窟野河流域河川基流量变化趋势及其驱动因素

2013-09-15雷泳南张晓萍张建军刘二佳

生态学报 2013年5期

雷泳南，张晓萍，张建军，刘二佳

(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌712100;2.中国科学院研究生院，100049，北京;3.西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌712100)

河川基流是指由地下水补给河川的水量。在非汛期时，基流是河川径流的主要组成部分。天然条件下，河川基流量稳定，具有维持河川径流、维护河流生态以及表生生态植被良性发展等多种功能，对维持生态系统健康起着重要的作用［1］。近年来，在气候变化和人类活动的耦合作用下，黄河流域河川基流量大幅度减少，导致湖泊萎缩、湿地减少、草场退化及黄河断流等一系列生态环境问题的频繁出现，严重制约着流域经济发展和生态环境建设［2-5］。分析黄河河川基流的演变过程，认识演变规律和影响因素，不仅有助于深入了解黄河流域水资源的特性，为合理开发利用水资源提供依据，同时也有利于水土保措施以及生态环境重建工程的合理布局。因此，河川基流已成为生态水文学研究的热点之一［6-8］。

窟野河位于黄土高原水蚀风蚀交错区内，是黄河河口镇至龙门段右岸一条较大支流。流域地处干旱半干旱过渡带，降水稀少且暴雨集中，地形支离破碎，植被稀疏，自然灾害频繁，生态环境极其脆弱，水土流失异常严重［9］。为遏制严重的水土流失，从建国初尤其是20世纪70年代开始，开展了大规模的水土流失综合治理和生态环境建设。同时，流域范围内蕴藏着丰富的煤炭资源，人类活动频繁［10］。大面积水土保持措施的实施和煤炭的开采，极大地改变了流域下垫面条件，产生了巨大的水文效应。近年来，随着流域内经济的迅速发展，流域水资源供需矛盾日益突出，甚至出现了严重的断流现象，严重威胁到流域的生态环境与经济的可持续发展［11］。

目前对窟野河流域的研究不少，但大多数主要集中在径流、泥沙以及水沙运行规律［9-11］，关于对维持生态系统健康具有极其重要意义的河川基流却鲜有文献报道。鉴于此，本文选取窟野河流域最大控制站温家川水文站实测日径流数据和流域气象资料，采用国内外常用的Chapman-Maxwell数字滤波法进行河川基流的计算，分析流域河川基流变化趋势与演变特征，从气候变化和人类活动两方面探讨了河川基流量变化的驱动因素，为流域水资源持续利用、生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况

窟野河流域位于陕西与内蒙古交界处鄂尔多斯台地毛乌素沙漠边缘(图1)。河流发源于内蒙古自治区东胜市巴定沟，流向东南，在神木县贺家川镇沙峁头村汇入黄河［12］。干流全长242 km，流域面积8 706 km2。属于干旱或半干旱气候，多年平均降水量410 mm，年内降水的70%—80%集中在6—9月，且多暴雨。流域上游为风沙地貌，以固定、半固定沙丘为主，地势平坦，植被稀疏。流域中下游以盖沙丘陵和黄土丘陵沟壑地貌为主，沟壑纵横、梁峁起伏，沟深坡陡，地形破碎，水土流失严重，输沙模数12 261.4 t/km2。为了遏制严重的水土流失，流域从20世纪50年代开始开展大规模的水土流失综合治理，这些项目主要包括造林与种草等生物措施，梯田与坝地等工程措施，具体如表1所示。

表1 流域内各水土保持措施累积面积Table 1 Accumulative area by the soil conservation measures in the study catchment

流域内的沙漠草原主要分布第四季风积、冲积、湖积粉细沙夹砂土、亚粘土孔隙潜水，含水层厚度一般为15—100m，水位埋深较浅，一般埋深10m左右，地下水主要以降水入渗补给为主，以向河水排泄为主［4］。温家川水文站是流域最大控制站，其控制面积8 645 km2，多年平均径流深65.8 mm，多年平均基流深24.7 mm，占年总径流量的38%(图2)。

窟野河流域范围是我国重要的能源化工基地。流域于1978年开始开采煤炭，在20世纪80年代年均开采煤炭量约为2.9×105t，20世纪90年代上升到5.2×106t，21世纪前5a年均采煤量迅速增加到5.4×107t［10］。煤炭产业的发展，使流域水资源供需矛盾日益突显，甚至出现枯水期断流现象［11］。

2 数据及研究方法

2.1 数据获取及处理

图2 流域月降水量与基流量的分配状况Fig．2 Distribution of monthly precipitation and base flow in the catchment

图1 窟野河流域概况图Fig．1 Location of the Kuye catchment

温家川水文站1959—2005年实测日径流资料，来自于黄河中游水文站整编资料。采用Chapman-Maxwell滤波法［15-16］对日径流量进行基流分割得到日基流量，由此按时间累计到年、月基流量。数据处理过程中，采用基流深(mm)概念，即将站点年(月)基流量除以控制面积，实际上反映了单位面积的基流量变化。流域气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网，利用Kriging空间插值后进行面积加权平均得到流域面平均降水量［13］，使用流域面平均降水量来进行降水量分析;根据Penman-Monteith公式计算流域潜在蒸散发面平均值［14］，使用流域潜在蒸散发面平均值进行潜在蒸散发分析。流域内煤炭开采资料和水土保持措施面积资料分别来源于文献［10，17］，具体见图3。

2.2 数据分析方法

2.2.1 Chapman-Maxwell数字滤波法

数字滤波法是近年来国际上应用广泛的基流分割方法，它的原理是通过数字滤波器将信号分解为高频和低频，对应地将径流过程划分为地表径流和基流［15］。与传统手工作图法相比，数字滤波法具有客观性强、操作简单、计算速度快等特点，在实践中已得到了广泛应用。

研究中采用Chapman-Maxwell数字滤波法分割径流得到流域河川基流［15-16］。该方法由Chapman和Maxwell于1996年提出，假定某时刻的基流为该时刻的地表径流和前一时刻基流的加权平均，即:

根据径流由地表径流和基流组成，即:

将式(2)代入式(1)消去地表径流得到基流分割方程，即:

式中，q(i)为第i时刻的径流量，m3/s;qf(i)为第i时刻的地表径流量，m3/s;qb(i)为第i时刻的基流量，m3/s;k为退水系数，一般情况下，k取值为0.95。

2.2.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法是一种非参数检验方法，其具有不受少数异常值干扰，不受数据分布特征影响的特点，近年来被广泛应用于气象和水文时间序列的变化趋势分析。文献［18］对该方法进行了详细介绍。研究中利用Mann-Kendall检验法对流域年基流量和气象要素的变化趋势进行分析。

2.2.3 Pettitt检验法

Pettitt检验法是1979年提出的一种非参数检验方法，与Mann-Kendall检验方法相结合进行水文、气象要素趋势分析及突变时间确定，在国内外得到了广泛的应用［19］。研究中利用Pettitt检验法对流域年基流量和气象要素的突变时间进行分析。

图3 流域年基流量、水土保持治理面积和采煤量Fig．3 Annual base flow，the area of treated by soil conservation measures and coal mining in the catchment

2.2.4 双累积曲线法

双累积曲线方法是目前分析水文气象要素一致性或长期变化趋势方法中最简单、最直观的方法［20］。它的理论基础是在相同时间段内，对于一个事件只要给的数据呈现正比关系，那么两个变量各自的累积值可在直角坐标系上表示为一条直线，其斜率为两变量对应的比例常数，当直线的斜率发生突变时，表明两个变量之间的比例常数发生了改变，那么斜率发生突变点对应的年份就是这两个累积关系出现突变的时间。研究中利用年降水量与基流量的双累积曲线来分析流域基流量的突变点，进一步验证Pettitt方法检验的突变点。

2.2.5 历时曲线法

流域的流量历时曲线(FDC)是一种频率累积曲线，可以表示给定时段内大于或等于某一流量的流量持续时间，能充分反映从丰水期、平水期到枯水期各流量状态下流域的径流特征［21］。近年来，流域历时曲线法被广泛应用于流域时段水文情势特征分析。研究中设流域基流历时曲线累积频率为5%、50%、95%分别代表丰水期、平水期和枯水期，分析流域河川基流在不同时段相同频率上变化差异，揭示流域人类活动引起的地表下垫面变化对流域河川基流的影响。

3 窟野河流域基流量变化分析

3.1 基流量年际变化趋势及跃变时间

流域全年、春、夏、秋、冬及汛期和非汛期7个时段基流量均表现出0.001水平的极显著减少趋势，如表2所示。全年趋势变化斜率达-0.628 mm/a，四季中夏季基流量下降趋势最大，为-0.212 mm/a，其次为秋季、春季和冬季，分别为-0.196、-0.162、-0.050 mm/a。汛期内流域河川基流量减少程度是非汛期的1.6倍，达到-0.367 mm/a。

从表2可以看出，流域7个时段基流量在统计上均具有跃变性质，跃变时间出现在1979年到1988年间，除夏季出现0.01的显著水平外，其余各时段均达到了0.001的极显著性。图4是利用Pettitt检验法对流域全年基流量的突变时间进行判断，结果表明突变时间发生在1980年，这与张晓萍等［13］在该区对径流突变时间研究结论基本一致。

为了进一步验证流域全年基流量的突变时间，研究中同时利用年降水量和年基流量的双累积曲线进行突变检验，如图5所示。从图5可以看出，流域全年基流量在1980年和1996年发生两次突变，前者与流域在20世纪七八十年代大规模开展水土流失治理，尤其是大量修建水利水保工程有关;后者与流域内煤矿开采量大幅度增加，破坏含水层，漏失地下水资源，造成地下水对基流的补给量减少，进而导致河川基流量的大量衰减。

表2 流域基流Mann-Kendall趋势检验结果Table 2 Results of trend tests for baseflow variables by Mann-Kendall in catchment

图4 流域年基流量突变点检验Fig．4 Pettitt's test for detecting a change point in annual base flow of total year period

图5 流域年基流深和降水量的双累积曲线Fig．5 The double mass curve of cumulative annual precipitation and annual base flow depth in catchment

3.2 基流量变化程度

基于上述Pettitt检验和双累积曲线检验的基流量突变时间为界，将研究中的水文序列划为3个阶段，即基准期(1959—1979年)、水土保持效应期(1980—1995年)和煤炭开发期(1996—2005年)。与基准期相比，流域日基流量在水土保持效应期和煤炭开发期内7时段丰水(5%)、平水(50%)和枯水(95%)时的变化量，如图6和表3所示。

从图6中可以看出，与基准期相比，水土保持效应期日基流量在5%频率减少30%，20%—80%频率普遍减少35%—40%，95%频率减少54%;煤炭开发期日基流量在5%频率减少57%，20%—80%频率普遍减少65%—70%，95%频率减少100%。相比基准期，水土保持效应期和煤炭开发期日基流量平均相对减少分别为36.3%和66.1%。

图6 流域3个时期日基流历时曲线和相对变化率Fig．6 Daily base flow curves in stage1 from 1959 to 1979，stage 2 from 1980 to 1995 and stage3 from 1996 to 2005 for total year period and the relative changes compared to stage1 in catchment

表3 流域7个时段日基流量在丰、平、枯水时期的相对变化率Table 3 The relative changes represented by daily base flow curves in high，midean and low flows in 7 time series in study catchment

其余6个时段的相对减少量差异很大，总体上看，煤炭开发期的日基流量减少量是后期的2倍(表3)。与基准期相比，水土保持效应期日基流量在5%频率减少20%—30%，50%频率减少30%—40%，95%频率减少15%—100%;煤炭开发期日基流量在5%频率减少50%—65%，50%频率减少60%—75%，95%频率减少50%—100%。

为了进一步分析流域日基流量的变化特性，统计了基准期、水土保持效应期和煤炭开发期3个时期流域7个时段基流量的丰水指数(Qb5/Qb50)和枯水指数(Qb95/Qb50)，如表4所示。从表4可以看出，流域7个时段基流量从基准期到水土保持效应期再到煤炭开发期总体呈现丰水指数增大，枯水指数减小的变化特征，表明流域内常水径流及枯水径流减少的比重较大。

表4 流域7个时段的丰水指数和枯水指数Table4 The high-flow indices and low-flow indices in 7 time stages in catchment

4 窟野河流域基流演变驱动因素分析

自然条件和人为因素都会引起流域水文发生效应变化，成为分析流域河川基流演变的两大重要原因。从短时间尺度来看，流域地质地貌、土壤性质及地面组成物质等自然条件几乎不会有变化，但流域河川基流量却呈现极显著减少趋势，显然，这种趋势变化与流域气候变化和人类活动有着重要的关系。本文中气候变化主要分析流域降水量和潜在蒸散发两个因素。

4.1 气候变化

降水是地表径流的本源，也是地下水的主要补给源。自然状况下，流域基流数量及时间分布与降水存在着良好的对应关系［22］。尤其是在干旱半干旱地区，降水的微弱变化都会反映到径流情势中。流域内3个时期年降水量与年基流量的统计值，如表5所示。

表5 流域3个时期年降水量与基流量的统计值Table 5 The statistic of annual precipitation and base flow in the three periods in catchments

从表5可以看出，窟野河流域基流量与降水量的变化具有同步性。3个时期(基准期、水土保持效应期和煤炭开发期)基流量的多年平均降雨量分别为413.10 mm、373.03 mm和358.31 mm，多年平均基流量分别为33.61 mm、21.43 mm和11.43 mm，与基准期相比，水土保持期和煤炭开发期的降水量分别减少40.07 mm和54.79 mm，相对减少率分别为9.70%和13.26%，基流量分别减少12.18 mm和22.18 mm，相对减少率分别为36.23%和66.00%，一定程度上反映了流域基流量随着降水量的减少而减少。

表6 流域降水量和潜在蒸散发变化趋势及跃变时间检验Table 6 Analysis of precipitation and PE using the Mann-Kendall and Pettitt test

同时利用Mann-Kendall检验和Pettitt检验对流域年降水量及潜在蒸散发的变化趋势和突变点进行检验，结果如表6。从表6可以看出，流域降水量呈现微弱的减少趋势，但并未达到显著性，降水序列中不存在突变点。

潜在蒸散发虽然不能代表流域内的实际蒸散发，但在一定程度上反映了流域内气象要素的变化，对流域水循环有着重要的影响［14］。窟野河流域内的潜在蒸散发呈现极显著的减少趋势，并在1981年发生突变(表6)。可见，流域潜在蒸散发对河川基流量减少的影响不大。

4.2 人为因素

地下水作为河川基流的主要补给源，其时空分布状况对基流的补给和消耗过程有着深刻的影响。窟野河流域地处干旱缺水地区，长期以来，地下水是维持流域人类生产生活的主要水源之一［1］。随着流域工农业的发展，集中连片开采地下水及沿河灌溉取水等人类活动日益频繁。这些人类活动，改变局部地下水的时空分布和水循环过程，对河川基流量的演变起到了巨大的影响。

4.2.1 煤矿等资源开采对基流的影响

煤矿开采是造成窟野河流域河川基流量大量衰减的最主要因素［10，23-24］。相关部门探测查明，在内蒙古南部与陕西北部接壤地带，蕴藏着丰富的优质煤炭资源，其中90%近期重点开采的矿区面积位于窟野河流域［23］。从1978年开始开采煤炭尤其是20世纪90年后期以来，煤炭资源开采量大幅度增加。由于流域风沙地区内的河流40%—70%流量来源于地下水补给，且含水层埋藏浅，位于煤层之上，大量煤炭连片开采，破坏地下含水层，漏失地下水，导致补给河川基流的地下水不断减少［1］。

大柳塔煤矿是流域内一座特大型现代化矿井，煤炭开采前，地下水原始流场为以母河沟泉为中心的自流盆地，随着开采面积和强度的加大，地下水位迅速下降，幅度达10—12 m，最终稳定在基岩界面附近，同时矿区地下水位等高线向采空区一侧倾斜，并形成了以采空区为中心的降落漏斗［23］。双沟支流是窟野河上游乌兰木伦河的一条支流，多年平均流量7 344 m3/d，煤炭开采后，该支流出现断流，泉眼干枯［23-24］。据神木县水利局资料，2000年窟野河断流75 d，2001年创历史断流最长记录，达106 d。近年来，随着流域上游煤炭开采量大幅度增加，窟野河断流现象日趋严重。

4.2.2 地下水过量开采及不合理的开发利用

流域河川基流量减少的另一个原因是流域内地下水开采量和非汛期灌溉引水量的增加。地下水开采与河川基流都是流域内地下水排泄方式的表现，在总量一定的条件，地下水开采增大，地下水侧向排泄量相应减少，进而削减河川基流量［1］。在流域内的沙漠草原区一带，井灌面积不断扩大，地下水开采量大量增加，部分地区地下水位下降1—2 m，造成补给该地区河川基流的地下水量减少［4］。另一方面，随着流域内经济快速发展，高耗水工业的也随之增多，用水量大幅度增加，地下水开采和傍河取水等活动频繁发生。据统计资料表明［24-25］，该区工业的水资源利用水平极低，万元产值耗水达964 m3，远低于我国平均水平，水的重复利用率几乎为零;农业灌渠水资源的有效利用率只有20%左右。可见，流域内地下水资源过量开采及不合理利用导致补给河川径流的地下水不断减少，最终削减了河川基流量。

4.2.3 水利工程对基流的影响

窟野河流域内的水利工程主要包括水库、塘坝、沟渠等，这些水利工程的修建和使用，改变了流域下垫面状况，影响流域水量平衡，进而导致河川基流量在时空分配上的变化。据神木县志记载，到20世纪80年代末，该县已建成灌溉渠道总长约168 km，抽水站500多处，总灌溉面积146 km2;水库57座，池塘148个，总容量近5500万m3;人畜饮水工程66处，解决大量的人、畜饮水问题。窟野河流域在50年代开始修建坝库，至1988年现存坝库844座，其中有662座修建于70年代［12］。大规模的水利工程措施改变了流域下垫面水循环状况，20世纪70年代末和80年代初期凸显了其水文效应［26］。流域内的水利工程建设对河川基流量的衰减有着一定程度的影响。

图7 流域水保面积比值与基流指数关系图Fig．7 The Ratio of Soil Conservation Measures Area and Base flow Index

4.2.4 水土保持对基流的影响

从建国之初尤其是20世纪70—80年代，黄土高原开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理。这些水土保持措施的实施，拦截部分降水入渗补给地下水，增加河川基流量。但基流量的大小主要取决于流域降水量的大小，水土保持措施对基流的影响主要表现在流域基流量占总径流量比例(即基流指数)的变化［22］。由图7可知，随着流域水土保持面积占流域面积比值的增加，基流指数呈现增大趋势。为了更直观地解释这个问题，图8给出了流域年基流指数与年径流量过程线，从图中可以看出，流域年径流量呈极显著减少趋势，但年基流指数基本保持稳定，甚至在1996年后基流指数呈现增加趋势。1980年后年基流指数与年径流量在图上基本表现为对称性分布关系，即年径流量越小，年基流指数越大。这反映了水土保持措施对不同强度降水量的拦截作用，降水量强度较小时拦水作用明显，地表产流少，利于下渗，相应的基流指数较大;反之，基流指数较低［22］。

综合以上分析，窟野河流域河川基流量减少是气候变化和人类活动共同影响的结果。其中降水量的变化一定程度上影响了流域河川基流量。对流域内的人类活动各因素的分析可以看出，流域内大面积连片开采煤炭资源是流域河川基流量减少最为主要的因素，其次是过量开发利用地下水，水利工程建设的作用也是不可忽视。虽然流域内开展的水土保持综合治理，改变了流域下垫面状况，增加了部分降水的入渗，对河川基流增加起到了正效应，但在降水量变化和煤炭开采、地下水开发及水利工程等人类活动的综合效应下，流域河川基流量还是呈现显著下降趋势。

图8 窟野河流域标准化年基流量与年基流指数过程线Fig．8 The Standardized Annual Base flow and Base flow Index Process Line in Study Catchments

5 结论

(1)近50年来，流域内7个时段(全年;春季、夏季、秋季、冬季;汛期和非汛期)的基流量均表现为极显著减少趋势。全年基流量的减少量为0.628 mm/a;四季中夏季减少量最大为0.212 mm/a，冬季最小为0.050 mm/a;汛期基流量减少程度是非汛期的1.6倍，达到-0.367 mm/a。流域内全年基流量在1980和1996年发生两次明显的突变。

(2)历时曲线分析表明，与基准期(1959—1979年)相比，水土保持效应期(1980—1995年)的全年日基流量在5%，50%和95%的频率上相对减少率分别为30%，38%和54%，煤炭开发期(1996—2005年)的日基流量在5%，50%和95%的频率上相对减少率分别为57%，68%和100%。其余6个时段(春季、夏季、秋季、冬季;汛期和非汛期)的相对减少量差异很大，与基准期(1959—1979年)相比，水土保持效应期(1980—1995年)各时段日基流量在5%，50%和95%的频率上相对减少率分别为20%—30%，30%—40%和15%—100%，煤炭开发期(1996—2005年)各时段日基流量在5%，50%和95%的频率上相对减少率分别为50%—65%，60%—75%和50%—100%。

(3)近50年来，窟野河流域河川基流量减少是气候变化和人类活动共同作用的结果，但主要驱动因素是流域内大面积连片开采煤炭资源和过量开发利用地下水。在流域降水量不显著减少和潜在蒸散发极显著减少的背景下，如何定量区分各因素对流域河川基流量变化的影响，有待深入分析。

致谢:黄河水利委员会黄河水利科学研究院蒋晓辉博士对资料收集提供帮助，特此致谢。

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