（水力学及河流动力学专业论文）湘江流域水资源演变规律研究.pdf

摘要 湘江流域是一个水资源较为丰富的流域，由于受到自然和人为因素的影响，湘江流 域目前存在十分突出的水资源问题。根据历年水文气象和水质监测资料，探讨水资源的 演变规律是一个相对较新的课题。研究结果可为治理、开发利用水资源提供科学依据。 本文运用m a n n - k e n d a l l 检验法和小波分析等方法，对自然变化和人类活动双重影 响下的湘江流域水资源时空变化规律进行研究，得出主要结论如下： ( 1 ) 自1 9 5 0 年到1 9 9 9 年间，湘江流域气温变化无明显的升降趋势；在气温变化 的周期性方面，1 3 年、1 5 年、3 2 年的周期振荡最为显著。 ( 2 ) 自1 9 5 2 年到1 9 9 9 年间，湘江流域降水量变化无明显的升降趋势，降水量变 化很小，比较平稳；在降水量变化的周期性方面，2 5 年和2 8 年的周期振荡最为显著。 ( 3 ) 自1 9 5 2 年到1 9 9 9 年间，湘江流域蒸发量变化无明显的升降趋势，比较平稳； 在蒸发量变化的周期性方面，1 3 年、2 0 年、3 0 年的周期振荡最为显著。 ( 4 ) 自1 9 5 0 年到2 0 0 6 年间，湘江流域的年径流量变化无明显的升降趋势：湘江 流域的年径流量变化的主要周期为1 9 年、2 0 年和3 2 年。 ( 5 ) 总体上，湘江水环境质量无显著好转，污染状况尽管有所缓解，但部分污染 物的含量存在显著上升趋势。 关键词：演变规律；气温；降水量；蒸发量；径流量；趋势性；周期性；湘江流域； m a n n - k e n d a l l 检验法；小波分析法 a b s t r a c t n ew a t e rr e s o u r c e so ft h ex i a n g j i a n gr i v e rb a s i na r er i c h e r n o w a d a y s ，t h e r ea r eal o t o fo b v i o u sw a t e rr e s o u r c e sp r o b l e m si nt h ex i a n g j i a n gr i v e rb a s i nu n d e rt h ei n f l u e n c e so f n a t u r a la n dm a n m a d ef a c t o r s a c c o r d i n gt op r e v i o u sd a t ay e a r s h y d r o g r a p h i c ，c l i m a t ea n d t h ew a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o rd a t a , t h er e s e a r c ho nw a t e rr e s o u r c e se v o l u t i o nl a wi sa r e l a t i v ea d v a n c e dp r o j e c t t h e r er e s e a r c h e sm a yp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ef a t h e r i n g a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h ex i a n g j i a n gr i v e r sw a t e rr e s o u r c e s b a s e do nm a n n k e n d a l li n s p e c t i o nm e t h o d sa n dw a v e l e ta n a l y t i cm e t h o d ，t h er e s e a r c h o nt h ew a t e rr e s o u r c e se v o l u t i o nl a wi nx i n g j i a n gr i v e rb a s i nu n d e rt h en a t u r a lc h a n g e sa n d h u m a na c t i v i t i e si sd e v e l o p e d ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f r o m19 5 0t o19 9 9 ，n l ef l u c t u a t i o nt e n d e n c yo f t e m p e r a t u r ei nx i a n g j i a n gr i v e r b a s i ni sn o to b v i o u s ；1 1 l er e s e a r c ho np e r i o d i c i t yo ft e m p e r a t u r ec h a n g ei nx i a n g j i a n gr i v e r b a s i ns h o w st h a tt h e r ea r et h r e em a i no s c i l l a t i o n sp e r i o d s t h e ya r e13y e a r , 15y e a ra n d3 2 y e a r ( 2 ) f r o m1 9 5 2t o1 9 9 9 ，t h ef l u c t u a t i o nt e n d e n c yo f p r e c i p i t a t i o ni nx i a n g j i a n gr i v e r b a s i ni sn o to b v i o u s ；n er e s e a r c ho np e r i o d i c i t yo f p r e c i p i t a t i o nc h a n g ei nx i a n g j i a n gr i v e r b a s i ns h o w st h a tt h e r ea r et w om a i no s c i l l a t i o i l sp e r i o d s n l c ya r e2 5y e a ra n d2 8 y e a r ( 3 ) f r o m19 5 2t o19 9 9 ，mf l u c t u a t i o nt e n d e n c yo f e v a p o r a t i o ni nx i a n g i i a n gr i v e r b a s i ni sn o to b v i o u s ；、1 1 1 er e s e a r c ho np e r i o d i c i t yo fe v a p o r a t i o nc h a n g ei nx i a n g i i a n gr i v e r b a s i ns h o w st h a tt h e r ea r et h r e em a i no s c i l l a t i o n sp e r i o d s t h e ya 佗13y e a r , 2 0 y e a ra n d3 0 y e a r ， ( 4 ) f r o m19 5 0t o2 0 0 6 1 1 圮f l u c t u a t i o nt e n d e n c yo fr u n o f fi nx i a n g i i a n gr i v e rb a s i ni s n o to b v i o u s ；砀er e s e a r c ho np e r i o d i c i t yo fr u n o f fc h a n g ei nx i a n g j i a n gr i v e rb a s i ns h o w s t h a tt h e r ea r et h r e em a i no s c i l l a t i o n sp e r i o d s t h e ya r e19 y e a r , 2 0 y e a ra n d3 2 y e a r ( 5 ) i nc o n c l u s i o n , t h eq u a l i t yo fw a t e re n v i r o n m e n ti nx i a n g j i a n gr i v e rb a s i nh a sn o t p r o m i n e n ti m p r o v e d ，a l t h o u g ht h ep o l l u t i o nc o n d i t i o nh a sr e l e a s e d ，t h ec o n t e n to fs o m e p o l l u t a n t se x i s t e n c eo fas i g n i f i c a n tu p w a r dt r e n d k e y w o r d s ：e v o l u t i o nl a w ；t e m p e r a t u r e ；p r e c i p i t a t i o n ；e v a p o r a t i o n ；r u n o f f ； t e n d e n c y ；p e r i o d i c i t y ；x i a n g j i a n gr i v e rb a s i n ；m a n n k e n d a l li n s p e c t i o n m e t h o d ；w a v e l e ta n a l y t i cm e t h o d 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：。l 彳。名乙作者签名： v l 背。乍巳 日期冲似i o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 储签名：扣未江嘞叶垃月函日 导师签名：昂 醐哆枷日 1 1 湘江流域概况 1 1 1 自然地理状况 第一章绪论弟一早硒了匕 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，沿途接纳各支流后，在湘阴县濠河口分两支注入洞庭湖，干 流全长8 5 6 k m ，湘境里程6 7 0 k i n ，湘江大小支流共2 1 5 7 条，其中一级支流1 2 4 条，流 域面积9 4 6 6 0k m 2 ，在湖南省境内流域面积为8 5 3 8 3k m 2 ，占湖南全省总面积的4 0 。 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、j ! ；i c 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 1 3 4 o 。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。湘江河口散布着大小不等的湖泊，大都是昔日洞庭湖的 遗迹。 ? 湘江流域属亚热带季风湿润气候，由于受季风气候和地貌条件影响，呈现出河川径 流年际和年内变化较大、地区分布不均匀以及气候类型多样等特点。降水集中于春夏两 季，4 月至6 月为多雨季节，冬季的1 2 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。2 0 0 3 年以来，湖南省平均降雨量较历年均值偏少6 6 ，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二十世纪9 0 年代以来 的最低点，部分支流已接近干枯断流，水体自净能力大幅度降低。 受气候和地形等特殊的自然环境影响，湘江流域降水的时空分布不均，加之水利工 程的不配套和老化失修，造成旱灾频繁发生，季节性缺水严重【l 7 1 。据统计，在1 9 5 0 2 0 0 0 年5 1 年间，湖南省年均受旱灾面积达6 7 6 6 1 0 5 h m 2 ，年均成灾面积3 1 6 6 x1 0 5 h m 2 。 累计减产粮食3 9 4 6 1 0 1 0 k g ，而属于湘江流域的湘南山区和衡阳盆地是湖南省干旱灾害 的多发区和重灾区。 1 1 2 社会经济状况 湘江流域土地肥沃，物产丰富，流域内交通发达，人口密集，是湖南省工业化水平 最高、城市化发展最快的区域。其中仅长沙、株洲、湘潭的经济总量就占湖南省经济总 量的1 3 以上【引，流域人口达3 0 8 0 万人，占全省总人口的4 7 4 ，流域耕地面积占全省 耕地总面积的4 3 ，而水资源量仅占全省的3 6 4 。下面简要介绍2 0 0 5 年长沙、株洲 和湘潭的人1 2 1 、经济总量、工业和农业等基本情况【9 l 。 2 0 0 5 年年末长沙常住总人口6 3 9 3 万人，户籍总人口6 2 0 9 2 万人，其中非农业人口 2 l8 0 7 万人，农业人i ：z l4 0 2 8 5 万人，城市化率为5 3 8 7 。2 0 0 5 年长沙市生产总值( g d p ) 为1 5 1 9 9 0 亿元，第一产业实现增加值1 1 2 5 9 亿元，第二产业实现增加值6 5 5 2 7 亿元， 其中工业实现增加值4 6 9 2 8 亿元，第三产业实现增加值7 5 2 0 4 亿元。按常住人口计算， 人均g d p 达2 3 9 6 8 元。2 0 0 5 年长沙市完成全部工业总产值1 3 0 0 6 2 亿元，全年规模以 上企业完成工业增加值3 2 0 7 3 亿元，按轻重工业分组，轻工业完成增加值1 5 9 5 5 亿元， 重工业完成增加值1 6 1 1 8 亿元，规模工业主要能源消耗增长水平远低于规模工业产出增 长水平。全年规模以上工业企业消耗煤炭1 9 5 5 3 万吨，消耗汽油1 7 2 万吨，消耗柴油 6 4 5 万吨。2 0 0 5 年长沙市完成农林牧渔业总产值1 8 7 1 3 亿元，其中农业总产值9 2 6 4 亿元，林业总产值7 6 3 亿元，牧业总产值7 7 1 5 亿元，渔业总产值7 6 0 亿元。粮食稳定 增产，农产品生产全面升温，主要牧业、渔业产品生产稳定增长，主要农作物种植面积 稳步增加，农村基础设施继续改善，综合生产能力进一步提高。 2 0 0 5 年末株洲市户籍人口3 7 2 2 3 万人，其中市区7 8 8 8 万人。城市居民人均可支配 收入1 1 2 3 0 元。城市居民生活消费性支出8 3 4 9 元，农民人均纯收入3 9 5 8 元，农民人均 生活消费支出4 5 5 9 元。2 0 0 5 年株洲市生产总值5 2 5 6 7 亿元，其中第一产业增加值7 0 7 4 亿元，第二产业增加值2 6 4 6 1 亿元，第三产业增加值1 9 0 3 2 亿元，三次产业比重为1 3 5 ： 5 0 3 ：3 6 2 。全市人均g d p l 4 4 9 7 元。全年株洲市完成工业增加值2 2 6 4 3 亿元，规模以 上工业总产值4 3 4 5 6 亿元，2 0 0 5 年完成农林牧渔业总产值1 0 9 亿元，农业结构调整力 度加大，农村基础设施与生态环境建设不断改善。 2 0 0 5 年湘潭市城市居民人均可支配收入为9 6 8 5 元，农村居民人均可支配收入为 4 0 8 6 元，2 0 0 5 年，湘潭市生产总值达3 6 7 0 3 亿元，主要经济指标占全省比重加大、位 次前移，产业结构进一步调整优化，三次产业结构为1 5 2 ：4 3 3 ：4 1 5 ，二产业比重有 了较大提高。高新技术产业快速发展，城乡结构进一步调整，2 0 0 5 年末城镇化率达 4 2 5 。2 0 0 5 年，全市全部工业总产值完成4 7 5 亿元，全部工业增加值增加到1 3 4 亿 元，规模工业企业由3 8 8 户增加到4 6 0 多户。规模工业产值2 0 0 5 年达3 8 0 8 7 亿元，工 业支撑作用进一步强化，2 0 0 5 年，全市完成农林牧渔业增加值5 5 8 亿元，农业结构继 续优化，农业综合生产能力逐步增强。 1 1 3 水资源状况 湘江流域属亚热带季风湿润气候，人均水资源占有量多年平均为2 1 5 8m 3 ，每公顷 2 耕地水资源占有量为4 8 1 3 6 m 3 。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 1 4 3 6 m m ，降水量变差系数在0 2 - 0 2 5 之间。流域内有2 个暴雨中心，一是下游湘东浏 阳、永州地区，多年平均降水量可达1 8 0 0 m m ，二是上游广西大溶江一带，多年平均降 水量可达2 0 0 0 r a m 。湘江多年平均蒸发量为9 0 0 - - 1 0 0 0 m m ，湘东浏阳河源头、湘东南桂 东、湘南江华等多个低值区，数值在8 0 0 m m 以下。 据湖南省1 3 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3 3 7 。 湘江沿程各行政区面积，2 0 0 5 年水资源等各项指标见表1 1 1 1 2 1 。 表1 12 0 0 5 年湘江流域各行政区面积及水资源指标 行政区气嚣芝势紧鬻全篙恶嚣麓鬻瓣罄慧 湘江多年平均流入洞庭湖水量7 1 3 亿m 3 。湘江流域内共建成大型水库l o 座，分别 为涔天河、双牌、欧阳海、东江、青山垅、酒埠江、水府庙、株树桥、官庄、黄材水库 等，均建于支流上。其中，东江水库为多年调节水库，总库容9 1 5 亿m ? 。湘江下游控 制站为湘潭站。 湘江流域水系发育，支流众多，但左右两岸不对称。右岸支流发育，流域面积大于 5 0 0 0k m 2 的支流有潇水、舂陵水、耒水、洙水、渌水等5 条，左岸支流由于均发源于衡 邵丘陵区，流域面积均不大，仅涟水流域面积在5 0 0 0k m 2 以上，其余多短小，水量也不 及右岸支流丰富。各支流特征见表1 2 。 3 表1 2 湘水及其主要支流特征 河流名称 i 发源地点 i 河口地点 i 河长( k m ) i 流域面积( k m 2 ) l 平均比降( ) 湘水嚣赢湘河口跚 啪6 。3 4 潇水 蓝山野猪山南 永州市苹岛 3 5 41 2 0 9 90 7 6 白水桂阳县大土岭祁阳县白水镇1 1 71 8 1 0 右舂陵水蓝山县人形常宁市茭河口2 2 36 6 2 3o 7 6 岸耒水桂阳县烟竹堡衡阳市耒河口4 5 31 1 7 8 30 7 7 支洙水 炎陵县天障冲衡阳县洙河口 2 9 61 0 3 0 51 0 1 流渌水江西省千柱岭株洲县渌口镇1 6 65 6 7 50 4 9 浏阳河浏阳市衡山坳长沙陈家屋场2 2 24 6 6 50 5 7 6 捞刀河浏阳市石柱峰长沙市泽油池1 4 12 5 4 3 0 7 8 祁水祁阳县九塘坳祁阳县城关 1 1 41 6 8 5 蒸水邵东县雁鹅圳衡阳市草桥 1 9 43 4 7 00 5 4 。 涓水衡山县南岳峰湘潭县小对河 1 0 31 7 6 40 8 2 。涟水新邵县观音山湘潭县湘河1 2 1 2 2 47 1 5 50 4 6 沩水 宁乡县扶王山 望城县新康1 4 42 4 3 01 1 6 1 2 研究的目的和意义 1 2 1 论文的研究目的 利用m a n n k e n d a l l 检验法和小波分析等方法，对自然变化和人类活动双重影响下 的湘江流域水资源时空变化规律进行分析操讨，为流域水资源利用与保护以及干旱、洪 涝灾害防治提供科学依据。 1 2 2 论文研究的意义 水资源和人类活动密切相关，但随着工业化和城市化的发展，水资源状况日益恶化， 水问题日益突出，并受到人们广泛的关注。湘江流域是一个水资源较为丰富的流域。但 受自然和人为因素的影响，湘江流域目前存在十分突出的水资源问题【l n 。 在分析历年水文气象和水质监测资料的基础上，探讨水资源的演变规律是一个相对 较新的课题。它不仅能反映当前的水资源状况，还可以为治理、开发利用水资源提供技 术支持。 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 最重要的依据，研究人类活动影响因素下河川径流的演化规律将有着十分重要的理论和 实践意义。 4 据湖南省环境监测中心站监测月报显示，2 0 0 4 年1 1 月湘江所监测河段的达标率只 有6 9 7 ，1 2 月仅为6 2 5 ，而且污染不断逼近湘江源头，湘江水质污染治理已迫在眉 睫。据调查统计，湘江流域共有1 5 7 5 个排污口，其主要污染物有汞、铅、磷、氮、砷、 镉、粪大肠菌群、石油类及挥发酚等重金属和有机物，导致湘江水体有机污染突出、重 金属污染严重。因此，分析湘江水系水质演变趋势对开展湘江流域水资源保护工作有重 要的意义。 气候变化对水文水资源的影响是气候影响问题中一个重要方面，气候变化对水文水 资源的影响主要表现在以下三个方面：加速或减缓水汽的循环，改变降水的强度和历 时，变更径流的大小，扩大洪灾、旱灾的强度与频率，以及诱发其它自然灾害等；对 水资源有关项目规划与管理的影响。这包括降雨和径流的变化以及由此产生的海平面上 升、土地利用、人口迁移、水资源的供求和水利发电变化等；加速水分蒸发，改变土 壤水分的含量及其渗透速率，由此影响农业、森林、草地、湿地等生态系统的稳定性及 其生产量等l l n 。国内外学者对气候变化与水文水资源之间的关系开展了大量研究，而 湘江流域有关这方面的研究较少，因而开展湘江流域气温、降水、蒸发以及径流的演变 规律的研究具有重要的理论和实践意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究状况 国外学者很早就开展了人类活动及气候变化与水文水资源之间关系的研究工作。 1 9 4 0 年前后，g s c a l l e n d a r 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 t s t ，从此气候问题得到了极大的关注；n e m e e 和s c h a a k e ( 1 9 8 2 年) 较早分析了气候变化 对干旱和湿润地区径流的影响【l 咧，得出气候变暖径流并不全部增加的结论；g l e i e kph ， a i z e nv 等探索和研究了人类活动对水文循环的影响 2 0 - 2 4 1 ；s m i m o v 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 i z 5 测；m a t s u m o t oa n dt a k a h a s h i l 2 7 i 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 m i m i k o u 等分析了c 0 2 倍增情景下希腊北部 a l i a k m o n 河水资源量的变化，认为在c 0 2 倍增情景下a l i a k m o n 河水资源量会有规律的 增加【2 s - 2 9 ； f r e d e r i c kkd 15 1 、n i g e lwa t l 6 1 、m i l l e rka t l 7 1 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 , f o n t a i n e 等分析了美国南达科他( d a k a t a ) 州黑山地区水文对气候变化的响应刚。 1 3 2 国内研究状况 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1 3 1 1 ；朱拥 军、苏炳凯等采用自然正交函数( e o f ) 、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- - f - 峡库区水沙来量的影响进行了分析【3 2 1 ；邓自旺、周晓兰等采用线 性回归方程分析了江苏省4 0 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【3 3 1 ；丁锋、周顺武采用m o r l e t 小 波变换分析了青岛站近1 0 0 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m a n n - k e n d a l l 秩统计检验方法对突变年进行了统计检 验 3 4 1 ；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【3 5 】；信忠保、谢志仁用欧式最长距离法对宁夏1 9 5 9 2 0 0 1 年各站的 降水序列进行了聚类分析，揭示了宁夏近4 0 多年来降水量略有上升的变化趋势1 3 6 1 ；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5 0 年降水变化特点p7 】；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 3 0 年的降雨径流变化趋势进行了分析与检验【3 研；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5 0 年气象水文序列的变化趋势进行了分析【3 9 j ；王新平等在沙坡头 地区应用m a n n k e n d a l l 法和回归分析法检验了该区年降水量的长期变化趋势h o l ；简茂 球【4 1 】等研究了华南大尺度的空中水资源的时空演变特征；李振玺、马如斟4 2 1 分析了宁 夏的水资源演变情势；仇亚琴1 4 3 j 等在对水资源的综合评价的基础上，研究了水资源的演 变规律。 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。h u a n ga n ds t m d 4 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：w a n gh u i j u n l 4 5 】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【州引；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【4 9 j ；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，一以及海温场对径流量的影响【5 0 i ；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【5 u ；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1 5 列；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【5 列；任立良掣5 4 j 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 3 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【5 5 1 分析了湘江流域2 0 0 2 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【5 6 】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；任美庆等网利用t e n n a n t 法估算了湘江河道内生态环境需水量；杨纫章网对湘江流域的水文地理做了系统的分 6 析；李德寿【5 9 1 归纳和总结了湘江河道的变化趋势；杜鹃掣6 0 j 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。 相对于水量来说，对湘江流域水质方面的研究较多。孙树青等【6 l 】评价了湘江干流的 水环境健康风险；陈咏淑、吴甫成等1 6 2 j 分析了近2 0 年来湘江水质的变化，认为湘江总体 水质在2 0 世纪9 0 年代呈恶化趋势，主要污染源为工业污染和生活废水污染；申春香等【6 3 l 对湘江衡阳市段的纳污能力做了具体的分析j 张立成、章申等畔】初步研究了湘江干流水 体元素的背景值：王秋衡等【6 5 】评价了湘江流域的污染状况，得出湘江流域污染源主要是 有色金属、化工企业所排含有大量重金属元素的生产废水的结论，并建议改进现有生产 工艺并使生产废水达标排放；刘晶、刘强等【嗍采用单因子评价法和内梅罗指数法综合 分析评价了湘江2 0 0 6 年4 9 月的水质污染状况，认为湖南湘江水质已受到一定程度的污 染，并指出主要污染物为t p 、c o d 和c r ：李颂等【6 7 】通过对湘江株洲段的水质检测及污 染源调查，得出湘江流域的主要污染来源仍为工业废水的结论；邓健等1 6 s j 分析了湘江衡 阳段水体中氮含量的动态，认为亚硝酸盐氮含量呈逐年上升趋势；董俊明眇】在总体上分 析评价了湘江流域的污染与治理现状；苏小康、曾光明等1 7 0 1 完成了湘江随机水质模拟和 排放口最优规划风险分析，并考察了风险水平与最少污水处理费用之间的变化关系，得 出由传统的确定性模拟得到的水质预测结果不可靠的结论。 1 4 本文主要研究内容 前人分别从气候、人类活动和地质等方面对河川径流演变规律进行了研究，但是 在湘江流域类似的研究开展较少，本文选取了m a n n k e n d a l l 非参数秩次相关检验法、 小波变换方法和季节性k e n d a l l 检验法开展了湘江流域气温、降水、蒸发、径流以及水 质的演变规律的研究。 在气温、降水和蒸发方面，本文选取湘江流域的主要气象站资料，应用k e n d a l l 非 参数秩次相关检验法做趋势演变规律研究，并在此基础上，选取具有代表性的气象站做 小波变换，进行周期变化研究；在径流方面；选取了干流的三个水文站( 分别处于湘江 流域的上、中、下游) 以及湘江主要支流的水文站做趋势演变规律研究和周期变化分析； 在水质方面，本文分别对湘江流域的水质监测状况和主要污染物做了演变趋势分析。 7 第二章论文研究方法 本文主要选用了m a n n k e n d a h 非参数秩次相关检验法、小波变换方法和季节性 k e n d a l l 检验法。运用m a n n - k e n d a h 非参数秩次相关检验法对湘江流域的气温、降水、 蒸发、径流进行了趋势变化分析；采用小波变换方法中的m o r l e t 小波分别对湘江流域的 气温、降水、蒸发、径流进行了周期变化分析：使用季节性k e n d a l l 检验对水质的趋势 进行了分析。 2 1k e n d al l 非参数秩次相关检验法 k e n d a l l 非参数秩次相关检验法已经广泛用于检验水文气象资料的趋势成分，包括 水质、流量、气温和降雨序列等，究其原因主要是，与参数统计检验法相比，非参数检 验法更适用于非正态分布或经过删检( 删去低于或高于某水平的观测值) 的资料，而这 些情况在时间序列分析中常常会遇到。过去2 0 年里，国际上关于m k 方法应用研究的 实例非常之多【n - 7 3 1 。 设有一时间序列：观，砣，妈砀，构造一个秩序列m 。，m ，表示x i ( 1 i ) 的样本累计数，定义畋= 妻m ， ( 2 1 ) i = 1 破的均值和方差定义如下： e ( a k ) = k ( k i - 一o ( 2 2 ) d p 尼) = k ( k - 1 孑) ( - 2 k 一+ 5 ) ( 1 k t o 时， 表明序列存在一个明显的增加或减少趋势，将所有u f , 绘成一条曲线呱，通过信度 检验可知是否具有某种趋势。将此方法应用于逆序列中，重复上述过程，得到另一条曲 u f k 。，令u = 一u f k ，曲线呱和曲线呱的交点就可能是突变点7 4 1 。 2 2 小波分析 小波( w a v e l e t s ，又称为子波) 分析是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一个崭新的 数学分支，是当前应用数学中一个飞速发展的新领域。经过近十年的探索研究，重要的 8 数学形式化体系已经建立，基础理论更加坚实，与f o u r i e r ( 傅立叶) 变换、窗口f o u r i e r 变换( g a b o r 变换) 相比，小波变换是空间( 时间) 和频率的局部变换，因而能有效地 从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，解 决了f o u r i e r 变换不能解决的许多困难问题，因而小波变换被誉为“数学显微镜 。 由于傅立叶分析使用的是一种全局的变换，要么完全在时域，要么完全在频域，因 此无法表述信号的时频局域性质，而这种性质恰恰是非平稳信号最根本和最关键的性 质。为了分析和处理非平稳信号，人们对傅立叶分析进行了推广乃至根本性的革命，提 出并发展了一系列新的信号分析理论：短时傅立叶变换、g a b o r 变换、时频分析、小波 变换、r a n d o n - - w i g n e r 变换、分数阶傅立叶变换、线调频小波变换、循环统计量理论 和调幅一调频信号分析等。 与f o u r i e r 分析理论相比，小波分析具有两大优点：其一，它是一种时频联合分析方 法，能够根据信号不同的频率成分和时间域采样的疏密，自适应地调节时频窗口，同时 具有时频域局部化的性能；其二，小波函数可作为许多经典函数空间的无条件基，通过 快速离散小波变换能够实现这些空间中的函数逼近。 近年来，小波分析理论的研究继续取得新的成果，并不断应用到纯数学、应用数学 及其它工程技术领域。如小波分析理论目前已在信号处理、图象处理、地震勘探、量子 物理、模式识别、故障诊断及非线性科学等领域得到成功应用；其在自动控制领域中的 应用研究也正蓬勃发展，而且，随着控制理论、信号处理和小波分析等多学科的相互交 叉、相互渗透，小波分析理论在自动控制领域中解决的问题也会越来越多，应用的前景 也会越来越好。 从1 9 9 3 年k u m a r 和f o u f o u l a rg e g i o u s 将w t 介绍到水文中以来，w t 在水科学中 己取得了一定研究成果，主要表现在水文多时间尺度分析、水文时间序列变化特性分析、 水文预测预报和随机模拟方面。 将小波分析引入水科学应用研究中，并与现代科学理论和方法结合，从多方面揭示 水科学的内在规律，为水资源合理开发利用和有效配置提供更多的依据。将小波分析引 入水科学，不但拓宽了应用范围，而且还推动了小波理论本身的发展。 + o o，、 小波是具有震荡特性、能够迅速衰减到零的一类函数，即阻d 切：0e h 甲( f ) 伸缩 - - o o 和平移构成的一族簇函数系。 三 厂。z - 、 q a ，6o ) = 盯甲f 半l 口r ，b r ，a 0 ( 2 5 ) a d ) 称为小波，口为时f b 7 因子或平移因子，b 为平移因子或时间因子。对于能量 有限的信号厂( f ) ( f ) ，其连续的小波变换格式为： w f ( a ，6 ) = 盯咖) 吲型l d t ( 2 6 ) 五 a 式中- f 竺l 为甲f 尘鱼1 ) 的复共扼函数。 ka la 9 当研究离散信号时f ( i a t ) ( i = 1 , 2 ，n ，n 为样本容量，f 为取样间隔) ，式2 6 的离散形式表达为： w f ( a , 6 ) = hi & 釜( 心) 孓( 型) ( 2 7 ) f = l 口 w f ( a ，b ) 包含了厂o ) 和t ( a ，6 ) 的信息，因此小波函数的选取非常重要，广泛运用 的有h a m 小波，墨西哥帽( m 删小波，高斯类小波，样条小波，m o r l e t 小波等。 本文选用水文序列中常用的复小波m o r l e t 小波作为基小波，其小波函数为 f 2 t o ( t ) = e 2e j e r ，与实型小波相比，复数小波更能够反映周期变化和其在时域中的分布。 由于m o r l e t 小波是复小波小波变换系g t w f ( a , 6 ) 具有虚部和实部两部分。由小波变换 理论可知，小波变换模部的平方，同函数厂0 ) 在其小波变换域中能量的大小成正比。 因此为分析方便和直观把变化域中波动的能量曲面，以等值线的形式投影到以尺度a 为 纵坐标，时移b 为横坐标的( a ，b ) 平面上，等值线上的每一点值，都对应与曲面上点的 值，而曲面上能量集中的顶点是其极值点，它在( a ，b ) 平面上的投影为一点，此点称为 能量中心点，其强弱用小波变换系数w f ( a , 6 1 模部韵平方值来反映。反映水文要素长期 时间序列的变化周期，其关键是用小波系数图和小波方差图进行多时间尺度分析，揭示 其变化特征。 2 3 季节- 性k e n d ai i 检验 季节性k e n d a l l 检验法是m a n n k e n d a l l 检验的一种推广，它首先是由h i r s e h 及其 同事于1 9 8 2 年提出，并由s m i t h 、h i r s c h 和s l a c k 及v a nb e l l e 和h u n s h e s 做进一步 的修正。该检验的思路是用于多年收集的数据，分别计算各季节( 或月份) 的 m a n n k e n d a l l 检验统计量s 及其方差v a r ( s ) ，再把各季节统计量相加，计算总统计量， 如果季节数和年数足够大，那么可通过总统计与标准正态表之间的比较来进行统计显著 性趋势检验。h i r s h 、s l a c k g 与s m i t h 等人指出，如果有1 2 个时节( 如每年1 2 个月份) 的数据，对于至少3 年的每年1 2 个月的数据，标准正态表仍适用，运用季节性k e n d a l l 检验法可判断水质趋势的升、降巧j 。 河流流量具有一年一度的周期性变化，河流水质组份浓度受流量的周期性变化影响 很大。因此，汛期与非汛期韵水质资料不具可比性，季节性肯达尔检验定义为水质资料 在历年间相同月( 季) 问的比较，这就避免了季节性的影响。同时，由于数据比较只考虑 数据相对排列而不考虑其大小，故能避免水质资料中常见的漏测值的问题，也使奇异值 对水质趋势分析的影响降低到最低限度【7 引。 季节性k e n d a l l 检验的原理是将历年相同月或季的水质资料进行比较，如果后面的 值( 在时间上) 高于前面的值记为“+ ，号，否则记作“”号。如加号的个数比减号的多， 则可能为上升趋势；反之，如果减号的个数比加号多，则可能为下降趋势。如果水质资 料不存在上升或下降趋势，则正、负号的个数分别为5 0 t 7 7 。7 引。 对于季节性k e n d a n 检验来说，零假设风为随机变量与时间独立，且全年1 2 个月 1 0 的水质资料具有相同的概率分布。 设有h 年p 月的水质观测资料序列x 为 x = x l lx 1 2 x 2 1x 2 2 。x l p 。x 2 p x 以1x n 2x n p ( 2 8 ) 式中：x l l ，x n p 为水质观测浓度月平均值。 对于p 月中第f ( f 1 0 时，s 也服从正态分布，并且标准方差z 为： 2 ：= 马，当s 0 【v 盯( s ) 】一7 0 ， s + l 【v 剐s ) 】 当s = 0 - 当s 0 k e n d a l l 检验统计量f 定义为；r = s m 。由此，在双尾趋势检验中，对于给定的趋 势检验显著性水平a t ，如果l z i 乙，2 ，则接受零假设。这里哑乙2 ) = ，坼) 为标准正态 分布函数。 通常取显著性水平口为o 1 和0 0 1 ，当口o o l 时，说明检验具有高度显著性水平； 当o o l a iz篷格聪f胀州辩蜡目罢；群然 进一步选择上游的永州站、中游的衡阳站和郴州站以及下游的湘潭站的降水量 m a n n - k e n d a l l 检验结果进行图象描述，结果见图4