水利工程与气候条件对典型小流域基流过程的影响研究

摘要：基流是枯水期河川径流的主要来源，稳定可靠的基流分割方法对基流研究具有重要作用。本文选取沙段站、复兴堡站1964-2012年逐日流量资料，采用水文频率分析的方法划分了丰平枯水年份。利用HYSEP法（固定步长法、滑动步长法、局部最小值法）对逐日流量和典型年的资料进行基流分割。

关键词：基流分割;时空分布：HYSEP法

1 引言

基流也叫底水，是地下水和其他延迟的水资源补给河川径流的部分水量，是枯水期河流的主要补给来源。其作为维持河流生态流量的基流量，是流域水文模拟产、汇流计算的重要研究内容之一，在流域水资源开发利用、优化配置及生态环境保护中具有实际指导性的意义[1]。近年来，全球水资源问题日益突出，作为枯水径流的重要特征，基流逐渐成为水文学研究的热点。基流作为重要的生态水文特征，其变化是对全球变化的重要响应[2]。研究基流的基础在于基流分割，采用合理的基流分割方法可以提高基流测值的精确度，对于基流的研究具有重要意义。

本次采用HYSEP法进行基流分割，分析其在水利工程前后的变化，并对南北地区两个不同流域在水利工程前后的变化进行比较分析，从而得出不同气候条件下水利工程对基流的影响效果。

本研究以沙段站、复兴堡站为研究对象，选取HYSEP法分割实测日径流资料，估算流域河川基流量，分析流域河川基流的变化特征，探究南北典型小流域分割结果在基流指数、径流过程线和年基流量三方面的差异，为流域基流分割方法的选择提供合理的建议。

本文的研究内容为收集研究区——浙江始丰溪河流域沙段站、辽宁细河流域复兴堡站的气象水文资料，分析其降水、径流统计特征;对比国内外有关基流分割的不同方法特点和适用条件，选定HYSEP法用于两站径流分割;学习国内外有关方法对比的研究成果，总结对比研究的研究要点和研究方法;结合不同时间尺度，不同方法的计算结果，评价沙段站、复兴堡站多年基流演变趋势，以及两站数据结果的异同。

2 研究区概况

始丰溪流域濒临东海，属中亚热带季风气候区，暴雨集中于4至9月间，尤以7至9月最为集中，常常出现暴雨、大暴雨。由于汛期降雨量的高度集中。以及周围高、中间低的地形，河道源短、坡降大等因素的影响，使始丰溪流域洪水表现为洪水位暴涨暴落，洪峰持续时间短，暴雨时洪水一泻而下，极易形成突发性灾害。

沙段站上游的里石门水库，1973年5月开工，1979年12月竣工，位于天台县西部龙溪乡里石门村上游1km处的始丰溪上，距县城41km，是1座以灌溉、防洪为主，结合发电、养殖等综合利用的大（2）型水库。水库集雨面积296km2，总库容1.793亿m3 （原PMF 为1.99亿m3），正常库容1.22亿m3，设计灌溉面积1.2万hm2，防洪面积4333hm2，保护沿溪两岸农田、村镇和城关镇15万人口以及104国道的防洪安全。

细河流域地形多为低山丘陵，土质缺磷少氮，有机质严重不足。气候属北温带大陆型季风性气候区，年平均气温5.7～6.3℃，年平均降雨量471mm，森林覆盖率为21.6%，流域内人口偏少，工农业基础薄弱。

复兴堡站上游的佛寺水库是一座以灌溉为主，兼防洪养鱼、市区供水为一体的综合利用的大（2）型水库，1976年3月开工，1984年10月竣工。位于大凌河水系细河右侧最大支流伊图河中下游的阜新县佛寺乡。集水面积为600km²，正常高水位140m，相应库容4940万m³。

图2.1、图2.2为两站多年月平均降水量，图2.3、图2.4所示为典型平水年份两站降水径流过程图，根据年降水量资料统计及图2.1-图2.4可知沙段站多年平均降水量为1580mm，降水年内分配不均，主要集中于5-9月，约占全年降水量的60%。年最大降水量为2233mm（1990年），年最小降水量为1003.9mm（1979年），极值比为2.23;复兴堡站多年平均降水量为555mm，降水年内分配不均，主要集中于6-9月，约占全年降水量的80%。年最大降水量为1059mm（1994年），年最小降水量为314.7mm（2009年），极值比为3.36，两站地区的降水和径流過程均有明显的汛枯特点。

3 数据选取与研究方法

3.1 数据选取

为保证基流分割结果的可靠性、准确掌握河川基流的变化特征，必须保证选取具有较长、相同系列的水文观测资料的基流分割断面。本次研究选取始丰溪河流域沙段水文站、细河流域复兴堡水文站1965-2012年期间逐日水位、降水量和流量资料为基础，其中沙段站2001-2005年，复兴堡站1986、1987及2002-2005年部分数据缺失，不在本文讨论范围内。

因沙段站数据系列来源于百步站和沙段站，两站所处地理位置（经纬度）基本一致，但略有迁移，所以需要对两站的数据系列进行一致性检验，以判断沙段站1964-1979年和1980-2011年两组数据是否来自同一总体。为了减少单一统计方法对统计结果评价的不确定性，本次检验采用非参数检验中的K-S检验（Kolmogorov-Smirnov Test）。检验规定，若渐进显著性大于0.05则通过一致性检验，否则不通过，经过计算，得到百步站和沙段站流量系列的渐进显著性为0.27，降水系列的渐进显著性为0.48，均大于0.05，因此认为两站的流量、降水系列均满足一致性，为同一数据系列。

3.2研究方法

为了使研究结果更合理，根据研究期的数据将研究期划分丰平枯水年份，所以在介绍本文的基流分割方法之前需介绍水文频率分析的计算方法并计算确定丰平枯水年份。

3.2.1 水文频率分析

水文频率分析计算的理论基础是水文现象的统计规律，利用现有水文资料来分析水文变量设计值与频率之间的定量关系，也就是根据有限的水文变量小样本服从的分布推求估计该水文变量的总体分布，据此计算给定频率的水文变量设计值。本文的水文变量样本系列为1965-2012年间的年径流量。根据我国水文频率计算的经验验证P-Ⅲ型频率曲线适线拟合度更高，所以本文采用P-Ⅲ型频率曲线。将计算出的经验频率点据绘制在图表中，根据原始数据估计参数均值Ex、离势系数Cv和偏态系数Cs的初值，绘制理论频率曲线，优化参数使理论频率曲线的拟合度达到最优。根据计算，沙段站Ex=115000.0，Cv=0.30，Cs/Cv=1.5，标准频率对应的设计值如表3.1所示。复兴堡站Ex=17761.4，Cv=0.80，Cs/Cv=2.5，标准频率对应的设计值如表3.2所示。

3.2.2丰平枯水年划分

采用频率P划分径流丰、平、枯的范围，在表3.3中给出的区间对当年来水量的丰、平、枯程度进行判断。在本文中，丰水年又细分为特丰水年和偏丰水年，枯水年细分为特枯水年和偏枯水年。丰平枯水年的划分标准和划分结果如表3.3所示，沙段站：丰水年的代表年份为1989年，平水年的代表年份为1972年，枯水年的代表年份为1968年。复兴堡站：丰水年的代表年份为1995年，平水年的代表年份为1992年，枯水年的代表年份为2000年。

3.2.3 HYSEP法

PettyJohn和Henning于1979年提出了HYSEP程序，这一方法首次实现了基流计算的程序化[3]。HYSEP法有固定步长法、滑动步长法和局部最小值法三种方式[4～5]。

HYSEP程序具有易操作、计算速度快、可重复使用、可计算长期的径流资料等优点，现已成为美国地质调查局使用的主要基流计算方法[6]。本次研究采用三种方法进行基流分割，并对计算结果进行对比，分析其在南北典型小流域的适用性。

4 结果分析

4.1基流指数对比分析

根据实测资料，沙段站年均实测径流量为11.45亿m3，复兴堡站年均实测径流量为1.77亿m3。HYSEP法三种方法结果基本相近，此处选用局部最小值法结果图。

利用HYSEP法所得出的各代际基流指数计算结果见表4.1。

从以上图表可以看出，不同的分割方法的计算结果略有不同，滑动步长法和固定步长法计算结果基本一致，多年平均值沙段站为0.39，复兴堡站为0.53，局部最小值法略偏小。由表可知，两站BFI值均偏小，沙段站BFI值较小，考虑两站位置，偏小是由于降水较多，且沙段站处于南方湿润地区，降水补给比例更大。同时可以明显看出，八十年代修建水库后，BFI值变大，表明基流占比增加，水库的调蓄作用得到了充分的体现。

为了深入探讨不同基流分割方法间估算结果的差异，分析了HYSEP法计算的年基流指数值的统计特征，如表4.2。

结果表明，HYSEP法的三种分割方法基本一致，两站的结果有差异，沙段站方差约为0.09、均值約为0.38，相比于复兴堡站的方差约为0.19、均值约为0.52较小是由于南方气候相对湿润，降水占径流总量比例较大，但较稳定，故极值比也较小。

4.2径流过程对比分析

本文选取典型年如下：沙段站，丰水年的代表年份为1989年，平水年的代表年份为1972年，枯水年的代表年份为1968年;复兴堡站，丰水年的代表年份为1995年，平水年的代表年份为1992年，枯水年的代表年份为2000年。用HYSEP法推求出其基流过程线并进行对比分析，对于典型年基流分割过程如图4.3所示。

由图4.3可以看出HYSEP法的三种方法所得的基流过程线有差别。本文研究中对比选择合理的基流分割方法的原则可以包括以下两个方面：首先分割的基流过程应该趋向于符合产流的物理机制的方法;其次分割出的基流指数在年际和年内的变化范围合理。一般来说，同一站点的基流指数年际变化过小不能体现出具体年份的差异性，过大不能保证结果的可靠性，即BFI的值需较为稳定，这样才能保证选择的基流分割方法相对可靠，计算结果才能有更高的可信度与研究意义。

用三种基流分割方法计算典型年的基流指数结果如表4.3所示：

根据表4.3可以看出：对于复兴堡站，同一方法从丰水年到枯水年的变化趋势是增大的，而沙段站所得结果则相反。相应的，同样的典型年不同方法之间也有差异。固定步长法和滑动步长法对丰平枯水年份的基流过程分割结果相差不大，局部最小值法略有不同。

一般地，丰水年雨量丰沛、流量增大、来此流域地表汇水的比重较大，而来自地下水补给的基流部分相对较少，从而计算所得的BFI值较小;枯水年雨量贫乏、地表径流较少，径流多来自于地下水的慢速补给，故BFI值越大。复兴堡站计算所得1995、1992、2000年的BFI值依次增大，计算结果与理论推断相吻合，且BFI值在不同年份下相差较大，说明HYSEP法对于不同年份的BFI值辨识能力较好。

5结论

通过对南北两小流域基流的分割研究，得出以下几点结论：

第一，资料方面，本次研究所用数据为1964-2012年的流量和降雨量数据，由于沙段数据来源于百步站（1964-1979年）和沙段站（1980-2011年），经查阅，两站地理位置略有差别，所以需要对百步站和沙段站的数据进行一致性检验，从而确定两站的流量降水系列来源于统一总体。

检验方法采用非参数检验中的K-S检验。检验结果为，百步站和沙段站流量系列的渐进显著性为0.27，降水系列的渐进显著性为0.48，均大于0.05，因此认为两站的流量、降水系列均满足一致性，通过一致性检验。

第二，沙段站多年平均年径流量为11.45亿m3，复兴堡站多年平均年径流量为1.77亿m3。从基流分割结果可以看出，沙段站的多年平均基流指数BFI在0.19～0.57之间，复兴堡站的多年平均基流指数BFI在0.20～0.91之间。多年平均值沙段站为0.39，复兴堡站为0.53，该BFI数值表明基流是流域流量的重要组成部分，复兴堡站值较大，说明在北方相对干旱地区，基流量占比例较大。但BFI数值变化范围较大，体现了小流域内河流流量受降水影响较大的特点，同时也受到水库修建后调蓄作用的影响。

第三，沙段站上游的里石门水库，1979年12月竣工，复兴堡站上游的佛寺水库，1984年10月竣工。里石门水库修建前，沙段站的多年平均BFI值为0.29，修建后，沙段站的多年平均BFI值为0.43。佛寺水库修建前，复兴堡站的多年平均BFI值为0.36，修建后，复兴堡站的多年平均BFI值为0.65。可以明显看出，八十年代修建水库后，BFI值变大，表明基流占比增加，水库的调蓄作用得到了充分的体现。

参考文献：

[1]胡兴林. 黑河流域径流演变规律及区域性水资源优化配置分析[J]. 水文， 2003， 23（1）： 32-36.

[2]张华，张勃，赵传燕.黑河上游多年基流变化及其原因分析[J].地理研究报，2011，30（8）：1421-1430.

[3] SLOTO R A，CROUSE M Y.HYSEP：A computer program for streamflow hydrograph separation and analysis[R].Lemoyne，Pennsylvania：U.S.GeologicalSurvey Water-resources Investigations Report，1996：96-4040.

[4]PETTYJONH W A.HENNING R.Preliminary estimate of ground-water recharge rates，related stream-flower and water quality in Ohio[R].Ohio State University Water Resources Center Project Completion Report，1979，552：323-325.

[5]ECKHARDT K.A comparison of baseflow indices，which were calculated with seven different baseflow separation methods[J].Journal of Hydrology，2008，352（1-2）：168-173.

[6]杨蕊，王龙，韩春玲.9种基流分割方法在南盘江上游的应用对比[J].云南农业大学学报，2013，28（5）：707-712.

作者简介：李俊江（1994—），男，辽宁本溪人，黄河水利委员会山东水文水资源局，助理工程师，研究方向：水文数据分析。