多种数值模拟基流分割法在鄂北丘陵山区随县的应用对比研究

谭光超, 李姗姗, 李智民, 柳晓晨, 李 业

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020)

基流是补给河水的地下径流,是河流中比较稳定的径流部分。通常认为地下径流是枯水季节河流的基本流量,故称其为基流[1]。基流的研究成果广泛地应用于流域水文模拟、水资源评价与管理、生态环境保护等多个学科领域。

国内外学者大量的科学研究及实际应用表明,数值模拟法计算的基流值满足基流所应具备的特征,具有客观、可重复性、易操作等特点[2-4],成为目前基流分割中最常采用的方法。数值模拟基流分割法包括数字滤波法、HYSEP法和BFI法,由于不同研究区的产汇流条件存在较大的差异,各种基流分割方法在不同研究区的稳定性、适应性并无绝对性。

随县位于长江中下游北部,属于长江流域二级地下水流系统,该区地貌形态包括构造侵蚀剥蚀低山、构造侵蚀剥蚀丘陵和弱侵蚀堆积岗波状平原,属于典型的丘陵山区地貌区[5],河川基流量是丘陵山区地下水的主要排泄项,在河川径流中占有一定比例。随县水文地质研究程度相对较低,1∶50万湖北省地下水资源调查评价报告采用径流模数法和入渗系数法评价了多年平均天然资源量,1∶20万随县幅水文地质调查未开展地下水资源评价工作,探索适合于鄂北丘陵山区随县各河流的基流分割方法,是研究该区河川基流量及其动态变化的基础,对于提高该区地下水资源评价精度,加强地下水资源管理具有重要意义。

以设立于随县境内的各支流水文站实测逐日径流量资料为基础,采用数字滤波法、HYSEP法和BFI法等基流分割法对平水年、枯水年、特枯年3个代表年的实测数据进行基流分割,选取计算结果最合理、最稳定的方法,为后续开展该区域地下水资源评价工作奠定基础,并为水文地质条件类似的流域河川基流量动态变化研究提供参考。

1 数据基础

随县位于长江中下游北部,属北亚热带季风气候,四季分明,春秋季节短、夏冬季节长,年平均气温15.6 ℃,多年平均年降雨量960 mm,降雨集中在5—8月,约占年降水量的70%,年蒸发量1 450～1 520 mm。流经随县的长江支流有府河、汉水、淮河,其中随县境内府河流域面积为4 539.85 km2,占县域面积的80.03%,汉水流域面积437.98 km2,占县域面积的7.72%,淮河流域面积695.17 km2,占县域面积的12.25%。

根据随县境内流域分布及水文站的布设情况,随县境内汉水、淮河流域支流均未布设水文站,府河流域的涢水源、均水、涢水、漂水均布设了水文站,并且4个水文站均有多年实测逐日径流量资料。考虑到府河流域占据随县县域面积的80.03%,且随县境内府河流域与汉水及淮河流域水文地质条件、产汇流条件类似,地下水类型以变质岩裂隙水为主,主要赋存于风化裂隙和构造裂隙中,局部富水带多沿断裂构造和侵入岩与变质岩接触带展布,地下水排泄以分散径流型为主,地下水天然动态类型均属于入渗—径流型[注]李智民、卞学军、谭光超等,鄂北丘陵山区严重缺水地区随县、应城市(北部)水文地质调查成果报告,湖北省地质环境总站,2016。。因此将府河流域各水文站实测数据作为本次研究的数据基础具有相当程度的代表性,其研究结果可以类比用于整个随县。各水文站基本情况如表1所示。

表1 水文站基本情况Table 1 Basic information of the hydrological station

2 研究方法

数值模拟基流分割方法包括数字滤波法、HYSEP法和BFI法,根据计算公式的不同或参数选取的方法不同,这3类数值模拟基流分割法可划分为9种。

2.1 数字滤波法

数字滤波法由学者Nathan和McMahon[6]于1990年引入到水文计算中,并由Chapman、Maxwell[7]进行了多次改进,该方法源于信号分析,其主要原理是将日径流量视为高频信号的地表径流和低频信号的河川基流组成,利用信号处理技术,将高频信号和低频信号分离,从而从逐日径流量过程中分割出基流[8-9],该方法利用长历时逐日径流量资料计算,具有较好的客观性和可重复性。根据基流分割方程的不同,可以分为F1、F2、F3、F4四种。

F1计算方法的基流分割方程为:

Qdt=Qd(t-1)·α+[Qt-Q(t-1)]·(1+α)/2

Qbt=Qt-Qdt

F2计算方法的基流分割方程为:

Qdt=Qd(t-1)·(3α-1)/(3-α)
+[Qt-α·Q(t-1)]·2/(3-α)

Qbt=Qt-Qdt

F3计算方法的基流分割方程为:

Qbt=Qb(t-1)·β/(2-β)+Qt·(1-β)/(2-β)

F4计算方法的基流分割方程为:

Qbt= Qb(t-1)·k/(1+k)+Qt·k/(1+k)

式中:Qdt和Qd(t-1)分别为第t时刻和第t-1时刻的地表径流;Qt和Q(t-1)分别为第t时刻和第t-1时刻的河川径流总量;Qbt为第t时刻的基流;α为滤波参数,一般取值0.95;β为退水参数,一般取值0.95;k为固定值,一般取值0.15。

2.2 HYSEP法

HYSEP法由PettyJohn 和Henning[10]于1979 年提出,是美国地质调查局推荐使用的方法。原理是利用经验公式计算直接径流的持续时间,选定相应的时间间隔,并在此基础上计算基流,根据选取的时间间隔内基流取值的选取方法不同,HYSEP法分为固定步长法(Fixed)H1、滑动步长法(Slide)H2、局部最小值法(Lealman)H3,3种方法的经验公式为:

N=A0.2

式中:A为流域面积;N为直接径流的持续时间,时间间隔通常3—11 d,选择与2N最接近的奇数作为时间间隔,在此基础上进行基流计算。

2.3 BFI法

BFI法由英国水文所学者Wels[11]于1980年提出,是以基流指数为权系数计算基流量的方法。根据拐点检验因子f和k经验值取值不同,BFI法分为标准BFI(F)法B1、改进BFI(K)法B2。该方法基于“简单平滑分割法”,其计算原理是将每年以N天为一时段划分成365/N个时段,确定每一时段内的最小流量值,如果某时段内的最小流量值与拐点检验因子的积小于相邻左右时段内的最小流量值,则确定其为拐点,将所有拐点直线连接,即可得到基流过程线,过程线以下的面积即为该年的基流量。

3 结果与分析

3.1 基流分割过程对比

根据随县雨量站1957—2015年的逐年降雨量实测数据,采用水文频率计算适线法,选取频率P=50%、P=75%、P=95%对应的降雨量作为平水年、枯水年、特枯年的设计值,并按照“年内分配最不利”原则确定2002年、2004年、2011年为平、枯、特枯年。

2002年4个水文站实测逐日径流量的基流分割结果如图1-图4所示。

图1 2002年澴潭站基流分割结果Fig.1 Base flow segmentation results of Huantan Station in 2002

图2 2002年均川站基流分割结果Fig.2 Base flow segmentation results of Junchuan Station in 2002

图3 2002年随州站基流分割结果Fig.3 Base flow segmentation results of Suizhou Station in 2002

图4 2002年万店站基流分割结果Fig.4 Base flow segmentation results of Wandian Station in 2002

图5 2004年澴潭站基流分割结果Fig.5 Base flow segmentation results of Huantan Station in 2004

图6 2004年均川站基流分割结果Fig.6 Base flow segmentation results of Junchuan Station in 2004

2004年各水文站实测逐日径流量的基流分割结果如图5-图8所示。

图7 2004年随州站基流分割结果Fig.7 Base flow segmentation results of Suizhou Station in 2004

图8 2004年万店站基流分割结果Fig.8 Base flow segmentation results of Wandian Station in 2004

2011年各水文站实测逐日径流量的基流分割结果如图9-图12所示。

图9 2011年澴潭站基流分割结果Fig.9 Base flow segmentation results of Huantan Station in 2011

图10 2011年均川站基流分割结果Fig.10 Base flow segmentation results of Junchuan Station in 2011

图11 2011年随州站基流分割结果Fig.11 Base flow segmentation results of Suizhou Station in 2011

图12 2011年万店站基流分割结果Fig.12 Base flow segmentation results of Wandian Station in 2011

从图1-图12中可以看出,各基流分割方法的计算结果存在较为明显的差异,主要体现为三个方面:

(1) 不同方法之间的结果差异较大,9种方法均可实现基流过程的分割,得到的基流过程趋势基本一致,但是9种基流过程曲线重合程度较低、差异较大。

(2) 相同方法、不同月份数据得到的结果差异较大,在降雨量少、河川径流量较小且动态变化幅度较小的1月初—4日底、9月初—12月底的两个阶段,基流过程线与径流量过程线均呈现较为平缓的曲线,曲线重合程度较高;在降雨量多而集中、河川径流量较大的5月初—8月底,基流、径流曲线整体动态变化特征基本一致,但是基流过程线始终位于径流过程曲线下方,能够较好的反映出流域产流的阻尼效应。

(3) 相同月份数据、不同方法得到的结果差异较大,滤波分析法的F1、F2、F3基流过程曲线整体较为平缓,对于不同年份或不同月份的基流指数值辨识能力均较弱,HYSEP法H1、H2、H3基流过程曲线拐点较多,曲线整体呈锯齿状且与河川径流量过程曲线呈现高度的同步性,峰值出现的时间点高度重合,未反映出流域产汇流的迟滞效应;滤波分析法F4、BFI法B1和B2基流过程曲线整体较为平滑,反映出了径流的涨水、退水过程,且体现了径流过程的迟滞效应,基流分割计算结果较为合理。

3.2 基流指数计算结果对比

基流指数是基流量与年径流量的比值,依据收集的实测数据,利用9种数值模拟基流分割法得到的各河流不同代表年的基流指数计算结果见表2。

从表2可以看出,9种数值模拟基流分割方法的计算结果差异巨大,基流指数结果最小值F3为0.006 2、最大值H1为0.630 6,差距约100倍;基流指数结果平均值最小值F2为0.017 1、平均值最大值H2为0.476 6,差距约28倍。数字滤波法的基流指数值计算结果较分散,平均值最小值0.017 1、平均值最大值0.339 4,尤其是F2、F3方法计算基流指数结果不足0.02,即基流占比不足河川径流量的2%,计算结果过于保守,不符合鄂北丘陵山区地下水排泄特征;HYSEP法的计算结果差异不大,基流指数值计算结果相对较集中,平均值在0.4～0.5;BFI法的计算结果差异也不大,基流指数值计算结果相对较集中,平均值在0.25～0.3。

表2 基流指数计算结果Table 2 Base flow index calculation result

3.3 基流分割方法的对比研究

上述基流分割过程对比结果得知滤波分析法F4、BFI法B1和B2计算结果较为合理,而基流指数计算结果对比得知滤波分析法F2、F3方法不适用与本研究区,其余方法的合理性有待进一步对比研究。为综合对比分析不同基流分割方法计算结果的稳定性,对9种数值模拟基流分割法得到的计算结果进一步统计分析,结果如表3。

从表3可以看出,除去滤波分析法F2、F3以外,滤波分析法F4基流指数统计值极值比最小(1.961 1)、方差最小(0.003 5),不同水文站年际基流指数值在0.20～0.42,反映出该方法计算结果年际变化小、基流成果最稳定,说明滤波分析法F4是这9种方法中最为可靠、稳定的基流分割方法。

4 结论

本文以设立于随县境内的涢水源、均水、涢水、漂水4个水文站实测逐日径流量资料为数据基础,采用3类9种数值模拟基流分割法对平水年、枯水年、特枯年3个代表年的实测数据进行基流分割,得到如下结论:

相同研究区、相同数据,9种基流分割方法的计算结果差异巨大。通过基流分割过程对比,滤波分析法F4、BFI法B1和B2基流过程曲线最为平滑,较好的反映出了降雨—径流过程的阻尼效应和迟滞效应,基流分割过程曲线较为合理;通过进一步分析,根据基流指数计算结果对比、基流指数结果统计值对比,滤波分析法F4基流指数统计值极值比最小(1.961 1)、方差最小(0.003 5),不同水文站年际基流指数值在0.20～0.42,反映出该方法计算结果年际变化最小、基流成果最稳定。

表3 基流指数值计算结果的统计值Table 3 Statistical value of the calculation result of the base flow index value

综上所述,依据基流过程的年际变化和年内变化特征,滤波分析法F4是这9种方法中最为可靠、稳定的基流分割方法。考虑到本次研究的数据基础具有相当程度的代表性,其研究结果可以类比用于整个随县,因此滤波分析法F4可以适用于鄂北丘陵山区随县境内河流的基流分割,从而为后续随县地下水资源评价工作提供依据,并可以为类似的变质岩区河川基流量及其动态变化的研究提供重要参考。结合其他学者研究成果,充分表明不同基流分割方法在不同地区表现的适宜性不同,适用其他地区的具体基流分割方法尚需开展专项研究。