具有较好的客观性和可重复性,也是一种模仿人工分割流量过程线的重要方法,已经在实践中得到了大量的验证(豆林等, 2010)。Arnold在美国西部和东部选取6个代表流域对该方法进行验证,结果表明该法能够取代手工分割且能客观准确地再现基流(Arnold et al, 1995)。近年来,国内学者也广泛使用数字滤波法在黑河上游、三峡库区及黄土高原等区域开展了基流分割的相关研究和探讨(崔玉洁等, 2011; 雷泳南等, 2011; 张华等, 2011)。

干旱半干旱地区约占全球陆地面积的30%,中国国土面积的42%位于干旱半干旱地区。这里地形变化复杂,降水稀少且时空差异大,小流域径流量偏小且年内、年际分布不均,基流分割工作面临较多问题,其分割结果的准确性直接影响流域水资源开发保护与优化配置、水利工程设计与施工、农田灌溉等措施的顺利实施。因而,针对干旱半干旱地区进行自动基流分割,并准确地反映该区域河川基流年际状况的研究迫在眉睫。然而,滑动最小值法和数字滤波法虽然简便易用,但在实际应用中滑动最小值法分割基流结果偏小,数字滤波法在单独使用时参数难以确定。因此,开展滑动最小值法和数字滤波法在干旱半干旱地区的对比研究,不仅有助于准确探究该地区的基流变化及特征,支撑当地水资源合理开发和利用,而且对于发展和完善基流分割理论也具有重要的实践意义。

2 数据和方法

2.1 研究区域概况

本文选取位于西北干旱半干旱地区的药水河流域为研究区。药水河属黄河水系,为湟水河右岸一级支流,发源于青海省东部湟源县境内。全流域属高原山区,处于黄土高原与青藏高原的过渡带,属祁连山地槽褶皱系西宁断陷盆地。流域由河谷阶地、丘陵、中山和高山组成,沿河两岸地形有明显褶皱,河道两岸几乎形成对峙的平行山脉,相对高度大多在500 m左右。地势由北、西、南向东倾斜。流域内植被情况较好,其中左岸较右岸好,阴坡较阳坡好。土壤垂直地带分布,土壤类型多为壤土 土质。

图1   研究区位置及水系分布

Fig.1   Location and distribution of water system of the study area

流域形状呈扇形,地理位置介于东经101°00′~102°21′、北纬36°09′~36°41′之间(图1),流域平均宽度12.3 km,河源海拔4302 m,河口海拔2621 m,落差1681 m,干流河长52.2 km,河道平均比降32‰,属山溪性河流,常年流水。年降水量400~500 mm,年蒸发量737.9 mm;年径流总量为0.90亿m3。流域内广泛分布着松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水及基岩裂隙水,下垫面透水性良好。流域的产流兼具蓄满产流机制和超渗产流机制。径流以降水补给为主,径流量的年内变化与降水量的变化趋势基本一致,且年内分配不均。流量在1-2月较为平稳,分别为0.95 m3/s和0.96 m3/s;3-4月流量持续上涨,且涨幅较大;5-10月为丰水期,主要通过降水补给,流量维持在4.19 m3/s左右;进入11月,流量逐渐下降,一直持续到12月,流量降至1.29 m3/s。流域内有5个雨量站,出口设董家庄(三)水文站,集水面积636 km2

本文的数据基础为药水河流域出口董家庄(三)站1980-2014年的日均流量数据,均来源于青海省水文水资源勘测局。

2.2 研究方法

本文使用的两种自动基流分割方法分别为滑动最小值法和数字滤波法。此外,为定量比较两种方法的分割结果,引入基流指数 BFI(Baseflow Index)。基流指数指一定流量序列中基流量在总径流中的占比,反映出河流水源的补给特性(雷泳南等, 2013)。即:

BFI=t1t2btdtt1t2Qtdt(1)

式中: bt为基流, Qt为实测总径流。

2.2.1 滑动最小值法

滑动最小值法先将整个实测日均流量序列( Q1, Q2, Q3,···, Qn)划分成若干单元(5d为一个单元),且单元之间互不重叠,然后提取各单元中的最小值得到新的流量序列(q1,q2,q3,···,qn),之后将该流量序列中相邻的3个流量值归为1组,即为(q1,q2,q3),(q2,q3,q4),······,(qt-1,qt,qt+1)。若qt满足 kqt( qt-1, qt+1),则确定其为拐点,连接基流过程线上的所有拐点,并进行线性内插。若内插值大于实测流量值,则取对应的流量值作为该时刻的基流值,且同时刻的地表径流值也必须满足非负条件。其中乘法因子k并没有实际的物理意义。很多研究结果表明,当k取0.9时,可以得到较好的基流分割结果(Aksoy et al, 2009; 董晓华等, 2010)。

2.2.2 数字滤波法

数字滤波法的原理是用高频信号模拟地表径流,低频信号模拟基流。将日径流资料作为地表径流和基流的叠加,利用信号处理技术将低频信号从高频信号中分离,从而从日径流中划分出基流。

滤波方程为:

qt=βqt-1+[(1+β)/2](Qt-Qt-1)(2)

基流 bt为:

bt=Qt-qt(3)

式中:qtqt-1分别为tt-1时刻分割得到的地表径流;QtQt-1分别为tt-1时刻的实测总径流;β为影响基流衰减程度的滤波参数。相关研究表明,要提高数据的计算精度,可对其进行一定次数地反复过滤(Nathan et al, 1990)。

滤波按照如下规律进行:第一道滤波以实测总径流的第二个记录数为起点,依照式(2)依次向后做正向运算;第二道滤波为逆向运算,计算起点为第一道滤波分割得到的基流流量的倒数第二个数据,第三道滤波为在第二道滤波计算结果上的正向运算。根据地表径流与基流的物理性质,即 bt>0, qt>0,且 Qtbt, Qtqt。在运算过程中,若 bt<0,则令 bt=0, qt=Qt;若 bt>Qt,则令 bt=Qt;若 qt<0,则赋值 qt=0, bt=Qt

本文以黄河上游药水河流域1980-2014年日均流量为基础数据,分别用滑动最小值法和数字滤波法对其中典型年的年径流过程进行基流分割,确定数字滤波法中适用于研究区的 β值和滤波次数;然后通过数字滤波法对研究区1980-2014年的流量过程进行基流分割,并分析35年来基流量的变化趋势。选取最近的4年作为典型年,其中包含了丰水年(2012年)、平水年(2011年、2014年)和枯水年(2013年)。

图2   2011-2014年滑动最小值法基流分割结果

Fig.2   Results of baseflow separation of smoothed minima, 2011-2014

3 结果与分析

3.1 滑动最小值法基流分割结果

运用滑动最小值法对研究区典型年的流量过程进行基流分割,所得结果见表1。可以看出,典型年(2011、2012、2013、2014年)的年均径流分别为2.86、3.56、2.87、3.0 m3/s,滑动最小值法分割的平均基流流量分别为2.22、2.83、2.37、2.19 m3/s,基流指数BFI分别为0.77、0.79、0.83和0.73,平均值为0.78。典型年基流的最大、最小值分别为4.80、1.06,6.63、0.85,4.80、1.24和3.54、0.97 m3/s。由表1可见,2012年的基流变化最不稳定,且丰水年的最大基流流量并非大于枯水年的最大基流流量。

表1   滑动最小值法2011-2014年基流分割结果

Tab.1   Results of baseflow separation of smoothed minima, 2011-2014

年份年均径流/(m3/s)平均基流/(m3/s)最大基流/(m3/s)最小基流/(m3/s)BFI
20112.862.224.801.060.77
20123.562.836.630.850.79
20132.872.374.801.240.83
20143.002.193.540.970.73

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图2可以看出,2012、2014年的日均最大径流量分别达到了18.5 m3/s和19.8 m3/s,较2011、2013年的径流量大。滑动最小值法分割出的基流变化趋势与总径流的变化趋势一致:1-3月、11-12月总径流和基流非常接近,且过程都比较稳定;在丰水期总径流起伏变化较为剧烈,基流也呈现相同的变化趋势;丰水期后,基流和总径流都开始下降并最终趋于稳定。

3.2 数字滤波法基流分割结果

以2012年基流分割为例: β分别取0.80、0.90、0.925、0.95、0.975,滤波次数分别为1次、2次、3次,其中1次滤波指对流量过程进行1次正向过滤,2次滤波指“正—反”2次过滤,3次滤波指“正—反—正”3次反复过滤。数字滤波法对基流的过滤次数超过3次后,高频信号并未进一步衰减。因此,本文在使用滤波法分割基流时最多进行3次滤波,所得基流分割结果见图3。1-3月,当流量过程起伏变化不大时,不同的 β取值和滤波次数分割的基流过程无显著差异。在丰水期流量较大且变化起伏较明显时, β值和滤波次数对基流的分割结果影响较大。

图3   数字滤波法β取不同值时的3次滤波结果

Fig.3   Results of three third time rounds filtration when β equals totakes different values of in digital filtering

表2可以看出, β取值0.80时,3次滤波得到的基流指数BFI分别为0.89、0.83、0.79,分割的最大基流流量逐次减小,分别为9.45、7.49、6.81 m3/s。同理, β取其他值时,滤波次数增加会导致分割出的基流减小。当 β依次取值0.80、0.90、0.925、0.95、0.975时,第3次滤波得到的BFI分别为0.79、0.72、0.69、0.64、0.53,分割基流的平均值分别为2.81、2.58、2.68、2.30、1.89 m3/s,最大值分别为6.81、5.73、6.23、5.07、4.02 m3/s;即当滤波次数一定时,随着 β值增大,基流逐渐变小,基流量所占比例也逐渐变小。由此可见,在使用数字滤波法进行流量过程的基流分割时,增大 β值或增加滤波次数都可使高频信号获得衰减,基流过程线趋于平滑,基流量变小。从基流量变化的角度分析, β依次取不同数值,基流量分别衰减了10.6%、14.5%、16.0%、18.1%、22.8%,6.4%、8.3%、9.2%、11.0%、14.5%,4.6%、6.0%、6.9%、8.6%、10.9%。由此可见,当 β值一定时,随着滤波次数增加,基流量的衰减率越来越小;当滤波次数一定时, β值越大,基流量的衰减率越大。

表2   数字滤波法2012年基流分割结果

Tab.2   Results of baseflow separation of digital filtering, 2012

滤波次数β=0.80β=0.90β=0.925β=0.95β=0.975
123123123123123
最大基流/(m3/s)9.457.496.818.456.605.738.166.236.237.265.695.076.084.914.02
最小基流/(m3/s)0.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.85
平均基流/(m3/s)3.162.952.813.032.762.582.982.672.682.892.542.302.712.241.89
BFI0.890.830.790.850.770.720.840.750.690.810.710.640.760.630.53

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3.3 两种方法的对比

表3为研究区典型年数字滤波法和滑动最小值法计算出的BFI值的对比。表3再次验证了在数字滤波法中,增大 β值或增加滤波次数,基流指数都会逐渐减小,有时甚至出现“异参同效”(芮孝芳等, 2007)问题。 β取0.80并经过“正—反—正”3次滤波,与 β取0.90并经过“正—反”2次滤波得到的基流指数都与滑动最小值法的结果接近。但由于滑动最小值法主要是按照在划分时段内的最小值的连线来进行基流分割,故一般得到的基流量都会偏小。从这个角度分析, β取0.80并经过“正—反—正”3次滤波要优于 β取0.90并经过“正—反”2次滤波得到的基流分割结果。

表3   数字滤波法和滑动最小值法BFI比较

Tab.3   Comparison of BFI between digital filtering and smoothed minima

数字滤波法滑动最
小值法
β=0.80β=0.90β=0.925β=0.95β=0.975
123123123123123
2011年0.890.830.800.860.780.740.840.760.710.820.730.670.770.660.590.77
2012年0.890.830.790.850.770.720.840.750.690.810.710.640.760.630.530.79
2013年0.910.860.820.880.810.750.860.780.720.830.730.680.770.670.610.83
2014年0.860.800.760.830.750.700.810.720.680.780.690.640.740.630.570.73

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图4β取0.80并经过“正—反—正”3次滤波,与 β取0.90并“正—反”2次滤波分割研究区典型年汛期(6-9月)的基流过程对比图,可以看出两组参数下得到的基流过程线都较为平缓。 β取0.80并经过3次滤波比 β取0.90并经过2次滤波得到的基流过程线的波峰更滞后于径流过程线的波峰。由于研究区植被覆盖较好,下垫面对基流的阻尼效应更加明显。因此, β取0.80,经过“正—反—正”3次滤波分割的基流过程线更加符合实际基流的平缓性与迟滞性的特点。为进一步比较数字滤波法与滑动最小值法的基流分割特点,令 β取0.80,经过“正—反—正”3次滤波的分割结果与滑动最小值法的分割结果进行对比。从图5看出,两种方法分割出的基流曲线非常一致,尤其是水量较少的1-3月及11-12月,两种方法分割的基流过程线基本重合;在丰水期,滑动最小值法分割的基流过程线基本处于数字滤波法分割过程线的下方。典型年两种方法分割基流的相关性系数分别为0.9079、0.9724、0.9488、0.9387(图6)。可见当数字滤波法中 β取0.80,经过3次滤波分割的基流结果与滑动最小值法的分割结果非常接近。

图4   数字滤波法不同滤波参数汛期基流分割对比

Fig.4   Results of basaflow separation of different parameter values of digital filtering

图5   两种方法基流分割结果对比

Fig.5   Comparison of baseflow separation between digital filtering and smoothed minima

图6   两种基流分割方法结果的相关性分析

Fig.6   Correlation analysis between results of the two automatic baseflow separation methods

3.4 基流的年际变化趋势

采用数字滤波法对研究区1980-2014年的基流进行分割,所得年径流、基流及BFI的变化过程线及趋势线如图7所示。在研究期内,年径流、基流及BFI均呈增长趋势,增幅分别为0.086 (m3/s)/10a、0.169 (m3/s)/10a、0.038/10a,其中基流的增长趋势大于年径流。1989年年径流和基流均最大,分别为4.84和3.18 m3/s,为丰水年,该年的BFI为0.66;1991年为枯水年,年径流和基流均最小,分别为1.17和0.81 m3/s,对应的BFI为0.69。丰水年降水量相对较大,产生较多的地表径流,枯水年河川径流量主要来自于基流,因此丰水年的基流指数BFI小于枯水年。通过M-K趋势检验,研究期内年径流、基流和BFIZ值分别为0.91、2.13、4.22,说明3个系列都呈增长趋势,其中BFI增长趋势最为显著,通过了1%的显著性检验,基流通过了2.5%的显著性检验,增长较为显著;年径流未通过10%的显著性检验,增长趋势不明显。

图7   药水河流域年径流、基流及BFI的变化过程

Fig.7   Change of annual runoff, baseflow, and BFI of the Yaoshui Basin

有研究显示,青海省近50年来降水量呈增加趋势(杨东等, 2013),其变化过程线与图7所示的年径流和基流的变化过程线相似,可见年径流和基流与降水之间存在着密切关系。同时,由于近年来对水土保持的重视,在流域内采取了大规模的植树造林等水土保持措施,故研究区近1991-2013年植被覆盖度呈明显上升趋势(陈首彬等, 2013)。土地利用方式的改变导致降水过程中雨水滞留时间变长,下渗水量增加,造成地下水补给量增加,引发基流量增大。因此,在研究区年径流增加趋势不显著的情况下,基流指数BFI增长趋势明显。

4 讨论

4.1 基流分割结果的合理性分析

结合数字滤波法及滑动最小值法,分割得到药水河流域1980-2014年的平均基流指数BFI为0.69。一个地区的BFI与下垫面土壤类型和植被覆盖等密切相关。药水河流域土壤为壤土,下垫面透水性良好。地下水多为孔隙含水层,储水能力较好。流域内大量分布着牧草、灌木丛、林地,部分地区植被度达0.8以上。由此可见,流域下垫面有利于降水下渗,补给基流。因此,药水河流域基流指数BFI较大。此外,已有的基流分割研究成果显示,同为黄河上游地区的玛曲—唐乃亥及唐乃亥—循化区间的BFI分别为0.70和0.79(陈利群, 刘昌明, 郝芳华等, 2006; 林学钰等, 2009),进一步证明了本文结合使用滑动最小值法和数字滤波法进行基流分割结果的合理性。研究区的高BFI说明该流域的基流量对河川径流量的贡献较大,同时也说明黄河上游干旱半干旱地区的基流是区域水资源中的重要组成部分。

4.2 数字滤波法在实际应用中的问题

数字滤波法在自动基流分割方法中的应用最为广泛。很多学者在应用数字滤波法研究基流时,常根据已有研究成果来确定参数值 β和滤波次数。这种做法存在一定的局限性。根据Smakhtin(2001)的研究,海拔大于1100 m的干旱半干旱地区, β的取值应比0.925小2%左右。而本文得出 β取0.80时,经过“正—反—正”3次滤波可得到较好的结果。由此可见,数字滤波法中的β值及滤波次数需结合流域特征来确定。

不同流域的BFI值存在很大差异。根据中国一级区多年平均年水资源量统计(水利部水利水电规划设计总院, 2014),全国平均BFI为0.26,西北诸河区为0.57,黄河区为0.43,本文计算得出的黄河上游药水河流域的基流指数为0.69。可见不同流域的BFI值差异明显,其与降雨、地形地貌、地质岩性、植被覆盖、人类活动等因素都有关联,如果不对研究区进行综合分析而移植已有研究区参数成果,或代入文献推荐的通用参数进行计算,会带来基流分割结果的不确定性。

4.3 数字滤波法与滑动最小值法的配合使用

滑动最小值法是通过连接流量过程线上的一系列拐点而得到的基流过程,基本符合基流的特性,该法简捷易用,但基流分割结果偏小。Eckhardt(2008)将滑动最小值法与其他方法进行比较,认为滑动最小值法得到的基流指数最小;林凯荣等(2008)使用滑动最小值法对汉江老灌河流域进行基流分割,也指出基流分割结果偏小。

数字滤波法是由总流量过程通过三道滤波通道的层层过滤而获得基流过程,得出的基流曲线较为平滑,可反映出基流过程的稳定性和迟滞性。研究表明,用数字滤波法获取的基流过程线比较符合流域降雨—径流过程演变的物理规律,体现出流域下垫面对地下净雨的汇流作用,故该基流分割方法目前在国际上得到了广泛应用(徐磊磊等, 2011)。但受限于水文勘测技术,目前基流还不能通过直接监测取得。由于缺乏实测基流过程,在使用数字滤波法对特定流域进行基流分割时,参数值 β及滤波次数难以确定。

本文在对研究区进行基流分割时,充分结合两种自动基流分割方法的优点。先使用滑动最小值法对径流过程进行基流分割,然后令数字滤波法中的参数分别取不同值,对研究区作进一步基流分割,获得不同滤波参数下的基流指数;最后参照滑动最小值法的分割结果,并综合分析流域特征确定数字滤波法的 β值及滤波次数,从而实现研究区基流的自动分割,获得合理的基流过程,并可确保具有较高的精度。

4.4 基流指数的区域分异规律

本文分割得到黄河上游小流域多年平均基流指数BFI为0.69。全国其他地区的多年平均基流指数如图8所示。其中,北方地区年均降水328 mm,总径流量4.38 ×103亿m3,基流量1.57 ×103亿m3,BFI为0.36;南方地区年均降水1214 mm,总径流量2.30 ×104亿m3,基流量5.60 ×103亿m3,BFI为0.24;西北诸河区与黄河区的BFI分别为0.57和0.43。由于干旱半干旱地区年均降水量小,总径流量少,基流所占比重大,故BFI偏大;南方地区虽年均降水量大,总径流量多,基流所占比重小,故BFI亦小。对比其他研究成果(豆林等, 2010; 崔玉洁等, 2011; 张华等, 2011; 王冠等, 2015; 张文娜等, 2015)发现,如果具体到典型小流域,无论位于干旱区还是湿润区,基流指数都可能有较大值或较小值,可见BFI与研究区所处的气候区并无绝对关系,而受降水、地形地貌、地质岩性、植被覆盖等多种因素的综合影响。本小节在分析基流指数的区域分异规律时,仅对降水进行了讨论,如何区分各因素对不同区域基流指数分异变化的影响还有待深入分析。

图8   全国部分地区基流指数对比

Fig.8   Comparison of BFI of northern, southern, and northwestern China and the Yellow River region

5 结论

本文选取位于干旱半干旱地区的药水河流域径流过程为研究对象,分别使用滑动最小值法和数字滤波法对典型年进行基流分割,确定数字滤波法的参数值,然后用数字滤波法对1980-2014年日均径流资料进行基流分割,并分析整个资料系列基流的变化趋势,主要结论如下:

(1) 数字滤波法和滑动最小值法都可以快速分割基流,且可保证一定的精度,克服了人工操作的繁琐性和主观性。但滑动最小值法的分割结果偏小,数字滤波法的 β值和滤波次数难以确定。因此,在实际应用中,应充分结合两种方法,确定最优的基流分割方案。

(2) 研究区1980-2014年的平均基流指数为0.69,总体基流指数较高,高于全国平均值0.26、西北诸河区的0.57及黄河区的0.43,显示黄河上游干旱半干旱地区的基流对于区域水资源构成和社会经济发展具有更重要的作用。

(3) 1980-2014年,研究区年径流、基流、BFI都呈增长趋势。MK趋势检验结果显示,年径流未通过10%的显著性检验,增长趋势不明显;基流和BFI分别通过了2.5%和1%的显著性检验,增长趋势 显著。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

[1] 陈利群, 刘昌明, 郝芳华, . 2006.

黄河源区基流变化及影响因子分析

[J]. 冰川冻土, 28(2): 141-148.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0240.2006.02.001      URL      Magsci      摘要

利用黄河源区的4个水文站及13个气象站的日系列资料,基于改进的加里宁基流分割法,分析了1956—2000年以来黄河源区基流和以水文站为节点控制的各个子流域的基流变化及其影响因素.结果表明:黄河源区基流比例较大,多年平均基流指数为0.652;黄河沿以上流域基流指数为0.556,黄河沿-吉迈区间基流指数为0.588,吉迈-玛曲区间基流指数为0.649,玛曲-唐乃亥区间基流指数高达0.704.从绝对量来看,黄河源区多年平均基流量为132.46×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>;子流域中,玛多以上流域基流量最小,为3.92×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>,吉迈-玛曲区间基流量最大,为68.82×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>.对于整个研究区,年降水量决定年基流量,气温影响基流,气温升高,基流减少.不同子流域的基流对气候变化响应不同,玛曲以上各个子流域基流随气温升高而减少,而在玛曲-唐乃亥区间年气温对年基流量无明显影响.黄河源区年代尺度基流指数和降水量成反比关系.

[Chen L Q, Liu C M, Hao F H, et al.2006.

Change of the baseflow and it's impacting factors in the source regions of Yellow River

[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 28(2): 141-148.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0240.2006.02.001      URL      Magsci      摘要

利用黄河源区的4个水文站及13个气象站的日系列资料,基于改进的加里宁基流分割法,分析了1956—2000年以来黄河源区基流和以水文站为节点控制的各个子流域的基流变化及其影响因素.结果表明:黄河源区基流比例较大,多年平均基流指数为0.652;黄河沿以上流域基流指数为0.556,黄河沿-吉迈区间基流指数为0.588,吉迈-玛曲区间基流指数为0.649,玛曲-唐乃亥区间基流指数高达0.704.从绝对量来看,黄河源区多年平均基流量为132.46×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>;子流域中,玛多以上流域基流量最小,为3.92×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>,吉迈-玛曲区间基流量最大,为68.82×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>.对于整个研究区,年降水量决定年基流量,气温影响基流,气温升高,基流减少.不同子流域的基流对气候变化响应不同,玛曲以上各个子流域基流随气温升高而减少,而在玛曲-唐乃亥区间年气温对年基流量无明显影响.黄河源区年代尺度基流指数和降水量成反比关系.
[2] 陈利群, 刘昌明, 李发东. 2006.

基流研究综述

[J]. 地理科学进展, 25(1): 1-15.

https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2006.01.001      Magsci      [本文引用: 2]      摘要

<p>水资源是人类生产、生活不可或缺的自然资源,随着水资源危机的加剧和水环境质量的恶化,水资源短缺已成为世界倍受关注的资源环境问题之一。基流在水安全、粮食安全、非点源污染评价,水资源评价和调查,水资源配置、工农业供水和降雨-径流关系模拟中有着重要的应用。本文首先对基流的定义进行了概述,系统的综述了基流产生机制及其影响因素;对于各类退水方程,从退水方程所反映的流域特性出发,阐明其优缺点、适用条件及应用情况,并对退水方程的建立进行了讨论。方程的参数多,则退水过程拟合得好,简单的线性方程拟合的效果不如多个线性方程组合的效果好,这在一定程度上说明了流域含水层出流的非线性。综合了多种基流划分方法,认为模型模拟和水量平衡法具有较强理论基础,图形法具有较大主观性,其精度依赖于操作者对于河道和地下水联系的了解情况。最后,本文对基流退水方程的建立,以及基流方程拟合中要注意的问题也进行了总结。</p>

[Chen L Q, Liu C M, Li F D.2006.

Reviews on base flow researches

[J]. Progress in Geography, 25(1): 1-15.]

https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2006.01.001      Magsci      [本文引用: 2]      摘要

<p>水资源是人类生产、生活不可或缺的自然资源,随着水资源危机的加剧和水环境质量的恶化,水资源短缺已成为世界倍受关注的资源环境问题之一。基流在水安全、粮食安全、非点源污染评价,水资源评价和调查,水资源配置、工农业供水和降雨-径流关系模拟中有着重要的应用。本文首先对基流的定义进行了概述,系统的综述了基流产生机制及其影响因素;对于各类退水方程,从退水方程所反映的流域特性出发,阐明其优缺点、适用条件及应用情况,并对退水方程的建立进行了讨论。方程的参数多,则退水过程拟合得好,简单的线性方程拟合的效果不如多个线性方程组合的效果好,这在一定程度上说明了流域含水层出流的非线性。综合了多种基流划分方法,认为模型模拟和水量平衡法具有较强理论基础,图形法具有较大主观性,其精度依赖于操作者对于河道和地下水联系的了解情况。最后,本文对基流退水方程的建立,以及基流方程拟合中要注意的问题也进行了总结。</p>
[3] 陈首彬, 赫晓慧, 王芳. 2013.

流域植被覆盖度变化对湟水河含沙量的影响

[J]. 人民长江, 44(19): 78-80.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-4179.2013.19.020      URL      [本文引用: 1]      摘要

为分析植被覆盖度变化对湟水河 含沙量的影响,应用遥感、地理信息系统与数学分析相结合的方法,分析了该流域近15年来植被覆盖度变化与含沙量变化的趋势及二者之间的关系,并明确了引起 这些变化的因素。结果表明,湟水河流域内的含沙量变化是自然因素和人类活动引起的地表植被覆盖度变化情况的综合反映,流域内的含沙量与地表植被覆盖度呈明 显的负相关性,同时含沙量还会受到人类活动等其他因素的影响。

[Chen S B, He X H, Wang F.2013.

Influence of vegetation coverage change on sediment content in Huangshui River Watershed

[J]. Yangtze River, 44(19): 78-80.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-4179.2013.19.020      URL      [本文引用: 1]      摘要

为分析植被覆盖度变化对湟水河 含沙量的影响,应用遥感、地理信息系统与数学分析相结合的方法,分析了该流域近15年来植被覆盖度变化与含沙量变化的趋势及二者之间的关系,并明确了引起 这些变化的因素。结果表明,湟水河流域内的含沙量变化是自然因素和人类活动引起的地表植被覆盖度变化情况的综合反映,流域内的含沙量与地表植被覆盖度呈明 显的负相关性,同时含沙量还会受到人类活动等其他因素的影响。
[4] 崔玉洁, 刘德富, 宋林旭, . 2011.

数字滤波法在三峡库区香溪河流域基流分割中的应用

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[Cui Y J, Liu D F, Song L X, et al.2011.

Application of digital filtering theory in baseflow separation in Xiangxi River Watershed of three gorges reservoir area

[J]. Journal of China Hydrology, 31(6): 18-23.]

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[5] 董晓华, 邓霞, 薄会娟, . 2010.

平滑最小值法与数字滤波法在流域径流分割中的应用比较

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https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-948X.2010.02.001      URL      [本文引用: 1]      摘要

将平滑最小值法和2种数字滤波法应用于三峡水库的日入库流量的基流分割,比较了3种方法的基流分割效果.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;拥有2个参数的数字滤波器对总径流序列的高频信号的平滑作用要优于拥有1个参数的数字滤波器,所获得的地下径流序列更为稳定,变化性小,更适用于三峡大坝坝址以上的大流域的基流分割.

[Dong X H, Deng X, Bo H J, et al.2010.

A comparison between smoothed minimma and digital filtering methods applied to catchment baseflow separation

[J]. Journal of China Three Gorge University: Natural Sciences, 32(2): 1-4.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-948X.2010.02.001      URL      [本文引用: 1]      摘要

将平滑最小值法和2种数字滤波法应用于三峡水库的日入库流量的基流分割,比较了3种方法的基流分割效果.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;拥有2个参数的数字滤波器对总径流序列的高频信号的平滑作用要优于拥有1个参数的数字滤波器,所获得的地下径流序列更为稳定,变化性小,更适用于三峡大坝坝址以上的大流域的基流分割.
[6] 豆林, 黄明斌. 2010.

自动基流分割方法在黄土区流域的应用研究

[J]. 水土保持通报, 30(3): 107-111, 133.

URL      [本文引用: 2]      摘要

基流是河川径流在枯水季节的主要径流来源。由于难以通过实测方法获得基流量数据,选择适合的 基流分割技术对于基流研究至关重要。利用黄土区6个流域的多年径流量资料,选取PART法、滤波法及滑动最小值法等目前广泛使用的自动基流分割方法对区域 内河流的基流量进行了分割,以检验自动基流分割方法在本地区的适用性,并应用选定的基流分割方法对黄土区流域的基流特点做了简单分析。研究结果表明,3种 方法所获得的基流指数值有所差异,滤波法分割的基流过程与实际基流状况更为相符。因此,滤波法可作为黄土区流域基流的最优分割方法。应用滤波法得到的研究 流域基流占总径流比重为37%~64%,而基流量在近50a中呈现逐渐降低趋势。

[Dou L, Huang M B.2010.

Applied study of baseflow separation methods in watersheds of Loess Plateau

[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 30(3): 107-111, 133.]

URL      [本文引用: 2]      摘要

基流是河川径流在枯水季节的主要径流来源。由于难以通过实测方法获得基流量数据,选择适合的 基流分割技术对于基流研究至关重要。利用黄土区6个流域的多年径流量资料,选取PART法、滤波法及滑动最小值法等目前广泛使用的自动基流分割方法对区域 内河流的基流量进行了分割,以检验自动基流分割方法在本地区的适用性,并应用选定的基流分割方法对黄土区流域的基流特点做了简单分析。研究结果表明,3种 方法所获得的基流指数值有所差异,滤波法分割的基流过程与实际基流状况更为相符。因此,滤波法可作为黄土区流域基流的最优分割方法。应用滤波法得到的研究 流域基流占总径流比重为37%~64%,而基流量在近50a中呈现逐渐降低趋势。
[7] 黄国如. 2007.

流量过程线的自动分割方法探讨

[J]. 灌溉排水学报, 26(1): 73-78.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-3317.2007.01.020      URL      [本文引用: 1]      摘要

为了确定出稳定可靠的流量过程线分割方法,以东江流域中的13个子流域为例,对现行广泛使用的滑动最小值法、HYSEP法和滤波法等自动基流分割方法进行较为深入的探讨。研究结果表明这3类方法的分割结果并不一致,有些情况下差距较大,同时也表明滤波法可以得到较为稳定的基流系数BFI,尤其是第3种滤波法可能为最优的基流分割方法。由于流域空间特征值与BFI之间的相关关系较为密切,利用逐步回归方法构建了这二者之间的相关关系,利用该关系可以由流域的空间特征值推求出无资料地区的基流系数BFJ。

[Huang G R.2007.

Base flow separation from daily flow hydrograph using automated techniques

[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 26(1): 73-78.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-3317.2007.01.020      URL      [本文引用: 1]      摘要

为了确定出稳定可靠的流量过程线分割方法,以东江流域中的13个子流域为例,对现行广泛使用的滑动最小值法、HYSEP法和滤波法等自动基流分割方法进行较为深入的探讨。研究结果表明这3类方法的分割结果并不一致,有些情况下差距较大,同时也表明滤波法可以得到较为稳定的基流系数BFI,尤其是第3种滤波法可能为最优的基流分割方法。由于流域空间特征值与BFI之间的相关关系较为密切,利用逐步回归方法构建了这二者之间的相关关系,利用该关系可以由流域的空间特征值推求出无资料地区的基流系数BFJ。
[8] 雷泳南, 张晓萍, 张建军, . 2011.

自动基流分割法在黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域适用性分析

[J]. 中国水土保持科学, 9(6): 57-64.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

黄土高原水蚀风蚀交错区生态环境脆弱,河川基流量的多少及其变化对维持该区生态系统健康具有重要意义。利用黄土高原水蚀风蚀交错区窟野河流域多年实测径流资料,研究国内外常用的滑动最小值法、HYSEP法和数字滤波法3类共8种自动基流分割方法在该研究区的适用性。结果表明:1)8种方法所得年均基流指数差异较大,最大为0.6515,最小为0.3305,而滤波法中的F2(Chapman-Maxwell法)和F4(Eckhardt法)法估算的结果最为稳定可靠,均值分别为0.3868和0.3305,标准差分别为0.0428和0.0461;2)F2和F4法分割的基流过程线与实际更吻合,2种方法估算的年基流量与实际观测值的验证效果最好,Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.691和0.718,平均相对误差分别为9.83%和5.05%,F2和F4法估算的基流结果均能客观稳定地反映该研究区的基流状况,适合于该研究区进行基流分析;3)从F2和F4 2种方法估算值的平均值来看,窟野河流域基流量近50年来呈现减少趋势,其减少量占总径流减少量的41%。

[Lei Y N, Zhang X P, Zhang J J, et al.2011.

Suitability analysis of automatic baseflow separation methods in typical watersheds of water-wind erosion crisscross region on the Loess Plateau, China

[J]. Science of Soil and Water Conservation, 9(6): 57-64.]

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

黄土高原水蚀风蚀交错区生态环境脆弱,河川基流量的多少及其变化对维持该区生态系统健康具有重要意义。利用黄土高原水蚀风蚀交错区窟野河流域多年实测径流资料,研究国内外常用的滑动最小值法、HYSEP法和数字滤波法3类共8种自动基流分割方法在该研究区的适用性。结果表明:1)8种方法所得年均基流指数差异较大,最大为0.6515,最小为0.3305,而滤波法中的F2(Chapman-Maxwell法)和F4(Eckhardt法)法估算的结果最为稳定可靠,均值分别为0.3868和0.3305,标准差分别为0.0428和0.0461;2)F2和F4法分割的基流过程线与实际更吻合,2种方法估算的年基流量与实际观测值的验证效果最好,Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.691和0.718,平均相对误差分别为9.83%和5.05%,F2和F4法估算的基流结果均能客观稳定地反映该研究区的基流状况,适合于该研究区进行基流分析;3)从F2和F4 2种方法估算值的平均值来看,窟野河流域基流量近50年来呈现减少趋势,其减少量占总径流减少量的41%。
[9] 雷泳南, 张晓萍, 张建军, . 2013.

窟野河流域河川基流量变化趋势及其驱动因素

[J]. 生态学报, 33(5): 1559-1568.

https://doi.org/10.5846/stxb201205160732      URL      [本文引用: 1]      摘要

河川基流量的变化是区域气候变化与人类活动的综合反映,其对维持生态系统健康具有重要的意义.以黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域窟野河流域为研究对象,利用1959-2005年实测水文、气象资料,基于Chapman-Maxwell数字滤波法的基流量计算,分析窟野河流域河川基流量的变化趋势与演变特征,从气候变化和人类活动两方面探讨了河川基流量变化的驱动因素.结果表明:(1)近50年来,流域内7个时段(全年;春季、夏季、秋季、冬季;汛期、非汛期)的基流量均表现为极显著减少趋势,全年基流量的减少量为0.628 mm/a,并在1980和1996年发生两次明显的突变;(2)与基准期(1959-1979年)相比,水土保持效应期(1980-1995年)的全年日基流量在5%,50%和95%的频率上相对减少率分别为30%,38%和54%,煤炭开发期(1996-2005年)的全年日基流量在5%,50%和95%的频率上相对减少率分别为57%,68%和100%;(3)流域河川基流量减少是气候变化和人类活动共同作用的结果,降水量的变化一定程度影响基流量,但主要驱动因素是流域内大面积连片开采煤炭资源和过量开发利用地下水.

[Lei Y N, Zhang X P, Zhang J J, et al.2013.

Change trends and driving factors of base flow in Kuye River Catchment

[J]. Acta Ecologica Sinica, 33(5): 1559-1568.]

https://doi.org/10.5846/stxb201205160732      URL      [本文引用: 1]      摘要

河川基流量的变化是区域气候变化与人类活动的综合反映,其对维持生态系统健康具有重要的意义.以黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域窟野河流域为研究对象,利用1959-2005年实测水文、气象资料,基于Chapman-Maxwell数字滤波法的基流量计算,分析窟野河流域河川基流量的变化趋势与演变特征,从气候变化和人类活动两方面探讨了河川基流量变化的驱动因素.结果表明:(1)近50年来,流域内7个时段(全年;春季、夏季、秋季、冬季;汛期、非汛期)的基流量均表现为极显著减少趋势,全年基流量的减少量为0.628 mm/a,并在1980和1996年发生两次明显的突变;(2)与基准期(1959-1979年)相比,水土保持效应期(1980-1995年)的全年日基流量在5%,50%和95%的频率上相对减少率分别为30%,38%和54%,煤炭开发期(1996-2005年)的全年日基流量在5%,50%和95%的频率上相对减少率分别为57%,68%和100%;(3)流域河川基流量减少是气候变化和人类活动共同作用的结果,降水量的变化一定程度影响基流量,但主要驱动因素是流域内大面积连片开采煤炭资源和过量开发利用地下水.
[10] 林凯荣, 陈晓宏, 江涛, . 2008.

数字滤波进行基流分割的应用研究

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https://doi.org/10.3969/j.issn.0559-9342.2008.06.008      URL      摘要

在傅里叶分析的基础上,阐述了 数字滤波分割基流的基本原理;选择汉江老灌河流域为研究对象,采用数字滤波进行基流分割的应用分析研究。结果表明:该方法具有简单方便、可操作性强等优 点,而且能够再现分割的结果,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。一般取0.85、0.9和0.925三个滤波参数值分别进行正反两 次的滤波,可以得到较好的结果。

[Lin K R, Chen X H, Jiang T, et al.2008.

Application and study on base flow separation using digital filters

[J]. Water Power, 34(6): 28-30, 88.]

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在傅里叶分析的基础上,阐述了 数字滤波分割基流的基本原理;选择汉江老灌河流域为研究对象,采用数字滤波进行基流分割的应用分析研究。结果表明:该方法具有简单方便、可操作性强等优 点,而且能够再现分割的结果,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。一般取0.85、0.9和0.925三个滤波参数值分别进行正反两 次的滤波,可以得到较好的结果。
[11] 林学钰, 廖资生, 钱云平, . 2009.

基流分割法在黄河流域地下水研究中的应用

[J]. 吉林大学学报: 地球科学版, 39(6): 959-967.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-5888.2009.06.001      URL      [本文引用: 1]      摘要

为研究黄河流域地下水可再生能力变化规律和制定黄河流域水资源管理方案,应用基流指数法(BFI)和直线平割法的原理与方法,计算了黄河流域干流13个水文断面与20条主要支流31个水文断面的基流量,并分析了基流量的形成机理、地下水对黄河水的贡献、基流变化过程、流域地下水资源的构成及地下水资源总量。研究结果表明:花园口断面的基流量占多年平均径流量的44%,流域内河水与地下水存在极其密切的转化关系,地下水对黄河水的贡献很大。黄河的径流量与基流量主要来自兰州以上的源区,兰州断面的年径流量与基流量分别占花园口断面径流量的59%和60%;而兰州以下到花园口之间的上、中游地区,地下水对黄河水的贡献很小。1990年前后,黄河干流与支流河段的基流量发生了很大变化。除玛多以上的源头段基流量衰减率较大外(衰减率为0.38),兰州以上的干流河段基流量衰减率较小(0.08~0.20),而兰州以下的黄河干流基流量衰减率都很大(0.22~0.31)。基流量的剧烈衰减是天然和人类活动(如地下水开采)共同作用下地下水资源量减少的结果。从流域水循环的观点考虑,黄河流域的区域地下水资源由参与黄河水循环的地下水资源、未参与黄河水循环的地下水资源和流域地下水的开采等3大部分构成。1990年6月—2000年6月近10年黄河流域地下水天然资源量平均值为353.9亿m3/a,比多年地下水资源量平均值减少了15%。

[Lin X Y, Liao Z S, Qian Y P, et al.2009.

Baseflow separation for groundwater study in the Yellow River Basin, China

[J]. Journal of Jilin University: Earth Science Edition, 39(6): 959-967.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-5888.2009.06.001      URL      [本文引用: 1]      摘要

为研究黄河流域地下水可再生能力变化规律和制定黄河流域水资源管理方案,应用基流指数法(BFI)和直线平割法的原理与方法,计算了黄河流域干流13个水文断面与20条主要支流31个水文断面的基流量,并分析了基流量的形成机理、地下水对黄河水的贡献、基流变化过程、流域地下水资源的构成及地下水资源总量。研究结果表明:花园口断面的基流量占多年平均径流量的44%,流域内河水与地下水存在极其密切的转化关系,地下水对黄河水的贡献很大。黄河的径流量与基流量主要来自兰州以上的源区,兰州断面的年径流量与基流量分别占花园口断面径流量的59%和60%;而兰州以下到花园口之间的上、中游地区,地下水对黄河水的贡献很小。1990年前后,黄河干流与支流河段的基流量发生了很大变化。除玛多以上的源头段基流量衰减率较大外(衰减率为0.38),兰州以上的干流河段基流量衰减率较小(0.08~0.20),而兰州以下的黄河干流基流量衰减率都很大(0.22~0.31)。基流量的剧烈衰减是天然和人类活动(如地下水开采)共同作用下地下水资源量减少的结果。从流域水循环的观点考虑,黄河流域的区域地下水资源由参与黄河水循环的地下水资源、未参与黄河水循环的地下水资源和流域地下水的开采等3大部分构成。1990年6月—2000年6月近10年黄河流域地下水天然资源量平均值为353.9亿m3/a,比多年地下水资源量平均值减少了15%。
[12] 芮孝芳, 刘方贵, 邢贞相. 2007.

水文学的发展及其所面临的若干前沿科学问题

[J]. 水利水电科技进展, 27(1): 75-79.

URL      [本文引用: 1]     

[Rui X F, Liu F G, Xing Z X.2007.

Advances in hydrology and some frontier problems

[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 27(1): 75-79.]

URL      [本文引用: 1]     

[13] 水利部水利水电规划设计总院. 2014. 中国水资源及其开发利用调查评价[M]. 北京: 中国水利水电出版社. [Ministry of Water Resources, China Renewable Energy Engineering Institute. 2014. Zhongguo shuiziyuan jiqi kaifa liyong diaocha pingjia[M]. Beijing, China: China Waterpower Press.]

[本文引用: 1]     

[14] 王冠, 鲁程鹏, 李姝蕾, . 2015.

五种基流分割方法在长江螺山站的应用对比研究

[J]. 水资源与水工程学报, 26(3): 118-123.

URL      [本文引用: 1]     

[Wang G, Lu C P, Li S L, et al.2015.

Applied comparison of five separation methods of base flow at Luoshan Station of Yangtze River

[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 26(3): 118-123.]

URL      [本文引用: 1]     

[15] 王雁林, 王文科, 钱云平, . 2008.

黄河河川基流量演化规律及其驱动因子探讨

[J]. 自然资源学报, 23(3): 479-486.

URL      [本文引用: 1]     

[Wang Y L, Wang W K, Qian Y P, et al.2008.

Change characteristics and driving forces of base flow of Yellow River Basin

[J]. Journal of Natural Resources, 23(3): 479-486.]

URL      [本文引用: 1]     

[16] 徐磊磊, 刘敬林, 金昌杰, . 2011.

水文过程的基流分割方法研究进展

[J]. 应用生态学报, 22(11): 3073-3080.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

基流分割研究是水文学、生态水文学研究的重点和难点之一,一直以来在其概念与方法上都缺乏统一的标准.本文详细介绍了基于不同基流组成定义的基流分割理论,并分析了各基流分割方法的发展历程.对不同分割方法进行对比发现:直接分割法简单、适用,却有任意性;水量平衡法实施起来困难,但符合水文规律;时间序列分析法和同位素法能克服手工图解分割方法的主观性和随意性,可以快速有效地得到连续基流过程.近年来,水文模拟、数字滤波、同位素法成为基流分割的主要方法.

[Xu L L, Liu J L, Jin C J, et al.2011.

Baseflow separation methods in hydrological process research: A review

[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 22(11): 3073-3080.]

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

基流分割研究是水文学、生态水文学研究的重点和难点之一,一直以来在其概念与方法上都缺乏统一的标准.本文详细介绍了基于不同基流组成定义的基流分割理论,并分析了各基流分割方法的发展历程.对不同分割方法进行对比发现:直接分割法简单、适用,却有任意性;水量平衡法实施起来困难,但符合水文规律;时间序列分析法和同位素法能克服手工图解分割方法的主观性和随意性,可以快速有效地得到连续基流过程.近年来,水文模拟、数字滤波、同位素法成为基流分割的主要方法.
[17] 杨东, 王慧, 程军奇, . 2013.

近50年青海省气候变化特征及其与ENSO的关系

[J]. 生态环境学报, 22(4): 547-553.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5906.2013.04.001      URL      [本文引用: 1]      摘要

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)常引起大气环流的改变并导致气候的异常变动。研究区域气候变化与ENSO之间的相互关系,有助于了解区域水文等各要素的变化。文章基于1960-2010年青海省29个气象站点的降水、气温数据与表征ENSO的热带太平洋海表温度距平(SSTA)和南方涛动指数(S01)资料,通过气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、相关性检验和小波分析等方法,研究了1960--2010年青海省降水和气温的变化特征及其与ENSO的关系。结果表明,1960--2010年青海省气候趋向暖湿,且这种趋势在90年代后愈加显著。在整个时间段内,气候变化尤其是降水变化与ENSO有显著的关系。在ENSO的冷暖事件时间段内,青海省的降水与气温都与海表温度、南方涛动指数有显著的相关性。由小波分析得出,降水和气温可能都受海表温度的影响较大;ENSO事件对青海省气温变化的影响大于对青海降水的影响。

[Yang D, Wang H, Cheng J Q, et al.2013.

Climate change in Qinghai and its relationship with ENSO in the recent 50 years

[J]. Ecology and Environmental Sciences, 22(4): 547-553.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5906.2013.04.001      URL      [本文引用: 1]      摘要

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)常引起大气环流的改变并导致气候的异常变动。研究区域气候变化与ENSO之间的相互关系,有助于了解区域水文等各要素的变化。文章基于1960-2010年青海省29个气象站点的降水、气温数据与表征ENSO的热带太平洋海表温度距平(SSTA)和南方涛动指数(S01)资料,通过气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、相关性检验和小波分析等方法,研究了1960--2010年青海省降水和气温的变化特征及其与ENSO的关系。结果表明,1960--2010年青海省气候趋向暖湿,且这种趋势在90年代后愈加显著。在整个时间段内,气候变化尤其是降水变化与ENSO有显著的关系。在ENSO的冷暖事件时间段内,青海省的降水与气温都与海表温度、南方涛动指数有显著的相关性。由小波分析得出,降水和气温可能都受海表温度的影响较大;ENSO事件对青海省气温变化的影响大于对青海降水的影响。
[18] 张华, 张勃, 赵传燕. 2011.

黑河上游多年基流变化及其原因分析

[J]. 地理研究, 30(8): 1421-1430.

URL      Magsci      [本文引用: 2]      摘要

利用递归数字滤波法分割黑河上游主要水文站点的基流量,用移动平均、曼-肯德尔(Mann-Kendall)突变检验,小波分析方法分析研究区多年基流变化特点,并对基流影响因子进行分析。结果显示:黑河上游祁连、扎马什克、莺落峡三站多年平均基流指数均大于0.4;祁连与莺落峡多年基流量呈上升趋势,二者都在1979年发生增加到显著增加的突变。扎马什克基流波动较大,总体呈下降趋势;三站基流分别存在11年、6年、15年的明显变化周期。基流量变化主要受降水的影响。人类活动对基流的影响主要表现在造成黑河上游森林面积减少,使其补给调节基流的能力下降,从而使基流量减少且更易受气候变化的影响。黑河上游基流变化特征符合西北地区对全球气候变化的响应的一致性,同时也有其受到祁连山冰雪融水补给、山区特殊地形等影响,从而体现对全球气候变化响应的差异性。

[Zhang H, Zhang B, Zhao C Y.2011.

Annual base flow change and its causes in the upper reaches of Heihe River

[J]. Geographical Research, 30(8): 1421-1430.]

URL      Magsci      [本文引用: 2]      摘要

利用递归数字滤波法分割黑河上游主要水文站点的基流量,用移动平均、曼-肯德尔(Mann-Kendall)突变检验,小波分析方法分析研究区多年基流变化特点,并对基流影响因子进行分析。结果显示:黑河上游祁连、扎马什克、莺落峡三站多年平均基流指数均大于0.4;祁连与莺落峡多年基流量呈上升趋势,二者都在1979年发生增加到显著增加的突变。扎马什克基流波动较大,总体呈下降趋势;三站基流分别存在11年、6年、15年的明显变化周期。基流量变化主要受降水的影响。人类活动对基流的影响主要表现在造成黑河上游森林面积减少,使其补给调节基流的能力下降,从而使基流量减少且更易受气候变化的影响。黑河上游基流变化特征符合西北地区对全球气候变化的响应的一致性,同时也有其受到祁连山冰雪融水补给、山区特殊地形等影响,从而体现对全球气候变化响应的差异性。
[19] 张文娜, 刘志辉, 王荣军, . 2015.

数字滤波法在天山北坡军塘湖河流域流量基流分割中的应用

[J]. 干旱区研究, 32(1): 35-39.

https://doi.org/10.13866/j.azr.2015.01.06      URL      Magsci      [本文引用: 2]      摘要

基流不仅在水安全、非点源污染评价、水资源调查和评价、水资源优化配置中起着重要的作用,而且也是流域产汇流计算的重要研究内容之一。以军塘湖河流域为研究区,采用2009&mdash;2011年日径流量数据,运用最小平滑值法和数字滤波法分别对其进行基流分割。从分割后基流指数的稳定性,基流过程线的合理性来看,数字滤波法优于最小平滑值法,并且滤波参数[WTBX]&beta;[WTBZ]越大,次数越多,分割得到的基流越小。以最小平滑值法分割的结果为基准,结合军塘湖河流域特征,数字滤波法中参数[WTBX]&beta;[WTBZ]为0.85时,经过正&mdash;反&mdash;正3次滤波,估算的基流结果更能客观地反映实际状况。

[Zhang W N, Liu Z H, Wang R J, et al.2015.

Application of digital filtering theory in baseflow separation of Juntanghu River Watershed in northern slope of the Tianshan Mountains

[J]. Arid Zone Research, 32(1): 35-39.]

https://doi.org/10.13866/j.azr.2015.01.06      URL      Magsci      [本文引用: 2]      摘要

基流不仅在水安全、非点源污染评价、水资源调查和评价、水资源优化配置中起着重要的作用,而且也是流域产汇流计算的重要研究内容之一。以军塘湖河流域为研究区,采用2009&mdash;2011年日径流量数据,运用最小平滑值法和数字滤波法分别对其进行基流分割。从分割后基流指数的稳定性,基流过程线的合理性来看,数字滤波法优于最小平滑值法,并且滤波参数[WTBX]&beta;[WTBZ]越大,次数越多,分割得到的基流越小。以最小平滑值法分割的结果为基准,结合军塘湖河流域特征,数字滤波法中参数[WTBX]&beta;[WTBZ]为0.85时,经过正&mdash;反&mdash;正3次滤波,估算的基流结果更能客观地反映实际状况。
[20] Aksoy H, Kurt I, Eris E.2009.

Filtered smoothed minima baseflow separation method

[J]. Journal of Hydrology, 372(1-4): 94-101.

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2009.03.037      URL      [本文引用: 2]      摘要

The smoothed minima baseflow separation method of the United Kingdom Institute of Hydrology (UKIH) is coupled with the recursive digital filter (RDF) to develop the filtered smoothed minima baseflow separation (FUKIH) method in which the daily streamflow time series is first separated by the UKIH method and then filtered by the RDF. In the FUKIH method, the sharp peaks and troughs generated by linear interpolation in the UKIH method are removed and a smooth hydrograph representing the baseflow generating mechanisms is obtained. The application to daily streamflow time series from the Filyos river in the Western Black Sea region, Turkey, shows that the FUKIH baseflow sequence traces the UKIH method during the recession period of the hydrograph while it traces the RDF during the ascension. The FUKIH baseflow sequence has delayed peaks rather than peaks taking place right under the total streamflow peaks. This is plausible as it is known baseflow consists of delayed flow with longer time of concentration than the total streamflow hydrograph. A low-flow characteristic used in the comparison of baseflow separation methods, the ratio of the quantiles with exceedance probabilities of 90% and 50%, Q 90/ Q 50, is found to be the same for FUKIH and RDF. This suggests the FUKIH method is able to reproduce the results of the RDF method. The advantage of the FUKIH over the RDF is that it requires only one pass filtering in the forward direction instead of three (forward鈥揵ackward鈥揻orward filtering) in the RDF.
[21] Arnold J G, Allen P M, Muttiah R, et al.1995.

Automated base flow separation and recession analysis techniques

[J]. Ground Water, 33(6): 1010-1018.

https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1995.tb00046.x      URL      [本文引用: 1]      摘要

An automated base flow separation technique has been developed and tested. Base flow is considered to be the ground-water contribution to stream flow. Estimates of the amount of base flow can be derived from stream flow records. Such estimates are critical in the assessment of low flow characteristics of streams for use in water supply, water management, and pollution assessment. An automated base flow separation technique using a digital filter has been tested against three other automated techniques and manual separation methods. The filter appears to be comparable to other automated techniques in its ability to reproduce the results produced from graphical separation techiques. The filter technique is easy to use and has the added advantage in that it can be adjusted by the user to take into account personnel preferences in separation of stream flow into surface flow and base flow. The slope of the base flow recession has been used to estimate the volume of water in storage in the basin above the level of the stream channel, the amount of recharge to the shallow aquifer, and as an input into water budget models. A second automated technique was developed to calculate the slope of the base flow recession curve from stream flow record. This technique is an adaptation of the Master Recession Curve procedure. The results of this method were compared to manual estimates with an efficiency of 74 percent.
[22] Eckhardt K.2008.

A comparison of baseflow indices, which were calculated with seven different baseflow separation methods

[J]. Journal of Hydrology, 352(1-2): 168-173.

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.01.005      URL      摘要

Baseflow indices for 65 North American catchments are compared, which were calculated with seven different baseflow separation methods (HYSEP1, HYSEP2, HYSEP3, PART, BFLOW, UKIH, and Eckhardt). Since the true values of the baseflow index are unknown, it cannot be said, which one of the methods gives the best estimates. However, the results of the Eckhardt method appear to be hydrologically more plausible than those of the other algorithms. Furthermore, this algorithm can be applied to hydrographs of any time step length. A simple technique for assessing the recession constant – one of the parameters of the algorithm – is presented.
[23] Nathan R J, McMahon T A.1990.

Evaluation of automated techniques for base flow and recession analyses

[J]. Water Resources Research, 26(7): 1465-1473.

https://doi.org/10.1029/WR026i007p01465      URL      [本文引用: 2]      摘要

This paper presents an evaluation of several automated techniques concerned with base flow separation and recession analyses. Two base flow techniques were considered, one based on a digital filter and the other on simple smoothing and separation rules. A comparison between two commonly used techniques of recession analyses, the correlation method and the matching strip method, was also undertaken. The relative performances of the techniques were evaluated using the results obtained from the daily streamflow records of 186 catchments in southeastern Australia. The work described in this paper was undertaken within the general framework of defining the low-flow characteristics of small rural catchments, the overall objective being the development of a regional model for use on ungauged catchments.
[24] Rutledge A T.1998.

Computer programs for describing the recession of ground-water discharge and for estimating mean ground-water recharge and discharge from streamflow records-update[R].

U. S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 98-4148.

[本文引用: 1]     

[25] Sloto R A, Crouse M Y.1996.

HYSEP: A computer program for streamflow hydrograph separation and analysis[R].

U. S. Geological Survey, Water-Resources Investigations Report 96-4040.

[本文引用: 1]     

[26] Smakhtin V U.2001.

Estimating continuous monthly baseflow time series and their possible applications in the context of the ecological reserve

[J]. Water S A, 27(2): 213-218.

https://doi.org/10.4314/wsa.v27i2.4995      URL      摘要

The paper describes a simple technique for baseflow separation from continuous monthly streamflow records which are widely available in South Africa. The technique employs a digital filter algorithm, which has been previously used only with more detailed daily streamflow records. The example applications of the separation technique in three gauged catchments are illustrated and its possible applications in the context of groundwater and estuarine components of the ecological reserve determination are discussed. WaterSA Vol.27(2) 2001: 213-218
[27] Wahl K L, Wahl T L.1995.

Determining the flow of Comal Springs at New Braunfels, Texas[Z]. Texas Water'95. San Antonio, TX: American Society of

Civil Engineers.

[本文引用: 1]     

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