涓水流域水资源变化规律研究

罗亚君

（湘潭水文水资源勘测局 湘潭市 411100）

确定河流径流量、水质的变化情况、趋势及其原因是区域内水资源评价、水资源演化趋势预测的重要内容，是区域内水资源规划研究的基础性工作。近年来湘江流域径流量持续性枯水，给沿河两岸居民生活与工农业生产用水带来严重的影响而因此引起广泛的关注。在此，以涓水流域作为研究对象，分析涓水流域径流、水质变化规律及原因，定量评价自然因素和人类活动对该区域水资源的影响程度。

涓水是湘江一级支流之一，发源于双峰县昌山，大部分流经湘潭市境内，于湘潭县易俗河镇自左岸汇入湘江。全长118.5 km，流域面积1 764 km2，河流平均坡降为0.082‰。流域多年平均降水量1 377 mm，降水年际变化较大。涓水天然径流主要来源于大气降水，属降水补给型。

1 资料来源与分析方法确定

（1）资料来源与分析方法。

流域内有控制站射埠水文站。该站设立于1972年,位于湘潭县射埠镇射埠村，集水面积1 404 km2。流域内并配套设有：荷叶、新桥、花石、射埠4个雨量站。射埠水文站有1972～2009年水位、流量、降水量资料和2001～2009年水质监测资料。运用数理统计法进行流域降水趋势分析；运用面积比拟法、累加滤波器法、数理统计法等分不同时间尺度，对径流量的变化趋势进行分析；采用涓水河口水质站2001～2009年资料，运用单因子评价法和数理统计法进行水质评价和变化趋势分析。

（2）降水量资料的选取及代表性分析。

选取涓水流域实测资料系列较长的荷叶、新桥、花石、射埠4个雨量站作为流域代表站。这些代表站分布于流域内不同地区和不同高程。时间连续，数据完整无缺补，精度可靠，具有很好的代表性。将这些站1972～2009年的降水量系列资料，用算术平均法平均，获取流域平均降水量系列资料。

（3）径流与水质资料的选取及代表性分析。

采用射埠水文站1972～2009年时段内的实测资径流量资料，运用面积比拟法作为流域出口处径流量资料进行计算与分析。河口水质监测站2001～2009年资料代表流域出口处水质现状。径流与水质资料的时间连续，数据完整无缺补，精度可靠，均具有很好的代表性。

2 降水量分布和年际变化

2.1 降水量分布特征

根据流域内荷叶、新桥、花石、射埠4个雨量站38年的资料，运用算术平均法，求得多年平均降水量为1 377 mm，在（1 019.8～1 853.6）mm 之间波动。

全年降水主要集中在3～8月，占年降水量的60%以上。流域降水年际变化较大，极值变化在1.5～2.5倍之间。最大点降水量为2002年新桥站1 969.8 mm，最小点降水量为2003年荷叶站977.4 mm。

湘江流域多年平均降水量为1 458 mm，涓水流域属降水偏小分布区，主要原因是上游双峰县、衡山县位于湖南省衡邵干旱区，降水偏小所致。

2.2 降水量年际变化

图1为1972～2009年涓水流域年降水量图，从图1中可以看出年降水量有增加趋势，相关性为：y（年降水量）=2.606x（时间）+1326.4。

从1972年开始，统计分析不同年代年降水量均值，结果见表1。由计算结果可知：20世纪70年代降水量最小，90年代降水量最大。与70年代降水量相比，80年代增加1.8%，90年代增加11.0%，21世纪初增加4.7%。

图1 1972～2009年涓水年降水量

表1 不同时期年降水量均值比较 mm

3 径流演变趋势及特点

射埠水文站控制涓水流域面积1 404 km2，占整个流域面积的80%。借用射埠水文站1972～2009年径流系列资料，运用面积比拟法推求全流域的径流量，可得多年平均径流量为 11.93×108m3。

式中n——面积比指数，一般取值0.67；

R流域——流域年径流量（亿m3）；

F射埠——射埠水文站年径流量（亿m3）；

F流域——流域集水面积（km2）；

F射埠——射埠水文站集水面积（km2）。

3.1 径流变化趋势分析

涓水流域径流量变化趋势分析可以采用累加滤波器法，它能充分反映时间序列定性变化趋势。其基本原理是：

式中s——累积平均值；

xi——水文时间系列值；

k=1,2,3,…n（n为水文时间系列长度）；

i=1，2，3，…k。

图2为涓水流域径流量累积平均过程曲线，由图可知，涓水径流总体呈微弱上升趋势，期间1975～1980年径流微弱减少，1981～1988年径流微弱波动但基本稳定，1989～2002年径流呈微弱上升趋势，2003～2009年径流变化为持续稳定态势，长系列径流代表性很好。

图2 涓水流域径流量累积平均过程曲线

3.2 径流年际变化分析

图3、图4给出了1972～2009年 38年间年际涓水流域径流量的值，从图可以看出，涓水流域38年间总体上径流量的年变化特点是有微弱的增加趋势，分阶段来看，20世纪70年代的径流量最小，90年代的径流量最大。与70年代的径流相比，80年代增加0.31%，90年代增加22.5%，21世纪初增加13.9%。

图3 1972～2009年涓水年径流量

图4 涓水径流量年代际变化

3.3 月径流年内变化分析

表2为涓水流域1972～2009年多年平均月径流量表，从表1可知，涓水流域径流量年内分配很不均匀，主要径流产生于3～7月，占全年径流量的60.3%；9月份径流量仅占全年径流量的5.5%，又是工农业用水的高峰期，所以容易发生秋旱；最枯季为11月至次年1月，仅占全年径流量的13.8%。流域月径流的年内分布特点与年降水量的年内分布类似，这是由于涓水天然径流主要来源于大气降水，属降水补给型。

表2 涓水流域1972-2009年多年平均月径流量表

图5为涓水流域20世纪80年代、90年代和21世纪初月平均径流与20世纪70年代的比较，可以明显看出：80年代、90年代和21世纪初月径流增加的月份占大多数，80年代平均径流比70年代都增加的有1～3、6～7、9～12月，其中9～11月增加较为明显；90年代平均径流除4～6月外，其余月份均比70年代增加，其中3、7月增加较为明显；21世纪初平均径流比70年代都增加的有1，3，6～12月，其中7月增加较为明显。另外，80年代、90年代和21世纪初平均径流比 70年代都增加的有1，3，7，9～12月，其中3，7，9～10月增加量较大。比70年代都减少的只有4～5月；而2，6，8月平均径流变化比较复杂，既有增加也有减少的趋势。实际上，90年代月增幅均最大。

图5 涓水20世纪80年代、90年代和21世纪初月平均径流与70年代差值

3.4 枯水期径流分析

表3给出了涓水流域枯水期（11月～次年1月）径流不同时期均值比较。可以看出，70年代枯水期径流最小，80年代、90年代和21世纪初枯水期径流都比70年代的有所增加，分别增多为34.8%、42.6%、35.5%，其中90年代增加最为明显。

表3 不同时期枯水期径流均值比较 m3/s

4 降水量与径流量的相关分析

4.1 径流系数变化

径流系数为径流深与降水量的比值，它是反映流域产水能力的指标。流域内径流系数变化范围在0.42～0.67之间，平均为0.52。说明流域内植被情况较好，产流能力比较稳定，未出现明显偏大偏小现象。表4为1972～2009年间不同时期径流系数均值比较，分析可知，径流系数有变大趋势，20世纪70年代径流系数最小，90年代径流系数最大。表4为不同时期径流系数均值比较。

表4 不同时期径流系数均值比较

4.2 降水量与径流量相关性

图6为涓水流域降水量与径流量相关图，由图可知，降水径流相关系数为0.969 7，这是因为涓水流域径流属降水补给型，相关性较好。

图6 涓水降水径流相关图

4.3 降水量与径流量变化规律

图7为涓水流域降水、径流、径流系数累积平均过程曲线，从图可知，降水径流变化趋势基本一致，1975～1980年间微弱下降、1981～1988年间微弱波动但基本稳定、1989～2002年间表现为持续增长、2002～2009年维持稳定态势。径流量变化趋势比降水量变化趋势波动大，主要原因是影响径流变化的因素复杂，不仅与降水量有关，还与流域植被等水环境状况有关。

图7 涓水降水径流累积平均过程曲线

图8 涓水降水径流双累积曲线

图8为降水径流双累积曲线，并分阶段分析累积曲线的斜率变化，时段划分如下：

（1）1972～1980年，第一时段流域植被遭到破坏；

（2）1981～2000年，第二时段流域植被逐步恢复；

（3）2001～2009年，第三时段流域植被基本稳定。

从图可看出，涓水流域降水径流关系表现为以径流微弱增长为主要特征阶段性变化。双累积曲线斜率K由第一时段的0.516 1缓慢增长到第三时段的0.541 5，变率为4.9%。

5 水质状况趋势分析

根据涓水的自然环境状况和水质功能区水质保护目标的要求，在涓水上布设了涓水河口1个监测断面，河段上游水质目标为Ⅱ类，中下游为Ⅲ类。

水质监测时间为2001～2009年每月一次，涓水流域水质监测分析方法选用的是 《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中规定的地表水环境质量标准基本项目分析方法。

采用涓水河口水质站2001～2009年的水质序列，选择氨氮、挥发酚、镉、氟化物、高锰酸盐指数、总磷、粪大肠菌群等7个主要水质参数进行分析。

5.1 评价方法

运用单因子评价方法,对照国家《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中水质标准限值来确定主要污染指数，计算平均超标倍数：

式中I——污染指数；

Ci——水质监测结果；

Si——标准值；

N——监测次数。

5.2 水质现状

通过单因子评价法，涓水流域常规监测的项目中超过GB 3838—2002Ⅲ类水质标准限制的统计结果见表5，涓水流域的首要污染物是粪大肠菌群，其次是氨氮和总磷。图9、图10、图11是各污染物的浓度变化趋势，分析可知2006～2007年是污染最为严重的时期，现水质状况逐渐好转，除粪大肠菌群指标外，其余污染因子没有超Ⅲ类的。污染月份又以农业生产和低枯水月份尤其突出，6～8月和1月、12月是污染物浓度较高的时期。

粪大肠菌群污染十分严重，常年累月存在，其最大超标倍数超过15倍。工业有机污染物和金属无机物污染也呈缓慢上升态势，如石油类、镉偶有临近超标状态。

图9 涓水氨氮污染变化趋势

图10 涓水总磷污染变化趋势

图11 涓水粪大肠菌群污染多年均值变化趋势

表5为涓水河口水质监测断面主要污染物指标超标情况统计。

表5 涓水河口水质监测断面主要污染物指标超标情况

5.3 污染成因和趋势分析

目前涓水流域经济开发程度还不太高，以农业和养殖业为主，污染因子主要是水体卫生和非金属无机物污染，分析可知污染源为生活污染源和农业面源，流域内居民生活污水直排水体、汛期洪水挟带大量土壤中的废弃物等造成。

从近10年的资料分析，2006～2007年是涓水污染最为严重的时期，随着近几年来湘江流域的环境治理，人们环保意识的增强，除水体卫生指标外，其余污染因子浓度呈下降趋势，水质已逐渐好转。但随着工业经济的发展，潜在的有机物和金属无机物污染将加剧，必须切实做好流域总量控制和减排工作，保护水体水质。

6 结语

通过对涓水流域水资源变化过程分析，可得出以下结论：

（1）涓水流域受人类活动影响因素较少，径流变化不明显。可以这样认为：径流系数变化小，在湖南省径流分布区上属低值区。但流域内水土保持较好，农村工农业用水及工程建设对流域下垫面条件影响不大。每年的9月份径流量所占比重很小，故流域内易发秋旱。

（2）涓水流域年径流呈弱增加趋势。与20世纪80年代以来国家封山育林政策有关，流域植被状况连续好转，蓄水保水功能增强，径流量缓慢增加；枯水期（11月～次年1月）径流也与70年代相比也呈增加趋势。

（3）涓水流域未现出全流域性水质污染事件，除2006～2007年部分指标污染较为严重外，整个流域水质状况良好，能满足饮用水源地取供水要求。