雷泳南，張曉萍，張建軍，劉二佳

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100;2.中國科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌712100)

河川基流是指由地下水補(bǔ)給河川的水量。在非汛期時(shí)，基流是河川徑流的主要組成部分。天然條件下，河川基流量穩(wěn)定，具有維持河川徑流、維護(hù)河流生態(tài)以及表生生態(tài)植被良性發(fā)展等多種功能，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)健康起著重要的作用［1］。近年來，在氣候變化和人類活動(dòng)的耦合作用下，黃河流域河川基流量大幅度減少，導(dǎo)致湖泊萎縮、濕地減少、草場(chǎng)退化及黃河斷流等一系列生態(tài)環(huán)境問題的頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重制約著流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)［2-5］。分析黃河河川基流的演變過程，認(rèn)識(shí)演變規(guī)律和影響因素，不僅有助于深入了解黃河流域水資源的特性，為合理開發(fā)利用水資源提供依據(jù)，同時(shí)也有利于水土保措施以及生態(tài)環(huán)境重建工程的合理布局。因此，河川基流已成為生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)之一［6-8］。

窟野河位于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)內(nèi)，是黃河河口鎮(zhèn)至龍門段右岸一條較大支流。流域地處干旱半干旱過渡帶，降水稀少且暴雨集中，地形支離破碎，植被稀疏，自然災(zāi)害頻繁，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，水土流失異常嚴(yán)重［9］。為遏制嚴(yán)重的水土流失，從建國初尤其是20世紀(jì)70年代開始，開展了大規(guī)模的水土流失綜合治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。同時(shí)，流域范圍內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，人類活動(dòng)頻繁［10］。大面積水土保持措施的實(shí)施和煤炭的開采，極大地改變了流域下墊面條件，產(chǎn)生了巨大的水文效應(yīng)。近年來，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，流域水資源供需矛盾日益突出，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷流現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到流域的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［11］。

目前對(duì)窟野河流域的研究不少，但大多數(shù)主要集中在徑流、泥沙以及水沙運(yùn)行規(guī)律［9-11］，關(guān)于對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)健康具有極其重要意義的河川基流卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。鑒于此，本文選取窟野河流域最大控制站溫家川水文站實(shí)測(cè)日徑流數(shù)據(jù)和流域氣象資料，采用國內(nèi)外常用的Chapman-Maxwell數(shù)字濾波法進(jìn)行河川基流的計(jì)算，分析流域河川基流變化趨勢(shì)與演變特征，從氣候變化和人類活動(dòng)兩方面探討了河川基流量變化的驅(qū)動(dòng)因素，為流域水資源持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

窟野河流域位于陜西與內(nèi)蒙古交界處鄂爾多斯臺(tái)地毛烏素沙漠邊緣(圖1)。河流發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝市巴定溝，流向東南，在神木縣賀家川鎮(zhèn)沙峁頭村匯入黃河［12］。干流全長(zhǎng)242 km，流域面積8 706 km2。屬于干旱或半干旱氣候，多年平均降水量410 mm，年內(nèi)降水的70%—80%集中在6—9月，且多暴雨。流域上游為風(fēng)沙地貌，以固定、半固定沙丘為主，地勢(shì)平坦，植被稀疏。流域中下游以蓋沙丘陵和黃土丘陵溝壑地貌為主，溝壑縱橫、梁峁起伏，溝深坡陡，地形破碎，水土流失嚴(yán)重，輸沙模數(shù)12 261.4 t/km2。為了遏制嚴(yán)重的水土流失，流域從20世紀(jì)50年代開始開展大規(guī)模的水土流失綜合治理，這些項(xiàng)目主要包括造林與種草等生物措施，梯田與壩地等工程措施，具體如表1所示。

表1 流域內(nèi)各水土保持措施累積面積Table 1 Accumulative area by the soil conservation measures in the study catchment

流域內(nèi)的沙漠草原主要分布第四季風(fēng)積、沖積、湖積粉細(xì)沙夾砂土、亞粘土孔隙潛水，含水層厚度一般為15—100m，水位埋深較淺，一般埋深10m左右，地下水主要以降水入滲補(bǔ)給為主，以向河水排泄為主［4］。溫家川水文站是流域最大控制站，其控制面積8 645 km2，多年平均徑流深65.8 mm，多年平均基流深24.7 mm，占年總徑流量的38%(圖2)。

窟野河流域范圍是我國重要的能源化工基地。流域于1978年開始開采煤炭，在20世紀(jì)80年代年均開采煤炭量約為2.9×105t，20世紀(jì)90年代上升到5.2×106t，21世紀(jì)前5a年均采煤量迅速增加到5.4×107t［10］。煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使流域水資源供需矛盾日益突顯，甚至出現(xiàn)枯水期斷流現(xiàn)象［11］。

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

圖2 流域月降水量與基流量的分配狀況Fig．2 Distribution of monthly precipitation and base flow in the catchment

圖1 窟野河流域概況圖Fig．1 Location of the Kuye catchment

溫家川水文站1959—2005年實(shí)測(cè)日徑流資料，來自于黃河中游水文站整編資料。采用Chapman-Maxwell濾波法［15-16］對(duì)日徑流量進(jìn)行基流分割得到日基流量，由此按時(shí)間累計(jì)到年、月基流量。數(shù)據(jù)處理過程中，采用基流深(mm)概念，即將站點(diǎn)年(月)基流量除以控制面積，實(shí)際上反映了單位面積的基流量變化。流域氣象資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，利用Kriging空間插值后進(jìn)行面積加權(quán)平均得到流域面平均降水量［13］，使用流域面平均降水量來進(jìn)行降水量分析;根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算流域潛在蒸散發(fā)面平均值［14］，使用流域潛在蒸散發(fā)面平均值進(jìn)行潛在蒸散發(fā)分析。流域內(nèi)煤炭開采資料和水土保持措施面積資料分別來源于文獻(xiàn)［10，17］，具體見圖3。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 Chapman-Maxwell數(shù)字濾波法

數(shù)字濾波法是近年來國際上應(yīng)用廣泛的基流分割方法，它的原理是通過數(shù)字濾波器將信號(hào)分解為高頻和低頻，對(duì)應(yīng)地將徑流過程劃分為地表徑流和基流［15］。與傳統(tǒng)手工作圖法相比，數(shù)字濾波法具有客觀性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快等特點(diǎn)，在實(shí)踐中已得到了廣泛應(yīng)用。

研究中采用Chapman-Maxwell數(shù)字濾波法分割徑流得到流域河川基流［15-16］。該方法由Chapman和Maxwell于1996年提出，假定某時(shí)刻的基流為該時(shí)刻的地表徑流和前一時(shí)刻基流的加權(quán)平均，即:

根據(jù)徑流由地表徑流和基流組成，即:

將式(2)代入式(1)消去地表徑流得到基流分割方程，即:

式中，q(i)為第i時(shí)刻的徑流量，m3/s;qf(i)為第i時(shí)刻的地表徑流量，m3/s;qb(i)為第i時(shí)刻的基流量，m3/s;k為退水系數(shù)，一般情況下，k取值為0.95。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其具有不受少數(shù)異常值干擾，不受數(shù)據(jù)分布特征影響的特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于氣象和水文時(shí)間序列的變化趨勢(shì)分析。文獻(xiàn)［18］對(duì)該方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。研究中利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)流域年基流量和氣象要素的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2.2.3 Pettitt檢驗(yàn)法

Pettitt檢驗(yàn)法是1979年提出的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，與Mann-Kendall檢驗(yàn)方法相結(jié)合進(jìn)行水文、氣象要素趨勢(shì)分析及突變時(shí)間確定，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用［19］。研究中利用Pettitt檢驗(yàn)法對(duì)流域年基流量和氣象要素的突變時(shí)間進(jìn)行分析。

圖3 流域年基流量、水土保持治理面積和采煤量Fig．3 Annual base flow，the area of treated by soil conservation measures and coal mining in the catchment

2.2.4 雙累積曲線法

雙累積曲線方法是目前分析水文氣象要素一致性或長(zhǎng)期變化趨勢(shì)方法中最簡(jiǎn)單、最直觀的方法［20］。它的理論基礎(chǔ)是在相同時(shí)間段內(nèi)，對(duì)于一個(gè)事件只要給的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正比關(guān)系，那么兩個(gè)變量各自的累積值可在直角坐標(biāo)系上表示為一條直線，其斜率為兩變量對(duì)應(yīng)的比例常數(shù)，當(dāng)直線的斜率發(fā)生突變時(shí)，表明兩個(gè)變量之間的比例常數(shù)發(fā)生了改變，那么斜率發(fā)生突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的年份就是這兩個(gè)累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時(shí)間。研究中利用年降水量與基流量的雙累積曲線來分析流域基流量的突變點(diǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證Pettitt方法檢驗(yàn)的突變點(diǎn)。

2.2.5 歷時(shí)曲線法

流域的流量歷時(shí)曲線(FDC)是一種頻率累積曲線，可以表示給定時(shí)段內(nèi)大于或等于某一流量的流量持續(xù)時(shí)間，能充分反映從豐水期、平水期到枯水期各流量狀態(tài)下流域的徑流特征［21］。近年來，流域歷時(shí)曲線法被廣泛應(yīng)用于流域時(shí)段水文情勢(shì)特征分析。研究中設(shè)流域基流歷時(shí)曲線累積頻率為5%、50%、95%分別代表豐水期、平水期和枯水期，分析流域河川基流在不同時(shí)段相同頻率上變化差異，揭示流域人類活動(dòng)引起的地表下墊面變化對(duì)流域河川基流的影響。

3 窟野河流域基流量變化分析

3.1 基流量年際變化趨勢(shì)及躍變時(shí)間

流域全年、春、夏、秋、冬及汛期和非汛期7個(gè)時(shí)段基流量均表現(xiàn)出0.001水平的極顯著減少趨勢(shì)，如表2所示。全年趨勢(shì)變化斜率達(dá)-0.628 mm/a，四季中夏季基流量下降趨勢(shì)最大，為-0.212 mm/a，其次為秋季、春季和冬季，分別為-0.196、-0.162、-0.050 mm/a。汛期內(nèi)流域河川基流量減少程度是非汛期的1.6倍，達(dá)到-0.367 mm/a。

從表2可以看出，流域7個(gè)時(shí)段基流量在統(tǒng)計(jì)上均具有躍變性質(zhì)，躍變時(shí)間出現(xiàn)在1979年到1988年間，除夏季出現(xiàn)0.01的顯著水平外，其余各時(shí)段均達(dá)到了0.001的極顯著性。圖4是利用Pettitt檢驗(yàn)法對(duì)流域全年基流量的突變時(shí)間進(jìn)行判斷，結(jié)果表明突變時(shí)間發(fā)生在1980年，這與張曉萍等［13］在該區(qū)對(duì)徑流突變時(shí)間研究結(jié)論基本一致。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證流域全年基流量的突變時(shí)間，研究中同時(shí)利用年降水量和年基流量的雙累積曲線進(jìn)行突變檢驗(yàn)，如圖5所示。從圖5可以看出，流域全年基流量在1980年和1996年發(fā)生兩次突變，前者與流域在20世紀(jì)七八十年代大規(guī)模開展水土流失治理，尤其是大量修建水利水保工程有關(guān);后者與流域內(nèi)煤礦開采量大幅度增加，破壞含水層，漏失地下水資源，造成地下水對(duì)基流的補(bǔ)給量減少，進(jìn)而導(dǎo)致河川基流量的大量衰減。

表2 流域基流Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of trend tests for baseflow variables by Mann-Kendall in catchment

圖4 流域年基流量突變點(diǎn)檢驗(yàn)Fig．4 Pettitt's test for detecting a change point in annual base flow of total year period

圖5 流域年基流深和降水量的雙累積曲線Fig．5 The double mass curve of cumulative annual precipitation and annual base flow depth in catchment

3.2 基流量變化程度

基于上述Pettitt檢驗(yàn)和雙累積曲線檢驗(yàn)的基流量突變時(shí)間為界，將研究中的水文序列劃為3個(gè)階段，即基準(zhǔn)期(1959—1979年)、水土保持效應(yīng)期(1980—1995年)和煤炭開發(fā)期(1996—2005年)。與基準(zhǔn)期相比，流域日基流量在水土保持效應(yīng)期和煤炭開發(fā)期內(nèi)7時(shí)段豐水(5%)、平水(50%)和枯水(95%)時(shí)的變化量，如圖6和表3所示。

從圖6中可以看出，與基準(zhǔn)期相比，水土保持效應(yīng)期日基流量在5%頻率減少30%，20%—80%頻率普遍減少35%—40%，95%頻率減少54%;煤炭開發(fā)期日基流量在5%頻率減少57%，20%—80%頻率普遍減少65%—70%，95%頻率減少100%。相比基準(zhǔn)期，水土保持效應(yīng)期和煤炭開發(fā)期日基流量平均相對(duì)減少分別為36.3%和66.1%。

圖6 流域3個(gè)時(shí)期日基流歷時(shí)曲線和相對(duì)變化率Fig．6 Daily base flow curves in stage1 from 1959 to 1979，stage 2 from 1980 to 1995 and stage3 from 1996 to 2005 for total year period and the relative changes compared to stage1 in catchment

表3 流域7個(gè)時(shí)段日基流量在豐、平、枯水時(shí)期的相對(duì)變化率Table 3 The relative changes represented by daily base flow curves in high，midean and low flows in 7 time series in study catchment

其余6個(gè)時(shí)段的相對(duì)減少量差異很大，總體上看，煤炭開發(fā)期的日基流量減少量是后期的2倍(表3)。與基準(zhǔn)期相比，水土保持效應(yīng)期日基流量在5%頻率減少20%—30%，50%頻率減少30%—40%，95%頻率減少15%—100%;煤炭開發(fā)期日基流量在5%頻率減少50%—65%，50%頻率減少60%—75%，95%頻率減少50%—100%。

為了進(jìn)一步分析流域日基流量的變化特性，統(tǒng)計(jì)了基準(zhǔn)期、水土保持效應(yīng)期和煤炭開發(fā)期3個(gè)時(shí)期流域7個(gè)時(shí)段基流量的豐水指數(shù)(Qb5/Qb50)和枯水指數(shù)(Qb95/Qb50)，如表4所示。從表4可以看出，流域7個(gè)時(shí)段基流量從基準(zhǔn)期到水土保持效應(yīng)期再到煤炭開發(fā)期總體呈現(xiàn)豐水指數(shù)增大，枯水指數(shù)減小的變化特征，表明流域內(nèi)常水徑流及枯水徑流減少的比重較大。

表4 流域7個(gè)時(shí)段的豐水指數(shù)和枯水指數(shù)Table4 The high-flow indices and low-flow indices in 7 time stages in catchment

4 窟野河流域基流演變驅(qū)動(dòng)因素分析

自然條件和人為因素都會(huì)引起流域水文發(fā)生效應(yīng)變化，成為分析流域河川基流演變的兩大重要原因。從短時(shí)間尺度來看，流域地質(zhì)地貌、土壤性質(zhì)及地面組成物質(zhì)等自然條件幾乎不會(huì)有變化，但流域河川基流量卻呈現(xiàn)極顯著減少趨勢(shì)，顯然，這種趨勢(shì)變化與流域氣候變化和人類活動(dòng)有著重要的關(guān)系。本文中氣候變化主要分析流域降水量和潛在蒸散發(fā)兩個(gè)因素。

4.1 氣候變化

降水是地表徑流的本源，也是地下水的主要補(bǔ)給源。自然狀況下，流域基流數(shù)量及時(shí)間分布與降水存在著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系［22］。尤其是在干旱半干旱地區(qū)，降水的微弱變化都會(huì)反映到徑流情勢(shì)中。流域內(nèi)3個(gè)時(shí)期年降水量與年基流量的統(tǒng)計(jì)值，如表5所示。

表5 流域3個(gè)時(shí)期年降水量與基流量的統(tǒng)計(jì)值Table 5 The statistic of annual precipitation and base flow in the three periods in catchments

從表5可以看出，窟野河流域基流量與降水量的變化具有同步性。3個(gè)時(shí)期(基準(zhǔn)期、水土保持效應(yīng)期和煤炭開發(fā)期)基流量的多年平均降雨量分別為413.10 mm、373.03 mm和358.31 mm，多年平均基流量分別為33.61 mm、21.43 mm和11.43 mm，與基準(zhǔn)期相比，水土保持期和煤炭開發(fā)期的降水量分別減少40.07 mm和54.79 mm，相對(duì)減少率分別為9.70%和13.26%，基流量分別減少12.18 mm和22.18 mm，相對(duì)減少率分別為36.23%和66.00%，一定程度上反映了流域基流量隨著降水量的減少而減少。

表6 流域降水量和潛在蒸散發(fā)變化趨勢(shì)及躍變時(shí)間檢驗(yàn)Table 6 Analysis of precipitation and PE using the Mann-Kendall and Pettitt test

同時(shí)利用Mann-Kendall檢驗(yàn)和Pettitt檢驗(yàn)對(duì)流域年降水量及潛在蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表6。從表6可以看出，流域降水量呈現(xiàn)微弱的減少趨勢(shì)，但并未達(dá)到顯著性，降水序列中不存在突變點(diǎn)。

潛在蒸散發(fā)雖然不能代表流域內(nèi)的實(shí)際蒸散發(fā)，但在一定程度上反映了流域內(nèi)氣象要素的變化，對(duì)流域水循環(huán)有著重要的影響［14］。窟野河流域內(nèi)的潛在蒸散發(fā)呈現(xiàn)極顯著的減少趨勢(shì)，并在1981年發(fā)生突變(表6)?？梢?，流域潛在蒸散發(fā)對(duì)河川基流量減少的影響不大。

4.2 人為因素

地下水作為河川基流的主要補(bǔ)給源，其時(shí)空分布狀況對(duì)基流的補(bǔ)給和消耗過程有著深刻的影響?？咭昂恿饔虻靥幐珊等彼貐^(qū)，長(zhǎng)期以來，地下水是維持流域人類生產(chǎn)生活的主要水源之一［1］。隨著流域工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，集中連片開采地下水及沿河灌溉取水等人類活動(dòng)日益頻繁。這些人類活動(dòng)，改變局部地下水的時(shí)空分布和水循環(huán)過程，對(duì)河川基流量的演變起到了巨大的影響。

4.2.1 煤礦等資源開采對(duì)基流的影響

煤礦開采是造成窟野河流域河川基流量大量衰減的最主要因素［10，23-24］。相關(guān)部門探測(cè)查明，在內(nèi)蒙古南部與陜西北部接壤地帶，蘊(yùn)藏著豐富的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，其中90%近期重點(diǎn)開采的礦區(qū)面積位于窟野河流域［23］。從1978年開始開采煤炭尤其是20世紀(jì)90年后期以來，煤炭資源開采量大幅度增加。由于流域風(fēng)沙地區(qū)內(nèi)的河流40%—70%流量來源于地下水補(bǔ)給，且含水層埋藏淺，位于煤層之上，大量煤炭連片開采，破壞地下含水層，漏失地下水，導(dǎo)致補(bǔ)給河川基流的地下水不斷減少［1］。

大柳塔煤礦是流域內(nèi)一座特大型現(xiàn)代化礦井，煤炭開采前，地下水原始流場(chǎng)為以母河溝泉為中心的自流盆地，隨著開采面積和強(qiáng)度的加大，地下水位迅速下降，幅度達(dá)10—12 m，最終穩(wěn)定在基巖界面附近，同時(shí)礦區(qū)地下水位等高線向采空區(qū)一側(cè)傾斜，并形成了以采空區(qū)為中心的降落漏斗［23］。雙溝支流是窟野河上游烏蘭木倫河的一條支流，多年平均流量7 344 m3/d，煤炭開采后，該支流出現(xiàn)斷流，泉眼干枯［23-24］。據(jù)神木縣水利局資料，2000年窟野河斷流75 d，2001年創(chuàng)歷史斷流最長(zhǎng)記錄，達(dá)106 d。近年來，隨著流域上游煤炭開采量大幅度增加，窟野河斷流現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。

4.2.2 地下水過量開采及不合理的開發(fā)利用

流域河川基流量減少的另一個(gè)原因是流域內(nèi)地下水開采量和非汛期灌溉引水量的增加。地下水開采與河川基流都是流域內(nèi)地下水排泄方式的表現(xiàn)，在總量一定的條件，地下水開采增大，地下水側(cè)向排泄量相應(yīng)減少，進(jìn)而削減河川基流量［1］。在流域內(nèi)的沙漠草原區(qū)一帶，井灌面積不斷擴(kuò)大，地下水開采量大量增加，部分地區(qū)地下水位下降1—2 m，造成補(bǔ)給該地區(qū)河川基流的地下水量減少［4］。另一方面，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高耗水工業(yè)的也隨之增多，用水量大幅度增加，地下水開采和傍河取水等活動(dòng)頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明［24-25］，該區(qū)工業(yè)的水資源利用水平極低，萬元產(chǎn)值耗水達(dá)964 m3，遠(yuǎn)低于我國平均水平，水的重復(fù)利用率幾乎為零;農(nóng)業(yè)灌渠水資源的有效利用率只有20%左右?？梢姡饔騼?nèi)地下水資源過量開采及不合理利用導(dǎo)致補(bǔ)給河川徑流的地下水不斷減少，最終削減了河川基流量。

4.2.3 水利工程對(duì)基流的影響

窟野河流域內(nèi)的水利工程主要包括水庫、塘壩、溝渠等，這些水利工程的修建和使用，改變了流域下墊面狀況，影響流域水量平衡，進(jìn)而導(dǎo)致河川基流量在時(shí)空分配上的變化。據(jù)神木縣志記載，到20世紀(jì)80年代末，該縣已建成灌溉渠道總長(zhǎng)約168 km，抽水站500多處，總灌溉面積146 km2;水庫57座，池塘148個(gè)，總?cè)萘拷?500萬m3;人畜飲水工程66處，解決大量的人、畜飲水問題?？咭昂恿饔蛟?0年代開始修建壩庫，至1988年現(xiàn)存壩庫844座，其中有662座修建于70年代［12］。大規(guī)模的水利工程措施改變了流域下墊面水循環(huán)狀況，20世紀(jì)70年代末和80年代初期凸顯了其水文效應(yīng)［26］。流域內(nèi)的水利工程建設(shè)對(duì)河川基流量的衰減有著一定程度的影響。

圖7 流域水保面積比值與基流指數(shù)關(guān)系圖Fig．7 The Ratio of Soil Conservation Measures Area and Base flow Index

4.2.4 水土保持對(duì)基流的影響

從建國之初尤其是20世紀(jì)70—80年代，黃土高原開展了大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水土流失綜合治理。這些水土保持措施的實(shí)施，攔截部分降水入滲補(bǔ)給地下水，增加河川基流量。但基流量的大小主要取決于流域降水量的大小，水土保持措施對(duì)基流的影響主要表現(xiàn)在流域基流量占總徑流量比例(即基流指數(shù))的變化［22］。由圖7可知，隨著流域水土保持面積占流域面積比值的增加，基流指數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。為了更直觀地解釋這個(gè)問題，圖8給出了流域年基流指數(shù)與年徑流量過程線，從圖中可以看出，流域年徑流量呈極顯著減少趨勢(shì)，但年基流指數(shù)基本保持穩(wěn)定，甚至在1996年后基流指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。1980年后年基流指數(shù)與年徑流量在圖上基本表現(xiàn)為對(duì)稱性分布關(guān)系，即年徑流量越小，年基流指數(shù)越大。這反映了水土保持措施對(duì)不同強(qiáng)度降水量的攔截作用，降水量強(qiáng)度較小時(shí)攔水作用明顯，地表產(chǎn)流少，利于下滲，相應(yīng)的基流指數(shù)較大;反之，基流指數(shù)較低［22］。

綜合以上分析，窟野河流域河川基流量減少是氣候變化和人類活動(dòng)共同影響的結(jié)果。其中降水量的變化一定程度上影響了流域河川基流量。對(duì)流域內(nèi)的人類活動(dòng)各因素的分析可以看出，流域內(nèi)大面積連片開采煤炭資源是流域河川基流量減少最為主要的因素，其次是過量開發(fā)利用地下水，水利工程建設(shè)的作用也是不可忽視。雖然流域內(nèi)開展的水土保持綜合治理，改變了流域下墊面狀況，增加了部分降水的入滲，對(duì)河川基流增加起到了正效應(yīng)，但在降水量變化和煤炭開采、地下水開發(fā)及水利工程等人類活動(dòng)的綜合效應(yīng)下，流域河川基流量還是呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

圖8 窟野河流域標(biāo)準(zhǔn)化年基流量與年基流指數(shù)過程線Fig．8 The Standardized Annual Base flow and Base flow Index Process Line in Study Catchments

5 結(jié)論

(1)近50年來，流域內(nèi)7個(gè)時(shí)段(全年;春季、夏季、秋季、冬季;汛期和非汛期)的基流量均表現(xiàn)為極顯著減少趨勢(shì)。全年基流量的減少量為0.628 mm/a;四季中夏季減少量最大為0.212 mm/a，冬季最小為0.050 mm/a;汛期基流量減少程度是非汛期的1.6倍，達(dá)到-0.367 mm/a。流域內(nèi)全年基流量在1980和1996年發(fā)生兩次明顯的突變。

(2)歷時(shí)曲線分析表明，與基準(zhǔn)期(1959—1979年)相比，水土保持效應(yīng)期(1980—1995年)的全年日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對(duì)減少率分別為30%，38%和54%，煤炭開發(fā)期(1996—2005年)的日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對(duì)減少率分別為57%，68%和100%。其余6個(gè)時(shí)段(春季、夏季、秋季、冬季;汛期和非汛期)的相對(duì)減少量差異很大，與基準(zhǔn)期(1959—1979年)相比，水土保持效應(yīng)期(1980—1995年)各時(shí)段日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對(duì)減少率分別為20%—30%，30%—40%和15%—100%，煤炭開發(fā)期(1996—2005年)各時(shí)段日基流量在5%，50%和95%的頻率上相對(duì)減少率分別為50%—65%，60%—75%和50%—100%。

(3)近50年來，窟野河流域河川基流量減少是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，但主要驅(qū)動(dòng)因素是流域內(nèi)大面積連片開采煤炭資源和過量開發(fā)利用地下水。在流域降水量不顯著減少和潛在蒸散發(fā)極顯著減少的背景下，如何定量區(qū)分各因素對(duì)流域河川基流量變化的影響，有待深入分析。

致謝:黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院蔣曉輝博士對(duì)資料收集提供幫助，特此致謝。

［1］Wang Y L，Wang W K，Qian Y P，Duan L，Yang Z Y.Change characteristics and driving forces of base flow of yellow river basin.Journal of Natural Resources，2008，23(3):479-486.

［2］Liu C M，Cheng L.Analysis on runoff series with special reference to drying up courses of lower Huanghe river.Acta Geographica Sinica，2000，55(3):257-265.

［3］Liu C M，Zhang X C.Causal analysis on actual water flow reduction in the mainstream of the yellow river.Acta Geographica Sinica.2004，59(3):323-330.

［4］Qian Y P，Jiang X H，Jin SY，Zhang PD.Analysis on the characteristic and variation of bade flow in loess plateau of the middle reaches of Huanghe river.Journal of Earth Sciences and Environment，2004，26(2):88-91.

［5］Liang SH，Xu D W，Wan L，Chen J，Zhang J F.Periodic regularity of the headwater region of the yellow river affecting factors.Earth Science Frontiers(China University of Geosciences，Beijing;Peking University，2008，15(4):280-289.

［6］Zuo H F，Wu SL，Shao JL，Cui Y L.Application of computerized base-flow separation method with BFI program in mountainous areas.Journal of China Hydrology，2007，27(1):69-71.

［7］Lin Q C，Li H E.Influence and guarantee on ecological basic flow of Weihe river from Baojixia water diversion.Journal of Arid Land Resources and Environment，2010，24(11):114-119.

［8］Dou L，Huang M B.Applied study of baseflow separation methods in watersheds of loess plateau.Bulletin of Soil and Water Conservation，2010，30(3):107-111.

［9］Fan N N，Xue X N，Analysis on sediment movement characters in the Kuye River.Journal of Sediment Research，2010，35(2):75-80.

［10］Jiang X H，Gu X W，He H M.The influence of coal mining on water resources in the river basin.Journal of Natural Resources，2010，25(2):300-307.

［11］Wang X J，Cai H J，Zhang X，Wang J，Liu H Y.Analysis on the seasonal drying-up causes of Kuye river，Resources Science，2008，30(3):475-480.

［12］Jiao E Z.Analysis on the trend of streamflow and sediment in Kuye river//Wang G，F(xiàn)an Z.Study on the change of streamflow and sediment in yellow river(volume 1，book 2).Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press.2002:538-550.

［13］Zhang X P，Zhang L，Wang Y，Mu X M.Tempo-spatially responses of the annual streamflow to LUCC in the middle reaches of yellow river，China.Science of Soil and Water Conservation，2009，7(1):19-26.

［14］Liu C M，Zhang D.Temporal and spatial change analysis of the sensitivity of potential evaportranspiration to meteorological influencing factors in China.Acta Geographica Sinica，2011，66(5):579-588.

［15］Chapman T G，Maxwell A I.Baseflow separation-comparison of numerical methods with tracer experiments.Institute Engineers Australia National Conference.Camberra:Institute of Engineers Australia，1996，05:539-545

［16］Lei Y N，Zhang X P，Zhang JJ，Liu E J，Zhang Q Y，Chen N.Suitability analysis of automatic base flow separation methods in typical watersheds of water-wind erosion crisscross region on the Loess Plateau，China.Science of Soil and Water Conservation，201，9(6):57-64.

［17］Ran D C，Liu L W，Zhao L Y.The change of soil and water conservation，streamflow and sediment in Hekou-Longmen region in middle reaches of yellow river.Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press.2000:62-83.

［18］Gan T.Hydroclimatic trends and possible climatic warming in the Canadian prairies.Water Resources Research，1998，34(11):3009-3015.

［19］Pettitt A N.A non-parametric approach to the change-point problem.Applied Statistics，1979，28(2):126-135.

［20］Mu X M，Zhang X Q，Gao P，Wang F.Theory of double mass curves and its applications in hydrology and meteorology.Journal of China Hydrology，2010，30(4):47-51.

［21］Vogel R M，F(xiàn)ennessey N.Flow-duration curves.Ⅰ:New interpretation and confidence intervals.Journal of Water Resources Planning and Management，1994，120(4):485-450.

［22］Lin X Y，Wang JS.Study on groundwater resources of the yellow river basin and its update ability.Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press.2006:43-49.

［23］Wang SM，F(xiàn)an L M.Discussion on continuable development of Jurassic coalfields in northern Shaanxi//Wang SM.Coal geology and sustainable development research.Xi'an:Shaanxi Science and Technology Press，2002:1-7.

［24］Fan L M.Consideration and countermeasure on water interception of Kuye river 1stlevel branch in middle reaches of yellow river.Ground water，2004，26(4):236-237，241.

［25］Huo Y G.Policy solution of China water problems.Xi'an:Shaanxi People Press，2000:275-276.

［26］Jing K，Zheng F L.Effects of soil and water conservation on surface water resource on the Loess Plateau.Research of Soil and Water Conservation，2004，11(4):11-12，73.

參考文獻(xiàn):

［1］ 王雁林，王文科，錢云平，段磊，楊澤元.黃河河川基流量演化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因子探討.自然資源學(xué)報(bào)，2008，23(3):479-486.

［2］ 劉昌明，成立.黃河干流下游斷流的徑流序列分析.地理學(xué)報(bào)，2000，55(3):257-265.

［3］ 劉昌明，張學(xué)成.黃河干流實(shí)際來水量不斷減少的成因分析.地理學(xué)報(bào)，2004，59(3):323-330.

［4］ 錢云平，蔣秀華，金雙彥，張培德.黃河中游黃土高原區(qū)河川基流特點(diǎn)及變化分析.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004.26(2):88-91.

［5］ 梁四海，徐德偉，萬力，陳江，張建鋒.黃河源區(qū)基流量的變化規(guī)律及影響因素.地學(xué)前緣，2008，15(4):280-289.

［6］ 左海鳳，武淑林，邵景力，崔亞莉.山丘區(qū)河川基流BFI程序分割方法的運(yùn)用與分析——以汾河流域河岔水文站為例.水文，2007，27(1):69-71.

［7］ 林啟才，李懷恩.寶雞峽引水對(duì)渭河生態(tài)基流的影響及其保障研究.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24(11):114-119.

［8］ 豆林，黃明斌.自動(dòng)基流分割方法在黃土區(qū)流域的應(yīng)用研究.水土保持通報(bào)，2010，30(3):107-111.

［9］ 范念念，薛小妮.窟野河泥沙輸移與沖淤特征分析.泥沙研究，2010，35(2):75-80.

［10］ 蔣曉輝，谷曉偉，何宏謀.窟野河流域煤炭開采對(duì)水循環(huán)的影響研究.自然資源學(xué)報(bào)，2010，25(2):300-307.

［11］ 王小軍，蔡煥杰，張?chǎng)?，王健，劉紅英，翟俊峰.窟野河季節(jié)性斷流及其成因分析.資源科學(xué)，2008，30(3):475-480.

［12］ 焦恩澤.窟野河水沙變化趨勢(shì)初步分析//汪崗，范昭.黃河水沙變化研究第1卷(下冊(cè)).鄭州:黃河水利出版社.2002:538-550.

［13］ 張曉萍，張櫓，王勇，穆興民.黃河中游地區(qū)年徑流對(duì)土地利用變化時(shí)空響應(yīng)分析.中國水土保持科學(xué)，2009，7(1):19-26.

［14］ 劉昌明，張丹.中國地表潛在蒸散發(fā)敏感性的時(shí)空變化特征分析.地理學(xué)報(bào)，2011，66(5):579-588.

［16］ 雷泳南，張曉萍，張建軍，劉二佳，張慶印，陳妮.自動(dòng)基流分割法在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)典型流域適用性分析.中國水土保持科學(xué)，2011，9(6):57-64.

［17］ 冉大川，柳林旺，趙力儀.黃河中游河口至龍門區(qū)間水土保持與水沙變化.鄭州:黃河水利出版社.2000:62-83.

［20］ 穆興民，張秀勤，高鵬，王飛.雙累積曲線方法理論及在水文氣象領(lǐng)域應(yīng)用中應(yīng)注意的問題.水文，2010，30(4):47-51.

［22］ 林學(xué)鈺，王金生.黃河流域地下水資源及其可更新能力研究.鄭州:黃河水利出版社.2006:43-49.

［23］ 王雙明，范立民.論陜北侏羅紀(jì)煤田開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展問題//王雙明.煤田地質(zhì)與可持續(xù)發(fā)展研究.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社.2002:1-7.

［24］ 范立民.黃河中游一級(jí)支流窟野河斷流的反思與對(duì)策.地下水，2004，26(4):236-237，241.

［25］ 霍有光.策解中國水問題.西安:陜西人民出版社，2000，275-276.

［26］ 景可，鄭粉莉.黃土高原水土保持對(duì)地表水資源的影響.水土保持研究，2004，11(4):11-12，73.