不同岩性风化层主导地下水循环流域的基流比——Kille法、Rambert法与水文过程线分割方法的比较

《Climate》：Baseflow Ratio in Catchments with Regolith-Dominated Groundwater Circulation of Different Lithology—Comparison of Kille’s, Rambert’s and Hydrograph Separation Methods

　　

对42个完全由结晶岩或褶皱/非褶皱古近纪复理石岩构成的小流域进行了基流分离。采用了三种不同方法——局部最小值法（基流指数，BFI）、Kille法和Rambert法。各流域的平均年总径流量从179 mm变化至1132 mm，平均值为498 mm。就整个数据集的结果而言，基流占总径流的比例为45% ± 15%。局部最小值法和Kille法的结果相当接近：两者均显示，在非褶皱古近纪流域中，基流平均占总径流的39%/40%，在褶皱复理石流域中占29%/29%，在结晶岩基底流域中占44%/45%。Rambert法的结果比前两种方法高10%至12%，在非褶皱复理石古近纪流域中达到50%，在褶皱复理石流域中为41%，在结晶岩流域中为56%。这些差异可能源于Rambert法的本质，该方法基于退水曲线分析，而前两种方法则基于径流统计。尽管如此，在结晶岩和复理石沉积物中，通常只有不到50%的非蒸发降水能够入渗并补给地下水资源，而褶皱复理石岩有时仅能吸收10–20%的非蒸发降水。

**论文解读：不同岩性风化层主导地下水循环流域的基流比——基于Kille法、Rambert法与水文过程线分割方法的比较**

**研究背景与问题**

在流域水文学与水文地质学中，确定地下径流在河川径流中的占比一直是核心研究课题之一。基流（baseflow）作为地下水补给河流的主要组成部分，其准确分离对于理解降水-径流关系、评估水资源可持续性及模拟水文过程至关重要。现有基流分离方法主要包括统计方法（如Kille法）、基于数学模型的数字滤波法（如局部最小值法，BFI）以及基于退水曲线分析的方法（如Rambert法）。然而，不同方法在相同流域的应用结果可能存在显著差异，且其适用性受地质、地貌及水文条件影响。尤其在以风化层（regolith，即表层风化破碎带）为主导地下水循环的流域中，岩性差异如何影响基流比例仍缺乏系统比较。此外，针对西喀尔巴阡山脉（Western Carpathians）地区，以往研究多为局部小尺度，缺乏对不同方法在多种岩性环境下的综合对比。因此，本研究旨在通过多方法比较，揭示不同岩性条件下基流比的差异，并评估各方法的适用性。

**研究内容与结论**

研究人员选取了斯洛伐克共和国境内西喀尔巴阡山脉地区的42个小流域，这些流域的基岩完全由结晶岩（crystalline rocks）、褶皱复理石（folded flysch）或非褶皱古近纪复理石（unfolded Paleogene flysch）构成，且均以风化层主导地下水循环。研究采用了三种基流分离方法：Kille法（经典统计方法）、局部最小值法（BFI，基于时间自动算法）和Rambert法（基于主退水曲线与迭代求解）。结果表明，三种方法得出的基流比存在差异：Kille法与局部最小值法结果相近，结晶岩流域平均基流比为44%/45%，褶皱复理石流域为29%，非褶皱复理石流域为39%/40%；Rambert法结果整体高10%–12%，分别为56%、41%和50%。整体来看，结晶岩流域的基流比最高，非褶皱复理石次之，褶皱复理石最低。数据离散度分析显示，局部最小值法在结晶岩流域的基流比确定中精度最高，Kille法在褶皱复理石流域中精度最高，而Rambert法在所有环境下离散度均较大。相关性分析表明，Kille法与局部最小值法结果高度线性相关（R2=0.91–0.99），而Rambert法与两者相关性弱（R2=0.07–0.20）。研究结论指出，通常只有不到50%的非蒸发降水能够入渗补给地下水，褶皱复理石岩甚至仅能吸收10%–20%；Kille法与局部最小值法在整体上更为适用且可互换，但局部最小值法对数据长度要求较低；Rambert法因受退水曲线分析主观性影响，变异度大，不适用于大规模比较研究。该论文发表于《Climate》（Climate期刊）。

**主要关键技术方法**

1. **流域选择与划分**：基于地质均一性、面积不超过100 km2、水文边界与地质边界一致的原则，从斯洛伐克西部喀尔巴阡山脉地区选取42个小型源头流域，分为结晶岩（19个）、褶皱复理石（16个）和非褶皱古近纪（7个）三组。流域分水线基于数字高程数据手工划定，以确保精度。
2. **基流分离方法**：
- **Kille法**：利用至少10年日流量数据，通过月最小流量排序与半对数图拟合，划分“纯地下水排水”线，计算长期平均基流。使用HydroOffice 2015软件包的Kille 3.1模块。
- **局部最小值法（BFI）**：基于时间算法，检查每个日流量是否为所选时间间隔（N=20天）内的局部最小值，通过线性插值连接相邻最小值估算基流。使用BFI+ 3.0模块。
- **Rambert法**：基于指数退水曲线构建主退水曲线（MRC），通过高度杂交遗传算法与人工免疫系统模拟退水函数，迭代分离各径流组分（包括基流）。使用RC 4.0模块。
3. **数据处理与统计**：流量数据来源于斯洛伐克水文气象研究所（SHMI）1961–2012年间的日平均流量序列，计算年均总径流（Qc）、年均基流（Qgw）及基流比（Qgw/Qtot），并进行均值、中位数、标准差及线性回归分析。

**研究结果**

**3.1 结晶岩水文地质单元**
- 通过Kille法确定的年平均基流为83–527 mm，局部最小值法为75–527 mm，Rambert法为108–683 mm。基流比方面，Kille法为30%–56%，局部最小值法为29%–56%，Rambert法为35%–89%。最低基流比出现在低海拔（482 m）且地形平缓的Blatina溪流域，最高基流比出现在高海拔（1369 m）且地形崎岖的Lomnistá溪流域。Rambert法的最低值出现在面积较大、平均海拔中等的Slatina河流域，最高值出现在海拔次高、地形陡峭的Zadná voda溪流域。

**3.2 褶皱复理石古近纪水文地质单元**
- Kille法基流为64–206 mm（基流比20%–46%），局部最小值法为63–230 mm（19%–51%），Rambert法为54–281 mm（10%–69%）。Kille法与局部最小值法中，最低基流出现在低海拔、大面积的P?olinka溪流域，最高基流分别出现在高海拔的Hru?tínka溪流域和小面积高海拔的Pastovník溪流域。Rambert法最低值出现在面积较大、海拔中等的Cirocha河流域，最高值出现在Hru?tínka溪和Petrinovec溪流域。

**3.3 非褶皱内喀尔巴阡古近纪水文地质单元**
- Kille法基流为79–478 mm（基流比28%–58%），局部最小值法为78–469 mm（27%–57%），Rambert法为89–460 mm（29%–81%）。两种统计方法中，最低基流出现在面积和海拔均低于平均的Bitarovsky potok溪流域，最高基流出现在最小面积的?iernik溪流域；最低基流比出现在面积大、海拔高的Kamienka溪流域，最高基流比出现在小面积、低海拔的Lietava（6330）溪流域。Rambert法最低基流参数出现在最大面积的Jakubianka溪流域，最高基流出现在?iernik溪流域，最高基流比出现在Lietava（6320）溪流域。

**3.4 研究水文地质单元结果总览**
- 整体统计显示：结晶岩单元基流比平均值（中位数）为Kille法44%（44%）、局部最小值法45%（44%）、Rambert法56%（--）；褶皱复理石单元分别为29%（25%）、29%（24%）、37%–36%；非褶皱古近纪单元分别为40%（38%）、39%（36%）、49%（44%）。标准差方面，结晶岩单元为6%（Kille及局部最小值法）和14%（Rambert法）；褶皱复理石单元为8%、9%和15%；非褶皱古近纪单元均为11%和17%。所有方法中，Rambert法的数据离散度最大，结晶岩单元的基流比确定精度最高。

**讨论与结论**

**讨论**：研究人员指出，研究比较的是各水文地质单元的风化层（厚度约10–50 m）的径流特性。结晶岩（花岗岩类）的风化层更厚，具备裂隙型渗透性，但裂隙中常有松散填充物，导致储水率较高，而深层基岩中地下水循环较少。Jetel（文献[58]）曾报道水力传导系数随深度呈指数衰减。从水文地质角度看，所有三种方法得出的结晶岩流域基流比最高，非褶皱古近纪次之，褶皱复理石最低，这反映了岩性与构造对入渗能力的控制。Kille法与局部最小值法结果高度线性相关（R2=0.91–0.99），而Rambert法与二者的相关性极弱（R2=0.07–0.20），这归因于Rambert法依赖退水曲线分析，其算法可能受到主观性影响，例如将非基流组分（如壤中流）纳入基流导致高估，或因过快退水导致低估。

**结论**：在西喀尔巴阡山脉斯洛伐克部分的42个均质地质流域中，基流分析显示：三种方法（局部最小值法、Kille法、Rambert法）的结果存在差异。由于各流域平均海拔从350 m到1632 m（平均796 m），平均年总径流从179 mm到1132 mm（平均498 mm）。结晶岩流域的平均海拔最高（平均971 m），基流绝对值最高（局部最小值法245 mm、Kille法241 mm、Rambert法296 mm），而非褶皱古近纪（182/177/207 mm）和褶皱复理石（136/136/192 mm）流域基流略低。基流值与海拔的相关性甚至高于总径流。在整个数据集中，Kille法基流范围为64–527 mm，局部最小值法为63–527 mm，Rambert法为54–683 mm。基流比方面，局部最小值法和Kille法结果相近：非褶皱古近纪为39%/40%，褶皱复理石为29%，结晶岩为44%/45%。Rambert法结果高10%–12%（50%、41%、56%），且标准差更大（19%对比11%）。总体而言，通常只有不到一半的非蒸发降水能入渗补给地下水，而褶皱复理石岩有时仅能吸收10%–20%。差异源于Rambert法基于退水曲线分析，前两者基于径流统计；且Rambert法即使使用自动化退水曲线组合，仍可能受主观性影响。因此，经广泛评估后，研究人员认为Kille法与局部最小值法整体更适用，二者结果可互换，但局部最小值法对数据长度要求较低（无需10年以上观测序列），推荐在数据不足时使用；同时，局部最小值法在结晶岩裂隙渗透环境中表现出最小的基流确定离散度，而Kille法在多孔沉积环境（古近纪沉积物）中离散度最小。Rambert法在所有三种风化层环境中均表现出较高的离散度，尽管均值差异不大（约10%），但个体流域变异性显著，因此在大规模研究中非最优选择。