1956~2020年天河流域水資源變化特征研究

摘要：

為了研究天河流域水資源變化情況，采用天河流域十堰境內(nèi)各雨量站點以及賈家坊水文站1956～2020年實測降水、徑流資料，結合流域內(nèi)6個水生態(tài)監(jiān)測斷面逐月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析天河流域降水、徑流、水質(zhì)的變化情況，探討流量對水質(zhì)的影響。結果表明：天河流域降水有明顯的年際變化，季節(jié)降水量以夏季最多，春、秋兩季次之，冬季最少；除年、春季降水量表現(xiàn)為減少趨勢外，其他3個季節(jié)的降水量均表現(xiàn)為增加趨勢，春季降水量變化率為-5.92 mm/10 a，并且通過了5%顯著性檢驗；年、季降水量UF曲線均沒有超過顯著性水平線，認為沒有明顯的突變點。天河流域地表水資源量呈減少趨勢，下降速率約2 086萬m3/10 a，M-K檢測值為-3.67，呈顯著的下降趨勢；根據(jù)M-K突變點檢驗，天河流域地表水資源量在1991年前后發(fā)生了突變，產(chǎn)生了明顯的下降趨勢。利用賈家坊水文站的2015～2020年的實測月平均流量資料與逐月水質(zhì)監(jiān)測資料進行對比分析，沒有發(fā)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)濃度與流量變化之間表現(xiàn)出明顯的關系。

關鍵詞：

降水； 徑流； 水質(zhì)； Mann-Kendall； 天河流域； 南水北調(diào)中線工程水源區(qū)

中圖法分類號：TV213

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.003

文章編號：1006-0081（2024）07-0018-06

0 引 言

南水北調(diào)中線工程水源區(qū)為漢江流域丹江口水庫以上地區(qū)。天河作為漢江流域丹江口水庫以上重要入庫支流，其地表水資源變化對調(diào)水工程的可靠性存在一定影響，研究其水資源變化是跨流域水資源調(diào)配與管理運行的重要依據(jù)，對研究南水北調(diào)中線工程通水后水源地水資源時空變化具有重要意義［1-3］。

目前研究水資源變化的方法較多，例如數(shù)理統(tǒng)計法、滑動平均法、線性傾向估計、Mann-Kendall秩次相關檢驗法（M-K檢驗法）、累積距平法等，已廣泛應用于長江流域、黃河流域、海河流域、青藏高原等地區(qū)［4-7］。本文采用線性回歸法和Mann-Kendall秩次相關檢驗法［8-9］對天河降水、徑流變化趨勢進行判別及顯著性檢驗，總結其變化規(guī)律；并結合賈家坊水文站流量資料以及水質(zhì)資料，分析兩者之間是否存在特定的影響關系，便于流域水資源系統(tǒng)的生態(tài)治理、規(guī)劃設計、開發(fā)利用和運行管理。

1 研究區(qū)域概況

天河是漢江中上游左岸一級支流，發(fā)源于秦嶺東南部陜西省山陽縣照川，在照川境內(nèi)稱南水河，自北向南流經(jīng)陜西省山陽縣、商南縣，于鄖西縣土門鎮(zhèn)茅坪村大凹入湖北省境內(nèi)，流經(jīng)鄖西縣土門鎮(zhèn)、香口鄉(xiāng)、城關鎮(zhèn)、觀音鎮(zhèn)，于觀音鎮(zhèn)天河口村匯入漢江，全長99.0 km，集水面積1 608 km2，在湖北省境內(nèi)河長64.9 km，區(qū)間面積1 183 km2。天河流域內(nèi)水系發(fā)育，支流眾多，5 km以上支流40條。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

研究采用天河流域鄖西縣境內(nèi)的白巖、黃云、三官洞、安家河、馬鞍5個雨量站的逐日降水系列資料，賈家坊水文站的逐日蒸發(fā)系列資料、逐日降水系列資料以及逐日流量系列資料，2014～2020年的天河流域水生態(tài)監(jiān)測資料見表1，站點分布狀況見圖1。為了獲得1956～2020年各雨量站降水系列數(shù)據(jù)，采用單變量或雙變量統(tǒng)計回歸分析方法對系列不完整或缺測的測站降水量資料進行插補延展。

本文利用線性回歸法和M-K檢驗進行區(qū)域水文變化趨勢的判別及顯著性檢驗，以估計水文變化趨勢；利用天河流域6個水生態(tài)監(jiān)測斷面逐月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對天河流域水質(zhì)進行整體評價；利用賈家坊水文站的流量資料與水質(zhì)監(jiān)測資料進行對比分析，研究兩者之間的關系。

3 水資源變化特征

3.1 降水變化

利用白巖、黃云、三官洞、安家河、馬鞍、賈家坊6個站的逐日降水系列資料插補延展成1956～2020年系列資料，進行統(tǒng)計分析。1956～2020年天河流域多年平均年降水量平均值為831.3 mm，標準差為155.2 mm，變差系數(shù)為0.19。1956～2020年天河流域年降水量距平及5 a滑動平均變化曲線見圖2。由圖可以看出，天河流域年降水量存在明顯的年際變化，年代際變化在20世紀末（1990～1999年）和21世紀10年代（2010～2019年）波動較大，其余時段變化不是很明顯。年降水量最大值1 350.4 mm（1964年），最小值563.4 mm（1966年）。

采用平均值法得到天河流域1956～2020年的月、年降水系列資料，再進行年、季降水量特征參數(shù)統(tǒng)計，結果見表2。從降水的季節(jié)分布來看，夏季最多，平均降水量380.6 mm，占全年降水量的45.8%；春、秋兩季次之，秋季平均降水量略多于春季，占到全年降水量的26.1%；冬季平均降水量相比其他季節(jié)明顯減少，只有42.8 mm，僅占全年降水量的5.2%。各季降水量的變差系數(shù)中，春夏兩季較小，說明變化較為平緩；秋季次之；冬季最大，變化最劇烈。

對1956～2020年天河流域年、季降水量的變化趨勢進行分析，結果見表3?？梢钥闯?，除年、春季降水量表現(xiàn)為下降趨勢外，其他3個季節(jié)的降水量均表現(xiàn)為增加趨勢。年降水量的變化率達到-1.26 mm/10 a，但是沒有通過顯著性檢驗。4個季節(jié)里春季降水量變化最大，變化率達到-5.92 mm/10 a，并且通過了5%顯著性檢驗，對年降水量的減少趨勢貢獻最大；冬季變化率為0.82 mm/10 a，通過了10%顯著性檢驗；夏、秋兩季降水量變化趨勢沒有通過顯著性檢驗。（Z的絕對值在不小于1.28，1.64，2.32時表示分別通過了置信度90%，95%，99%顯著性檢驗。）

采用M-K法α=0.05顯著性檢驗對1964～2020年天河流域年、季降水量序列進行突變性檢驗，分析各個時段的突變情況，如圖3所示。

1956～2020年天河流域年、季降水量M-K統(tǒng)計量UF和UB曲線均在α=0.05顯著性水平線之間，表明其變化不顯著，平緩的變化只是一種自然的振動。UF曲線沒有超過顯著性水平線，認為沒有明顯的突變點。

3.2 徑流變化

天河流域設有賈家坊水文站，該站有1956～2020年的逐日流量資料，利用賈家坊水文站以上流域的大中型水庫和農(nóng)業(yè)耗水對實測月系列資料進行還原，得到賈家坊水文站1956～2020年的逐月流量資料。統(tǒng)計歷年極值，賈家坊水文站以上流域最大年徑流量96 180萬m3，發(fā)生在1964年；最小年徑流量13 400萬m3，發(fā)生在1999年，極值比為7.2。從多年月平均流量年內(nèi)變化情況來看（圖4），流量主要集中在7～10月，占到全年的56.3%；3～6月流量占到全年的25.6%，11月至次年2月徑流量占全年的18.1%。

天河流域徑流與降水變化基本一致。從不同年代際徑流量變化來看（圖5），20世紀80年代是豐水時期，平均徑流量為41 095萬m3，與多年均值相比偏多23.3%；20世紀90年代進入枯水時期，90年代徑流量與多年均值相比減少28.6%。

注：徑流量=徑流深×流域面積。

利用賈家坊站1956～2020年天然徑流系列資料計算累積平均值相對過程線（1956～2020年）（圖6），平均值的相對誤差在±5.0%內(nèi)，說明賈家坊天然徑流系列資料的多年平均值趨于穩(wěn)定且具有一定的代表性。

對天河流域1956～2020年的逐月天然徑流系列資料進行年、季特征參數(shù)統(tǒng)計，結果見表4。

1956～2020年天河流域地表水資源量整體呈現(xiàn)減少趨勢，下降速率約為2 086萬m3/10 a，M-K檢測值為-3.67，呈顯著的下降趨勢。根據(jù)M-K突變點檢驗（圖7），天河流域地表水資源量在1991年前后發(fā)生了突變，產(chǎn)生了明顯的下降趨勢。

3.3 水環(huán)境變化分析

根據(jù)湖北省水文局《關于開展生態(tài)水文監(jiān)測試點工作的通知》（鄂水文發(fā)〔2014〕19號），天河為第一批生態(tài)水文試點河流。在天河流域共布設6個斷面，即土門水庫、天河水庫、五里河、六官坪、賈家坊水文站、觀音鎮(zhèn)，監(jiān)測斷面位置示意見圖1。

監(jiān)測項目包含GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》的基本項目24項、集中式生活飲用水地表水源地補充項目5項以及透明度、濁度、葉綠素a、硅酸鹽、磷酸鹽、總堿度、總硬度、浮游植物、浮游動物等，還進行魚類、沉水植物、挺水植物、底棲生物等生物調(diào)查。2015～2020年共計開展生態(tài)調(diào)查17次，積累了豐富的數(shù)據(jù)資料。

從監(jiān)測結果可知，土門水庫、天河水庫、五里河3個斷面，水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類。五里河斷面穩(wěn)定保持Ⅱ類水質(zhì)；天河水庫斷面主要是總磷影響了水質(zhì)類別結果；土門水庫斷面主要是受總磷和高錳酸鹽指數(shù)的影響，水質(zhì)多為Ⅲ類。2018年6月，六官坪斷面氨氮出現(xiàn)超標情況，其他調(diào)查月份均符合Ⅲ類水質(zhì)要求。賈家坊斷面水質(zhì)相對較差，2018年11月至2020年11月連續(xù)6次調(diào)查結果顯示水質(zhì)有明顯好轉（圖8）。觀音鎮(zhèn)斷面2次調(diào)查結果顯示水質(zhì)超標，2018～2020年的調(diào)查結果顯示水質(zhì)均穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類。通過分析系列數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)影響水質(zhì)類別的項目主要為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷3項指標。

對土門水庫和天河水庫水質(zhì)進行富營養(yǎng)化評價，2016～2020年，天河水庫水質(zhì)保持在中營養(yǎng)狀態(tài)；2015～2019年，土門水庫水質(zhì)為中營養(yǎng)-輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。

總體來看，天河流域上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)，對下游城鎮(zhèn)集中區(qū)域的水環(huán)境治理工作還需進一步加強。需要繼續(xù)重視水庫富營養(yǎng)化問題，嚴格控制氮磷營養(yǎng)鹽的外源輸入。

3.4 綜合分析

賈家坊水文站與賈家坊水質(zhì)監(jiān)測斷面位于同一位置，故考慮利用賈家坊水文站2015～2020年的實測月平均流量資料，結合賈家坊水文站水質(zhì)斷面2015～2020年的逐月水質(zhì)監(jiān)測資料進行對比分析，探討兩者之間有無明顯關系。其中，水質(zhì)監(jiān)測資料主要選取影響水質(zhì)類別的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷3項指標數(shù)據(jù)。表5給出了賈家坊水文站2015～2020年實測季平均流量數(shù)據(jù)以及賈家坊水文站水質(zhì)斷面2015～2020年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷季平均濃度。

從表5數(shù)據(jù)可知，賈家坊水文站2015～2020年各年季平均流量變化沒有明顯的規(guī)律，2015～2020年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷的季平均濃度變化也沒有明顯的規(guī)律。為了更直觀地查看實測流量與水質(zhì)參數(shù)之間是否存在一致的規(guī)律，繪制2015～2020年每年的季平均流量與水質(zhì)參數(shù)季平均濃度對照過程，結果沒有發(fā)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)濃度與流量變化之間表現(xiàn)出明顯的關系。分析原因可能在于兩個方面：① 水質(zhì)監(jiān)測是針對一個時間點位的數(shù)據(jù)，流量是一個連續(xù)的系列，兩個數(shù)據(jù)不對等，不能說明兩者之間的關系；② 水質(zhì)受人為活動影響明顯，不確定性大，可能發(fā)生突變，而流量主要受降水、水利工程等影響，影響水質(zhì)、流量的因素存在差別。

4 結 論

（1） 天河流域1956～2020年多年平均年降水量平均值為831.3 mm，變差系數(shù)0.19，變化不是很明顯。從降水的季節(jié)分布來看，夏季最多，春、秋兩季次之，冬季明顯減少。各季降水量的變差系數(shù)中，春夏兩季較小，說明變化較為平緩；秋季次之；冬季最大，變化最劇烈。

對1956～2020年天河流域年、季降水量的變化趨勢進行分析，除年、春季降水量表現(xiàn)為下降外，其他3個季節(jié)的降水量均表現(xiàn)為增加趨勢。其中，春季降水量變化率達到-5.92 mm/10 a，并且通過了5%顯著性檢驗；冬季變化率為0.82 mm/10 a，通過了10%顯著性檢驗；夏、秋兩季以及年降水量變化趨勢沒有通過顯著性檢驗。

采用Mann-Kendall法α=0.05顯著性檢驗對1964～2020年天河流域年、季降水量序列進行突變性檢驗，年、季降水量M-K統(tǒng)計量UF和UB曲線均在α=0.05顯著性水平線之間，表明其變化不顯著，平緩的變化只是一種自然的振動。UF曲線沒有超過顯著性水平線，認為沒有明顯的突變點。

（2） 對賈家坊水文站1956～2020年的逐日流量資料進行分析，1956～2020年天河流域地表水資源量呈現(xiàn)減少趨勢，下降速率約2 086萬m3/10 a，M-K檢測值為-3.67，呈顯著的下降趨勢。天河流域地表水資源量在1991年前后發(fā)生了突變，產(chǎn)生了明顯的下降趨勢。

（3） 總體來看，天河流域上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)，對下游城鎮(zhèn)集中區(qū)域的水環(huán)境治理工作還需進一步加強。

（4） 利用賈家坊水文站的2015～2020年的實測月平均流量資料與逐月水質(zhì)監(jiān)測資料進行對比分析，沒有發(fā)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)濃度與流量變化之間表現(xiàn)出明顯的關系。

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（編輯：江 文）

Study on water resources variation of Tianhe Basin during 1956～2020

CUI Ying，JI Qiang，LUO Yini，ZHANG Dong，JI Hui

（Shiyan Municipal Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Hubei Province，Shiyan 442000，China）

Abstract：

In order to study the changes of water resources in Tianhe Basin，the changes of precipitation，runoff and water quality in Tianhe Basin were analyzed by using the measured precipitation and runoff data of each rainfall station in Shiyan and Jiajifang Hydrological Station from 1956 to 2020，combined with the monthly water quality monitoring data of six water ecological monitoring sections in the basin，and the impact of flow on water quality was discussed. The results indicated that the variation of annual precipitation was significant，the precipitation amount in summer had the greatest proportion of the annual total precipitation，following spring，autumn and winter. Additionally，the annual total precipitation and the total precipitation in summer had decreased tendency，while the other seasons showed a stable increasing trend. The change rate of spring precipitation was -5.92 mm/10 a，and passed the 5% significance test；the EF curves of annual and seasonal precipitation did not exceed the significance level，and it was considered that there was no obvious mutation point.The surface water resource was found significantly decreased by using Mann-Kendall trend test，the reduced rate was 20.86 million m3/10 a，and the M-K detection value was -3.67. According to M-K mutation testing，it was found that the mutations occurred around 1991，and showed a clear downward trend. Compared the measured discharge data and water quality monitoring data in Jiajifang Hydrological Station from 2015 to 2020，there was no obvious relationship between them.

Key words：

precipitation； runoff； water quality； Mann-Kendall； Tianhe Basin； water resources in middle route of South-to-North Water Diversion Project