渠江流域基流变化及气象关联性分析.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、 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
8、 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
9、 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 g
10、m 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
11、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
12、 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
13、 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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、,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
21、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
22、 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
23、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
24、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
25、)+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
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