黄河中游重点支流基流变化研究

Analysis on Base Flow Changes of Key Tributary in the Middle Reaches of the Yellow River

摘要: 利用黄河中游河龙间5条入黄一级支流水文站自有观测纪录以来至2010年日径流资料，采用逐日平均流量过程线进行了基流切割，研究了五支流基流变化趋势。结果表明，五支流基流和地表径流均呈减少趋势，呈现出1980年前、1981~1998年、1999~2010年三个相对平稳的时段，第一时段和第三时段基流减少与径流减少的比值从高到低依次为：秃尾河57.8%、佳芦河37.2%、窟野河32.0%、孤山川20.3%、皇甫川15.2%，由北向南、由东向西，在河川径流减少量中，地下水补给减少的比重升高。在此基础上探讨了地形地貌、地质构造、气象水文和人类活动等因素对河川基流的影响，认为区域生产建设用水和地下水开采等人为因素是区域河川基流趋势性变化的主要控制因素。

Abstract: Based on the daily runoff data records from the dawn of observation records to 2010 from hydrological station of five tributaries in the middle reaches of the Yellow River, the average daily flow process line was used for cutting base flow and the base flow variation trend of the five tributaries was studied. The results show that the base flow and surface runoff of the five tributaries have a trend of decrease, which demon-strates three relatively stable time frame (before1980, 1981-1998 and 1999-2010). The ratios of base flow reduction to runoff reduction from high to low are 57.8%, 32.0%, 20.3% and 15.2% for Tuwei, Jialu, Kuye, Gushanand Huangfu rivers, respectively. From north to south and from east to west, in the reduction of runoff, the proportion of groundwater recharge is decreased. On this basis, the influence factors such as landform, geological structure, hydrological and meteorological and human activities on river base flow are discussed. The artificial factors such as water used by production and construction and exploitation of groundwater are the main control factors on the changes of regional river base flow trend.

1. 引言

黄河中游皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河和佳芦河5条入黄一级支流(以下简称“五支流”)，位于黄河中游鄂尔多斯盆地东缘，地跨陕西省、内蒙古2省(区)，处于我国北温带大陆性半干旱气候区，降水稀少，蒸发强烈，生态环境脆弱，荒漠化和水土流失问题非常严重。河川基流量是地下水补给河川径流的水量，对河川径流量形成和维持具有重要作用，五支流基流的来源主要为大气降水，不同地形地貌和地质条件，降水入渗能力有所差别。由于自然和人为活动的影响，区域河川基流呈趋势性减少，并呈现出各自不同的特点。根据五支流皇甫、高石崖、温家川、王道恒塔、新庙、申家湾、高家川和高家堡等8个水文站日径流资料，采用逐日平均流量过程线切割法 [1] ，对有观测记录以来至2010年的基流进行切割，分析了各支流基流变化特点和趋势，并对基流变化原因进行了探讨。

2. 基流变化分析

由图1可见，自20世纪50年代以来，五条支流的基流量均呈减少趋势，各支流地表产流同样也呈不断减少趋势，变化规律近似地呈现出三个时段，即1980年前，1981~1998年，1999~2010年。从各支流基径指数变化趋势来看具有不同的特点，皇甫川皇甫站基流指数呈下降趋势，窟野河温家川站和孤山川高石崖站呈先降后升趋势，而秃尾河高家川站和佳芦河申家湾站呈平稳趋势。五支流平均基流指数为38%，各支流基流指数从高到低依次为：秃尾河基流指数最高达66%、佳芦河43%、窟野河31%、孤山川18%、皇甫川仅为11%。

由表1可见，五支流三个时段基流量之和分别为5.8亿m³、3.7亿m³、2.2亿m³，基流指数分别为38%、36%和49%。通过第一时段与第二时间、第二时段与第三时段、第一时段与第三时段基流减少与径流减少的数量相比，五支流分别为41.9%、26.1%、33.5%，但该指标在各支流的差异极为明显，第一时段和第三时段相比从高到低依次为：秃尾河该比值达57.8%、佳芦河37.2%、窟野河32.0%、孤山川20.3%、皇甫川仅为15.2%。

Figure 1. The change trend of the sum of five tributaries’ runoff in the study area

图1. 研究区五支流径流量之和变化趋势

从五支流对黄河径流量的贡献来看，窟野河径流量占五支流径流量的比例由原来接近50%下降至近10年的37%，而秃尾河由多年平均29%上升为近10的47%；窟野河基流占五支流基流的比例由多年平均的39%下降为26%，而秃尾河基流占比由多年平均的49%上升为近10年的68%，由此可以看出，维持秃尾河的基流量具有重要意义。

2.1. 皇甫川

由图2可见，根据皇甫站观测数据统计分析，皇甫川流域基流量的总体特点是从1953~2010年基流量呈逐渐减少趋势，基流指数也呈不断下降的趋势，扣除基流后，地表产流也呈逐渐减少趋势。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为2567万m³、865万m³、102万m³；基流指数分别为13%、8%、3%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为21.5%、9.2%、15.2%。

皇甫站年基流指数多年均值为11%，最大值为28%，2009-2010年基流量仅为9万m³和2万m³。尤其是2010年，基流指数为0.3%，为建站以来最小值。

从长时段看，皇甫川年降水量呈减少趋势，第3时段较第1时间减少了约30%，第3时段均值较多年均值减少了22%。

2.2. 孤山川

由图2可见，根据高石崖站观测数据统计分析，孤山川基流量呈逐年下降态势，但在1999年后径流量和基流量均相对平稳。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为1995万m³、655万m³、286万m³；基流指数分别为20%、12%、17%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为29.7%、9.5%、20.3%。

Table 1. The calculation results of the various tributaries of the research district

表1. 研究区各支流基流计算结果统计表

注：径流占比合计为五支流占吴堡径流比例，基流占比合计为头道拐至吴堡间径流比例。

高石崖站基流指数多年均值为18%。值得注意的是，1999年后，基流指数由下降转为快速上升趋势，且在2010年达到历史高值40%，说明2010年后孤山川在河川径流相对平稳的情况下，基流不断增加，而地表产流仍呈减少趋势。

从长时段看，孤山川年降水量呈减少趋势，第3时段较第1时间减少了约18%，第3时段均值较多年均值减少了11%。

2.3. 窟野河

由图2可见，根据温家川站观测数据统计分析，窟野河基流量呈下降趋势，1999年后大幅减少，并呈平稳

Figure 2. The change trend of annual base flow rate and basis flow index of the hydrological station in the five tributaries

图2. 五支流各水文站年基流量及基流指数变化趋势

态势。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为23,925万m³、14,150万m³、5683万m³；基流指数分别为33%、28%、34%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为43.2%、24.6%、32.0%。

温家川站基流指数多年均值为31%，1999年前相对平稳，1999年后呈上升趋势。可以看出，1999年后在河川径流平稳的情况下，基流量不断增加，而地表产流不断减少。2009年基流指数达建站以来最站值54%。

由图2可见，根据窟野河支流乌兰木伦河王道恒塔站观测数据统计分析，乌兰木伦河基流量呈下降趋势，2000年基流量为1645万m³，为有观测记录以来的最小值。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为7779万m³、4662万m³、2622万m³；基流指数分别为32%、29%、40%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为37.1%、20.9%、28.4%。

王道恒塔站基流指数多年均值为31%，1999年前相对平稳，1999年后呈上升趋势。1997年基流指数最高，达51%。1999年后地表产流相对平稳，年均3870万m³。

由图2可见，根据窟野河支流悖牛川新庙站观测数据统计分析，悖牛川基流量呈下降趋势。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为2501万m³、1477万m³、616万m³；基流指数分别为19%、17%、24%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为21.8%、14.2%、17.5%。

新庙站基流指数多年均值为19%，1999年前相对平稳，1999年后呈上升趋势。2010年基流指数最高，达41%。1999年后，地表产流仍呈减少趋势，2009年255万m³，为有观测记录以来最小值。

2.4. 秃尾河

由图2可见，根据秃尾河高家川站观测数据统计分析，秃尾河基流量呈下降趋势，2009年基流量为12,696万m³，为有观测记录以来的最小值。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为26,303万m³、19,452万m³、15,032万m³；基流指数分别为64%、66%、71%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为61.1%、52.1%、57.2%。

高家川站基流指数多年均值为66%，从长系列看，基流指数呈相对平稳，缓慢上升的态势。秃尾河是五支流中唯一一条基流量大于地表产流的支流，地表产流呈趋势性下降。从高家川和高家堡年径流变化情况可以看出，高家堡以下年径流无较大变化，因此秃尾河径流减少量主要在上游高家堡以上。

由图2可见，根据秃尾河高家堡站观测数据统计分析，秃尾河上中游基流量呈下降趋势，2009年基流量为12,025万m³，为有观测记录以来的最小值。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为23,545万m³、17,108万m³、14,508万m³；基流指数分别为69%、73%、81%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为60.4%、48.0%、56.2%。

高家堡站基流指数多年均值为73%，从长系列看，基流指数呈缓慢上升的态势，而地表产流呈趋势性下降。2008年，基流指数达到86%，为有观测记录以来的最高值。

孤山川下游年降水量呈减少趋势，第3时段较第1时间减少了约20%，第3时段均值较多年均值减少了15%。上游高家堡以上年降雨量呈先减后增趋势，第3时段较第1时间减少了约8%，第3时段均值较多年均值相比基本无变化。

2.5. 佳芦河

由图2可见，根据佳芦河申家湾站观测数据统计分析，佳芦河基流量呈下降趋势，2008年基流量为796万m³，为有观测记录以来的最小值。1953~1980、1981~1998、1999~2010年三个时段平均年基流量分别为3302万m³、1883万m³、992万m³；基流指数分别为39%、43%、46%。第一时段和第二时间相比、第二时段和第三时段相比、第一时段和第三时段相比，基流减少与径流减少的比例分别为35.4%、42.5%、37.8%。

申家湾站基流指数多年均值为43%，从长系列看，基流指数呈缓慢上升的态势，而地表产流呈趋势性下降。2010年，基流指数达到61%，为有观测记录以来的最高值。

佳芦河年均降水量无明显增减趋势。

3. 基流变化影响因素分析

受特定的地形地貌、地质构造、气象水文以及人类活动等条件的制约和影响，五支流“三水”转化是具有单向特征的动态平衡系统，河川基流减少也是时段水均衡的表现形式之一，而河川基流锐减只有在气候条件发生较大的变化、大规模的水利水保工程建设和地下水开采量发生较大变化的前提下才可能出现 [2] 。该区域从地形地貌和地质构造等方面可划分为盖沙低山丘陵区、沙漠滩区和黄土丘陵沟壑区三类，下面对三类地区分别从降水、地下水、地质及人为影响因素等方面对基流的影响进行综合分析。

3.1. 盖沙低山丘陵地区

盖沙低山丘陵地区主要分布于窟野河支流乌兰木伦河，为一构造剥蚀高原，高原表面广泛覆盖着现代风积沙，厚度在数米至数十米间不等，第四系风积沙下均以河流相砂岩沉积为主。据有关研究，地下水补给以大气降水入渗为最主要补给方式 [3] ，大气降水入渗系数约为0.15，降水入渗补给占总地下水总补给量的96%以上，地表水渗漏对地下水的补给作用较小，不到总补给量的1%，亦不存在地下水侧向补给条件，灌溉入渗补给量仅占地下水补给总量的1.5%左右，全年大气凝结水为15.1 mm，约占全年降水量的5%，基本不参与包气带水分运移，还有相当一部分水量白天被蒸发，对地下水不会形成补给。区域地下水的排泄方式有蒸发蒸腾、向地表水溢出、人工开采和侧向断面径流。由于区域地形相对平缓、水位埋藏深度较小，潜水的蒸发排泄是最主要排泄方式。其中蒸发排泄占总排泄量的60.92%，向地表水排泄占26.83%，其他排泄仅占12.25%。

综合分析，影响该区域地下水动态变化的自然因素主要为降水与蒸发，窟野河王道恒塔以上年均降雨量无趋势性增减变化，但暴雨减少，雨强有所降低，丰水年和枯水年减少，平水年增加；蒸发量呈缓慢减小趋势，年际间波动加剧；该区域大规模的煤炭开采导致大量疏干地下水 [4] ，国民经济各产业用水也呈逐渐增长态势。该区域基流模数由1980年前的2.0 × 10⁴ m³/km²下降到近10年的0.68 × 10⁴ m³/km²。经调查分析，2009年乌兰木伦河径流量为0.55亿m³，基流量为0.26亿m³，煤矿疏干水排放量约0.27亿m³。初步认为，该区基流动态反映出自然因素和人为影响双重作用的结果，降水因素在影响着基流的波动变化，地下水人工开采控制着基流的趋势性变化，而矿井疏干水排放成为区域河川径流的重要组成部分。

3.2. 沙漠滩地区

沙漠滩地区主要分布于窟野河考考乌苏沟以南、秃尾河高家堡以西，位于毛乌素沙漠的东南部 [1] 。地区地下水的径流与排泄主要受地形条件制约，地下水从周边分水岭地带接受补给后，向沟域中心径流。在窟野河考考乌素沟和秃尾河中游侏罗系砂泥岩因煤层自燃时变质而成的烧变岩分布区，降水在沟脑部位补给发育的裂隙空洞，形成强径流带而汇集成泉排泄，或以第四系泉水和溢流的形式在谷坡脚排泄。局部地段受煤炭开采的影响，煤矿采空区顶板形成的部分冒落带裂隙与侏罗系碎屑岩裂隙含水层沟通，引发周围裂隙地下水往井巷、采空区径流，集聚成煤矿矿坑排水抽出地表 [5] 。

该区地下水以泉和渗流的方式排泄，在水位浅埋处尚存在蒸发排泄。基流指数由1980年前的69%上升到近10年的81%。秃尾河流域高家堡以上年均降雨量1980年后比1980年前减少约8%，1980年后丰枯期波动减小；该区域基流模数由1980年前的11.2 × 10⁴ m³/km²下降到近10年的6.9 × 10⁴ m³/km²。初步认为，基流动态反映出降水减少和人为活动的双重影响，地下水开采等人为因素是1980年后基流减少的主要原因。

3.3. 黄土丘陵沟壑区

黄土丘陵沟壑区分布于五支流其它区域。黄土丘陵沟壑区地面切割强烈，河流、沟谷密集，呈现出波状起伏的黄土丘陵地貌景观。该区地下水补给来源有大气降水入渗补给，黄土丘陵区因地势高差大，地形破碎，不利于大气降水直接入渗，降水大部以地表径流排泄，补给地下水的水量非常少；侏罗系烧变岩分布带地下水主要接受上覆第四系萨拉乌苏组和黄土地下水的补给，烧变岩带是良好的集水和导水通道，在构造有利区段形成强富水区，水位高于侵蚀基准面后，以下降泉的形式排泄。

该区影响地下水动态变化的主要因素是降水、蒸发、农灌及地下水开采等。该区域降水对地下水的补充一般为冰雪消融后的3~4月份和雨季9~10月，且与降水和蒸发关系极为密切。基流变化趋势除与降水量减小、工农业用水持续增加有关外，随着河川径流量减小到极点，矿井疏排水对其影响逐渐加大。

4. 结论

(1) 根据五支流皇甫、高石崖、温家川、王道恒塔、新庙、申家湾、高家川和高家堡等8个水文站日径流资料，采用逐日平均流量过程线切割法，对有观测记录以来至2010年的基流进行切割，分析了各支流基流变化特点和趋势。自20世纪50年代以来，五支流的基流量均呈减少趋势，扣除基流后地表产流同样也呈不断减少趋势，这与钱云平等 [6] 研究结论一致。五支流基流指数变化趋势不同，皇甫川皇甫站基流指数呈下降趋势，窟野河温家川站和孤山川高石崖站呈先降后升趋势，而秃尾河高家川站和佳芦河申家湾站呈平稳趋势。基流指数从高到低依次为：秃尾河66%、佳芦河43%、窟野河31%、孤山川18%、皇甫川11%，表明黄土丘陵区地表径流组成主要为地表洪峰流量，沙漠滩区径流组成主要为河川基流，从黄土丘陵区到沙漠滩区，地表、地下水转化关系愈为密切。

(2) 基流变化规律近似地呈现出三个时段，即1980年前，1981~1998年，1999~2010年，第一时段和第三时段基流减少与径流减少的比值从高到低依次为：秃尾河57.8%、佳芦河37.2%、窟野河32.0%、孤山川20.3%、皇甫川15.2%，由北向南、由东向西，在河川径流减少量中，地下水补给减少的比重升高。

(3) 秃尾河是五支流中基流量大于地表产流的唯一支流，高家堡以下年径流无较大变化，因此秃尾河径流减少量主要在高家堡以上。从五支流年径流、断流、基流和洪量的分析显示，1996~1999年4年间五支流径流大幅减少2/3，约11亿m³，期间皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河和佳芦河洪量减少占径流减少的比例分别为94.3%、85.5%、77.1%、52.8%、60.9%。

(4) 综合来看，河川基流的演变规律，既受自然条件的控制，又受社会环境、特别是人类活动的影响而发生变化。研究区不在我国地震带上，不存在偶然和急剧的地质变动引起水位或流量较大的变动，地质对河川基流的影响是相对稳定的一个因素。区域采煤疏干地下水、生产生活开采地下水等导致地下水位持续下降，基流量减少；而农田灌溉引起潜水位持续上升，修建水库、塘坝和拦河坝等拦蓄了地表径流等，可能对基流产生正反方向的影响，钱云平等 [6] 研究曾结论类似；采矿改变了区域地下水补给、径流和排泄循环规律。在不同区域不同时段，降水因素影响着河川基流的波动变化，区域用水量和地下水开采量不断增加成为一种常态的现实情况下，人为因素控制着基流的趋势性变化。