长江干流朱沱站―大通站基流变化特征

摘要：基流是河川径流中相对稳定的径流组成部分，基流分割在水资源、水环境和水安全的管理研究中都有着重要的应用。为了探究沿长江干流的基流变化特征，使用递归数字滤波法对长江干流7个水文站进行基流分割研究。结果表明，各站基流指数在0768～0798之间。对朱沱站-大通站区间基流量贡献最大的区间是宜昌站-螺山站，其次是朱沱站-寸滩站，最小的是万县站-宜昌站。2000年前后，长江干流基流量出现明显的衰减变化。基流量衰减最大的是宜昌站（衰减率为882%），其次为万县站（衰减率为879%）。

关键词：基流分割；递归数字滤波法；长江干流；空间变化；年代变化

中图分类号：TV213文献标志码：A文章编号：16721683（2015）05082304

Variation characteristics of baseflow between Zhutuo and Datong stations along

the mainstream of Yangtze River

CHEN Shuai，LU Chengpeng，LI Shulei，WANG Guan，LI Junjiang

（College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：Baseflow is a relatively stable component of streamflow，and baseflow separation is widely used in the management and research of water resources，water environment，and water security.In order to investigate the variation of baseflow along the Yangtze River，recursive digital filters method was employed to calculate the baseflow at seven hydrological stations in the mainstream of the Yangtze River.The research results showed that the BFI （baseflow index） is between 0768 and 0798 at each station.The river reach between Yichang and Luoshan stations has the greatest contribution to the baseflow between Zhutuo and Datong stations，followed by the river reach between Zhutuo and Cuntan stations，and the smallest is the river reach between Yichang and Wanxian stations.Around the year of 2000，the baseflow in the mainstream of the Yangtze River decreased significantly.Baseflow at Yichang station had the highest reduction rate of 882%，followed by Wanxian station with a reduction rate of 879%。

Key words：baseflow separation；recursive digital filters method；mainstream of Yangtze River；spatial variation；temporal variation

基流是指由前期降水形成的地下水和汇集速度缓慢的壤中流补给形成的河川径流[1]，是河川径流中比较稳定的组成部分，也是枯水期河川径流量的主要补给来源。基流不仅在水安全、非点源污染评价、水资源调查和评价、水资源优化配置中有着重要的应用，而且也是流域产汇流计算的重要研究内容之一[2]。作为中国第一大河流，长江的基流指数（BFI，Baseflow Index，基流与总径流之比）及基流变化特征研究对于流域水安全、水资源调查和评价及水资源优化配置等方面具有重要意义。基流分割的方法众多，按照计算原理的差异，可分为图解法[3]、水文模型法[4]、同位素法[5]、数学物理法及数值模拟法[6]五种方法[7]，其中数值模拟法是适用于大规模数据容量的一类自动化处理方法。在本次研究中，采用数值模拟法中的递归数字滤波法来研究长江干流的基流变化特征[8]。

1资料

本次研究以长江朱沱站到大通站河段为研究对象，中间包括寸滩站、万县站、宜昌站、螺山站和武汉关站，总计7个水文站（见图1）。采用的资料是1965年-2011年的日平均流量，其中1987年-2000年的资料未收集得到。

图1长江干流水文站点分布

Fig.1Distribution of hydrological stations along the

mainstream of the Yangtze River

2方法

2.1数字滤波法简介

数字滤波法是将信号通过数字滤波器分解为高频和低频信号的一种方法，即将径流过程划分为直接径流（高频信号）和基流（低频信号）两个部分[910]，在1990年由Nathan 和McMahon[11]首次将其用于基流分割。数字滤波法可分为单参数和双参数（递归数字滤波法）两类。单参数法的基流分割方程[11]如下：

Qdt=f1Qd（t-1）+（1+f1）2[Qt-Q（t-1）]（1）

Qbt=Qt-Qdt（2）

式中：Qdt、Qd（t-1）分别为t时刻、t-1时刻的地表径流；Qt、Q（t-1） 分别为t时刻、t-1时刻的总径流；Qbt为t时刻的基流；f1为滤波参数。

后来虽然经过Chapman等[7]多次改进，但方程的基本形式没变，都只含一个参数。

Eckhardt[12]于2005年提出了双参数方法，其滤波方程为

Qbt=（1-BFImax）αQb（t-1）+（1-α）BFImaxQt1-αBFImax（3）

式中：Qbt、Qb（t-1）分别为t时刻、t-1时刻的基流；Qt为t时刻的总径流；α为退水常数；BFImax为基流指数最大值，建议多孔介质含水层的多年性河流BFImax=08，季节性河流BFImax=05，坚硬岩石含水层的多年性河流BFImax=025。

双参数法能降低高BFI 值，增大低BFI 值，与其他方法相比，BFI 变化较缓慢，得到的基流过程线相对平滑[11]，适用于大型河流基流变化相对稳定的特点。因此，选择双参数数字滤波法作为本次研究的主要计算方法。

2.2递归数字滤波法参数的选择

滤波过滤次数和公式中参数的大小对基流分割结果影响显著[13]。应用递归数字滤波法分割长江基流时，为寻求合适的过滤次数（n）和参数α，分别选用不同的过滤次数和α，对长江宜昌站1977年流量数据进行基流分割计算，BFImax取推荐的08[12]。保持α不变，过滤次数（n）分别取过滤1次、2次和3次；保持过滤次数不变（n=1），α在095～098之间变化。分割结果见图2和图3。

图2不同过滤次数（n）宜昌站1977年的基流分割结果

Fig.2Baseflow separation results at Yichang station based on

different filtering times （n） in 1977

图3不同宜昌站1977年的基流分割结果

Fig.3Baseflow separation results at Yichang station based on

different values in 1977

基流是枯水季节河川径流的主要补给来源，其年际和年内变化较小[7]。因此，以合适的滤波参数分割得到的基流应具有过程线更加平滑且枯水期基流量接近于总径流量的特点。根据基流年际年内变化较小、基流过程线平滑和枯水期基流量接近于总径流量等特点，对比分析图2和图3中的基流分割结果，本次滤波法参数分别选取，过滤次数为1、α为098。由于上下游河流条件差异，对应不同站点或许应采用不同的滤波参数。这里仅探讨沿程不同站点的BFI差异以及不同年代的差异，因此不对各站点的滤波参数加以区分。

3结果分析

3.1长江干流基流分割结果

基流分割结果见表1，表中数据为1965年-2011年基流分割结果的多年平均值。图4为BFI沿长江干流变化趋势图，图5为各站年径流量和基流量分布图。

图4BFI沿长江干流变化趋势

Fig.4Variation of BFI along the Yangtze River

3.1.1各站基流情况

各站的基流量及各区间基流量大小见表1第（5）列。7个水文站的基流指数BFI在0768～0798之间（见表1第（8）列），表明基流对长江径流量的贡献很大，是其河川径流量的重要组成部分。递归数字滤波法分割基流得到的BFI比较稳定，各站基流指数相差很小，差值最大只有0031。从上游至下游，基流指数呈整体增加的趋势（见表1第8列及图4），基流量逐渐增加（图5），分析原因如下。

（1）山区以坡面产流为主，地表径流占总径流比重大，地下径流比重小。与山区相比，平原地区的地下径流比重则较大。沿长江干流由上游往下游，地形从山区逐渐过渡为平原，地下径流占总径流的比重逐渐增加，越往下游，基流指数呈整体增加的趋势。

（2）对下游断面基流量的贡献来自上游断面基流量与区间基流量，所以下游断面的基流量大于上游断面的基流量。表1长江干流基流多年平均值

Tab.1The multiyear average baseflow in the mainstream of the Yangtze River

水文站及河段河段长度

/km径流量

/（亿m3・a1）占（朱沱站-大通站）区

间径流量的比例（%）基流量

/（亿m3・a1）单位河长基流量

/（亿m3・a1・km1）占（朱沱站-大通站）区

间基流量的比例（%）BFI（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）朱沱站2 5892 0190.780朱沱站-寸滩站120 754 12.39551 4.5911.23寸滩站3 3432 5700.769寸滩站-万县站290 669 11.00508 1.7510.36万县站4 0120 30780.768万县站-宜昌站300 172 2.83144 0.482.95宜昌站4 1843 2220.770宜昌站-螺山站340 2 061 33.881724 5.0735.16螺山站6 2454 9460.792螺山站-武汉关站180 615 10.10508 2.8210.37武汉关站6 8605 4540.795武汉关站-大通站430 1 813 29.801467 3.4129.93大通站8 6736 9210.798总计1660100.00100.00图5各站年径流量和基流量

Fig.5Annual runoff and baseflow of each station

3.1.2区间基流情况

从表1第（6）列可以看出，对朱沱站-大通站区间基流量有贡献的各区间中，宜昌站-螺山站区间的基流量贡献最大，单位河长基流量为507亿m3/（a・km）；其次是朱沱站-寸滩站，单位河长基流量为459亿m3/（a・km）；武汉关站-大通站、螺山站-武汉关站和寸滩站-万县关站三个区间的单位河长基流量分别为341、282和175亿m3/（a・ km）；万县站-宜昌站区间基流量的贡献最小，单位河长基流量只有048亿m3/（a・km）。区间单位河长基流量受到区间产流条件和水文地质条件的共同影响。本次区间基流分割结果表明沿着长江干流沿线，单位河长基流量变化特征较为复杂。

3.1.3分割结果可靠性分析

数字滤波法已经在基流分割研究中得到广泛应用[1416]，而在长江干流相关研究中尚未见报道。在本次研究中，为了验证基流分割结果的可靠性，将Dai 等人[17]在分割长江基流时采用HYSEP（Hydrograph Separation）法计算的2000年-2005年多年平均BFI与本次递归数字滤波法计算的BFI结果进行对比分析，见表2。可以看出，两次研究计算出的BFI比较接近，各站全年BFI（见表2第（4）、第（5）列）差值最大为0121；用HYSEP法计算所得4个站平均值为082，用递归数字滤波法计算所得4个站平均值为0783，两者相差0037。尽管分割方法和计算时段的不同会导致计算结果的不同，但两次计算的BFI结果相差较小，所以认为本次使用递归数字滤波法计算的结果可靠。

表2不同方法计算的BFI结果对比

Tab.2Comparison of calculated BFI results by different methods

站点HYSEP法计算结果递归数字滤波法计算结果FloodDryTotalTotal（1）（2）（3）（4）（5）寸滩站0.780.810.890.769宜昌站0.750.900.800.770武汉关站0.750.930.800.795大通站0.760.880.800.798平均值0.760.880.820.783注：（1）HYSEP法计算的是2000年-2005年BFI多年平均值，递归数字滤波法计算的是1965年-2011年BFI多年平均值；（2）Flood，Dry 和 Total 分别代表汛期（5月-10月），非汛期（10月-12月和1月-4月）及全年。

3.2长江干流基流量随时间的变化

通过对比长江各水文站1965年-1986年基流量的22年均值与2001年-2011年11年均值（见表3）可知，各站基流量都出现明显的衰减变化。其中，基流量衰减最大的是宜昌站，衰减率为882%；其次为万县站，衰减率为879%；螺山站与大通站的基流衰减率在520%左右；朱沱站、寸滩站和武汉关站的基流衰减率都小于4%，寸滩站衰减率最小，为278%。从表3可知，尽管各站基流量都呈现减小的趋势，但基流所占总径流的比值BFI却略显增加，增加最大的是万县站，增加了175%。BFI略微增加的原因是基流量衰减的同时，总径流也在衰减，且衰减的幅度略大于基流量的衰减。

基流量出现衰减的可能原因有如下。

（1）人类活动因素。近20年来，在长江流域，人口激增，经济迅速发展，水的需求量增加。根据中华人民共和国水资源公报，长江流域地下水供水量总体呈增加的趋势，沿江地区地下水开采量出现增加，地下水水位下降，地下水补给河流量减少，基流量出现衰减。

（2）气候变化因素。Dai等人[17]认为长江流域气温升高不仅会直接导致地表蒸发量增加，而且也增加了部分地下水的蒸发损失，使得地下水对河川径流的补给减少。所以，全球气候变暖也可能是长江基流量衰减的原因之一。

为了防止基流量的大幅衰减，保护长江水资源的循环再生，必须采取相应措施，合理开发长江沿岸地表和地下水资源[18]。表3各站总径流、基流量及BFI 1965年-1986年和2001年-2011年时段内年均值变化

Tab.3Comparison of average annual values of total runoff，baseflow，and BFI of each station between 2001-2011 and 1965-1986

站名总径流/（亿m3・a1）1965年-

1986年2001年-

2011年总径流

变化率

（%）基流量/（亿m3・a1）1965年-

1986年2001年-

2011年基流量

变化率

（%）BFI1965年-

1986年2001年-

2011年BFI

变化率

（%）朱沱站2 6242 525-3.752 0411980-3.000.7780.7840.81寸滩站3 3873 251-4.022 5932 521-2.780.7660.7761.23万县站4 1513 722-10.343 1672 889-8.790.7630.7771.75宜昌站4 3113906-9.403 3123 020-8.820.7680.7740.69螺山站6 3556 020-5.275 0314 770-5.190.7920.7930.14武汉关站6 9496 691-3.715 5195 330-3.420.7940.7970.35大通站8 8418 366-5.377 0526 685-5.210.7980.7990.184结论

（1）应用递归数字滤波法时，选择过滤次数为1，参数BFImax取08，取098。通过与前人研究对比可知递归数字滤波法在长江干流基流分割应用的结果基本可靠。

（2）7个水文站的基流指数BFI在0768～0798之间，沿程变化趋势不明显，下游断面基流量大于上游断面基流量。

（3）宜昌站-螺山站的区间基流量对朱沱站-大通站的基流量贡献最大，单位河长基流量为507亿m3/（a・km）；其次是朱沱站-寸滩站，单位河长基流量为459亿m3/（a・km）。在区间基流的维持和保护研究方面，应重点关注宜昌站-螺山站和朱沱站-寸滩站两个区间基流的保护。

（4）所研究的长江干流各站基流量都出现明显的衰减变化，各站BFI变化并不显著。基流量衰减最大的是宜昌站，衰减率为882%；其次是万县站，为879%。在对长江主要断面基流保护时，应着重关注宜昌与万县站的基流变化。

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