涓水流域水資源變化規律研究

羅亞君

（湘潭水文水資源勘測局 湘潭市 411100）

確定河流徑流量、水質的變化情況、趨勢及其原因是區域內水資源評價、水資源演化趨勢預測的重要內容，是區域內水資源規劃研究的基礎性工作。近年來湘江流域徑流量持續性枯水，給沿河兩岸居民生活與工農業生產用水帶來嚴重的影響而因此引起廣泛的關注。在此，以涓水流域作為研究對象，分析涓水流域徑流、水質變化規律及原因，定量評價自然因素和人類活動對該區域水資源的影響程度。

涓水是湘江一級支流之一，發源于雙峰縣昌山，大部分流經湘潭市境內，于湘潭縣易俗河鎮自左岸匯入湘江。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。

流域內有控制站射埠水文站。該站設立于1972年,位于湘潭縣射埠鎮射埠村，集水面積1 404 km2。流域內并配套設有：荷葉、新橋、花石、射埠4個雨量站。射埠水文站有1972～2009年水位、流量、降水量資料和2001～2009年水質監測資料。運用數理統計法進行流域降水趨勢分析；運用面積比擬法、累加濾波器法、數理統計法等分不同時間尺度，對徑流量的變化趨勢進行分析；采用涓水河口水質站2001～2009年資料，運用單因子評價法和數理統計法進行水質評價和變化趨勢分析。

（2）降水量資料的選取及代表性分析。

選取涓水流域實測資料系列較長的荷葉、新橋、花石、射埠4個雨量站作為流域代表站。這些代表站分布于流域內不同地區和不同高程。時間連續，數據完整無缺補，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，用算術平均法平均，獲取流域平均降水量系列資料。

（3）徑流與水質資料的選取及代表性分析。

采用射埠水文站1972～2009年時段內的實測資徑流量資料，運用面積比擬法作為流域出口處徑流量資料進行計算與分析。河口水質監測站2001～2009年資料代表流域出口處水質現狀。徑流與水質資料的時間連續，數據完整無缺補，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

根據流域內荷葉、新橋、花石、射埠4個雨量站38年的資料，運用算術平均法，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。

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。最大點降水量為2002年新橋站1 969.8 mm，最小點降水量為2003年荷葉站977.4 mm。

湘江流域多年平均降水量為1 458 mm，涓水流域屬降水偏小分布區，主要原因是上游雙峰縣、衡山縣位于湖南省衡邵干旱區，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，相關性為：y（年降水量）=2.606x（時間）+1326.4。

從1972年開始，統計分析不同年代年降水量均值，結果見表1。由計算結果可知：20世紀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世紀初增加4.7%。

圖1 1972～2009年涓水年降水量

表1 不同時期年降水量均值比較 mm

3 徑流演變趨勢及特點

射埠水文站控制涓水流域面積1 404 km2，占整個流域面積的80%。借用射埠水文站1972～2009年徑流系列資料，運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，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——水文時間系列值；

k=1,2,3,…n（n為水文時間系列長度）；

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年徑流微弱波動但基本穩定，1989～2002年徑流呈微弱上升趨勢，2003～2009年徑流變化為持續穩定態勢，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是有微弱的增加趨勢，分階段來看，20世紀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分配很不均勻，主要徑流產生于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%，又是工農業用水的高峰期，所以容易發生秋旱；最枯季為11月至次年1月，僅占全年徑流量的13.8%。流域月徑流的年內分布特點與年降水量的年內分布類似，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80年代、90年代和21世紀初月平均徑流與20世紀70年代的比較，可以明顯看出：80年代、90年代和21世紀初月徑流增加的月份占大多數，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雜，既有增加也有減少的趨勢。實際上，90年代月增幅均最大。

圖5 涓水20世紀80年代、90年代和21世紀初月平均徑流與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）徑流不同時期均值比較。可以看出，70年代枯水期徑流最小，80年代、90年代和21世紀初枯水期徑流都比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 不同時期枯水期徑流均值比較 m3/s

4 降水量與徑流量的相關分析

4.1 徑流系數變化

徑流系數為徑流深與降水量的比值，它是反映流域產水能力的指標。流域內徑流系數變化范圍在0.42～0.67之間，平均為0.52。說明流域內植被情況較好，產流能力比較穩定，未出現明顯偏大偏小現象。表4為1972～2009年間不同時期徑流系數均值比較，分析可知，徑流系數有變大趨勢，20世紀70年代徑流系數最小，90年代徑流系數最大。表4為不同時期徑流系數均值比較。

表4 不同時期徑流系數均值比較

4.2 降水量與徑流量相關性

圖6為涓水流域降水量與徑流量相關圖，由圖可知，降水徑流相關系數為0.969 7，這是因為涓水流域徑流屬降水補給型，相關性較好。

圖6 涓水降水徑流相關圖

4.3 降水量與徑流量變化規律

圖7為涓水流域降水、徑流、徑流系數累積平均過程曲線，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年間微弱波動但基本穩定、1989～2002年間表現為持續增長、2002～2009年維持穩定態勢。徑流量變化趨勢比降水量變化趨勢波動大，主要原因是影響徑流變化的因素復雜，不僅與降水量有關，還與流域植被等水環境狀況有關。

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，時段劃分如下：

（1）1972～1980年，第一時段流域植被遭到破壞；

（2）1981～2000年，第二時段流域植被逐步恢復；

（3）2001～2009年，第三時段流域植被基本穩定。

從圖可看出，涓水流域降水徑流關系表現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由第一時段的0.516 1緩慢增長到第三時段的0.541 5，變率為4.9%。

5 水質狀況趨勢分析

根據涓水的自然環境狀況和水質功能區水質保護目標的要求，在涓水上布設了涓水河口1個監測斷面，河段上游水質目標為Ⅱ類，中下游為Ⅲ類。

水質監測時間為2001～2009年每月一次，涓水流域水質監測分析方法選用的是 《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中規定的地表水環境質量標準基本項目分析方法。

采用涓水河口水質站2001～2009年的水質序列，選擇氨氮、揮發酚、鎘、氟化物、高錳酸鹽指數、總磷、糞大腸菌群等7個主要水質參數進行分析。

5.1 評價方法

運用單因子評價方法,對照國家《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中水質標準限值來確定主要污染指數，計算平均超標倍數：

式中I——污染指數；

Ci——水質監測結果；

Si——標準值；

N——監測次數。

5.2 水質現狀

通過單因子評價法，涓水流域常規監測的項目中超過GB 3838—2002Ⅲ類水質標準限制的統計結果見表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年是污染最為嚴重的時期，現水質狀況逐漸好轉，除糞大腸菌群指標外，其余污染因子沒有超Ⅲ類的。污染月份又以農業生產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期。

糞大腸菌群污染十分嚴重，常年累月存在，其最大超標倍數超過15倍。工業有機污染物和金屬無機物污染也呈緩慢上升態勢，如石油類、鎘偶有臨近超標狀態。

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為涓水河口水質監測斷面主要污染物指標超標情況統計。

表5 涓水河口水質監測斷面主要污染物指標超標情況

5.3 污染成因和趨勢分析

目前涓水流域經濟開發程度還不太高，以農業和養殖業為主，污染因子主要是水體衛生和非金屬無機物污染，分析可知污染源為生活污染源和農業面源，流域內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重的時期，隨著近幾年來湘江流域的環境治理，人們環保意識的增強，除水體衛生指標外，其余污染因子濃度呈下降趨勢，水質已逐漸好轉。但隨著工業經濟的發展，潛在的有機物和金屬無機物污染將加劇，必須切實做好流域總量控制和減排工作，保護水體水質。

6 結語

通過對涓水流域水資源變化過程分析，可得出以下結論：

（1）涓水流域受人類活動影響因素較少，徑流變化不明顯。可以這樣認為：徑流系數變化小，在湖南省徑流分布區上屬低值區。但流域內水土保持較好，農村工農業用水及工程建設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，故流域內易發秋旱。

（2）涓水流域年徑流呈弱增加趨勢。與20世紀80年代以來國家封山育林政策有關，流域植被狀況連續好轉，蓄水保水功能增強，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）涓水流域未現出全流域性水質污染事件，除2006～2007年部分指標污染較為嚴重外，整個流域水質狀況良好，能滿足飲用水源地取供水要求。