长江源区基流分割方法对比及基流特征分析_李光录.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：青海省科技计划资助项目（）作者简介：李光录（），男，青海湟中人，高级工程师，主要从事江源区水文监测、水文预报、水文分析计算等方面的研究工作。：通信作者：樊立娟（），女，甘肃张掖人，工程师，硕士，主要从事水文分析计算、生态流量分析研究等工作。：，（）：长江源区基流分割方法对比及基流特征分析李光录，樊立娟（青海省水文水资源测报中心，西宁；海东市水务局，青海 海东）摘 要：基流是河川径流的主要补给来源，使用稳定、可靠的基流分割方法，分析基流特征值时间序列变化，对流域水资源规划和生态环境保护具有重要作用。为了探究长江源区基流特征值时间变化特性，采用长江源区直门达水文站 年的流量日值资料，分别使用滤波法、法和 法等基流分割方法，分析适合长江源区基流分割方法，并对基流指数、基流年内最大值、最小值、年平均值分别作时间序列分析。结果表明：各种方法结果相差较大，计算各年代际基流指数，最大值和最小值分别为和。滤波法 法方差较小、年际和年内变化较小，认为滤波法 法是适合直门达水文站的基流分割方法。由滤波法 法分析结果可知，直门达基流各指数均呈现增长趋势且未来呈现持续增长趋势，使用贝叶斯方法统计各指标表明长江源区直门达站基流指数、年基流最大值、年基流最小值、基流年平均值分别在 年、年、年、年发生显著性变异。长江源区暖湿化过程是基流变化持续增长的原因之一。同时，基流指数持续增大，说明长江源区基流占年径流量比重增加，也在一定程度上说明区域水源涵养能力不断增强。关键词：基流分割；基流变化；时间序列分析；贝叶斯变点检验；长江源区中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ，：；研究背景国际上根据“降水径流”过程响应速度将径流分为直接径流（快速径流）和基流。基流是地下地表水相互作用研究的核心内容之一，是保障河道生态系统健康发展的基本条件。分析适宜的基流分割方法，对流域水文过程模拟、水资源保护，河湖生态健康评估具有重要作用。基流分割是水文学研究的难点问题之一。直接径流形成较快，流量过程线陡涨陡落，基流（间接径流）形成相对缓慢，流量过程线相对平缓，基于这一特点，可以使用适宜的方法对流量过程线进行直接径流和基流划分。常用的基流划分方法见表。表 常用基流分割方法 基流分割方法方法说明图解法一般分为平割法、斜割法、退水曲线法等。该方法实现直观，但结果受人为主观性影响，随机性较大，对于处理长时间序列、多站点的径流数据存在困难水量平衡法一般有水库法、水文模拟法（水文模型）等。该方法以水量平衡原理为基础，物理意义明确，但计算参数较多，不易率定，存在一定不确定性数值模拟法一般有滤波法、法和 法（）等。该方法具有算法实现简单、可重复性高等特点，适合处理大批量的径流数据基流分割同位素法（水化学）该方法结果可信度较高，但需要成本较高，使用示踪剂可能对环境产生一定的影响 由于不同区域水文地质条件和产流过程的不同，河川径流过程的水源划分观点尚不统一，基流形成过程涉及到气候、自然地理、水文地质等众多学科，且基流分割结果无法通过确切的监测资料进行验证，导致区域基流分割方法不统一。数值模拟法是目前基流分割中最常采用的方法，已经在实践中大量应用并得到了认可。董晓华等采用基流指数（）法和滤波法对三峡水库的日入库流量进行基流分割，王冠等对比 种基流分割方法对长江螺山站进行基流分割，认为 法和局部最小值法是长江中游干流区较为适宜的基流分割方法。段琪彩等采用 种数字滤波基流分割方法对松华坝水源地径流区进行了基流分割，认为数字滤波法计算的基流可以反映流域年内蓄水容量的变化情况。周旭东等认为黄河源区基流量计算中，数字滤波法计算结果稳定。在实际应用过程中，需要分析不同基流分割方法的稳定性和合理性，选出较为可靠的分割方法。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，但数值模拟法尤其是滤波法分割基流的稳定性和适应性并不绝对。因此，本文选用数值模拟法中的基流指数法滤波法、法和 法等基流分割方法，通过计算基流系数的均值、方差、极值比等统计值，探究不同基流分割方法的稳定性，选出适宜长江源区的基流分割方法。基于最优基流分割方法，采用趋势坡度、指数，贝叶斯变点检验方法，分析长江源区基流特征值时间变化特性。资料与方法 研究区概况长江源区位于青藏高原腹地，区内海拔高度在 范围内，属大陆性高原亚寒带和高原寒带，具有冬季长、夏季短、春季和秋季相连的特点。一般认为通天河与巴塘河汇合口以上集水区域为长江源区，除沱沱河、当曲和楚玛尔河外，区内集水面积 的一级支流有 条，分别为莫曲、北麓河、色吾曲及聂恰曲。本文以长江干流控制站直门达水文站控制流域为长江源区（见图）。直门达水文站是国家重要水文站，测站附近海拔约 ，距离河源 ，控制面积万。基流分割方法基流分割方法主要有 种，分述如下。基流指数法（法）法 又 称 最 小 滑 动 法（），也称为英国水文研究所（）法，其计算步骤为：（）将 径 流 日 值 以 天 为 一 时 段 划 分 成 或|个时段，计算每一时段内的最小流量值，。长江科学院院报 年 图 长江源区示意图 （）若某一时段内的流量最小值与拐点检验因子 的乘积值小于前后相邻时段内的流量，即 ()，()()，则确定其为拐点，如果存在无水流的情况，上式改为（），（）。（）将年内所有拐点进行直线连接，所得曲线即为基流过程线。最小滑动法主要有标准最小滑动法（法，该法检测因子为）和改最小滑动法（法，该法检测因子为）两种，其拐点检验因子 和 一般分别取值为和。法 法根据步长间隔选择方式可分为局部最小值（法）、固定步长（法）和滑动步长（法）种方法。首先使用以下公式计算退水时间（间隔步长），即()。（）式中：为地表径流消退的退水时间（）；为流域面积（）。基流分割步长 一般认为在 之间且是与 最为接近的奇数。直门达水文站控制面积为万，基流分割步长间隔 取值为。种方法特点分述如下：（）固定步长法（）。在基流分割步长间隔 内的最小流量值作为该时段内任意一天的基流值，依次计算年内各分割区间的基流。（）滑动步长法（）。选择前后（）的时间段内的流量最小值作为改点基流值，依次计算各点的基流值。（）局部最小值法（）。在基流分割步长间隔 内，将中心点前后（）的时间段内的最小流量作为相邻分割步长内中心点的基流值，依次计算各分割区间中心点基流值，使用直线连接各点即可得到基流过程线。数字滤波法数字滤波法基于信号分析和处理技术，该方法的原理是将日流量数据进行高低频信号分解。认为直接径流为高频信号，基流为低频信号，从而相应的将直接径流和基流从径流中分割出来。目前应用最为广泛的数字滤波法主要包括以下 种：（）滤波法（法），其滤波方程为 ()；。（）式中：为 时刻的地面流（直接流）；为 时刻的河川流量；为 时刻的基流；为滤波参数，取值为。（）滤波法（法），其滤波方程为 ()。（）（）滤波法（法），其滤波方程为 。（）式中 为滤波参数，取值为。（）滤波法（法），其滤波方程为 。（）式中 为滤波参数，取值为。基流分割方法选择基流变化相对稳定，由于没有准确的水文监测资料进行验证，为验证基流分割方法的适宜性，需要讨论基流系数年际变化的稳定程度。本文选择年际基流指数方差、极值比等指标进行分析。以基流指数方差、极值比较小为条件，选择适合的基流分割方法。基流特征指标选取及分析方法选用基流指数（）、基流极值指标（最大一日基流量（）、最小一日基流量（）、和基流年平均值（）个指标，分别使用趋势坡度、指数，来分析基流分割指标趋势性及持续性。采用贝叶斯变点检验法判断各指标变点发生时间，具体算法见文献文献。结果与分析 基流分割结果评价使用各基流分割方法，分年度对长江源区直门达水文站 年径流日值资料进行基流分割计算。并统计各年代际基流指数，结果见表，基流指 第 期李光录 等 长江源区基流分割方法对比及基流特征分析数是年内基流径流量与地表径流量的比值，反映河川基流量占总径流量的大小。由表 可以看出，除数字滤波法 法外，其他方法计算的基流指数值均分布在之间，数字滤波法 法所得的计算结果偏小，在附近。上述结果说明基流是长江源区径流的主要组成部分。表 年代际基流指数统计 起止年份 法基流指数 法基流指数数字滤波法基流指数 法 法 法 法 法 法 法 法 法 使用均值、方差、极值比等统计指标分析各基流分割方法的稳定性，计算结果见表。数字滤波法中的 和 法 种方法基流指数统计值极值比较小，分别为和，方差也较小，均。说明数字滤波法中的 和 法计算结果年际变化小、基流指数年际变化最稳定。因此，采用数字滤波法中的 法基流分割结果，分析长江源地区基流的变化。表 基流指数特征值统计 方法子方法 均值方差最大值最小值极值比 法 法数字滤波法 法 法 法 法 法 法 法 法 法 长江源区基流时间变异分析采用数字滤波法 法对直门达水文站径流进行基流分割，并计算基流年内特征值时间变化特征，见表。年长江源区基流年内最小值、最大值、均值以及基流指数统计指标趋势坡度值均，表明各统计指标均呈现增长趋势。使用 检验，统计指标基流指数、年基流最大值、年基流最小值未通过显著性水平为的 检验，年基流平均值通过显著性水平为的 检验，表明基流指数、年基流最大值、年基流最小值呈现不显著增长趋势，年基流平均值呈现显著性增长趋势。与长江源区年降水量和年径流量变化趋势一致，均呈现增加趋势。各基流统计指标 指数均，表明各统计指标均呈现正持续性特征，配合趋势坡度值分析，未来各统计指标均呈现增长趋势。表 基流统计指标时间变化特征值统计结果 统计指标趋势坡度值 检验 指数统计值显著性统计值持续性 不显著正持续性不显著正持续性不显著正持续性显著正持续性 00.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 600.0 20.0 40.0 60.0 80.1 0 00.20.40.60.800.0 50.1 00.1 50.2 00.2 51 9 5 71 9 6 71 9 7 71 9 8 71 9 9 72 0 0 72 0 1 7后验概率先验概率变异点1 9 5 71 9 6 71 9 7 71 9 8 71 9 9 72 0 0 72 0 1 71 9 5 71 9 6 71 9 7 71 9 8 71 9 9 72 0 0 72 0 1 71 9 5 71 9 6 71 9 7 71 9 8 71 9 9 72 0 0 72 0 1 72 0 0 22 0 0 42 0 1 72 0 0 4(a)B F I(b)(c)(d)图 基流统计指标贝叶斯先验概率和后验概率分布 使用贝叶斯变点检验模型，分析长江源区直门达水文站 年各基流特征值，结果如图 长江科学院院报 年 所示，基流指数、年基流最大值、年基流最小值、年基流平均值后验概率最大值分别出现在 年、年、年、年，且后验概率最大值均大于先验概率，表明长江源区直门达站基流指数、年基流最大值、年基流最小值、基流年平均值分别在 年、年、年、年发生显著性变异。其中基流指数、年基流最大值、基流年平均值发生突变年份与直门达水文站年径流量变异时间一致，均在 年以后呈现持续增大态势。年基流最小日值变异发生在 年前后。通过对比直门达站径流年内最小日值，发现 年以来直门达站径流年内日最小值有明显的增大过程，与基流变化过程一致。另一方面，基流指数持续增大，说明长江源区基流占年径流量比重增加，在一定程度上说明区域水源涵养能力不断增强。结 论采用最小滑动法、法、数字滤波法等多种基流分割方法对长江源区直门达水文站 年的实测日径流资料进行基流分割，并对长江源区基流指标进行趋势分析，可得：（）各分割方法计算所得基流指数集中在之间，数字滤波法中的 法结果偏小，其他方法所得结果较为接近为。通过分析各基流分割方法时间稳定性，数字滤波法中的 法年际均值、方差和极值比相对较小，认为该方法研究是一种较为适宜长江源区基流分割的计算方法，在本文中使用该方法对长江源区的径流进行基流分割。（）长江源区基流指标各特征值均呈现增长趋势且未来仍为增长趋势，其中年平均基流量呈现显著性增长趋势。各统计指标均呈现正持续性特征，未来均呈现增长趋势。使用贝叶斯方法统计各指标表明长江源区直门达站基流指数、年基流最大值、年基流最小值、年基流平均值分别在 年、年、年、年发生显著性变异，在变异时间后，呈现持续性增大态势。结合长江源区年降水量和年径流量变化情况，表明长江源区暖湿化过程是基流变化持续增长的原因之一。同时，基流指数持续增大，说明长江源区基流占年径流量比重增加，在一定程度上说明区域水源涵养能力不断增强。参考文献：，：莫崇勋，谢燕平，班华珍，等 不同基流分割方法在澄碧河的适用性探讨 南水北调与水利科技（中英文），（）：郝 璐，孙 阁 城市化对流域生态水文过程的影响研究综述 生态学报，（）：马秋梅，李玮，王毅，等 基流对亚热带农业流域氮素输出的贡献研究 环境科学，（）：陈利群，刘昌明，李发东 基流研究综述 地理科学进展，（）：黄国如 流量过程线的自动分割方法探讨 灌溉排水学报，（）：钱开铸，吕京京，陈婷，等 基流计算方法的进展与应用 水文地质工程地质，（）：，徐榕焓，王小刚，郑 伟 基流分割方法研究进展水土保持通报，（）：徐磊磊，刘敬林，金昌杰，等 水文过程的基流分割方法研究进展 应用生态学报，（）：陈利群，刘昌明，李发东 基流研究综述 地理科学进展，（）：赵玉友，耿鸿江，潘辉学 基流分割问题评述 工程勘察，（）：董晓华，邓 霞，薄会娟，等 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 三峡大学学报（自然科学版），（）：王 冠，鲁程鹏，李姝蕾，等 五种基流分割方法在长江螺山站的应用对比研究 水资源与水工程学报，（）：段琪彩，方绍东，王 杰，等 昆明市松华坝水源地水源涵养能力时空变化研究 中国农村水利水电，（）：周旭东，杨 涛 三种基流分割方法在黄河源区应用中的对比分析 水电能源科学，（）：，（）：夏 露，毕如田，宋孝玉，等 砚瓦川流域河川基流变化规律及其驱动因素 生态学报，（）：，（）：，第 期李光录 等 长江源区基流分割方法对比及基流特征分析 ，（）：，（）：“”，（）：，：，：，：吴珍妮，穆兴民，高 鹏，等 北洛河上游基流分割适宜性方法及基流特征 人民黄河，（）：王晨杨，闫铁柱，翟丽梅，等密云水库白河流域基流演变特征研究生态学报，（）：杨 蕊，王 龙，韩春玲 种基流分割方法在南盘江上游的应用对比 云南农业大学学报（自然科学），（）：冯新灵，罗隆诚，冯自立 中国近 年降水变化趋势及突变的 指数试验 干旱区地理，（）：姜丽霞，王晾晾，吕佳佳，等 基于 指数的黑龙江省作物生长季降水趋势研究 气象与环境学报，（）：熊立华，周 芬，肖 义，等 水文时间序列变点分析的贝叶斯方法 水电能源科学，（）：，樊 辉，刘艳霞，黄海军 年黄河入海水沙通量变化趋势及突变特征 泥沙研究，（）：潘雅婧，王仰麟，彭建，等 基于小波与 方法的汉江中下游流域降水量时间序列分析 地理研究，（）：谢 平，雷红富，陈广才，等 基于 系数的流域降雨时空变异分析方法 水文，（）：杜嘉妮，蔡宜晴，王岗 长江源区径流变化归因分析 水文，（）：（编辑：占学军）（上接第 页）李孟军，郭运冲基于无人机的建筑物裂缝图像采集与处理系统科学技术创新，（）：许星光浅谈建筑物裂缝检测与分析判断中应注意的几个问题广西城镇建设，（）：邵 磊，余 挺，迟世春堆石微裂缝扩展规律及其影响因素长江科学院院报，（）：徐 刚 水下机器人在福建水电工程水下建筑物质量检测中的应用 水利水电快报，（）：李晓磊 水下电视在水下建筑物故障检测中的应用水利规划与设计，（）：，李文鹏，李连喜，张增涛大坝砼面板裂缝处理应用与研究长江科学院院报，（）：，张仕山，孙振海，汪小钦，等集成 证据理论和模糊集的建筑物检测方法遥感信息，（）：王 瑜，赵其华某电站坝区左岸深部裂缝特征及成因机理浅析长江科学院院报，（）：董 彪，熊风光，韩燮，等基于改进 算法的遥感建筑物检测研究计算机工程与应用，（）：刘 波，刘 露 一种基于高分辨率 图像的城市地区建筑物检测方法 军民两用技术与产品，（）：饶锦蒙 移动增强现实中的建筑物智能检测与注册方法武汉：武汉大学，（编辑：黄 玲）本刊电子信箱：长江科学院院报 年