摘要：基流是枯水期河川徑流的主要來(lái)源，穩(wěn)定可靠的基流分割方法對(duì)基流研究具有重要作用。本文選取沙段站、復(fù)興堡站1964-2012年逐日流量資料，采用水文頻率分析的方法劃分了豐平枯水年份。利用HYSEP法（固定步長(zhǎng)法、滑動(dòng)步長(zhǎng)法、局部最小值法）對(duì)逐日流量和典型年的資料進(jìn)行基流分割。

關(guān)鍵詞：基流分割;時(shí)空分布：HYSEP法

1 引言

基流也叫底水，是地下水和其他延遲的水資源補(bǔ)給河川徑流的部分水量，是枯水期河流的主要補(bǔ)給來(lái)源。其作為維持河流生態(tài)流量的基流量，是流域水文模擬產(chǎn)、匯流計(jì)算的重要研究?jī)?nèi)容之一，在流域水資源開發(fā)利用、優(yōu)化配置及生態(tài)環(huán)境保護(hù)中具有實(shí)際指導(dǎo)性的意義[1]。近年來(lái)，全球水資源問(wèn)題日益突出，作為枯水徑流的重要特征，基流逐漸成為水文學(xué)研究的熱點(diǎn)。基流作為重要的生態(tài)水文特征，其變化是對(duì)全球變化的重要響應(yīng)[2]。研究基流的基礎(chǔ)在于基流分割，采用合理的基流分割方法可以提高基流測(cè)值的精確度，對(duì)于基流的研究具有重要意義。

本次采用HYSEP法進(jìn)行基流分割，分析其在水利工程前后的變化，并對(duì)南北地區(qū)兩個(gè)不同流域在水利工程前后的變化進(jìn)行比較分析，從而得出不同氣候條件下水利工程對(duì)基流的影響效果。

本研究以沙段站、復(fù)興堡站為研究對(duì)象，選取HYSEP法分割實(shí)測(cè)日徑流資料，估算流域河川基流量，分析流域河川基流的變化特征，探究南北典型小流域分割結(jié)果在基流指數(shù)、徑流過(guò)程線和年基流量三方面的差異，為流域基流分割方法的選擇提供合理的建議。

本文的研究?jī)?nèi)容為收集研究區(qū)——浙江始豐溪河流域沙段站、遼寧細(xì)河流域復(fù)興堡站的氣象水文資料，分析其降水、徑流統(tǒng)計(jì)特征;對(duì)比國(guó)內(nèi)外有關(guān)基流分割的不同方法特點(diǎn)和適用條件，選定HYSEP法用于兩站徑流分割;學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外有關(guān)方法對(duì)比的研究成果，總結(jié)對(duì)比研究的研究要點(diǎn)和研究方法;結(jié)合不同時(shí)間尺度，不同方法的計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)沙段站、復(fù)興堡站多年基流演變趨勢(shì)，以及兩站數(shù)據(jù)結(jié)果的異同。

2 研究區(qū)概況

始豐溪流域?yàn)l臨東海，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，暴雨集中于4至9月間，尤以7至9月最為集中，常常出現(xiàn)暴雨、大暴雨。由于汛期降雨量的高度集中。以及周圍高、中間低的地形，河道源短、坡降大等因素的影響，使始豐溪流域洪水表現(xiàn)為洪水位暴漲暴落，洪峰持續(xù)時(shí)間短，暴雨時(shí)洪水一瀉而下，極易形成突發(fā)性災(zāi)害。

沙段站上游的里石門水庫(kù)，1973年5月開工，1979年12月竣工，位于天臺(tái)縣西部龍溪鄉(xiāng)里石門村上游1km處的始豐溪上，距縣城41km，是1座以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)集雨面積296km2，總庫(kù)容1.793億m3 （原PMF 為1.99億m3），正常庫(kù)容1.22億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積1.2萬(wàn)hm2，防洪面積4333hm2，保護(hù)沿溪兩岸農(nóng)田、村鎮(zhèn)和城關(guān)鎮(zhèn)15萬(wàn)人口以及104國(guó)道的防洪安全。

細(xì)河流域地形多為低山丘陵，土質(zhì)缺磷少氮，有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重不足。氣候?qū)俦睖貛Т箨懶图撅L(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫5.7～6.3℃，年平均降雨量471mm，森林覆蓋率為21.6%，流域內(nèi)人口偏少，工農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱。

復(fù)興堡站上游的佛寺水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼防洪養(yǎng)魚、市區(qū)供水為一體的綜合利用的大（2）型水庫(kù)，1976年3月開工，1984年10月竣工。位于大凌河水系細(xì)河右側(cè)最大支流伊圖河中下游的阜新縣佛寺鄉(xiāng)。集水面積為600km2，正常高水位140m，相應(yīng)庫(kù)容4940萬(wàn)m3。

圖2.1、圖2.2為兩站多年月平均降水量，圖2.3、圖2.4所示為典型平水年份兩站降水徑流過(guò)程圖，根據(jù)年降水量資料統(tǒng)計(jì)及圖2.1-圖2.4可知沙段站多年平均降水量為1580mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中于5-9月，約占全年降水量的60%。年最大降水量為2233mm（1990年），年最小降水量為1003.9mm（1979年），極值比為2.23;復(fù)興堡站多年平均降水量為555mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中于6-9月，約占全年降水量的80%。年最大降水量為1059mm（1994年），年最小降水量為314.7mm（2009年），極值比為3.36，兩站地區(qū)的降水和徑流過(guò)程均有明顯的汛枯特點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)選取與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)選取

為保證基流分割結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確掌握河川基流的變化特征，必須保證選取具有較長(zhǎng)、相同系列的水文觀測(cè)資料的基流分割斷面。本次研究選取始豐溪河流域沙段水文站、細(xì)河流域復(fù)興堡水文站1965-2012年期間逐日水位、降水量和流量資料為基礎(chǔ)，其中沙段站2001-2005年，復(fù)興堡站1986、1987及2002-2005年部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，不在本文討論范圍內(nèi)。

因沙段站數(shù)據(jù)系列來(lái)源于百步站和沙段站，兩站所處地理位置（經(jīng)緯度）基本一致，但略有遷移，所以需要對(duì)兩站的數(shù)據(jù)系列進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以判斷沙段站1964-1979年和1980-2011年兩組數(shù)據(jù)是否來(lái)自同一總體。為了減少單一統(tǒng)計(jì)方法對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)的不確定性，本次檢驗(yàn)采用非參數(shù)檢驗(yàn)中的K-S檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov Test）。檢驗(yàn)規(guī)定，若漸進(jìn)顯著性大于0.05則通過(guò)一致性檢驗(yàn)，否則不通過(guò)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到百步站和沙段站流量系列的漸進(jìn)顯著性為0.27，降水系列的漸進(jìn)顯著性為0.48，均大于0.05，因此認(rèn)為兩站的流量、降水系列均滿足一致性，為同一數(shù)據(jù)系列。

3.2研究方法

為了使研究結(jié)果更合理，根據(jù)研究期的數(shù)據(jù)將研究期劃分豐平枯水年份，所以在介紹本文的基流分割方法之前需介紹水文頻率分析的計(jì)算方法并計(jì)算確定豐平枯水年份。

3.2.1 水文頻率分析

水文頻率分析計(jì)算的理論基礎(chǔ)是水文現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，利用現(xiàn)有水文資料來(lái)分析水文變量設(shè)計(jì)值與頻率之間的定量關(guān)系，也就是根據(jù)有限的水文變量小樣本服從的分布推求估計(jì)該水文變量的總體分布，據(jù)此計(jì)算給定頻率的水文變量設(shè)計(jì)值。本文的水文變量樣本系列為1965-2012年間的年徑流量。根據(jù)我國(guó)水文頻率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證P-Ⅲ型頻率曲線適線擬合度更高，所以本文采用P-Ⅲ型頻率曲線。將計(jì)算出的經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)繪制在圖表中，根據(jù)原始數(shù)據(jù)估計(jì)參數(shù)均值Ex、離勢(shì)系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs的初值，繪制理論頻率曲線，優(yōu)化參數(shù)使理論頻率曲線的擬合度達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)計(jì)算，沙段站Ex=115000.0，Cv=0.30，Cs/Cv=1.5，標(biāo)準(zhǔn)頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值如表3.1所示。復(fù)興堡站Ex=17761.4，Cv=0.80，Cs/Cv=2.5，標(biāo)準(zhǔn)頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值如表3.2所示。

3.2.2豐平枯水年劃分

采用頻率P劃分徑流豐、平、枯的范圍，在表3.3中給出的區(qū)間對(duì)當(dāng)年來(lái)水量的豐、平、枯程度進(jìn)行判斷。在本文中，豐水年又細(xì)分為特豐水年和偏豐水年，枯水年細(xì)分為特枯水年和偏枯水年。豐平枯水年的劃分標(biāo)準(zhǔn)和劃分結(jié)果如表3.3所示，沙段站：豐水年的代表年份為1989年，平水年的代表年份為1972年，枯水年的代表年份為1968年。復(fù)興堡站：豐水年的代表年份為1995年，平水年的代表年份為1992年，枯水年的代表年份為2000年。

3.2.3 HYSEP法

PettyJohn和Henning于1979年提出了HYSEP程序，這一方法首次實(shí)現(xiàn)了基流計(jì)算的程序化[3]。HYSEP法有固定步長(zhǎng)法、滑動(dòng)步長(zhǎng)法和局部最小值法三種方式[4～5]。

HYSEP程序具有易操作、計(jì)算速度快、可重復(fù)使用、可計(jì)算長(zhǎng)期的徑流資料等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局使用的主要基流計(jì)算方法[6]。本次研究采用三種方法進(jìn)行基流分割，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析其在南北典型小流域的適用性。

4 結(jié)果分析

4.1基流指數(shù)對(duì)比分析

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，沙段站年均實(shí)測(cè)徑流量為11.45億m3，復(fù)興堡站年均實(shí)測(cè)徑流量為1.77億m3。HYSEP法三種方法結(jié)果基本相近，此處選用局部最小值法結(jié)果圖。

利用HYSEP法所得出的各代際基流指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.1。

從以上圖表可以看出，不同的分割方法的計(jì)算結(jié)果略有不同，滑動(dòng)步長(zhǎng)法和固定步長(zhǎng)法計(jì)算結(jié)果基本一致，多年平均值沙段站為0.39，復(fù)興堡站為0.53，局部最小值法略偏小。由表可知，兩站BFI值均偏小，沙段站BFI值較小，考慮兩站位置，偏小是由于降水較多，且沙段站處于南方濕潤(rùn)地區(qū)，降水補(bǔ)給比例更大。同時(shí)可以明顯看出，八十年代修建水庫(kù)后，BFI值變大，表明基流占比增加，水庫(kù)的調(diào)蓄作用得到了充分的體現(xiàn)。

為了深入探討不同基流分割方法間估算結(jié)果的差異，分析了HYSEP法計(jì)算的年基流指數(shù)值的統(tǒng)計(jì)特征，如表4.2。

結(jié)果表明，HYSEP法的三種分割方法基本一致，兩站的結(jié)果有差異，沙段站方差約為0.09、均值約為0.38，相比于復(fù)興堡站的方差約為0.19、均值約為0.52較小是由于南方氣候相對(duì)濕潤(rùn)，降水占徑流總量比例較大，但較穩(wěn)定，故極值比也較小。

4.2徑流過(guò)程對(duì)比分析

本文選取典型年如下：沙段站，豐水年的代表年份為1989年，平水年的代表年份為1972年，枯水年的代表年份為1968年;復(fù)興堡站，豐水年的代表年份為1995年，平水年的代表年份為1992年，枯水年的代表年份為2000年。用HYSEP法推求出其基流過(guò)程線并進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于典型年基流分割過(guò)程如圖4.3所示。

由圖4.3可以看出HYSEP法的三種方法所得的基流過(guò)程線有差別。本文研究中對(duì)比選擇合理的基流分割方法的原則可以包括以下兩個(gè)方面：首先分割的基流過(guò)程應(yīng)該趨向于符合產(chǎn)流的物理機(jī)制的方法;其次分割出的基流指數(shù)在年際和年內(nèi)的變化范圍合理。一般來(lái)說(shuō)，同一站點(diǎn)的基流指數(shù)年際變化過(guò)小不能體現(xiàn)出具體年份的差異性，過(guò)大不能保證結(jié)果的可靠性，即BFI的值需較為穩(wěn)定，這樣才能保證選擇的基流分割方法相對(duì)可靠，計(jì)算結(jié)果才能有更高的可信度與研究意義。

用三種基流分割方法計(jì)算典型年的基流指數(shù)結(jié)果如表4.3所示：

根據(jù)表4.3可以看出：對(duì)于復(fù)興堡站，同一方法從豐水年到枯水年的變化趨勢(shì)是增大的，而沙段站所得結(jié)果則相反。相應(yīng)的，同樣的典型年不同方法之間也有差異。固定步長(zhǎng)法和滑動(dòng)步長(zhǎng)法對(duì)豐平枯水年份的基流過(guò)程分割結(jié)果相差不大，局部最小值法略有不同。

一般地，豐水年雨量豐沛、流量增大、來(lái)此流域地表匯水的比重較大，而來(lái)自地下水補(bǔ)給的基流部分相對(duì)較少，從而計(jì)算所得的BFI值較小;枯水年雨量貧乏、地表徑流較少，徑流多來(lái)自于地下水的慢速補(bǔ)給，故BFI值越大。復(fù)興堡站計(jì)算所得1995、1992、2000年的BFI值依次增大，計(jì)算結(jié)果與理論推斷相吻合，且BFI值在不同年份下相差較大，說(shuō)明HYSEP法對(duì)于不同年份的BFI值辨識(shí)能力較好。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)南北兩小流域基流的分割研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

第一，資料方面，本次研究所用數(shù)據(jù)為1964-2012年的流量和降雨量數(shù)據(jù)，由于沙段數(shù)據(jù)來(lái)源于百步站（1964-1979年）和沙段站（1980-2011年），經(jīng)查閱，兩站地理位置略有差別，所以需要對(duì)百步站和沙段站的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，從而確定兩站的流量降水系列來(lái)源于統(tǒng)一總體。

檢驗(yàn)方法采用非參數(shù)檢驗(yàn)中的K-S檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果為，百步站和沙段站流量系列的漸進(jìn)顯著性為0.27，降水系列的漸進(jìn)顯著性為0.48，均大于0.05，因此認(rèn)為兩站的流量、降水系列均滿足一致性，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

第二，沙段站多年平均年徑流量為11.45億m3，復(fù)興堡站多年平均年徑流量為1.77億m3。從基流分割結(jié)果可以看出，沙段站的多年平均基流指數(shù)BFI在0.19～0.57之間，復(fù)興堡站的多年平均基流指數(shù)BFI在0.20～0.91之間。多年平均值沙段站為0.39，復(fù)興堡站為0.53，該BFI數(shù)值表明基流是流域流量的重要組成部分，復(fù)興堡站值較大，說(shuō)明在北方相對(duì)干旱地區(qū)，基流量占比例較大。但BFI數(shù)值變化范圍較大，體現(xiàn)了小流域內(nèi)河流流量受降水影響較大的特點(diǎn)，同時(shí)也受到水庫(kù)修建后調(diào)蓄作用的影響。

第三，沙段站上游的里石門水庫(kù)，1979年12月竣工，復(fù)興堡站上游的佛寺水庫(kù)，1984年10月竣工。里石門水庫(kù)修建前，沙段站的多年平均BFI值為0.29，修建后，沙段站的多年平均BFI值為0.43。佛寺水庫(kù)修建前，復(fù)興堡站的多年平均BFI值為0.36，修建后，復(fù)興堡站的多年平均BFI值為0.65?？梢悦黠@看出，八十年代修建水庫(kù)后，BFI值變大，表明基流占比增加，水庫(kù)的調(diào)蓄作用得到了充分的體現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：李俊江（1994—），男，遼寧本溪人，黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局，助理工程師，研究方向：水文數(shù)據(jù)分析。