黑河上游基流计算与变化分析

杨正华

(甘肃省水利厅水利管理局,甘肃 兰州 730000)

1 概述

山丘区径流过程中包括地表径流、壤中流和地下径流 3部分。地下径流量 (基流量)是指河川径流量中由地下水渗透补给河水最持续稳定的部分,即地下水对河道的排泄量。常年有水的河流在枯水期,河水几乎全部由地下水的排泄来补给;洪水期间,河水则由大部分洪水和少部分地下水排泄量构成。

内陆河流域降水主要集中在汛期(7～10月),10月 ～次年 5月降水较少,河川基流大部分由地下水补给,此阶段天然河川径流量基本可以代替河川基流量。2～3月的凌汛水量主要是 11月河流封冻后,地下水继续不断补给河流,使河道蓄水量不断增加,冰面不断升高,春季解冻开河时,积蓄在河道里的水量一下子释放出来,这些水量实际上都是冬季积蓄的河川基流量,因此在基流计算时也包括在内。

2 基流切割方法

目前,计算山丘区地下水资源的方法较多,主要有水文分割法、理化分析法和水文 ～水文地质法等。由于后两者在计算时分析成本高,故在第二次全国水资源评价时推荐采用工作量较小的直线分割法与加里宁试算法分割河川基流量。

无论是直线切割还是斜线切割,均忽略了汛期地下水补给机理过程,其结果偏小且精度较低,成果仅供参考。且在逐日河川径流过程线上,洪峰起涨点比较明显易于确定,而退水段的转折点往往不容易分辨,分割结果比较粗略。加里宁试算法由于试算量大,计算时段采用日、侯、旬的结果是不同的,一般时段愈长,结果愈大。理化分析法和水文 ～文地质法由于成本大,推广起来有一定的难度。

如何根据实测水文资料,寻求一种经济适用又切合实际的河川基流量分割简便方法,减少基流切割的工作强度,克服人工进行基流切割的任意性和非确定性,是水利水资源工作者的迫切需要。在众多基流自动分割程序中,选取应用最广泛的数字滤波法对黑河上游进行基流分割计算,为流域水资源保护和合理分配提供了科学依据。数字滤波法的原理是：通过数字滤波器将脉冲信号分解为高频和低频信号,与此相应将径流过程划分为地表径流和基流两个部分。滤波方程为：

qt=βqt-1+[(1+β)/2](Qt-Qt-1) (1)

基流方程为：

bt=Qt-qt (2)

式中：qt为时刻 t内过滤掉的地表径流,即洪水径流量(m3/s);β为滤波参数,影响基流衰减度,Nathan和 M cMahon推荐 β取 0.95;Qt为第 t时刻天然总径流(m3/s);bt为基流量(m3/s)。

为提高精度需对数据进行反复滤波,计算步骤如下：

第一步：按开始 ～结束时刻顺序,据公式(1)从总径流过程线中过滤出地表径流,再据公式(2)将总径流减去地表径流即得初次基流过程。

第二步：相反顺序计算,按照结束 ～开始时刻顺序,根据公式(1)、(2)计算可再次获得一组基流过程。

第三步：再按开始 ～结束时刻顺序,按式(1)、(2)计算获得最终基流过程数据。

数字滤波法是应用公式(1)、(2),按照不同的起始顺序重复计算基流过程的一种方法,计算的次数显著影响了基流过程线的平滑度,由结束向开始时刻顺序重新计算基流是为摈除第一次计算中的失真数据。

根据数字滤波法原理,甘肃水文局杜克胜编写了基流切割计算机程序,其具有自动计算、速度快等优点,特别适合计算长系列资料。本次黑河上游基流计算均用此程序,逐年计算祁连 (1968～2009)、扎马什克 (1957～ 2009)、莺落峡(1957～2009)等三站的基流量。

3 黑河上游概况

3.1 自然地理

黑河是我国西北地区第二大内陆河,位于东经 96°42′～102°04′、北纬 39°45′～ 42°40′之间 ,上游海拔介于 2 500 ～5 000m之间,4 000m以上发育有现代冰川,最高峰团结峰海拔 5 826.8m,山峰终年积雪。

黑河干流源头分为东、西两岔,均发源于青海省祁连山区。东岔八宝河,源于俄博滩东的锦阳岭,自东向西流程约106 km;西岔野牛沟河(黑河),源于铁里干山,自西向东流程约 208 km。东、西两岔呈“丫”字型汇于黄藏寺后折向北流,流程长约 95 km后出山,进入中游河西走廊平原地带,经甘肃省流入内蒙地区。

东、西两岔是黑河干流上游最为主要的集水区域,总控制面积为 7 438 km2,占黑河干流上游汇流面积的 74%。根据多年水文观测资料,上游两岔来水量占黑河出山口水量达70%以上,是黑河最为主要的产流区和发源地。莺落峡为干流出山口控制断面,断面以上为上游区,总集水面积10 009 km2,为地表径流形成区。

3.2 水文地质条件

地下水的形成主要受水文、气象、地形地貌和地质构造等因素的控制和影响,根据黑河上游地下水的形成条件、储存特点和分布规律,地下水分为多年冻层水和基岩裂隙水。

多年冻层水根据埋藏的部位,分为冻结层上水和冻结层下水。冻结层上水,主要分布在多年冻土层上部的季节性融化层内,水位埋藏浅,水质较好。主要补给来源为大气降水,径流途径短,主要以水平径流和垂直蒸发形式排泄。

基岩裂隙水存在于风化裂隙的变质岩、碎屑岩中,地下水接受大气降水及冰雪融水的补给后,以泉或潜流形式补给山间河谷及山前平原。

多年冻层水和基岩裂隙水是黑河上游基流的主要来源。

3.3 气候特征

黑河东、西两岔位于青藏高原北缘,欧亚大陆腹地。两岔流域内下垫面植被良好,流域植被属山地森林草原,生长有高山灌丛和乔木林,呈片状、块状分布,垂直带谱分明,气候阴湿寒冷,为典型的大陆性季风气候,降水量随高程的增加而增加,气温随高程的增加而递减。

受东亚大陆季风气候的影响,东、西两岔流域降水量年内变化较大,降水多集中在 6至 9月气温较高的夏季;冬季降雪较少,气温低,阴冷潮湿而漫长;春季升温快,但气温日较差大;夏、秋季凉爽而短促,初霜来临较早。

扎马什克站多年(1958～2009)平均降水量 450 mm左右,年平均(1973～2009年)气温在 0.7～3.6℃之间,多年平均 1.8℃左右。

上游祁连站多年(1973～2009)平均降水量 396 mm左右,年平均(1984～2009年)气温在 1.3～3.3℃之间,多年平均 2.3℃左右。

莺落峡站多年(1957～2009)平均降水量 181 mm左右,年平均(1974～2009年)气温在 7.9～10.3℃之间,多年平均 9℃左右。

两岔径流补给形式主要为大气降水,冰川融水,受气温影响较大。图 1为 2005年祁连水文站流量与气温相关关系曲线图,春季径流以积雪融水和地下水补给为主,夏、秋季以降水补给为主,同时随气温升高,辅以冰川融水;秋末、冬季部分降水则以固态形式储存在流域内。

图1 2005年祁连水文站径流与气温关系图

4 基流计算

4.1 西岔野牛沟河(黑河)

西岔野牛沟河(黑河)由札马什克水文站控制,距黑河西岔源头 182 km,海拔 2 635 km,位于青海省祁连县扎马什克乡。根据实测资料,其年均实测径流量为 7.26亿 m3

图 2为扎马什克站 2008年流量过程线。从图中可以看出,马什克站降水主要集中在 7～10月,降水强度小,持续时间长,洪峰过程起涨快,回落平缓。

图2 扎马什克站 2008年日流量过程线

本站基流计算结果见表 1。从计算结果可以看出,基流占径流的比重较大,基径比(年基流总量与径流量总量的比值)在 0.70～0.76之间变化,平均基径比为 0.74。基径比大是由于该地区为山丘区,植被较好,有利于降雨入渗形成浅层地下水,非汛期降水主要为固体,地表水、地下水冬季冻结,夏季融化,有利于地下水的补给。

表1 扎马什克站基流计算结果

由于西岔野牛沟河以上地处祁连山区深处,人类活动影响较少,流域处于天然状态。其径流变化与年降水量密切相关。20世纪 50、60年代年均基流量为 55 717万 m3/a,年平均降水量 428mm,基径比为 0.75;70年代最小,年均基流量为49 630万 m3/a,年平均降水量 429mm,基径比为 0.75,其中 1973年基流最小,只有 40 560万 m3,基径比为 0.77;80年代年均基流量为 54 629万 m3/a,年平均降水量 463 mm,基径比为 0.73;90年代年均基流量为 50 514万 m3/a,年平均降水量 463mm,基径比为 0.74;21世纪前十年最大,年均基流量为 59 125万 m3/a,年平均降水量 457 mm,基径比为0.75,其中 2009年基流量最大,为 75 540万 m3,基径比为0.76。

图3 扎马什克站径流、基流、降水量关系曲线图

扎马什克站历年实测径流与计算径流过程线见图 3。可以看出,径流量、基流量与降水量明显相关,基本呈一一对应。降水量大,基流量也大,反之亦然。2000以后,由于上游修建水库、引水灌溉等人类活动的影响,降水量与实测径流和基流量已经没有对应关系。

4.2 东岔八宝河(祁连)

东岔野八宝河(黑河)由祁连水文站控制,距黑河入河口6 km,海拔 2 590 km,位于青海省祁连县。根据实测资料,其年均实测径流量为 4.2 666亿 m3

图4 祁连站 2008年日流量过程线

图 4为祁连站 2008年流量过程线。从图中可以看出,马什克站冰雪消融集中在 3～6月,降水主要集中在 7～10月,降水强度小,持续时间长,洪峰过程起涨快,回落平缓。

本站基流计算结果见表2 。从计算结果可以看出,基流所占比重较大,基径比在 0.73～0.86之间变化,平均基径比为 0.81,大于扎马什克站,说明其上游流域下垫面条件好于西岔野牛沟河流域,植被较好,非汛期降水形成的冻结层上水地下水量丰富,地表水、地下水冬季冻结,夏季融化,地下水的补给大。

表2 祁连站基流计算结果

由于西岔野牛沟河以上地处祁连山区深处,基本无人类活动,流域处于天然状态。其径流变化与年降水量密切相关。20世纪 70年代年均基流量为 32 429万 m3/a,基径比为0.82;80年代年均基流量为 39 987万 m3/a,基径比为 0.81;90年代年均基流量为 23 965万 m3/a,基径比为 0.77;21世纪前十年最大,年均基流量为 42 797万 m3/a,基径比为0.83,其中 2003年基流量最大,为 53 230万 m3,降水量也为最大值 508.6 mm。

图 5 祁连站径流、基流、降水量关系曲线图

祁连站历年实测径流和计算径流与降水量关系曲线见图 5。其流量与降水量明显相关,呈对应关系。降水量大的年代,基流量大,降水量小的年代,基流量小。20世纪 90年代,降水量最小 397mm,基流量也为最小值 23 965万 m3;2000以后,降水量增大,最大达 398 mm,基流量也达到最大值42 979万 m3,基径比达到 0.83;1998年值明显偏左的原因是局部暴雨洪水所致,洪水由于历时短,强度大,地表水下渗量小,没有及时转化为地下水,故基流偏小。

4.3 黑河上游

莺落峡水文站为黑河上游的控制站,本站以上为黑河上游,控制流域面积 10 009 km2,分布有高山、峡谷及荒滩,平均海拔 3 000m以上,黑河源头主峰海拔 5 547m。莺落峡站年平均气温 1℃～8℃,年降水量为 180.9mm。洪水多出现在 7～9月,实测最大洪峰流量为 1310m3/s,发生在 1996年8月 22日。根据实测资料,其年均实测径流量为 15.9 881亿m3。

本站基流计算结果见表3 。从计算结果可以看出,基流所占比重较大,并且稳定,平均基径比为 0.83,说明其上游流域下垫面条件较好,植被良好,当年或前一年夏秋涵蓄于森林植被中降水和森林分布线以上疏松坡积物涵蓄的水量丰富,加之非汛期降水形成的冻结层上水水量丰富,地表水、地下水冬季冻结,夏季融化,地下水的补给量大。

表3 莺落峡站基流计算结果

2000年以后,基流量显著增加,从 2000年的 120 500万m3/a增加到 2009年 174 500万 m3/a, 环比增加了 44.81%,比多年平均值大 10.42%。

图 6 莺落峡站径流、基流、降水量关系曲线图

通过列表统计莺落峡枯水期(1～3月)差积累计曲线∑(Ki-1)与年基流∑(K'i-1)进行对比分析,由图 7可以看出两曲线起伏一致,丰枯周期基本一致,表面枯水期流量的变化与前一年的径流量(降水量)的大小有关,这主要由于枯季 1～3月径流量主要来源于流域蓄水(包括地下水)补给,当前一年降水量或径流量较大时,降水入渗补给量大,地下水量大,次年枯水期径流相应较大,反之较小。

图 7 莺落峡水文站枯季径流∑(Ki-1)-T与年径流∑ (K′i-1)-T对比图

5 结论

1)黑河上游山区地表径流及基流年内分配与降水过程和高温季节基本一致,径流量与降水量集中于暖季,春季径流以冰雪融水和地下水补给为主,夏秋季以降水补给为主,同时随气温升高,辅以冰川融水;秋末、冬季部分降水则以固态形式储存在流域内。具有春汛、夏洪、秋平、冬枯的特点

2)年内变化呈明显的周期规律,受气温、森林植被的影响,冬春枯水季节(10～3月),基流量占年径流总量的38.5%。这时地表水主要由两部分构成,一部分来自基岩裂隙水,一部分为当年或前一年夏秋涵蓄于森林植被中降水和森林分布线以上疏松坡积物涵蓄的水量。

3)基流年际变化不大,CV值只有 0.02,且基径比较大,并且稳定,说明其上游流域下垫面条件较好,植被良好,当年或前一年夏秋涵蓄于森林植被中降水和森林分布线以上疏松坡积物中涵蓄的水量丰富,加之非汛期降水形成的冻结层上水水量丰富,地表水、地下水冬季冻结,夏季融化,地下水的补给大。

[1]权锦,马建良.石羊河流域基流分割及特征分析.水电能源科学.2010.27(1)：51-53.

[2]伍立群,代兴兰.河川基流分割法在山丘区地下水资源量评价中的运用.中国农村水利水电,2005,1：35-38.

[3]陈利群,刘昌明,李发东.基流研究综述.地理科学进展,2006,25(1)：1-15.

[4]黄国如,陈永勤.枯水径流若干问题研究进度.水电能源科学,2005,23(4)：61-64.

[5]黄国如.流量过程线的自动分割方法探讨.灌溉排水学报,2007,26(1)：73-78.

[6]倪雅茜,张文华,郭生练.流量过程线分割方法的分析探讨.水文,2005,25(3)：10-14.

[7]陈利群 ,刘昌明,郝芳华,刘九玉,戴 东.黄河源区基流变化及影响因子分析.冰川冻土,2006,28(2).