劉鴻雁,劉 奇,毛健全

(貴州大學資源與環(huán)境工程學院,貴州貴陽 550003)

烏江流域水資源、水質變化與水庫建設關系分析

劉鴻雁,劉 奇,毛健全

(貴州大學資源與環(huán)境工程學院,貴州貴陽 550003)

對烏江流域2001—2005年水資源與水環(huán)境質量的多項指標進行統計分析,并結合烏江流域梯級水電站建設,采用聚類分析的方法探究水庫建設與水資源及水質變化的內在聯系。結果表明:烏江流域降雨量、地表水資源量、年平均含沙量等指標年際變化很大;流域水質有逐漸惡化的趨勢,主要污染區(qū)域在烏江上、中游地區(qū)的支流河段;各級水庫的年末蓄水量與降雨量有關,與工農業(yè)用水量呈顯著負相關;水庫建設對流域的影響具有累積效應和滯后效應。

水資源;水質;聚類分析;梯級水電站;烏江流域

水庫建設改變了河流的生態(tài)系統,其環(huán)境影響引起世界范圍的關注[1]。烏江流域面積廣,年徑流量大,近年來已相繼建成投產了7座大型水電站。水電站建設對生態(tài)環(huán)境的影響研究一般關注工程建設對生態(tài)環(huán)境的破壞[2]、大壩的建立對水生生物生活環(huán)境及生活習性的改變、水庫水溫和水質的變化等方面。水電站建設改變了流域下墊面等的條件,對流域水文、水資源和水環(huán)境質量等都會有相應的影響。筆者收集了2001—2005年烏江流域水資源狀況的相關資料,通過數理統計分析,結合烏江流域梯級水電站建設,對水資源及水環(huán)境的關系進行初步的探討。

1 流域概況與梯級水庫的建設

貴州省水能資源十分豐富。普查資料表明:全省水能蘊藏量1874.5萬kW,居全國第6位,經濟可開發(fā)水能資源1633萬kW,居全國第4位。烏江發(fā)源于貴州省威寧縣香爐山,橫穿貴州省中部,在東北部出境,是長江上游南岸的最大支流,是貴州第一大河,全長1 037 km,流域面積 8.79萬km2,天然落差2123.5m,多年平均水量534億m3,與黃河水量相當,占貴州省地表徑流的36.33%[3]。貴州省境內烏江的主要支流有六沖河、野濟河、清水江、湘江、六池河、印江河、洪渡河等一級支流7O多條,沿岸地區(qū)是我國南方水能、煤炭、磷、鋁、錳等資源富集的地區(qū),綜合開發(fā)條件較好。

1990年國務院發(fā)布《烏江干流沿岸地區(qū)國土規(guī)劃綜合報告》,對烏江干流梯級開發(fā)提出了按普定、引子渡、洪家渡、東風、索風營、烏江渡、構皮灘、思林、沙沱、彭水等10個梯級考慮的方案,除彭水外其余9個梯級水電站都布置在貴州省境內。從1985年起,相繼建成普定、烏江渡、東風、引子渡、洪家渡、索風營、構皮灘等共7座大型水電站,思林水電站目前正在建設中,沙沱水電站已完成可行性研究報告并通過審查。各級水電站分布及正常蓄水位見圖1。

圖1 貴州省內烏江流域梯級水電站分布及正常蓄水位

按照水資源利用分區(qū),烏江流域是長江流域的2級分區(qū),自2003年以來,水資源調查均按3級分區(qū)進行統計,即烏江流域以思南為界,分思南以上流域及思南以下流域,面積分別為50592km2和 16215km2。為了便于統計,筆者全部采用2級分區(qū)。

2 水資源總量、河流含沙量等指標的變化

水資源狀況的統計指標有流域降水量、地表水資源量、地下水資源量和人均水資源占有量(表1),各指標相關系數見表2。

表1 烏江流域水資源總量及人均水資源占有量

由表1可知,2001—2005年,降水量最少的是2005年,僅630.6億m3,較多年平均值偏少15.3%,屬偏枯水年份;降水量最大的是2002年,達到793.4億m3。相應的,2002年地表水資源量達到421.7億m3,地下水資源量達到105.1億m3,而2005年這兩項指標只有301.5億m3和94.5億m3。人均水資源占有量最大的年份是2004年,為2546m3/人,最小的是2005年,僅1888m3/人。

從表2可見,降水量與地表水資源量、地下水資源量和人均水資源占有量的相關系數分別是0.9962(極顯著相關)、0.8332(顯著相關)和0.6500。

表2 烏江流域水資源狀況各項指標相關系數

由表3可見,貴州省河流含沙量主要來自流域面上的泥沙侵蝕,它與暴雨強度、地形、土壤、植被、地質以及土地利用情況有關,每年的第一、二場暴雨洪水或久旱后的暴雨洪水河流含沙量較大;年內含沙量在5—9月較大,1—4月和10—12月較小。

表3 烏江流域河流含沙量及已建成水庫數量統計

與含沙量相關的參數還有年輸沙量及輸沙模數。河流含沙量與年輸沙量及輸沙模數之間的相關系數分別是0.9425和0.9846,達極顯著水平。河流含沙量的3個參數與降雨量、地表水資源量、地下水資源量和人均水資源占有量都呈正相關關系,其中,輸沙模數與降雨量、地表水資源量、地下水資源量的相關系數分別達到0.8637,0.8722和0.9135,都達到了顯著水平。因此,由表3可見含沙量、年輸沙量和輸沙模數變化趨勢與降雨量一樣,2002年最高,分別達到0.83kg/m3,2991萬t和448t/km2,2005年分別是0.63kg/m3,2554萬t和325t/km2。

3 供用水量、廢污水排放量的變化

烏江流域供用水量的變化趨勢見圖2。圖2顯示:隨著經濟的發(fā)展,從2001—2005年,工業(yè)和農業(yè)用水量呈現逐年增加的趨勢,與總供水量的相關系數分別為0.9992和0.9124,達到極顯著相關和顯著相關水平,可見,總供水量由工業(yè)用水量和農業(yè)用水量決定,至2005年,烏江流域總供水量已達49.90億m3。在用水量中,生活用水量變化趨勢不明顯。

圖2 烏江流域供用水變化趨勢

圖2還顯示了貴州省廢污水排放量變化趨勢。從圖2可看出,貴州省廢污水排放量從2001—2004年呈上升趨勢,2005年有所下降。據貴州省水資源公報統計資料,2004年貴州省工業(yè)、城鎮(zhèn)生活廢污水總排放量為25.98億t,其中城鎮(zhèn)生活污水排放量為3.23億t,第二產業(yè)(含工業(yè)、建筑業(yè))廢水排放量為22.54億t,第三產業(yè)(不完全統計)為0.21億t。2005年有所下降,全省工業(yè)、城鎮(zhèn)生活廢污水總排放量為 23.44億 t,其中城鎮(zhèn)生活污水排放量為5.92億t,第二產業(yè)(含工業(yè)、建筑業(yè))廢水排放量為17.52億t,第三產業(yè)沒有統計。烏江流域涵蓋了烏江上游的六盤水市和畢節(jié)地區(qū),中游的貴陽市和遵義市、安順市、黔南州、畢節(jié)地區(qū)部分縣,下游的遵義市和銅仁地區(qū)部分縣,因此,其經濟發(fā)展水平能夠代表貴州省的發(fā)展狀況,廢污水變化趨勢也與全省的變化趨勢基本相同。由表2可知,廢污水排放量與農業(yè)用水量和工業(yè)用水量的相關系數分別為0.8067和0.6983,呈明顯的正相關。

4 水環(huán)境質量的變化

表4顯示了2001—2007年烏江流域水環(huán)境質量狀況。從數據上看,除2001年外,Ⅱ、Ⅲ類水體比例呈逐年下降的趨勢,輕度污染和重度污染的水域面積相對增加。影響地表水水質的因素很多,由于降雨量、徑流量、廢污水排放量、水體自凈能力等因素的綜合影響,水環(huán)境質量狀況與水資源等各項指標之間沒有表現出顯著的相關關系。整個流域典型污染區(qū)域主要是烏江支流城市下游河段。如六盤水市三岔河部分河段,全年劣Ⅴ類水占21.6%;貴陽市清水河部分河段全年劣Ⅴ類水占28.2%,是烏江流域污染最嚴重的河段。

表4 烏江流域水環(huán)境質量狀況

圖3為2005年烏江流域污染水域示意圖。烏江流域下游河段在2005年均為Ⅱ類和Ⅲ類水質,圖3中所圈區(qū)域水質為Ⅳ類、Ⅴ類或劣Ⅴ類,水質污染呈現出明顯的地域特征,污染較嚴重的區(qū)域是上游的六盤水市、畢節(jié)地區(qū),中游的貴陽市和遵義市[4]。主要污染物有COD、NH3-N、TP、Pb等,表明水體污染源主要是生活污水和工業(yè)廢水。圖3還顯示了烏江干流上的烏江水庫水質污染嚴重,主要污染指標是TP,這主要是由于水庫蓄水形成湖相沉積,內源污染增加,水流速度減緩,水體自凈能力差等因素造成的。

圖3 2005年烏江流域污染水域示意圖

5 水電站建設與水資源、水環(huán)境質量變化的聚類分析

2001年烏江流域已建成大型水電站4座,中型電站19座,至2005年已增加到7座和21座。為了研究水庫建設對水資源與水環(huán)境質量變化的影響,利用SPSS 11.0軟件對各項指標之間的相關關系進行統計,結果見表2。

表2結果表明:隨著大型電站的建成使用和蓄水調水功能的提高,工業(yè)和農業(yè)用水量也同步增長。水庫年末蓄水量與降雨量和地表水資源量呈正相關關系,但相關系數較小,年末蓄水量與工業(yè)、農業(yè)用水量和廢污水排放量的相關系數分別達到-0.9654,-0.7868和-0.8788,表明水庫的蓄水量隨著降雨量的增加而增加,但隨著工業(yè)和農業(yè)用水量的增加而顯著減少。烏江流域梯級電站以發(fā)電功能為主,很多電站都只有日調節(jié)功能,其蓄水功能并不明顯。

為進一步分析水庫建設與水資源、水環(huán)境質量各項指標之間的關系,利用SPSS 11.0軟件對各組數據進行聚類分析,結果見圖4。圖4中各組變量的序號見表2。從圖4可清晰地看出各組變量之間的分級。第1類聚類指標總共可分為4組:第1組包括降雨量(1)、地表水資源量(2)、人均水資源量(4)、年平均含沙量(8)、輸沙量(9)和輸沙模數(10),反映烏江流域基本水文條件及水土流失的基本狀況;第2組包括總供水量(11)、農業(yè)用水量(12)、生活用水量(14)、廢污水排放量(15)、中型水庫數量(17)、年末蓄水量(18),代表烏江流域供用水狀況及水庫蓄水情況的變化;第3組是工業(yè)用水量(13)、大型水庫數量(16)和Ⅱ、Ⅲ類水占地表水質的比例,表明地表水水質的變化與大型水庫數量及工業(yè)用水量表現出相同的變化趨勢;第4組是Ⅳ類水和Ⅴ類水所占比例,代表地表水水質惡化的趨勢。從第2類聚類指標可看出,第1組數據與第2組數據之間的距離最短,反映了流域水資源總量及水資源利用之間的相關關系,而流域水資源及水資源利用狀況與工業(yè)用水量、大型水庫數量和Ⅱ類Ⅲ類水占地表水質的比例屬于第3類聚類指標體系,Ⅳ類水和Ⅴ類水的變化趨勢與上述指標的距離跨度大,表明烏江流域水質的惡化是各種因素共同作用的結果。

圖4 烏江流域水資源、水環(huán)境質量及水庫建設各項指標的聚類分析

6 影響機理分析

上述統計分析結果表明烏江流域近年來水資源與水環(huán)境質量變化的趨勢,及其與水電站建設的內在聯系。但水電站的建設對生態(tài)環(huán)境的影響具有累積效應和滯后效應,即其影響的因子很多,并且對各因子的影響具有空間上的疊加性、時間上的連續(xù)性和作用效果上的滯后性。其作用機制主要表現在以下兩個方面。

6.1 對水文特征的影響

水庫攔斷江河后,對天然河流的水文情勢產生了一定影響。這種水文變化主要表現在河流流量、河流水位、地下水水位等方面。影響最大的是多年調節(jié)型水庫,影響相對較小的是日調節(jié)型水庫。水庫水位的變化與天然江河大不相同,這取決于不同類型的調節(jié)方式,以防洪為主要目的的水庫,其水位的變化在季節(jié)上與天然河流是相反的,水位變幅較大,汛期水庫處于低水位運行,在汛末蓄水,水庫處于高水位運行。與天然情況相比,增加了江河枯水期流量,減少了豐水期流量,尤其對洪峰流量有明顯的削減作用,提高了下游防洪標準[5]。

另外,由于水庫極大地增加了水域面積和蓄水量,使得區(qū)域的蒸發(fā)量和熱容量發(fā)生變化,直接引起局域氣壓的變化而間接影響區(qū)域氣候條件。

6.2 對水環(huán)境質量的影響

水庫水溫具有穩(wěn)定分層特性,從水庫深處泄出的水,其水溫夏天比河水的水溫低,冬天比河水的水溫高;而從水庫頂部附近出口放出的水,其水溫全年都比河水的高。上游水庫水溫嚴重地影響到下游河道、水庫的多年平均水溫。水溫的變化直接影響到水生生物的生長環(huán)境,如藻類、魚類及其他生物的繁殖周期,間接地影響水體自凈能力,使水質產生異常變化。

隨著水庫沖沙系統的開啟,水庫沉積的泥沙會攜帶污染物進入下級水庫,影響下級水庫的供水功能。

7 結 論

a.2001—2005年,烏江流域水資源量變化很大,降雨量最大的年份是2002年,最小的是 2005年,相應的,區(qū)域地表水資源量、河流泥沙含量等指標也隨降雨量的變化而變化。

b.隨著經濟的發(fā)展,烏江流域供水量和用水量都呈逐年增長的趨勢,尤其是工農業(yè)用水量的增長趨勢明顯,廢污水的排放量也逐年遞增。

c.2001—2007年,烏江流域水質有逐漸惡化的趨勢,主要污染的區(qū)域在烏江上、中游地區(qū)的支流河段,如六盤水市三岔河及貴陽市清水河等城市下游部分河段。但影響水質的因素很多,水質變化與水資源量等各項指標之間沒有顯著的相關關系。

d.聚類分析結果表明:烏江流域中型水電站的建設增大了流域的供水能力;大型水電站建設與工業(yè)用水量表現出相同的變化趨勢;各級水庫的年末蓄水量與降雨量有一定關系,與工農業(yè)用水量呈顯著負相關。

梯級水電站建設對環(huán)境的影響主要表現為改變區(qū)域的水文特征和水環(huán)境質量,其影響有明顯的累積效應和滯后效應。筆者的統計數據僅從2001—2005年,時間較短,還需要增加大量的水文水資源及環(huán)境生態(tài)指標,以便全面反映梯級電站建設對環(huán)境的影響效應。

[1]MICHAEL B,KLAUS J,JOHN M B.Application of a hierarchical framework for assessing environmental impacts of dam operation:changes in streamflow,bed mobilityand recruitment of riparian trees in a western North American river[J].Journal of Environmental Management,2009,90:224-226.

[2]KLAUS J,MICHAEL B,NICHOLAS S,et al.23 reservoir operations,physical processes,and ecosystem losses[J].Developments in Earth Surface Processes,2007,11:607-636.

[3]龍笛.貴州烏江流域的水資源開發(fā)與可持續(xù)利用[J].水資源與水工程學報,2005,16(3):19-24.

[4]周智,喻元秀,熊際翎.烏江流域水環(huán)境污染現狀及容量與對策[J].貴州師范大學學報:自然科學版,2004,22(4):42-45.

[5]胡寶柱,高磊磊,王娜.水庫建設對生態(tài)環(huán)境的影響分析[J].浙江水利水電?？茖W校學報,2008,20(2):41-43.

Study on relationship between water resources,water quality changes and reservoir construction in Wujiang Basin

LIU Hong-yan,LIU Qi,MAO Jian-quan
(College of Resources and Environmental Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China)

Statistical analysis was carried out for several indexes of water environmental quality from 2001 to 2005 for Wujiang Basin.The intrinsic relation of reservoir construction with water resources and water quality was explored using the cluster analysis method.The results showed that rainfall,surface water resources quantity,and annual average sediment concentration in the Wujiang Basin displayed significant changes between years;water quality tended to worsen in the basin;the main polluted areaswere in the upstream and middle reaches of the Wujiang River;annual water storage in all reservoirs had a positive correlation with rainfall and a negative correlation with industrial and agricultural water consumption;and reservoir construction had accumulation and lag effects on the river basin.

water resources;water quality;cluster analysis;cascade hydroelectric station;Wujiang Basin

X522

A

1004-6933(2010)03-0018-05

貴州省自然科學基金(20072016)

劉鴻雁(1969—),女,貴州貴陽人,教授,博士,主要從事環(huán)境污染的生態(tài)治理研究。E-mail:re.hyliu@gzu.edu.cn

(收稿日期:2009-01-17 編輯:徐 娟)