湘江流域水资源安全.ppt

1、湘江流域水资源安全研究报告，完成单位：湖南水利水电职业技术学院长沙理工高等院校2007年12月，1研究背景水资源与人民生活和国民经济各部门密切相关。 水资源的状况如何，不仅关系到农业的发展，也关系到国民经济和社会整体的永续发展。 20世纪末，对可持续水资源利用不满意的水资源开发利用模式和环境问题引起了严重的水资源安全问题，引起各国政府的高度重视。 水资源安全问题涉及人类及其生存环境对水资源的基本需求、生态环境的需水、国家粮食安全、水的价值及水的科学管理问题。 世界水委员会推测今后30年内，55亿人口可能居住在受到中等水资源压力的地区。 美国学者名单布朗提倡中国的水资源短缺有可能动摇世界的粮食安

2、全。 21世纪水安全面临着7个主要挑战：满足基本需求，保护生态，食品安全，水资源共享，灾害处理，水价值，科管水。 目前，人类活动开发和影响激烈的地区水资源安全研究已经成为21世纪国际国内资源环境学科的重要方向性问题。 湘江是长江的七大支流之一，也是洞庭湖水系最大的河流。 流域面积94660km2(省内85383km2)。 流域土地肥沃，物产丰富，湖南最重要的经济带交通发达，人口密集，达3080万人，占全省总人口的47.4%，是湖南工业化水平最高，城市化最发展的区域。 其中只有长沙、株洲、湘潭的经济总量占湖南经济总量的三分之一以上。 2问题提出湘江流域目前存在三个十分突出的水资源安全问题： 一是

3、受湘江流域地理气候特殊性和人类活动频繁的影响，流域不同程度的洪水灾害每年都发生，呈现出洪水灾害的复杂性和危害性日益加剧的特征。 1949年至1998年，流域性洪水灾害发生了9次修订，平均每5.5年发生一次，这9次洪水灾害造成的直接经济损失值达到261.5亿元。 二是受气候和地形等特殊自然环境影响，降水时空分布不均匀，水利工程不完备和老化丧失维修，干旱频繁，季节性水资源短缺严重。 19502000年51年，全省年平均干旱面积达到67.66104hm2，年平均灾害面积为31.66104hm2，累计减产粮食为394.59108kg，属于湘江流域的湘南山区和衡阳盆地是湖南省干旱灾害多发地辖区和重灾区。

4、 据湖南13个大中城市的供需平衡核算，在湘江流域的7个城市中只有湘潭市和衡阳市能够满足现状(1999年)的用水要求，5个城市有不同程度的水资源短缺，水资源短缺率为7.63.7%，长沙市和株洲市的日水资源短缺量大于15104m3。 三是水质污染严重，局部水域水环境恶化，水污染引起的水质型水资源短缺日益显现。 据调查统订，湘江流域有1575个排放口。 被调查监测的31个入河排出口中，只有10个达到标准排放，标准达标率为32.3%。 在监测湘江43个河段中，只有11个河段水质在3种标准以内，达标率25.6%，32个河段水质为4种，属于污染水体。 湘江干流有2个河段水质5种，不能饮用了。 湘江沿岸城市

5、供水水源地水质达标率非常低，根据衡阳、衡山、株洲、湘潭、长沙4市1县修订5个城市的饮用水水源地监测结果，达到的只有衡山的饮用水水源地。 长沙、株州、衡阳、湘潭供水水源地水质四五种。 综上所述，洪水灾害、水资源匮乏和严重的水污染三个突出的水资源安全问题严重影响了湘江流域社会经济的可持续发展，已成为21世纪湘江流域社会经济发展的严重制约因素。 目前对湘江流域水资源安全仍缺乏全面的系统研究。3研究的意义项目以湘江流域为研究区域，通过研究区域的检验资料，全面、系统、深入地分析水资源安全系统，比较分析影响水资源安全的各因素，从水资源安全的最本质的意义出发，定义最有代表性、最易于修订和应用的水资源安全测定

6、指标，建立具有普遍意义的水资源安全测定方法， 分析评价了湘江流域水资源安全优劣，四项研究的内容水资源安全系统是一个复杂的大系统，受到社会、经济和生态等多方面和许多因素的影响。 本研究基于水资源安全的最本质意义，确定了最具代表性、便于核算的因子作为水资源安全测定指标。 主要基于水量的湘江流域水资源安全测量研究基于水质的湘江流域水资源安全测量研究湘江流域农村饮用水安全评估湘江流域的防洪安全研究。 5湘江流域水资源量状况降水强度：降水是湘江流域水资源的主要来源。 据湖南省水资源公报报道，全省多年降雨量变化在1006.51714.5亿m3之间，年变化较大，最大值为2002年的1714.5亿m3，最小值

7、为2003年的1006.5亿m3。 地表水资源量：地表水资源量的年变化较大，这主要是由于降水的年变化所致。 所谓地下水资源量，单位(亿m3 )水资源总量水资源总量，是指根据当地降水可以开发利用的地表地下生产水量，不包括越境水量。 在区划中订正的地表水资源量和地下水资源量之和减去两者之间的反复订正计算量，就是区划水资源总量。 湘江流域的水资源见下表： 1994-2006年湘江流域的水资源总量，6湘江流域的水资源利用现状农业用水：湘江流域的农业用水以灌溉水田用水为主，农田灌溉、林牧灌溉和商品蔬菜田灌溉也需要一定量的水。 1991-2006年湘江流域农业用水量的变化如下图所示：单位(亿m3)。 工业

8、用水：工业用水的多寡不仅关系到工业发展速度，而且关系到工业结构、工业生产水平、用水管理层次、节约水的程度。 湘江流域的工业用水量逐年增加参照下图的单位(亿m3)。 生活用水：生活用水分为城市生活用水和农村生活用水。 城市生活用水包括城镇居民日常生活用水和公共设施用水两部分。 湘江流域城市生活用水、农村生活用水及总生活用水随时间的变化如下图所示：单位(亿m3 )。 湘江流域总用水量变化：湘江流域总用水量变化如下图所示：单位(亿m3)。 7主要研究方法和成果7.1湘江流域的水资源变迁规律采用Mann-Kendall非残奥仪表秩次相关检验法对湘江流域的降水和径流进行了趋势变化分析，并分别采用小波变换

9、法的Morlet小波对湘江流域的降水和径流进行了周期性变化分析。 研究方法： (1)Kendall非残奥仪表秩次相关检测法Kendall非残奥仪表秩次相关检测法广泛用于检测水文气象资料的趋势成分，其主要原因包括水质、产水量、气温和降雨序列等，查明其原因的主要原因与残奥仪表综合校正检测法相比是非正态概率分布或删除检测在时间序列随机独立的假设下，设定统一修正量：对标准正态分布样本，给出某个显着水平的阈值。 表示在时间序列上有明显的增加或减少的倾向，全部做成曲线，通过信任度检查知道某倾向的有木有。(2)小波分析方法与Fourier (傅立叶)分析理论相比，小波分析有两个优点，其中第二，小波函数可以是

10、许多经典函数空间的无条件化学基，并且可通过高速离散小波变换实现在这些个空间中的函数近似。 自1993年Kumar和Foufoular Gegious将WT介绍给水文以来，WT在水科学中取得了一定的研究成果，主要体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，结合现代科学理论和方法，从多方面揭示水科学的内在规律，为水资源的合理开发利用和有效配置提供更多依据。 因为Morlet小波是复小波变换系数，所以有虚部和实部两部分。 根据小波变换理论，可知小波变换模块部的平方与小波变换区域中的函数能量的大小成比例。 因此，为了便于解析和直线，将

11、在变化区域波动的能量曲面以等值线的形式心理投射在以尺寸a为纵轴、以时位移b为横轴的(a，b )平面上，等值线上的各点的值与曲面上的点的值相对应，曲面上的能量集中的顶点是该极值点，(a、 为了反映水文要素的长期时间序列变化周期，重要的是采用小波系数图和小波方差图进行多时间尺度分析，明确其变化特征。 研究成果： (1)湘江流域降水强度的演变趋势分析选取湘江流域近50年22气象站的降水观测资料，采用Kendall非残奥圈套排序相关检验法对数据进行趋势分析，结果显示湘江流域降水强度的整体升降趋势不明显，除个别年份有明显上升或下降趋势外，其佝偻略有变化对湘江流域有代表性的四个站、上游永州站、中游衡阳站和

12、乡州站以及下游湘潭站的降水强度mk检定结果进一步进行了图像记述，参照图5.15.4。 从上述修正结果图可以看出，4站的降水强度变动趋势都不是绝对的，而是以横轴为中心变动，时间节点为负，但数值相对较小，只有个别年的变动较大，通过了显性水平a=0.1的检定。 由于湘江流域有4个这些个站是代表性的控制站，可以代表整个湘江流域的情况，因此认为湘江流域的降水强度波动不大，变化不明显。 这些个4个台站的降水强度均以中心轴为中心有微小变动，20世纪90年代主要有升高的趋势，21世纪初期湘江流域整体降水强度增加，这与实际资料一致。 (2)湘江流域降水强度变化周期性分析选取上游永州站、中游衡阳站和邹州站及下游湘

13、潭站，利用Morlet小波方法对湘江流域进行降水强度变化周期性分析，具体结果如图5.5图5.12所示。 通过对湘江流域降水强度的小波功率进行分析，可以得到降水强度变化尺度不同的周期信号强度，从小波功率方差图来看，湘江流域降水强度25年和28年左右的周期振动最显着，强度最大，其次是2.5年和7年左右的周期显着，超过30年其中2.5年、7年、25年的周期振荡对近50年来湘江流域的降水强度变化作出了巨大贡献，对降水强度的变化起着主要作用。各尺度相互作用的综合结果显示湘江流域的降水强度在20世纪70年代初期呈下降趋势，20世纪70年代中期至20世纪80年代初期降水强度在正常值附近变动，但在20世纪80

14、年代中期呈下降趋势，随后开始上升，20世纪90年代末特大洪水(3)湘江流域径流量演变趋势分析湘江干流选用上游老码头站、中游衡阳站和下游湘潭站，支流选用流域面积大于5000km2的6条支流控制站，分别为潇水双牌站、舂陵水欧阳海站、耒水耒阳、站、洣水甘溪站； 本研究利用涩谷Kendall非残奥圈套排名相关检测法对年径流量数据进行趋势分析，结果显示20世纪70年代初期，从1950年到2006年整个湘江流域来看，20世纪六十年代中期年径流量普遍较少，后期有恢复倾向，但相对稳定， 20世纪70年代中期相对较高，出现1975年的特大暴雨，20世纪70年代后期又恢复到稳定状态。 20世纪80年代的径流量普遍

15、稳定20世纪98年代初、中期持续上升，虽然引起了1998年的暴雨，但局部依然存在严重干燥现象的21世纪初期的年径流量也比较稳定，没有特大上升和下降趋势。 图5.13-图5.20表示对上述8个干支流水文站的径流量Mann-Kendall检查结果进一步进行图像记述的结果。 这8个水文站的径流量Mann-Kendall检验图的波动在近几十年的起伏情况下极为相似，特别是20世纪六十年代以来，8个站的波动倾向极为类似，以中心轴为中心有小的波动。 从总体上看，这里的三年五载、各站略有偏正，20世纪80年代年径流量主要呈减少趋势，但21世纪初期湘江流域整体年径流量相对增加，局部干旱严重，年径流量增长不大。

16、对湘江流域的径流量演变趋势分析选取湘江干流上游的老码头站、中游的衡阳站和下游的湘潭站及支流的艘水双牌站、舂陵水欧阳海站、耒水耒阳站、洼水甘溪站、渎水大西滩站和涟水湘乡站，利用Morlet小波法对年径流量进行周期性分析，并对湘江流域的径流量进行小波分析从各特罗尔站小波方差图可以看出，湘江流域年产水量变化以20年左右的周期振动最显着，强度最大，衡阳站年产水量变化周期为32年，大西滩站数据量不足引起的年产水量变化主周期除7年外，其他各站年其中19年、20年、32年的周期振荡对近50年来湘江流域的年径流量变化有很大贡献，在年径流量变化中发挥主要作用。 7.2基于水量的水资源安全评估研究方法(1)基本公

17、式和指标，指标：水需求量和给水量，分别预测2010年和2030年的水需求量和给水量。 定义0度以上是安全的，-1度-9度基本上不安全，-10度-19度不是中等程度的安全，-20度以下不严重的安全。 (2)预测方法社会经济发展主要指标的灰色预测方法GM(1)， 1，1 )采用预测模型，将流域社会经济发展主要指标看作是多因素结合的结果；利用最近三年五载流域社会经济发展主要指标数据的实际值(已知信息)，从数据到数据，从时序到时序的“映射”研究结果；(1)可注水结果供水预测是一个技术经济要素， 根据水质状况和生态环境效应的一盏茶，预测不同水资源开发模式下的给水量，指不同给水量水平的年、不同保证率的情况下，通过各项工程措施，可按用水需求提供的水量。预测结果如下表所示。 不同水平的年地下水供水量预测单位(亿m3) (2)的需水量预测结果预测方法采用需水量=水相关的节约型社会指标定额。