渠江流域基流变化及气象关联性分析.pdf

第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 4 资助项目:国家自然科学基金项目(U 2 0 4 0 2 0 8,4 2 0 0 7 0 7 0,4 2 2 7 7 3 5 9);陕西省教育厅重点实验室项目(2 0 J S 1 0 0)第一作者:赵宾华(1 9 9 0),男,博士,讲师,主要从事流域水文过程与水土保持研究。E-m a i l:z b h 2 0 0 8 0 8 1 01 2 6.c o m 通信作者:赵宾华(1 9 9 0),男,博士,讲师,主要从事流域水文过程与水土保持研究。E-m a i l:z b h 2 0 0 8 0 8 1 01 2 6.c o m渠江流域基流变化及气象关联性分析赵宾华1,2,马方铭1,李占斌1,李 鹏1,2,黄金华1,周梦涵1,孟丽君1(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,西安7 1 0 0 4 8;2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室,西安7 1 0 0 4 8)摘要:河川径流是水资源的重要存在形式,基流是径流的重要组成部分,研究基流变化及影响因素对于掌握流域水资源变化具有重要的意义。采用渠江流域2 0 0 72 0 1 8年日流量资料,对9种不同基流分割方法的适用性及基流变化特征进行分析。结果表明:(1)不同方法差异较大,时间步长法和滑动最小值法分割结果偏高,F 4滤波法方差与变异系数分别为0.0 3 8和0.1 3 8,说明该方法分割更加稳定且离散程度较低,在渠江流域适用性最好;(2)流域多年平均基流指数3 1.5%,年内存在伏汛与秋汛双汛期,多年平均月降水、径流和基流变化趋势存在一致性,而且流域径流、基流峰现时间相对于降水存在滞后性;(3)采用小波相干分析,表明流域降水和基流序列均存在1 01 4个月的变化周期且同向变化,时频上基流滞后于降水序列,同时基流对气候变化的响应具有时滞性,当基流相对于同期气候指数滞后81 0个月时二者的相关程度显著提升。研究成果有助于提升对渠江流域基流变化的认识,为流域水资源管理与调控提供一定的科学依据。关键词:渠江流域;基流;变化特征;影响因子;小波相干分析中图分类号:P 3 3 3.5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 1 4 2-0 8D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 1 9A n a l y s i so fB a s e f l o wV a r i a t i o na n dM e t e o r o l o g i c a lC o r r e l a t i o ni nQ u j i a n gB a s i nZ HAOB i n h u a1,2,MAF a n g m i n g1,L IZ h a n b i n1,L IP e n g1,2,HUANGJ i n h u a1,Z HOU M e n g h a n1,ME NGL i j u n1(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yB a s eo fE c o-h y d r a u l i cE n g i n e e r i n gi nA r i dA r e a,X ia nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,X ia n7 1 0 0 4 8;2.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fN a t i o n a lF o r e s t r ya n dG r a s s l a n dA d m i n i s t r a t i o no nE c o l o g i c a lH y d r o l o g ya n dD i s a s t e rP r e v e n t i o ni nA r i dR e g i o n s,X ia n7 1 0 0 4 8)A b s t r a c t:R i v e r r u n o f f i s a n i m p o r t a n t f o r mo fw a t e r r e s o u r c e s,a n db a s e f l o wi s av i t a l p a r t o f t h e r u n o f f.I t i so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t os t u d y t h e c h a n g eo f b a s e f l o wa n d i t s i n f l u e n c i n g f a c t o r s t om a s t e r t h e c h a n g eo fw a t e rr e s o u r c e s i nt h eb a s i n.B a s e do nt h ed a i l yf l o wd a t ao fQ u j i a n gB a s i nf r o m2 0 0 7t o2 0 1 8,t h ea p p l i c a b i l i t yo fn i n ed i f f e r e n tb a s e f l o ws e p a r a t i o nm e t h o d sa n dt h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb a s e f l o w w e r ea n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)T h e r ew e r eg r e a td i f f e r e n c e sa m o n gd i f f e r e n tm e t h o d s,a n dt h es e p a r a t i o nr e s u l t so f t i m es t e pm e t h o da n ds l i d i n gm i n i m u m m e t h o dw e r eh i g h e rt h a no t h e r s.T h ev a r i a n c ea n dc o e f f i c i e n to fv a r i a t i o no fF 4 f i l t e r i n gm e t h o dw e r e 0.0 3 8a n d0.1 3 8,i n d i c a t i n g t h a t t h e s e p a r a t i o no f t h i sm e t h o dw a sm o r es t a b l ea n dl e s sd i s c r e t e,a n dh a dt h eb e s ta p p l i c a b i l i t yi nt h eQ u j i a n gB a s i n.(2)T h em u l t i-y e a ra v e r a g eb a s e f l o wi n d e xo f t h eb a s i nw a s3 1.5%,a n dt h e r ew e r eb o t hs u mm e ra n da u t u m nf l o o ds e a s o n s i nt h ey e a r,t h em u l t i-y e a ra v e r a g em o n t h l yp r e c i p i t a t i o n,r u n o f f a n db a s e f l o wh a d t h e s a m ev a r i a t i o n t r e n d,a n d t h ep e a kt i m eo f r u n o f fa n db a s e f l o wi nt h eb a s i ns h o w e dal a gc o m p a r e dw i t hp r e c i p i t a t i o n.(3)W a v e l e tc o h e r e n c ea n a l y s i ss h o w e dt h a tb o t hp r e c i p i t a t i o na n db a s e f l o ws e r i e s i nt h eb a s i nh a da1 01 4m o n t h sv a r i a t i o nc y c l ea n dc h a n g e d i n t h e s a m ed i r e c t i o n,t h eb a s e f l o wl a g g e db e h i n d t h ep r e c i p i t a t i o ns e r i e s i n t i m e a n d f r e q u e n c y,a n dt h eb a s e f l o wh a dat i m ed e l a yi nr e s p o n s et oc l i m a t ec h a n g e.Wh e nt h eb a s e f l o wl a g g e d81 0m o n t h sb e h i n d t h e c l i m a t i c i n d e xo f t h e s a m ep e r i o d,t h e c o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e t w ow a s s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d.T h er e s e a r c hr e s u l t sa r eh e l p f u l t o i m p r o v e t h eu n d e r s t a n d i n go f t h ec h a n g eo fb a s e f l o wi nt h eQ u j i a n gb a s i na n dp r o v i d e a s c i e n t i f i cb a s i s f o r t h em a n a g e m e n t a n dr e g u l a t i o no fw a t e r r e s o u r c e s i n t h eb a s i n.K e y w o r d s:Q u j i a n gb a s i n;b a s e f l o w;v a r i a t i o nc h a r a c t e r;i n f l u e n c i n gf a c t o r s;w a v e l e t c o h e r e n c ea n a l y s i s 在全球水资源问题逐渐严峻的背景下,如何合理利用与配置水资源已成为水资源管理的重要课题,基流作为地下水和其他延迟水源流入河流的一部分,对于流域维持枯水期河道流动、生物多样性、流域产汇流模拟等意义重大1。同时,基流时空变化依赖于流域水文特性的改变,与土壤特性、土地利用类型、地貌条件等密不可分,随着近年来极端气候的发生以及人类活动的影响,研究对基流在时空上的可变性有影响的关联因素对于扰动下的流域水资源管理十分必要。基流的确定方法主要包括化学法、图解法和数值模拟法等2-4。其中,示踪法虽然可以很好地追溯径流的来源、反映不同流域的水文地质特征,但是需要对样点的长期监测,直接分割法工作量大且易受主观因素影响,水量平衡法参数多且公式较为复杂,所以目前应用较为广泛的是基于计算机和信号处理的数值模拟法,近些年不同学者在不同流域内对该类方法也进行多次应用探讨5-7。张革等8在香溪河流域将滤波法与平滑最小值法相结合并认为该方法得到的基流过程线更为符合实际汇流过程;在长江流域,陈帅等9使用递归数字滤波法对长江干流7个水文站进行基流分析,结果表明,基流从上游到下游呈现增加趋势,且 在2 0 0 0年 前 后 基 流 量 出 现 衰 减;Q i a n等1 0利用改进的K a l i n e n分离法对长江源区1 9 5 72 0 0 9年的年基流进行了估算,认为2 0世纪8 0年代以前基流的变化波动较小。对于基流变化特征及变化的原因,A y e r s等1 1使用GAML S S模型得到美国大陆地区月基流增加可能与降水增加、融雪量变化与前期湿度有关,气温升高或降水不足会带来基流的减少;杨倩楠1 2以黄河中游3个不同地貌区为研究区,量化了降水、生态建设、淤地坝建设、人类活动等因素对基流的贡献,得出该地区人类活动对基流的贡献较大的结论;王曼玉1 3分析潮河流域密云水库上游基流变化认为,人类对地下水利用增加、水利工程建设引起蒸散发增加、土地利用类型转变等都引起了流域基流的减少1 4。目前多数研究还是集中在不同流域径流演变规律及成因分析中,围绕基流的研究相对较少,长江流域基流变化及原因探讨等相关研究主要针对长江源区及干流,对于流域中不同水系的关注较少,同时渠江流域具有独特的水文特性,降水径流年内分配极不均匀,汛期长且洪水消退慢,主汛期内常连降暴雨致使流量变化极大,容易造成灾害性洪水的发生,枯水期河道水量主要来源于地下水。所以本研究以渠江流域为研究对象,采用数字滤波法、时间步长法和滑动最小值法等3类9种数值模拟方法进行基流的分割与对比分析,并结合流域降水量与全球气候指数,以期得到变化条件下渠江径流组分特征与气象影响因子,从而为枯水期河道水资源管理提供可参考的依据。1 研究区概况渠江属于长江支流嘉陵江水系,流域位于嘉陵江流域东南部,主要包括大通江、州河等支流,其控制水文站罗渡溪(二)站集水面积3.8万k m21 5(图1)。流域地势东北高、西南低,北部多高山区且喀斯特地貌发育,南部多低丘区,土壤类型以紫色土为主。渠江流域属于亚热带湿润气候类型,其水量充沛,多年平均降水量为11 3 4mm,多年平均径流量为7 3 0m3/s,由于受流域内地形及季风气候影响,气温、降水存在时空分配不均性,降水、径流量多集中在汛期51 0月1 6。图1 渠江流域气象及水文站点分布2 数据与方法2.1 数据来源本研究降水数据来源于中国气象数据网(h t t p:/d a t a.c m a.c n),径流数据选取流域控制站罗渡溪(二)站2 0 0 72 0 1 8年日资料,来源于长江流域嘉陵江区水文年鉴,全球气候指数来自世界气候组织官网(h t t p s:/w w w.p u b l i c.w m o.i n t),选取厄尔尼诺指数N i n o 3.4、降水指数P C P、南方 涛动指数S O I、太平洋年 代 际 振 荡P D O,以及北极涛动AO、南极涛动AAO、北大西洋341第4期 赵宾华等:渠江流域基流变化及气象关联性分析涛动NAO和太平洋北美模式P NA4个大气环流指数,流域数字高程模型(D EM)分辨率为3 0m,数据来源于地理空间数据云(h t t p:/www.g s c l o u d.c n)。2.2 研究方法2.2.1 基流分割方法(1)参数滤波法。数字滤波法的原理是通过数字滤波器将高频信号从低频信号中分离,将径流过程分为地表径流和基流,目前广泛应用的包括4种方法1 7。F 1滤波法是将L y n e-H o l l i c k改进后提出的一种分割算法,其分割方程为:qt=qt-1+1+2(Qt-Qt-1)(1)qb t=Qt-qt(2)式中:qt、qt-1分别为t时刻、t-1时刻的地表径流量(m3/s);Qt、Qt-1分别为t时刻、t-1时刻的实测径流量(m3/s);qb t为t时刻基流量(m3/s);为滤波参数。本研究中结合经验,通过控制变量对不同滤波参数(0.8 0,0.8 5,0.9 0,0.9 2 5,0.9 5)分别进行不同滤波次数的试算,随着滤波次数的增加高频率信号出现衰减,结合流域实际综合选取=0.9 5、N=3进行基流分割。F 2滤波法是C h a p m a n将L-H法方程改进后提出的:qt=3-13-qt-1+23-(Qt-Qt-1)(3)qb t=Qt-qt(4)F 3滤波法为C h a p m a n-M a x w e l l滤波法,该方法通过对i-1时刻的基流量和i时刻的实测径流量赋权重进行加权平均后得到i时刻的基流量,其分割方程为:qb t=k2-kqb(t-1)+1-k2-kQt(5)式中:qb t、qb(t-1)分别为t时刻、t-1时刻的基流量(m3/s);k为退水系数,一般取0.9 5。F 4滤波法是由改进的B o u g h t o n法,分割方程为:qb t=k1+cqb(t-1)+c1+cQt-1(6)式中:c为滤波参数,一般取值为0.1 5。(2)时间步长法。时间步长法(HY S E P)包括固定时 间 间 隔 法(f i x e di n t e r v a l)、滑 动 时 间 间 隔 法(s l i d i n g i n t e r a l)和局部最小值法(l o c a l-m i n),根据美国地质调查局(U S G S)提出的参数退水时间确定公式换算后得到:t=(2.5 9A)0.2(7)式中:t为地表径流停止后退水持续的时间(天);A为流域面积(k m2)。在进行基流分割时时间长度N选取31 1天范围内2t最接近的奇数,渠江流域面积为3.8 1万k m2,经过计算时间长度t取1 1。(3)滑动最小值法。滑动最小值法又称基流指数法(b a s e f l o wi n d e x),是由英国水文研究所提出的一种基流分割方法,包括B F I-f和改进的B F I-k法2种,为了得到较好的分割效果,拐点检验因子一般取值为0.9,经过前期试算分析当N=6时流域基流指数值B F I趋于稳定变化。2.2.2 分析方法(1)皮尔逊相关分析。皮尔逊相关系数(P e a r s o nc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t)常用于度量2个变量X和Y之间的线性关系,用样本协方差和方差的比值来衡量:r=(x-mx)(y-my)(x-mx)2(y-my)2(8)式中:r为相关系数,其取值范围为-1,1,当相关系数的绝对值越接近于1时说明二者有很好的相关性,否则说明二者相关性较弱或没有线性相关性;mx、my分别为2个序列的均值。(2)小波分析。在非平稳时间序列的分析中,小波分析的功率谱可以反映序列在研究期内的周期波动特征及变化强度,而由小波变换与相干分析相结合的小波相干分析(w a v e l e t c o h e r e n c e,WT C)可以用于衡量2个时间连续序列的相位关系,在时间-频率空间中找到2个时间序列共同变化的区域,而交叉小波分析(c r o s sw a v e l e t a n a l y s i s,XWT)可以用于时间-频率空间中找到时间序列里周期性强度一致的区域1 8-2 0。3 结果与分析3.1 渠江流域基流变化特征3.1.1 9种基流分割方法对比分析 基流指数(B F I)为河川基流与径流量的比值,采用9种基流分割方法得到渠江流域年基流量,根据绘制的基流指数曲线(图2)可以看出,9种方法分割结果差异较大,数字滤波法F 2、F 3得到的基流指数虽然波动幅度不大,但数值明显低于其他方法分割结果,时间步长法分割的结果值较高,其他几种方法分割结果较为相近。图2 不同基流分割方法基流指数B F I分布表1采用均值、标准差、变异系数C V等统计值441水土保持学报 第3 7卷对基流指数序列对9种方法的适用性和稳定性进行统计分析,其中数字滤波法F 1、F 4的统计值较为接近,F 4法标准差为0.0 3 8,说明其分割稳定程度相对来说较高,其变异系数为0.1 3 8,也反映该序列离散程度较低。时间步长法和滑动最小值法极值比、平均值均较高,后者的极值比分别为2.1 4和2.0 8,同时从标准差和变异系数C V来看其偏离程度也较高。选用枯水指数Q9 0/Q5 0来表征流域实际基流指数,同时与9种方法分割所得的结果用进行误差分析,可以看出虽然F 2、F 3分割方法较为稳定,但是相对误差超过6 5%,综合分析得到F 4滤波法在渠江流域的适用性更好。表1 9种基流分割方法对应基流指数统计值统计值数字滤波法F 1F 2F 3F 4时间步长法F i x e dS l i d eL-M i n滑动最小值法B F I-fB F I-k最大值0.3 2 70.1 0 90.1 1 20.3 3 00.4 8 70.4 8 30.4 4 00.4 1 00.4 2 5最小值0.1 7 40.0 7 10.0 7 50.2 0 70.2 6 30.2 6 30.2 3 20.1 9 20.2 0 5极值比1.8 8 01.5 3 01.5 0 01.5 9 01.8 5 01.8 4 01.8 9 02.1 4 02.0 8 0平均值0.2 6 20.0 9 10.0 9 50.2 7 60.3 9 00.3 8 00.3 4 40.3 0 60.3 1 6标准差0.0 5 20.0 1 20.0 1 20.0 3 80.0 7 30.0 7 10.0 6 80.0 6 20.0 6 5变异系数0.1 9 80.1 3 40.1 3 20.1 3 80.1 8 80.1 8 60.1 9 70.2 0 20.2 0 5误差/%2 9.5 0 06 7.1 0 06 5.8 0 02 6.2 0 04 7.5 0 04 3.2 0 03 2.5 0 03 3.5 0 03 4.8 0 0 为了进一步得到9种分割方法所得到的基流特征,以流域2 0 1 8年的基流过程为研究对象对分割结果进行分析。由图3 a可以直观看出,数字滤波法得到的基流曲线更加平滑且整体趋势上符合径流过程线,其中F 2、F 3滤波法分割结果相似,而且年内随洪峰的出现2条曲线波动并不大,F 1、F 4法基流曲线相似,但是在径流过程线相邻2个峰值间的最低值处,F 1分割得到的基流量相比更高,而在峰值对应的点处F 4分割结果更大。由于时间步长法和滑动最小值法分割原理均为局部最小值的连线,所以图3 b、图3 c的基流过程线所表现出的洪峰特点以及汛期特征并不明显,其中固定时间间隔法(f i x e d)和滑动时间间隔法(s l i d e)基流曲线呈阶梯状,局部最小值法(l o c a l-m i n)与B F I-k分割结果类似。3.1.2 基流年内年际变化分析 以F 4滤波法得到的基流为分析对象,图4为2 0 0 72 0 1 8年渠江流域月平均降水量、径流量和基流变化过程,可以看出三者之间变化趋势在年内具有较高一致性,均存在伏汛期和秋汛期2个波峰,而且年内17月呈现增加趋势,81 2月呈现下降趋势。降水量年内最高出现在7月(2 5 4.1mm),对应的径流量和基流量分别为6 31 9 8.6,1 41 5 7.7m3/s,在研究期内2 0 1 1年、2 0 1 5年和2 0 1 8年均出现9月降水量远高于8月的情况,其中降水量最为充沛的2 0 1 1年,9月降水量(4 2 9.1mm)比8月(1 7 3.4mm)高1.5倍。以基流指数(B F I)来反映研究期内基流变化的年际特征,由图5可以看出,年基流指数(B F I)变化幅度不大,多年平均基流指数为3 1.5%,最大值(3 5.1%)和最小值(2 6.3%)分别出现在2 0 0 7年和2 0 1 3年。在各年内,汛期(51 0月)基流远高于非汛期,汛期基流最大值为7 24 6 4.3m3/s(2 0 1 2年),非汛期基流变化相对来说更加稳定。为了更直观得到基流的变化过程,选取降水最充沛的2 0 1 1年,以F 4参数滤波法分割所得的结果进行分析。图6为渠江流域2 0 1 1年降水、径流和基流年内变化特征,可以看出年内降水量、径流量主要集中分布在汛期61 0月,当一段时间内的径流量达到峰值时基流也产生相应的增长波动,其他时间变化较为平稳。流量最大值2 56 0 0 m3/s出现在9月2 0日,对应的基流量为11 7 3.9m3/s,分析9月径流高于主汛期的原因是9月1 21 4日连续3天日降水量大于3 0mm,9月1 7日降水5 2mm以及9月1 8日出现大暴雨级别的降水(1 2 5.1mm)造成的。同时,由图6过程线可以看出,渠江流域径流、基流峰值出现的时间相对于降水发生的时间存在02个月的时间滞后性。3.2 关联因素分析3.2.1 降水因素 为了更全面反映2个非平稳序列的时频分布特征,采用小波变换分析流域降水和基流的共同周期变化1 8。由图7小波周期图可以得到,流域1 2年间月降水存在1 01 4个月的变化周期,其中2 0 0 72 0 1 4年存在有04个月的周期性变化,而基流变化整体上与 降水存在相 同 的 周 期,同 时 在2 0 1 6年后存在有26个月较弱的变化周期,交叉小波功率谱(图8)也印证在高能量区二者间的共变周期,不考虑边界效应影响锥曲线外区域,可以看出降水和基流在1 01 4个月的周期上通过9 5%显著性水平的红噪声检验,同时在2 0 1 0年后存在04个月的共振周期。541第4期 赵宾华等:渠江流域基流变化及气象关联性分析图3 渠江流域2 0 1 8年基流过程线图9为降水与基流序列的小波相干凝聚谱,可以看出,在整个研究期间低能量区通过显著性检验的周期普遍分布在为02 4个月。在2 0 0 92 0 1 2年存在03个月的周期,相关系数达到0.8以上,检验区内箭头分布多为“”正相位及第四象限指向,说明降水和基流为正相位变化,即为正相关,同时基流滞后于降水。在1 01 6个月周期内降水和基流仍存在相关系数高于0.9的较强正相关关系,同时降水序列整体上提前于基流序列,说明在渠江流域上降水和基流整体上同向变化且降水提前于基流,宏观来看无论是在高或低能量区内,降水仍是影响基流的重要因子。图4 渠江流域2 0 0 7-2 0 1 8年月降水、径流和基流平均年变化图5 渠江流域2 0 0 7-2 0 1 8年汛期、非汛期基流变化图6 渠江流域2 0 1 1年径流、基流过程线3.2.2 全球气候指数 能量输送引起的大气环流影响全球气候变化,在厄尔尼诺和拉尼娜事件影响下风向和洋流发生逆转,全球出现多种极端气候,而气候641水土保持学报 第3 7卷变化势必会改变水文循环中降水、径流、蒸发或下渗的发生。图1 0为2 0 0 72 0 1 8年月基流与同期气候指数的相关性,整体来看弱相关及以上(0.2)占比为5 0.0%,但只有1 1.1%的相关系数达到中等程度相关及以上(0.4),月基流与AAO、P NA相关性整体上更强。从季节尺度来看,冬、夏两季基流与气候指数的相关性更高,且1 2月至翌年2月多数为正相关,而夏季基流与气候指数较多呈现负相关。图7 渠江流域2 0 0 7-2 0 1 8年降水、基流小波周期图图8 渠江流域2 0 0 7-2 0 1 8年降水-基流交叉小波功率谱图9 渠江流域2 0 0 7-2 0 1 8年降水-基流小波相干凝聚图图1 0 月基流和全球气候指数相关性气候变化对水文过程具有一定的延后影响,为了得到变化条件下研究区基流对气候的响应,本研究中分析了基流相对于同期气候指数滞后1,2,3,4,5,6,8,1 0,1 2个月情景下的相关性2 1。可以看出,随着滞后月份的增加,相关系数达到中等程度及以上的比例相对提升,但是整体相关性只有在滞后81 0个月的时候有明显提高。图1 1分别为月基流序列滞后3,8,1 0,1 2个月时与全球气候指数之间的相关系数,可以看出当发生滞后尤其是基流滞后1 0个月时相关系数整体上有较大提升。由此说明,全球气候的变化影响流域水文过程,基流对气候指数变化的响应存在有一定的滞后性,而且随着滞后时间的延长二者之间的相关性更高。4 讨 论河川基流作为水资源的一部分也随着气候变化及人类扰动发生相应的改变,为了研究渠江流域基流的变化特征,本研究中使用3类9种数值模拟方法对基流进行分割,而基流作为水文水资源的研究热难点,无法进行实测等科学的论证,所以本文中仅以通过流量过程分析计算得到的枯水指数作为衡量标准,得出F 4滤波法在渠江流域的适用性优于其他方法的结论。时间步长法和滑动平均值法的平均极值比分别为1.8 6和2.1 1,离散程度较高,分析原因可能是2种分割方法均需要设定一定的时间间隔来选取该段时间内的流量最小值,而水文现象的随机性和不确定性以及近年来极端降水的发生,导致基流分割的起伏波动较大。同时,在本研究中对滤波参数()分别取0.8 0,0.8 5,0.9 0,0.9 5值并经1,2,3次滤波试算后选取0.9 5、N=3进行基流分割,张泳华等2 2在东江流域的基流分割中经过取值对比,最后同样选择=0.9 5进行正-反-正3次滤波;董晓华等2 3对三峡741第4期 赵宾华等:渠江流域基流变化及气象关联性分析水库的入库流量进行分析时也发现,数字滤波法优于平滑最 小 值 法,其 滤 波 参 数()选 择 推 荐 经 验 值0.9 2 5。在黄土高原流域,多数研究者2 4-2 5也认为,数字滤波法在基流分割的应用上更加稳定可靠,且分割结果更符合实际的基流情况,可见数字滤波法的应用极具普适性,但是由前人得到的经验参数并不一定适合于每个研究区,根据研究区的特征来试算确定适当的滤波参数是基流分割的关键。图1 1 月基流和滞后不同月份全球气候指数相关性 基流对降水的响应存在时滞性,从降水基流过程线可以直观看出,基流峰值的出现总是滞后于降水峰值02个月,而根据降水-基流小波相干凝聚图可以看出箭头均为向右的正相位及0-4 5 相位指向,说明基流对降水的响应滞后01.5个月。宋小园2 6在锡林河流域的研究也表明,基流对降水存在01.5个月的滞后期,最长滞后时间为4.5个月;党丽娟等2 7对黄土丘陵区康沟流域进行分析时发现,泉水对降水的响应滞后2 23 2天;李倩等2 8在对开都河和玛纳斯河的研究中发现,前者基流与降水峰值出现的时间基本重叠,而玛纳斯河基流峰值较降水峰值相差2个月左右;李俊等2 9在对南方九曲水流域进行径流对降水的时滞响应时得到,基流年均滞后时长为6.4天的结论,这反映了不同流域径流的时滞特点普遍存在且大部分都存在1个月左右的滞后,与本研究中渠江流域基流滞后时间类似,而具体滞后时间不同,可能是流域不同补给特征、降水时程分配特征以及不同的地貌、下垫面特征等造成。流域气候、植被覆盖、地形地貌、土壤和下渗特征、蒸散发和人类扰动等对基流的补给与损失都有一定的影响,本文仅通过统计学方法分析了降水、全球气候指数和基流序列的相关性,其他气候因素以及人类活动对基流时空变化带来的影响也有待进一步研究分析。841水土保持学报 第3 7卷5 结 论(1)结合枯水指数分析9种基流分割得到的结果,F 2、F 3数字滤波法分割结果偏低且误差大,F 1、F 4滤波法分割曲线更符合流量过程线的峰谷波动,时间步长法和滑动最小值法得到的基流值偏高,结合枯水指数分析得到F 4滤波法更适合渠江流域基流分割。(2)多年平均月降水、径流和基流变化趋势具有较高一致性,年内存在7月和9月双汛期,多年平均基流指数为3 1.5%,由于流域下垫面的差异以及降水时程分配特征不同,径流与基流出现峰值的时间相对于降水存在12个月的时间滞后性。(3)渠江流域降水和基流变化时频上存在共振周期且同向变化,时间上基流滞后于降水序列。气候变化影响流域水文过程,当基流相对于同期气候指数滞后不同月份时,随着滞后时间的增加两者之间的相关性均有所提升。参考文献:1 陈利群,刘昌明,李发东.基流研究综述J.地理科学进展,2 0 0 6,2 5(1):1-1 5.2 钱开铸,吕京京,陈婷,等.基流计算方法的进展与应用J.水文地质工程地质,2 0 1 1,3 8(4):2 0-2 5,3 1.3 L o t tDA,S t e w a r tM T.B a s ef l o ws e p a r a t i o n:Ac o m-p a r i s o no f a n a l y t i c a l a n dm a s sb a l a n c em e t h o d sJ.J o u r-n a l o fH y d r o l o g y,2 0 1 6,5 3 5:5 2 2-5 3 3.4 Z h a n gJL,Z h a n gYQ,S o n gJX,e t a l.E v a l u a t i n gr e l a t i v em e r i t so f f o u rb a s e f l o ws e p a r a t i o nm e t h o d s i nE a s t e r nA u s-t r a l i aJ.J o u r n a l o fH y d r o l o g y,2 0 1 7,5 4 9:2 5 2-2 6 3.5 周嘉欣,丁永建,吴锦奎,等.基流分割方法在疏勒河上游流域的应 用 对 比 分 析 J.冰 川 冻 土,2 0 1 9,4 1(6):1 4 5 6-1 4 6 6.6 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J.人民黄河,2 0 1 9,4 1(3):9 4-9 9.7 X i e JX,L i uX M,W a n gK W,e t a l.E v a l u a t i o no f t y p i c a lm e t h o d sf o rb a s e f l o ws e p a r a t i 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