基流分离方法介绍

最新推荐文章于 2024-07-05 07:42:45 发布

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文章介绍了基流在水文学中的重要性，特别是对于理解地下水-地表水相互作用。讨论了多种基流分离技术，如Lyne和Hollick、Chapman、Eckhardt等方法，这些方法利用数字滤波器来区分地表径流和基流，帮助评估环境变化对水文系统的影响。

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概述

基流对径流的贡献对于理解流域尺度的水文学，包括地下水-地表水相互作用、地质和地貌对基流的影响、地下水补给率的估计等具有重要意义。

过程线分离(又称基流分离)方法可作为环境研究的许多领域的辅助工具，如评估农业措施、城市化、气候变化等对地表水和地下水的影响。

从概念上讲，基流是指与地表径流具有不同来源的径流部分。通常情况下，基流被认为是深地表和浅地表对径流的贡献之和。

递归数字滤波器是最常用的水位线分离方法之一。数字滤波器通常用于信号分析，允许使用数学公式分离“高频”(即地表径流)和“低频”(即基流)信号。每种数字滤波方法都依赖于一个或多个控制基流形状和大小的滤波参数。

数字滤波器的一个优点是它们可以在多个通道中应用，因此可以将流分离为两个以上的分量。然后，这些成分可以归因于各种径流来源，如地表径流、延迟浅层流、瓦片排水流、深层地下水流等。

基流分离方法

莱恩和霍利克方法（Lyne and Hollick）

这种水文过程线分离方法由 Lyne 和 Hollick 于 1979 年首次提出。它被设计为一种分析随时间变化和缓慢的水流对降水的响应的方法。该方法假设高频信号代表直接径流，而低频信号与基流分量相关。该方法计算地表径流分量，然后将其与径流一起用于导出基流分量。

$q_t=\alpha \times q_{t-1}+\frac{(1+\alpha)}{2} \times (Q_t-Q_{t-1})$

其中：

$q=$ 地表径流或快速径流 [m3/s]；

$Q=$ 流量[m3/s]；

$t=$ 计算地表径流的时间(例如日)；

$\alpha =$ 流域常数 [0 到 1 之间的值]；

查普曼方法（Chapman）

查普曼方法是在1991年引入的，是对Lyne-Hollick算法结果的响应，该算法即使在直接径流停止时也不正确地提供恒定的径流或基流。

$b_t=\frac{(3\times \alpha -1) }{(3-\alpha )}\times b_{t-1}+\frac{(1-\alpha )}{(3-\alpha )}\times (Q_t+Q_{t-1})$

其中：

$b=$ 基流[m3/s]；

$Q=$ 流量[m3/s]；

$t=$ 计算基流的时间(例如日)；

$\alpha =$ 水文衰退常数 [0 到 1 之间的值]；

埃克哈特方法( Eckhardt)

2004 年，Eckhardt 提出了一种新的水位线分离双参数算法，该算法的灵感来自于之前的单参数滤波器。

$b_t=\frac{(1-BFI_{max})\times \alpha \times b_{t-1}+(1-\alpha)\times BFI_{max}\times Q_t}{1-\alpha \times BFI_{max}}$

$b=$ 基流[m3/s]；

$Q=$ 流量[m3/s]；

$t=$ 计算基流的时间(例如日)；

$\alpha =$ 地下水衰退常数 [0 到 1 之间的值]；

$BFI_{max}=$ 基流与总流量的长期比率 [0 到 1 之间的值]；

佩蒂约翰和亨宁- 固定区间法（Pettyjohn and Henning）

这种水位线分离法是Pettyjohn和Henning于1979年发展起来的三种方法之一。该方法系统地在水流水位线的低点之间绘制连接线，以确定基流水位线。流量过程线的低点是使用指定宽度的固定窗口确定的（即等于源数据集中流量读数的设定数量）。给定间隔或窗口中的所有基流值都设置为相应间隔中的最小流量值。窗口宽度是 3 到 11 之间最接近的整数，等于 2N，其中 N 根据经验确定如下：

$N=A^{0.2}$

$N=$ 径流停止的天数；

$A=$ 流域面积[km2]；

注：原方程使用 [sq mi]

佩蒂约翰和亨宁- 滑动区间法（Pettyjohn and Henning）

流量过程线的低点是使用指定宽度的移动间隔或滑动窗口确定的（即等于源数据集中流量读数的设定数量）。每个给定间隔或窗口中间的基流值设置为相应间隔中的最小流量值。窗口宽度是 3 到 11 之间最接近的整数，等于 2N，其中 N 根据经验确定如下：

$N=A^{0.2}$

$N=$ 径流停止的天数；

$A=$ 流域面积[km2]；

注：原方程使用 [sq mi]

佩蒂约翰和亨宁- 局部最小值法（Pettyjohn and Henning）

流量过程线的低点是使用指定宽度的移动间隔或滑动窗口确定的（即等于源数据集中流量读数的设定数量）。检查每个流量值是否为给定时间间隔内的最低值。如果是，则将其视为局部最小值并使用直线与相邻的局部最小值连接。生成的横跨整个数据集的线表示基流过程线。窗口宽度是 3 到 11 之间最接近的整数，等于 2N，其中 N 根据经验确定如下：

$N=A^{0.2}$

$N=$ 径流停止的天数；

$A=$ 流域面积[km2]；

注：原方程使用 [sq mi]