涓水流域水資源變化規(guī)律研究

羅亞君

（湘潭水文水資源勘測(cè)局 湘潭市 411100）

確定河流徑流量、水質(zhì)的變化情況、趨勢(shì)及其原因是區(qū)域內(nèi)水資源評(píng)價(jià)、水資源演化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容，是區(qū)域內(nèi)水資源規(guī)劃研究的基礎(chǔ)性工作。近年來湘江流域徑流量持續(xù)性枯水，給沿河兩岸居民生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水帶來嚴(yán)重的影響而因此引起廣泛的關(guān)注。在此，以涓水流域作為研究對(duì)象，分析涓水流域徑流、水質(zhì)變化規(guī)律及原因，定量評(píng)價(jià)自然因素和人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)域水資源的影響程度。

涓水是湘江一級(jí)支流之一，發(fā)源于雙峰縣昌山，大部分流經(jīng)湘潭市境內(nèi)，于湘潭縣易俗河鎮(zhèn)自左岸匯入湘江。全長(zhǎng)118.5 km，流域面積1 764 km2，河流平均坡降為0.082‰。流域多年平均降水量1 377 mm，降水年際變化較大。涓水天然徑流主要來源于大氣降水，屬降水補(bǔ)給型。

1 資料來源與分析方法確定

（1）資料來源與分析方法。

流域內(nèi)有控制站射埠水文站。該站設(shè)立于1972年,位于湘潭縣射埠鎮(zhèn)射埠村，集水面積1 404 km2。流域內(nèi)并配套設(shè)有：荷葉、新橋、花石、射埠4個(gè)雨量站。射埠水文站有1972～2009年水位、流量、降水量資料和2001～2009年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行流域降水趨勢(shì)分析；運(yùn)用面積比擬法、累加濾波器法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等分不同時(shí)間尺度，對(duì)徑流量的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析；采用涓水河口水質(zhì)站2001～2009年資料，運(yùn)用單因子評(píng)價(jià)法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)和變化趨勢(shì)分析。

（2）降水量資料的選取及代表性分析。

選取涓水流域?qū)崪y(cè)資料系列較長(zhǎng)的荷葉、新橋、花石、射埠4個(gè)雨量站作為流域代表站。這些代表站分布于流域內(nèi)不同地區(qū)和不同高程。時(shí)間連續(xù)，數(shù)據(jù)完整無缺補(bǔ)，精度可靠，具有很好的代表性。將這些站1972～2009年的降水量系列資料，用算術(shù)平均法平均，獲取流域平均降水量系列資料。

（3）徑流與水質(zhì)資料的選取及代表性分析。

采用射埠水文站1972～2009年時(shí)段內(nèi)的實(shí)測(cè)資徑流量資料，運(yùn)用面積比擬法作為流域出口處徑流量資料進(jìn)行計(jì)算與分析。河口水質(zhì)監(jiān)測(cè)站2001～2009年資料代表流域出口處水質(zhì)現(xiàn)狀。徑流與水質(zhì)資料的時(shí)間連續(xù)，數(shù)據(jù)完整無缺補(bǔ)，精度可靠，均具有很好的代表性。

2 降水量分布和年際變化

2.1 降水量分布特征

根據(jù)流域內(nèi)荷葉、新橋、花石、射埠4個(gè)雨量站38年的資料，運(yùn)用算術(shù)平均法，求得多年平均降水量為1 377 mm，在（1 019.8～1 853.6）mm 之間波動(dòng)。

全年降水主要集中在3～8月，占年降水量的60%以上。流域降水年際變化較大，極值變化在1.5～2.5倍之間。最大點(diǎn)降水量為2002年新橋站1 969.8 mm，最小點(diǎn)降水量為2003年荷葉站977.4 mm。

湘江流域多年平均降水量為1 458 mm，涓水流域?qū)俳邓》植紖^(qū)，主要原因是上游雙峰縣、衡山縣位于湖南省衡邵干旱區(qū)，降水偏小所致。

2.2 降水量年際變化

圖1為1972～2009年涓水流域年降水量圖，從圖1中可以看出年降水量有增加趨勢(shì)，相關(guān)性為：y（年降水量）=2.606x（時(shí)間）+1326.4。

從1972年開始，統(tǒng)計(jì)分析不同年代年降水量均值，結(jié)果見表1。由計(jì)算結(jié)果可知：20世紀(jì)70年代降水量最小，90年代降水量最大。與70年代降水量相比，80年代增加1.8%，90年代增加11.0%，21世紀(jì)初增加4.7%。

圖1 1972～2009年涓水年降水量

表1 不同時(shí)期年降水量均值比較 mm

3 徑流演變趨勢(shì)及特點(diǎn)

射埠水文站控制涓水流域面積1 404 km2，占整個(gè)流域面積的80%。借用射埠水文站1972～2009年徑流系列資料，運(yùn)用面積比擬法推求全流域的徑流量，可得多年平均徑流量為 11.93×108m3。

式中n——面積比指數(shù)，一般取值0.67；

R流域——流域年徑流量（億m3）；

F射埠——射埠水文站年徑流量（億m3）；

F流域——流域集水面積（km2）；

F射埠——射埠水文站集水面積（km2）。

3.1 徑流變化趨勢(shì)分析

涓水流域徑流量變化趨勢(shì)分析可以采用累加濾波器法，它能充分反映時(shí)間序列定性變化趨勢(shì)。其基本原理是：

式中s——累積平均值；

xi——水文時(shí)間系列值；

k=1,2,3,…n（n為水文時(shí)間系列長(zhǎng)度）；

i=1，2，3，…k。

圖2為涓水流域徑流量累積平均過程曲線，由圖可知，涓水徑流總體呈微弱上升趨勢(shì)，期間1975～1980年徑流微弱減少，1981～1988年徑流微弱波動(dòng)但基本穩(wěn)定，1989～2002年徑流呈微弱上升趨勢(shì)，2003～2009年徑流變化為持續(xù)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，長(zhǎng)系列徑流代表性很好。

圖2 涓水流域徑流量累積平均過程曲線

3.2 徑流年際變化分析

圖3、圖4給出了1972～2009年 38年間年際涓水流域徑流量的值，從圖可以看出，涓水流域38年間總體上徑流量的年變化特點(diǎn)是有微弱的增加趨勢(shì)，分階段來看，20世紀(jì)70年代的徑流量最小，90年代的徑流量最大。與70年代的徑流相比，80年代增加0.31%，90年代增加22.5%，21世紀(jì)初增加13.9%。

圖3 1972～2009年涓水年徑流量

圖4 涓水徑流量年代際變化

3.3 月徑流年內(nèi)變化分析

表2為涓水流域1972～2009年多年平均月徑流量表，從表1可知，涓水流域徑流量年內(nèi)分配很不均勻，主要徑流產(chǎn)生于3～7月，占全年徑流量的60.3%；9月份徑流量?jī)H占全年徑流量的5.5%，又是工農(nóng)業(yè)用水的高峰期，所以容易發(fā)生秋旱；最枯季為11月至次年1月，僅占全年徑流量的13.8%。流域月徑流的年內(nèi)分布特點(diǎn)與年降水量的年內(nèi)分布類似，這是由于涓水天然徑流主要來源于大氣降水，屬降水補(bǔ)給型。

表2 涓水流域1972-2009年多年平均月徑流量表

圖5為涓水流域20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)初月平均徑流與20世紀(jì)70年代的比較，可以明顯看出：80年代、90年代和21世紀(jì)初月徑流增加的月份占大多數(shù)，80年代平均徑流比70年代都增加的有1～3、6～7、9～12月，其中9～11月增加較為明顯；90年代平均徑流除4～6月外，其余月份均比70年代增加，其中3、7月增加較為明顯；21世紀(jì)初平均徑流比70年代都增加的有1，3，6～12月，其中7月增加較為明顯。另外，80年代、90年代和21世紀(jì)初平均徑流比 70年代都增加的有1，3，7，9～12月，其中3，7，9～10月增加量較大。比70年代都減少的只有4～5月；而2，6，8月平均徑流變化比較復(fù)雜，既有增加也有減少的趨勢(shì)。實(shí)際上，90年代月增幅均最大。

圖5 涓水20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)初月平均徑流與70年代差值

3.4 枯水期徑流分析

表3給出了涓水流域枯水期（11月～次年1月）徑流不同時(shí)期均值比較?？梢钥闯?，70年代枯水期徑流最小，80年代、90年代和21世紀(jì)初枯水期徑流都比70年代的有所增加，分別增多為34.8%、42.6%、35.5%，其中90年代增加最為明顯。

表3 不同時(shí)期枯水期徑流均值比較 m3/s

4 降水量與徑流量的相關(guān)分析

4.1 徑流系數(shù)變化

徑流系數(shù)為徑流深與降水量的比值，它是反映流域產(chǎn)水能力的指標(biāo)。流域內(nèi)徑流系數(shù)變化范圍在0.42～0.67之間，平均為0.52。說明流域內(nèi)植被情況較好，產(chǎn)流能力比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯偏大偏小現(xiàn)象。表4為1972～2009年間不同時(shí)期徑流系數(shù)均值比較，分析可知，徑流系數(shù)有變大趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代徑流系數(shù)最小，90年代徑流系數(shù)最大。表4為不同時(shí)期徑流系數(shù)均值比較。

表4 不同時(shí)期徑流系數(shù)均值比較

4.2 降水量與徑流量相關(guān)性

圖6為涓水流域降水量與徑流量相關(guān)圖，由圖可知，降水徑流相關(guān)系數(shù)為0.969 7，這是因?yàn)殇杆饔驈搅鲗俳邓a(bǔ)給型，相關(guān)性較好。

圖6 涓水降水徑流相關(guān)圖

4.3 降水量與徑流量變化規(guī)律

圖7為涓水流域降水、徑流、徑流系數(shù)累積平均過程曲線，從圖可知，降水徑流變化趨勢(shì)基本一致，1975～1980年間微弱下降、1981～1988年間微弱波動(dòng)但基本穩(wěn)定、1989～2002年間表現(xiàn)為持續(xù)增長(zhǎng)、2002～2009年維持穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。徑流量變化趨勢(shì)比降水量變化趨勢(shì)波動(dòng)大，主要原因是影響徑流變化的因素復(fù)雜，不僅與降水量有關(guān)，還與流域植被等水環(huán)境狀況有關(guān)。

圖7 涓水降水徑流累積平均過程曲線

圖8 涓水降水徑流雙累積曲線

圖8為降水徑流雙累積曲線，并分階段分析累積曲線的斜率變化，時(shí)段劃分如下：

（1）1972～1980年，第一時(shí)段流域植被遭到破壞；

（2）1981～2000年，第二時(shí)段流域植被逐步恢復(fù)；

（3）2001～2009年，第三時(shí)段流域植被基本穩(wěn)定。

從圖可看出，涓水流域降水徑流關(guān)系表現(xiàn)為以徑流微弱增長(zhǎng)為主要特征階段性變化。雙累積曲線斜率K由第一時(shí)段的0.516 1緩慢增長(zhǎng)到第三時(shí)段的0.541 5，變率為4.9%。

5 水質(zhì)狀況趨勢(shì)分析

根據(jù)涓水的自然環(huán)境狀況和水質(zhì)功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的要求，在涓水上布設(shè)了涓水河口1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，河段上游水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類，中下游為Ⅲ類。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)間為2001～2009年每月一次，涓水流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析方法選用的是 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目分析方法。

采用涓水河口水質(zhì)站2001～2009年的水質(zhì)序列，選擇氨氮、揮發(fā)酚、鎘、氟化物、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、糞大腸菌群等7個(gè)主要水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析。

5.1 評(píng)價(jià)方法

運(yùn)用單因子評(píng)價(jià)方法,對(duì)照國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值來確定主要污染指數(shù)，計(jì)算平均超標(biāo)倍數(shù)：

式中I——污染指數(shù)；

Ci——水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果；

Si——標(biāo)準(zhǔn)值；

N——監(jiān)測(cè)次數(shù)。

5.2 水質(zhì)現(xiàn)狀

通過單因子評(píng)價(jià)法，涓水流域常規(guī)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目中超過GB 3838—2002Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5，涓水流域的首要污染物是糞大腸菌群，其次是氨氮和總磷。圖9、圖10、圖11是各污染物的濃度變化趨勢(shì)，分析可知2006～2007年是污染最為嚴(yán)重的時(shí)期，現(xiàn)水質(zhì)狀況逐漸好轉(zhuǎn)，除糞大腸菌群指標(biāo)外，其余污染因子沒有超Ⅲ類的。污染月份又以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和低枯水月份尤其突出，6～8月和1月、12月是污染物濃度較高的時(shí)期。

糞大腸菌群污染十分嚴(yán)重，常年累月存在，其最大超標(biāo)倍數(shù)超過15倍。工業(yè)有機(jī)污染物和金屬無機(jī)物污染也呈緩慢上升態(tài)勢(shì)，如石油類、鎘偶有臨近超標(biāo)狀態(tài)。

圖9 涓水氨氮污染變化趨勢(shì)

圖10 涓水總磷污染變化趨勢(shì)

圖11 涓水糞大腸菌群污染多年均值變化趨勢(shì)

表5為涓水河口水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面主要污染物指標(biāo)超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)。

表5 涓水河口水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面主要污染物指標(biāo)超標(biāo)情況

5.3 污染成因和趨勢(shì)分析

目前涓水流域經(jīng)濟(jì)開發(fā)程度還不太高，以農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，污染因子主要是水體衛(wèi)生和非金屬無機(jī)物污染，分析可知污染源為生活污染源和農(nóng)業(yè)面源，流域內(nèi)居民生活污水直排水體、汛期洪水挾帶大量土壤中的廢棄物等造成。

從近10年的資料分析，2006～2007年是涓水污染最為嚴(yán)重的時(shí)期，隨著近幾年來湘江流域的環(huán)境治理，人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，除水體衛(wèi)生指標(biāo)外，其余污染因子濃度呈下降趨勢(shì)，水質(zhì)已逐漸好轉(zhuǎn)。但隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，潛在的有機(jī)物和金屬無機(jī)物污染將加劇，必須切實(shí)做好流域總量控制和減排工作，保護(hù)水體水質(zhì)。

6 結(jié)語

通過對(duì)涓水流域水資源變化過程分析，可得出以下結(jié)論：

（1）涓水流域受人類活動(dòng)影響因素較少，徑流變化不明顯?？梢赃@樣認(rèn)為：徑流系數(shù)變化小，在湖南省徑流分布區(qū)上屬低值區(qū)。但流域內(nèi)水土保持較好，農(nóng)村工農(nóng)業(yè)用水及工程建設(shè)對(duì)流域下墊面條件影響不大。每年的9月份徑流量所占比重很小，故流域內(nèi)易發(fā)秋旱。

（2）涓水流域年徑流呈弱增加趨勢(shì)。與20世紀(jì)80年代以來國(guó)家封山育林政策有關(guān)，流域植被狀況連續(xù)好轉(zhuǎn)，蓄水保水功能增強(qiáng)，徑流量緩慢增加；枯水期（11月～次年1月）徑流也與70年代相比也呈增加趨勢(shì)。

（3）涓水流域未現(xiàn)出全流域性水質(zhì)污染事件，除2006～2007年部分指標(biāo)污染較為嚴(yán)重外，整個(gè)流域水質(zhì)狀況良好，能滿足飲用水源地取供水要求。