湘江水位-流量变化及水资源利用研究 毕业论文

'湘江水位-流量变化及水资源利用研究摘要：河川径流作为水循环的重要环节，其变化受到气候变化和人类活动的双重影响，同时又是水资源综合开发利用、科学管理、优化调度最重要的基础。湘江河流流量大多来自降水，主要受降水的影响，但人类活动通过改变流域下垫面特征及大型水利工程建设对湘江径流过程造成影响，它起着负面减流的作用。由于湘江水位-流量的变化，流域出现季节性、区域性缺水现象，但造成旱情的原因不仅仅是自然原因，还包括多种人为原因，如水利设施破旧落后、水浪费严重、管理体制落后、水土流失严重等。本文采用文献参考法、历史分析法、数理统计法、比较法及综合分析法，得出了湘江水位、径流量的年内年际变化规律，并对其原因（自然原因和人为原因）进行了详细分析。由于河流水位、径流量的变化，使湖南省水资源呈现出时空分布不均的特点，针对此特点，本研究提出通过提高水资源利用率并增强节水意识、加强城镇乡村对雨水的利用、改善流域自然及人工蓄水能力等措施来改善流域水资源利用状况。关键词：水位-流量;气候变化;人类活动;对策分析;湘江ResearchontheWaterlevel-FlowchangeandutilizationofwaterresourcesinXiangriverbasinAbstract:Riverrunoffasanimportantpartofthewatercycle,itschangeaffectedbyclimatechangeandtheeffectsofhumanactivity,isthefoundationoftheutilization,scientificmanagement,schedulingofwaterresources.Xiangriverflowmostlycomingfromprecipitationismainlyaffectedbytheprecipitation.ButhumanactivitiesalsohaveimpactsonXiangriverrunoffprocessesbyalteringthewatershedcharacteristicsandlargesurfacewaterconstruction,whichplayanegativeroleandreducetheflow.Duetothechangeofwater-flow,theseasonalandregionallacksofwateroccurinXiangRiverbasin.However,thereasonsofthedrydamagenotonlylieinnature,butalsoincludeavarietyofartificialscarcities,suchasoldandbackwardwaterfacilities,seriouswaterwaste,backwardmanagementsystem,waterlossesandsoilerosionandsoon.Thisarticleadoptsthedocumentreferencemethod,historicalanalysis,statisticalmethods,comparativelawandcomprehensiveanalysis,andreachesthelowsandreasonsofwater-runoffchangeduringseasonsandyearsinXiangRiver.Asthevariationoftheriverlevelandrunoff,waterresourcesinHunanprovincehavethefeatureofunregulateddistributionspatiallyandtemporally.Thisstudyshowsmeasurestoimprovetheutilizationofwaterresources,suchasimprovingtherateofwaterresourcesutilizationandenhancingwatersavingawareness,strengtheningtheurbanandruralrainwaterharvestingandimprovingthenaturalandtheartificialmoisture-holdingcapacityandsoon.Keywords：Waterlevel-Flow;Climatechange;Humanactivities;Countermeasureanalysis;XiangRiver39 1绪论1.1选题背景及意义39 早在20世纪50～60年代，随着人口和工农业的快速增长以及城市化的加剧，水资源日益短缺，水资源安全便为世界各国所关注。到上世纪末，水资源已经成为关系到人类生存和发展的战略问题。2000年3月在荷兰海牙召开的世界部长级会议和8月在瑞典斯德哥尔摩召开的世界水讨论会，均明确将“21世纪水安全”作为会议的主要议题，并提出要用创新的方法解决21世纪的水安全问题。水资源利用研究需以水文过程研究为基础，因此水文过程（包括水位-流量的变化）研究受到国内外的重视。水位、流量间存在着相关关系，又同时受到降水量的影响，湘江流量大多来自降雨，受降雨影响很大。2003年10月以来，湖南省平均降雨量较历年均值偏少66%，湖南已出现一定程度的旱情，主要集中在湘江，湘江流域更是降至了90年来的最低点。湘江中下游衡阳市、株洲市、湘潭市、长沙市等核心城市用水发生困难。本文通过分析湘江流域水位-径流量、降水量变化，反应其水资源现状，并提出对策。1.1.1湘江流域自然地理状况湘江是湖南省最长、流量最大、流域面积最广的河流，它源于广西灵川县，于东安县进入湖南省，纵贯于南岭山地向洞庭湖平原过渡的山丘盆地之间，流经永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙等市区，在湘阴县濠河口分两支注入洞庭湖，干流全长856km，湘境里程670km，大小支流共2157条，流域面积94660km2，在湖南省境内流域面积为85383km2，占湖南全省总面积的40%。湘江水系地处长江之南，南岭之北，东以罗霄山与赣江水系分界，西隔衡山山脉与资江毗邻。湘江主要支流潇水、舂陵水、耒水、洣39 水、渌水和浏阳河由右岸汇入干流，支流祁水、蒸水、涓水、涟水、沩水从左岸汇入，河流平均坡降为0.134‰。湘江在永州之上称为上游，水流湍急，河水有时穿切岩层而过，形成峡谷，流域内的石灰岩分布很广，岩洞较多，地下水对河水的补给量较大。湘江在永州至衡阳之间为中游，沿岸丘陵起伏，盆地错落其间，亦有峡谷。湘江在衡阳以下进入下游，衡阳以下，地势平坦，河水平稳，沿河沙洲断续可见。湘江流域属亚热带季风湿润气候，降水集中于春夏两季，4月至6月为多雨季节，冬季的12月到来年2月是少雨季节，为枯水期；雨季湘江水位上涨，年最高水位出现在4月至7月。湘江及其支流多漫滩，枯水时期，河滩高出水面，洪水期均被淹没[1]。1.1.2水资源状况湘江流域人均水资源占有量多年平均为2158m3，每公顷耕地水资源占有量为48136m3。相对全国而言，是一个水资源较为丰富的流域。湘江河流水量大多来自降雨，河流流量受降雨影响很大，湘江流域多年平均降水量约为1436mm，降水量变差系数在0.2～0.25之间。据湖南省13座大中城市供需水量平衡计算分析结果，位处湘江流域的7座城市中仅湘潭市和衡阳市能够满足现状用水要求，5座城市存在不同程度的缺水，缺水率最高达33.7%[1]。1.2国内外相关研究动态1.2.1国外研究状况39 国外学者很早就开展了人类活动及气候变化与水文环境之间关系的研究工作。1940年前后，G.S.Callendar首次计算了大气中二氧化碳浓度增加而导致的气候变暖效应，从此气候问题得到了极大的关注；Nemec和Schaake(1982年)较早分析了气候变化对干旱和湿润地区径流的影响，得出气候变暖径流并不全部增加的结论；GleickPH，AizenV等探索和研究了人类活动对水文循环的影响；Smirnov等分析了太阳黑子活动与河川径流的关系，得出太阳黑子相对数的变化与河川径流具有某种关联性的结论；MatsumotoandTakahashi对东亚暴雨也进行了气候学研究，以气候学的观点研究论证了东亚暴雨的成因及过程；M.A.Mimikou等分析了CO2倍增情景下希腊北部Aliakmon河水资源量的变化，认为在CO2倍增情景下Aliakmon河水资源量会有规律的增加；FrederickKD、NigelWA、MillerKA等研究了气候变化对水资源的影响，认为当气候变化时，水资源在质和量方面都会有着相应的变动；T.A.Fontaine等分析了美国南达科他(Dakota)州黑山地区水文对气候变化的响应[1]。1.2.2国内研究现状目前，国内学者对长时间序列降水进行趋势分析的研究颇多。如任国玉、吴虹等通过计算降水趋势系数和降水倾向率分析了我国降水变化趋势的空间分布特征；朱拥军、苏炳凯等采用自然正交函数(EOF)、相关分析等方法对黄河中上游流域年降水量的时空特征及其对三门峡库区水沙来量的影响进行了分析；邓自旺、周晓兰等采用线性回归方程分析了江苏省40年来逐月、季和年降水量降水距平百分率的变化趋势，并采用三次样条函数插值法得到变化趋势的空间分布图；丁锋、周顺武采用Morlet小波变换分析了青岛站近100年夏季降水的多时间尺度周期变化，讨论了该站夏季降水年际和年代际的周期变化，并通过Mann–Kendall39 统计检验方法对突变年进行了统计检验；周建康、唐运忆等采用双累积曲线和显著性统计检验的分析方法，得出南京站降水量有增大的趋势；信忠保、谢志仁用欧式最长距离法对宁夏1959-2001年各站的降水序列进行了聚类分析，揭示了宁夏近40多年来降水量略有上升的变化趋势；彭梅香等使用一元线性回归方程分析了黄河中游泾渭洛河近50年降水变化特点；刘超等利用假设统计检验法对黄河上游干流唐乃亥和支流洮河、湟水河、大通河四个流域近30年的降雨径流变化趋势进行了分析与检验；陈仁升等应用累积滤波器和秩次相关法对甘肃河西地区近50年气象水文序列的变化趋势进行了分析；王新平等在沙坡头地区应用Mann-Kendall法和回归分析法检验了该区年降水量的长期变化趋势。我国学者对气候变化与水文水资源之间关系也做了很多研究工作。HuangandSun研究了暖池热对流对东亚季风和我国夏季降水的影响，认为暖池热对流强弱和我国夏季降水多少有着直接联系；WangHuijun39 研究了海温异常分布对亚洲的影响，认为海温异常分布减弱了亚洲夏季风，从而减弱了从热带太平洋、中国南海和孟加拉湾向东亚的水汽输送，造成水汽输送在长江流域辐合，使到达华北地区的水汽大大减弱；中国科学院水土保持研究所徐学选等人分析了黄河中游小流域水土保持对干支流汛期、非汛期径流的影响，认为水土流失带来的泥沙淤积会减少河川径流；马全杰等人分析研究了黄河兰州以上天然径流特征对青藏高原大气环流的响应；彭梅香等着重从海温与黄河上游年径流量的关系，通过相关计算、典型丰枯年海温场分析，探讨了海温场与径流量的关系，以及海温场对径流量的影响；王根绪等根据多年来所发生的次事件，分析了降水与径流过程对事件响应的统计规律，并指出事件与黄河源区降水与径流年际波动变化有较好的相关性；张国胜等人研究分析了一年之间年黄河上游径流量及其与流域降水、气温的关系，着重分析了干早气候对黄河水资源的影响；李栋梁等人从气候学的角度对黄河上游径流量演变特征进行了研究；任立良等研究探讨了北方地区人类活动对水资源的影响，表明人类活动不仅仅对水质有着重要的影响，对水量也有严重影响[1]。1.2.3湘江流域研究现状有关湘江流域水量方面的研究目前开展较少。陈术兵分析了湘江流域2002年的汛期暴雨洪水的成因、时空分布及过程，并肯定了水利设施的调洪作用；李景保等依据湘江流域有代表性水文测站多年实测水文气象资料，较全面地分析了河川径流、水位、暴雨洪水、泥沙、水化学等水文要素的组成、发展与变化规律；任美庆等利用Tennant法估算了湘江河道内生态环境需水量；杨纫章对湘江流域的水文地理做了系统的分析；李德寿归纳和总结了湘江河道的变化趋势；杜鹃等构建了湘江流域洪水灾害危险性和承灾体脆弱性评价体系。1.3研究方法本文通过查阅湖南省统计年鉴，运用文献参考法及历史分析法，收集湘江流量、流域主要城市降水量等数据，经分析后得出湘江水位、流量的变化规律；在对其变化原因进行分析时运用了比较法及综合分析法；最后针对前面得出的结论及湖南省水资源时空分布不均的情况，提出改善水资源利用状况的措施。39 2湘江水位-流量变化规律及原因分析河川径流量作为水循环的重要环节，是水资源综合开发利用、科学管理、优化调度最重要的基础。河川径流的变化受到人类活动和气候变化的双重影响，一方面气候变化、太阳活动和海-汽相互作用改变了原有的气温、降水等与水循环密切相关的气候因子；另一方面人类活动不仅改变了流域地表状况，影响蒸发、入渗、产流、汇流特性，而且由于人类大规模的开发利用水资源，使得在原有的天然水循环内产生了人工侧支循环。因此，研究人类活动影响因素下河川径流的演化规律具有十分重要的理论和实际意义。本文在进行原因分析时，对近50年湘江流域干湿气候变化进行分析，并对降水变化做了具体论述，人为原因方面选择湘江流域水土保持状况及矿山、水利工程建设进行分析。2.1年内变化及原因分析湘江及其支流水位径流变化规律与流域降水周期变化完全一致，每年3月下旬雨季开始，河水相应上涨，4～7月降水陆续增多（以1990、2003年为例，见图2.1、2.2），水位不断上涨，直至达到全年最高水位。据干流湘潭站1951～1994年最高水位发生时间次数统计，最高水位发生在4～7月份的约占总次数95.2%。8月下旬以后，降水减少，水位开始下降，最低水位常出现在12～2月。汛期雨量集中且多暴雨，河水陡涨陡落，水位易发生急剧变化。诸河流平均水位涨落率可达0.9～1.3m/h，在湘江干流衡阳与衡山两站之间，有洣39 水、蒸水、渌水等支流汇人，构成辐合状水系，干支流水量互相顶托，一次洪水过程水位总涨差可达11～12.5m，导致水位急剧上涨，形成最高水位。诸河流年最高水位与年最低水位差波动为9～6m，其中衡阳段水位年变幅，在特大洪水年可达15m以上。图2.11990年长沙、衡阳、永州降水量示意图图2.22003年长沙、衡阳、永州降水量示意图流量与水位有相应的变化，流域内河流流量从3月下旬开始增大，7月下旬逐渐减小，流量过程尖瘦，属典型的山溪性河流。年最大流量多出现于4～7月。多年平均(4～7月)流量占全年总流量的百分比：上游全州站为47.4%，中游衡阳站占49.2%，下游湘潭站占51.2%[2]。综上所述，影响湘江水位、流量年内变化规律的主要原因是一年当中降水的季节性变化。39 2.2年际变化及原因分析从1950年到2006年，湘江流域总体上看，在20世纪60年代中期年径流量普遍较少，到后期有回升趋势；在20世纪70年代初期比较稳定，但是于20世纪70年代中期相对较高，出现了1975年的特大暴雨，并在20世纪70年代后期又恢复到稳定状态；20世纪80年代径流量普遍比较稳定；20世纪90年代初、中期持续上升，并造成了1998年暴雨，但是，局部依然有严重干旱现象；21世纪初期年径流量也比较稳定，没有特大的上升或下降趋势[1]。2.2.1变化的自然原因湘江流量大多来自降水，因此湘江水位-流量年际变化受到湘江流域干湿气候变化尤其是降水量年际变化的影响，在进行湘江流域干湿气候变化研究时，将湘江流域48年干湿变化划分个等级(表2.1)。由干湿等级表发现,20世纪60年代发生大旱1年、极旱1年,分别为1963年和1966年,偏旱1年(1964年)。20世纪70年代干湿变化频繁,1971年为极旱年,1974年、1979年为大旱年,1970和1973年为大涝年。20世纪80年代普遍偏旱,其中1985年和1988年为偏旱年,1986年为大旱年。1990-2002年除个别年份偏干外其余为湿润年。2003年湘江流域开始向干旱转变[3]。表2.1湘江流域干湿等级分布引自张剑明,黎祖贤,章新平《近50年湘江流域干湿气候变化若干特点》等级干湿指标干湿类型所属年份1Z>11645极涝199419972002211036