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      基于數(shù)字濾波法的甘肅省河川基流特性分析

      2021-04-03 03:41:50
      地下水 2021年4期
      關(guān)鍵詞:基徑河川基流

      張 麗

      (甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000)

      基流是河川徑流的重要組成部分,是非汛期河川徑流的主要補(bǔ)給來源,全年基流量相對穩(wěn)定,在保障供水安全、加強(qiáng)水生態(tài)保護(hù)、優(yōu)化水資源配置、開展水資源調(diào)查評價(jià)、水力工程設(shè)計(jì)、降雨-徑流關(guān)系模擬等方面具有重要意義[1][2]?;鞣治鲇?jì)算是山丘區(qū)地下水資源評價(jià)的重要內(nèi)容。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對基流切割的方法進(jìn)行了大量的研究和探索,取得了豐碩的成果,較為常用的方法有圖形法、水文模型法、水量平衡法、數(shù)字濾波法、環(huán)境同位素和水化學(xué)方法、時(shí)間步長法等。采用數(shù)字濾波方法,對甘肅省112個(gè)水文站2001-2016年的逐日平均流量進(jìn)行基流分割,并對其基流量、基流指數(shù)、基流模數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行分析,以明晰甘肅省基流特性,為甘肅省水資源調(diào)查評價(jià)和水資源優(yōu)化配置技術(shù)支撐。

      1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

      1.1 數(shù)字濾波法

      數(shù)字濾波法是1990年Nathan 和 McMahon提出的模仿人工分割流量過程的數(shù)學(xué)方法,通過將逐日徑流資料作為地表徑流(高頻信號)和基流(低頻信號)的疊加將基流劃分出來,易于計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。采用公式為:

      (1)

      式中:Qt為第t日的日平均流量(t=1,2,……365(366));qt為過濾基流后的地表徑流;bt為河川基流量;β為濾波參數(shù)(0<β<1)。

      本次采用全年逐日平均流量繪制全年過程線,使用濾波算法切割基流量,濾波參數(shù)β取0.999,近似于直線切割。

      1.2 水文站的選取

      為計(jì)算基流量而選用的水文站(以下稱選用站)應(yīng)符合下列要求:

      (1)選用站具有比較完整的逐日流量觀測資料;

      (2)選用站所控制的流域閉合,地表水與地下水的分水嶺基本一致;

      (3)當(dāng)選用站以上流域人類活動(dòng)影響較大時(shí),選用站的徑流需進(jìn)行還原計(jì)算。

      全省共選用112個(gè)水文站,其中內(nèi)陸河流域20個(gè)水文站,黃河流域72個(gè)站,長江流域選取了20個(gè)站。

      1.3 計(jì)算單元的劃分

      根據(jù)選定代表性水文站分布情況,勾繪出水文站控制流域面積,結(jié)合流域內(nèi)不同水文分區(qū)的降水徑流條件,將水文站控制區(qū)域、下墊面條件、縣級行政區(qū)相互疊加,切割后劃分出縣級山丘區(qū)Ⅲ級類型區(qū)地下水資源評價(jià)計(jì)算單元。甘肅省山丘區(qū)共劃分278個(gè)計(jì)算單元,在內(nèi)陸河流域劃分了86個(gè)計(jì)算單元,其中疏勒河流域16個(gè),黑河流域41個(gè),石羊河流域28個(gè),柴達(dá)木盆地西部1個(gè);黃河流域劃分了166個(gè)計(jì)算單元,其中黃河干流40個(gè),湟水和大通河流域8個(gè),大夏河與洮河流域32個(gè),涇河流域43個(gè),渭河流域37個(gè),清水河與苦水河流域4個(gè),北洛河流域2個(gè);長江流域劃分了26個(gè)計(jì)算單元,其中嘉陵江流域劃分25個(gè)(10個(gè)屬于白龍江水系),漢江流域劃分1個(gè)。

      1.4 基流的計(jì)算

      (1)對于有選用水文站控制的計(jì)算單元,按下述要求計(jì)算評價(jià)期內(nèi)逐年天然河川基流量:

      根據(jù)選用站資料,點(diǎn)繪評價(jià)期內(nèi)逐年、逐日天然流量過程線。對人類活動(dòng)影響較小的選用站,可將實(shí)測流量過程線近似作為天然流量過程線;對人類活動(dòng)影響較大的選用站,應(yīng)在徑流還原的基礎(chǔ)上,計(jì)算天然流量過程線。

      在選用水文站天然河川基流量的基礎(chǔ)上,可采用水文比擬法,按下式確定計(jì)算單元的天然河川基流量:

      Rg計(jì)算單元=F計(jì)算單元×Rg水文站/F水文站

      (2)

      式中:Rg計(jì)算單元、Rg水文站分別為計(jì)算單元、水文站的逐年天然年河川基流量,單位均為萬m3;F計(jì)算單元、F水文站分別為計(jì)算單元、水文站控制的流域面積,單位均為km2。

      (2)對于無水文站控制的計(jì)算單元,可選取下墊面條件相同或類似的水文站,采用水文比擬法,按式(3)確定逐年天然河川基流量;也可選取下墊面條件相同或類似的水文站,采用基徑比法,按下式確定逐年天然河川基流量:

      Rg計(jì)算單元=R計(jì)算單元×Rg水文站/R水文站

      (3)

      式中:R計(jì)算單元、R水文站分別為計(jì)算單元、水文站的逐年天然年徑流量,單位均為萬m3。

      2 基流計(jì)算結(jié)果分析

      2.1 單站基流切割成果

      單站基流系列的推算根據(jù)所選用的水文站2001-2016年的地表徑流資料,用建立(包括類比)的R~Rg關(guān)系曲線,推算出單站2001-2016年的河川基流量系列和基流模數(shù)系列。

      根據(jù)所選的水文站年徑流量和切割出的年基流量建立R-Rg關(guān)系曲線,單站R-Rg相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,成果較為理想,基流量與徑流量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

      2.2 甘肅省天然河川基流量

      經(jīng)分析計(jì)算,甘肅省2001-2016年多年平均天然河川基流量為91.33億 m3,其中內(nèi)陸河流域18.21億 m3,黃河流域34.56億 m3,長江流域38.57億 m3。

      2.3 基徑比、基流模數(shù)在面上的分布情況

      基徑比(基流占總徑流量的比重)是判斷河川徑流年內(nèi)分配均勻與否的一個(gè)重要指標(biāo),基流模數(shù)(多年平均基流量與集水面積的比值)是判斷區(qū)域基流量的直接指標(biāo),對研究區(qū)域用水問題及徑流調(diào)節(jié)有一定的意義。

      2.3.1 內(nèi)陸河流域

      內(nèi)陸河流域基徑比平均為0.34?;鶑奖仍诿嫔系姆植家?guī)律是:高值區(qū)分布在發(fā)源于祁連山南坡的黑河(0.52)、討賴河(0.66)、黨河(0.64);低值區(qū)分布在發(fā)源于祁連山北坡的河流,如石油河(0.18)、豐樂河(0.20)、洪水河(0.15)、雜木河(0.18)等,這些河流基徑比的分布規(guī)律與河流的長度有一定的關(guān)系,河流長度短基徑比相對小、河流長度長基徑比相對大?;髂?shù)在面上的分布規(guī)律是:祁連山南坡是模數(shù)分區(qū)的高值區(qū),最大值可達(dá)9.71萬 m3/km2·a,分別沿祁連山山脈向東西兩側(cè)遞減,至最東端減小到2.45萬 m3/km2·a、最西端減小到0.88萬 m3/km2·a。

      2.3.2 黃河流域

      黃河流域基徑比平均為0.40。高值區(qū)出現(xiàn)在植被條件好的區(qū)域或河流源區(qū),如大夏河源區(qū)(0.48)、洮河源區(qū)(0.61)、蒲河(0.48)、冶木河(0.50);低值區(qū)出現(xiàn)在植被條件差的季節(jié)性河流,如西河(0.02),南河(0.05)、祖厲河(0.10)?;鶑奖仍诿嫔系姆植家?guī)律是:南部山區(qū)大于北部山區(qū),流域上游大于下游,植被條件好的地區(qū)大于植被條件差的地區(qū),這與整個(gè)流域面上的降水分布情況基本一致。平均基流模數(shù)3.93萬 m3/km2·a,最大值為16.55萬 m3/km2·a,最小值為0.004萬 m3/km2·a。基流模數(shù)在面上的分布規(guī)律與基徑比在面上的分布規(guī)律基本一致。

      2.3.3 長江流域

      長江流域多年平均基徑比0.48。2001-2016年我省長江流域進(jìn)入了枯水段,在分析計(jì)算中發(fā)現(xiàn),枯水期基徑比比豐水期相對值要大。基流模數(shù)最大值出現(xiàn)在白龍江水系甘南高山森林區(qū)拱壩河的黃鹿壩(22.79萬 m3/km2)和白水江的文縣站(21.18萬 m3/km2),最小值出現(xiàn)在西漢水上游黃土山林區(qū)禮縣站(2.18萬 m3/km2)?;髂?shù)分布與該流域降水、徑流分布趨勢一致,基本符合上游大于下游、支流大于干流、植被條件好的地區(qū)大于植被條件差的地區(qū)等自然規(guī)律。

      3 結(jié)語

      從甘肅省三大流域河川基流量的計(jì)算結(jié)果來看,基徑比和基流模數(shù)總體上是:內(nèi)陸河流域<黃河流域<長江流域?;鶑奖群突髂?shù)分布與該流域降水、徑流分布趨勢一致?;鶑奖群突髂?shù)受植被條件影響巨大,植被條件好的地區(qū)大于植被條件差的地區(qū)。

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