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        涓水流域水資源變化規(guī)律研究

        2010-08-15 07:52:00羅亞君
        湖南水利水電 2010年2期
        關(guān)鍵詞:徑流系數(shù)徑流量降水量

        羅亞君

        (湘潭水文水資源勘測局 湘潭市 411100)

        確定河流徑流量、水質(zhì)的變化情況、趨勢及其原因是區(qū)域內(nèi)水資源評價(jià)、水資源演化趨勢預(yù)測的重要內(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象,分析涓水流域徑流、水質(zhì)變化規(guī)律及原因,定量評價(jià)自然因素和人類活動(dòng)對該區(qū)域水資源的影響程度。

        涓水是湘江一級支流之一,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)測資料。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行流域降水趨勢分析;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,對徑流量的變化趨勢進(jìn)行分析;采用涓水河口水質(zhì)站2001~2009年資料,運(yùn)用單因子評價(jià)法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)和變化趨勢分析。

        (2)降水量資料的選取及代表性分析。

        選取涓水流域?qū)崪y資料系列較長的荷葉、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,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 徑流變化趨勢分析

        涓水流域徑流量變化趨勢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。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,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,2003~2009年徑流變化為持續(xù)穩(wěn)定態(tài)勢,長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,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月份徑流量僅占全年徑流量的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。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??梢钥闯觯?0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,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、2002~2009年維持穩(wěn)定態(tài)勢。徑流量變化趨勢比降水量變化趨勢波動(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緩慢增長到第三時(shí)段的0.541 5,變率為4.9%。

        5 水質(zhì)狀況趨勢分析

        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)測時(shí)間為2001~2009年每月一次,涓水流域水質(zhì)監(jiān)測分析方法選用的是 《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 評價(jià)方法

        運(yùn)用單因子評價(jià)方法,對照國家《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)測結(jié)果;

        Si——標(biāo)準(zhǔn)值;

        N——監(jiān)測次數(shù)。

        5.2 水質(zhì)現(xiàn)狀

        通過單因子評價(jià)法,涓水流域常規(guī)監(jiān)測的項(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,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,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

        圖10 涓水總磷污染變化趨勢

        圖11 涓水糞大腸菌群污染多年均值變化趨勢

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

        5.3 污染成因和趨勢分析

        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,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。可以這樣認(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。與20世紀(jì)80年代以來國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。

        (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。

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