黃土丘陵區小流域暴雨時空變化特征分析*

王玲玲,劉明元,李偉偉,楊春霞

(1.黃河水利科學研究院,鄭州450003;2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西楊凌712100;3.新野縣水利局,河南新野473500;4.鄭州大學環境技術咨詢工程公司,鄭州450003)

在干旱半干旱的黃土丘陵區,暴雨類型特征、時空變化過程是影響流域產匯流、產輸沙空間變化的主要因素之一[1],如何定量地描述這些特征,已成為該地區流域侵蝕模擬計算中的基本問題[2]。本文以黃土丘陵區雨量站控制條件較好的小流域為對象,研究了該流域的暴雨類型、時段降雨同次降雨分布的內在聯系以及時段降雨的時空變化過程,為進一步深入認識流域土壤侵蝕機理提供了基礎。

1 研究流域及資料概況

選擇橋溝流域為研究對象。橋溝是裴家峁溝流域的一級支溝,流域面積0.45 km2,主溝長1.4 km,流域內現布設徑流站3個,自記雨量站4個。

暴雨雨型是影響土壤侵蝕的主要因素之一。以往研究表明[3],暴雨類型主要分為A、B和C三種,其中A、B型暴雨是引起土壤侵蝕的主要暴雨。選擇1986-1996年36場暴雨進行統計分析。統計結果表明,36場暴雨中17場為A型暴雨,占47.2%,B型暴雨13場,占36.1%,C型暴雨6場,占16.7%。

2 時段降雨與次降雨的關系

時段降雨分布與次降雨的關系,反映了降雨的內部結構特征,用來進一步分析和確定具有代表性的降雨空間頻率分布特征。取橋溝流域自記雨量站資料比較齊全的10場暴雨,對其時段降雨分布與次降雨分布進行了相關分析。分析采用各站次降雨量與其不同時段雨強的對應空間序列進行。相關分析結果見表1、圖1。

表1 相關分析結果

圖1 不同時段降雨和次降雨之間的關系

分析結果表明：(1)4個時段的降雨分布與次降雨分布的相關水平波動較大,次降雨和30 min時段降雨量的相關性在0.05水平只有0.478,而次降雨和150 min時段降雨的相關性在0.01水平達到0.912。說明隨著時段雨量增加,時段降雨分布對次降雨分布的影響增強,表現在主雨峰期,各時段的相關關系均較好。(2)從表1可以看出,隨著時段的加長,相關系數的增加幅度減小。120 min和150 min時段的相關關系比較接近。說明在黃土丘陵區,降雨歷時一般較短,當分析時段達到一定長度以后,對次降雨分布就具有一定的代表性。

3 降雨時空特征分析

3.1 降雨空間變化的結構特征

所謂空間結構應指降雨在流域內任一點降落的特性同流域尺度的關系。但一般認為,空間結構是指流域內任意兩點降雨的差值與其各自的絕對位置(X,Y,Z)無關,而只與其相對距離|d|有關,因此,本文主要通過相關距離加以分析,以能夠定量反映其空間變化的結構特征。

對橋溝流域,對各雨量站的次降雨進行相關分析計算,相關分析結果見表2。其相關距離關系如圖2。

表2 各雨量站的次降雨相關系數

從圖2和表2可以看出,相關系數隨著距離的增加而減小,反映流域降雨空間變化程度的相關距離關系隨距離的增加而減弱。同時,降雨空間結構的變化,不僅僅只是距離的函數,它還與研究的參考點有關,實質是與流域地貌和高程,以及雨量站的位置有關。

3.2 降雨的時空變化過程

3.2.1 降雨空間插值 由于流域內的雨量站是散點布設于流域面上,在進行降雨時空分析時,必須采用適當的方法對降雨觀測值進行空間離散(時間步長為0.5 h),本次研究中采用反距離權重插值方法對流域的實測降雨進行插值[4](時間步長為0.5 h),反距離權重方法的通用方程是：

圖2 次降雨相關距離圖

式中：Zi——控制點i的z值;d i——控制點i與點0間的距離,表示由離散點(xi,yi)至P(x,y)點的距離;p(z)——要求的待插點的值。參數u為距離的方次,取值在1.0至6.0之間,本研究取為2.0。

3.2.2 降雨時空變化過程 應用ARC/INFO軟件對插值后的降雨空間分布進行繪制[5],可得到直觀的暴雨分布圖。結合流域實測的流量過程線,對該流域暴雨特征進行分析。以1996-07-05和1997-07-29場洪水作為代表,分析橋溝流域的降雨時空過程(圖3,4)變化特征。

圖3 1996-07-05降雨時空變化過程

圖4 1997-07-29降雨時空變化過程

由圖3,4可以看出,一個流域上每次降雨的暴雨中心位置并不是固定的,而是不斷變化的,由此也就造成了流域土壤流失過程復雜多變。因此,在建立土壤流失預測模型過程時,要考慮建立基于水動力學過程的分布式土壤流失模型,才能反映整個流域的降雨-徑流-泥沙過程。

4 結論

(1)以橋溝流域為研究對象,分析了流域暴雨類型特征,分析結果表明,該流域暴雨類型以A、B型為主,是引起流域土壤侵蝕的主要外營力之一。

(2)分析橋溝流域時段降雨與次降雨之間的關系,結果表明,隨著時段的增加,時段降雨分布對次降雨分布的影響增強,當分析時段達到一定長度以后,對次降雨分布就具有一定的代表性。

(3)分析降雨時空變化過程結果表明,降雨空間變化程度的相關距離關系隨距離的增加而減弱,并從時間過程來看,次降雨的暴雨中心位置是不斷變化的,這一變化是引起流域土壤侵蝕過程復雜多變的重要因素之一。

[1] 張漢雄.黃土高原的暴雨特性及其分布規律[J].地理學報,1983,38(4)：416-425.

[2] 李長興,沈晉,范榮生.黃土地區小流域降雨空間變化特征分析[J].水科學進展,1995,6(2)：127-132.

[3] 焦菊英,王萬中,郝小品.黃土高原不同類型暴雨的降水侵蝕特征[J].干旱區資源與環境,1999,13(1)：34-42.

[4] 朱會義,賈紹鳳.降雨信息空間插值的不確定性分析[J].地理科學進展,2004(2)：35-43.

[5] 湯國安,楊昕.ARCGIS空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社,2009：260-264.