以尼洋河流域為例探究高原山區降水插值方法

，，

(河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098)

尼洋河位于西藏自治區的東南部、雅魯藏布江中下游的左岸，是雅魯藏布江的五大支流之一，由于處于獨特的位置及流域大小合適，既受到來自印度洋暖濕氣流作用又有高原山區獨特的冰雪水文作用，尼洋河一度成為高寒區流域水循環規律及其演變機理研究的熱門區域，尤其是氣候變化背景下氣溫、降水、融雪、徑流等水文要素變化的研究。

達瓦次仁等通過基礎水文資料的分析探究尼洋河洪水頻發的原因[1]。張顯揚等基于混合線性回歸模型的黑箱子模型方法建立尼洋河流域的水文預報模型，但整體精度只達到作業預報精度要求水平[2]。李朝霞通過層次分析法構建水資源可持續利用指標體系，對尼洋河流域的水資源可持續性利用進行了系統分析[3]。關于降水插值方面,楊慶等對中國地區降水變化趨勢與海拔高度關系進行了初步探究，為中國各流域中降水與海拔關系提供了參考[4]。辜智慧等以錫林郭勒盟為研究區域探究了氣象觀測站點稀疏地區的降水插值方法，在降水與地形的基礎上結合地統計學分析，使得降水插值效果更佳[5]。孫琪利用逐步插值法研究長江中上游降水空間分析，通過降水與影響降水的各種因素建立函數關系，對研究區域進行分割逐個計算降水，利用數學統計分析方法進行驗證，得到較高的降水插值結果[6]。對尼洋河進行水文模擬需要建立在降水、蒸發、氣溫等基本水文要素基礎之上，由于尼洋河流域水文氣象站點較少，建立合理的降水插值方法對流域水資源分析、水文模擬預報有重要的作用。本文通過參考其他地區降水空間插值方法基礎之上，建立符合尼洋河流域自身降水插值方法。

1 尼洋河降水徑流關系

尼洋河位于藏東南地區，屬于青藏高原地區,是雅魯藏布江中游的1條較大支流[7]，由于來自印度洋的水汽可以沿著雅魯藏布江大峽谷溯源而上，使得尼洋河流域降水充沛，水資源豐富，具有極大的開發價值。目前尼洋河流域水文站點較少，能夠利用具有長期記錄的水文數據只有巴河橋、工布江達、更張3個水文站及林芝氣象站。尼洋河全長307.5 km，流域東西長約230 km，南北平均寬約110 km，流域形狀呈長葉條狀，面積1.767 9萬km2，落差達2 000多米，平均坡降達為7.4%，尼洋河沿著河谷自西向東南方向流。其源頭為古冰川融水，海拔高度在5 000 m左右[7]。

尼洋河發源于西藏自治區米拉山西側的錯木梁拉山，向東南方向流，在林芝縣的則們附近匯入雅魯藏布江(圖1)。尼洋河支流間縱橫交錯，較大支流有白曲、娘曲、巴朗曲、巴河、則弄、普布弄巴等。其中巴河是最大的一個支流,在尼洋河左岸中游,河長約100 km,流域面積為4 198 km2，占尼洋河流域面積的23.9%，于巴河橋匯入尼洋河。

圖1 尼洋河流域地形及站點分布

根據站點的降水數據及工布江達、巴河橋、更張站(其中更張站流量數據與尼洋河口流量存在0.95倍關系)記錄的流量，通過表1發現3個站點的降水徑流關系明顯不符合徑流系數，這說明河谷地帶的降水不足以使尼洋河的徑流達到如此規模，降水明顯小于徑流，即使通過泰森多邊形法插值，也無法滿足降水徑流關系，所以需要利用其他降水影響因素來模擬流域降水分布規律。

由于尼洋河水文站點均位于尼洋河河谷地帶，尼洋河海拔在2 864～7 266 m之間海拔高差大，通常情況下，自然條件比較均一的山地，降水量一般都是隨著海拔的升高而逐漸增加，某一高度達到最大值，后再隨著海拔的升高而降低[8]。影響降水的因素主要有大氣環流、水汽環流、地形、山脈、氣溫等[9]，本文由于受資料限制，著重探究降水與海拔高差的關系，將其他影響因素通過參數來概化。

由于尼洋河流域站點較少，通過建立降水要素與空間變量間的關系方程，用回歸分析方法[10]建立降水與地理海拔影響因子間的關系。由于尼洋河流域對降雨的主要影響因子是海拔，其他影響因素可統一歸總到參數中初步確立降水插值模型。

Pi=P(Zi,λi)

(1)

式中i——分區號；Zi——高程；λi——參數。

2 流域降雨插值的建立

由式(1)可知，要建立各區域降雨關系，首先利用ARCgis將流域按照河流級別分為13個區域，相同顏色的區域內河網等級相同。顏色相同部分為一個區域(圖2)。

圖2 尼洋河流域分區

利用ARCgis計算各分區的平均高程及面積占比，通過圖3可以利用比例關系計算各區域海拔和面積，計算結果見表2。根據流域所處地理環境，及參考以往研究建立降雨插值公式，尼洋河流域年降水量遞增率在15 mm/100m左右[11]，在海拔高差較大的流域降水不僅與地理位置有關，而且與迎接水汽坡向海拔高度有關，一般隨著海拔高度的增加先增加后減少，呈開口向下的拋物線型。

表1 尼洋河流域未經插值的降水徑流關系

圖3 尼洋河流域各分區像素點個數

由于建立曲線模型需要更多更精確的資料，所以本文概況成線性模型，但必須使得降水量大致一樣，達到降水徑流平衡。在不同條件下，各因素的作用有所不同，其間關系極為復雜[10]。利用概化參數來體現其他降水因素的作用，一般降水主要與大氣中的水汽含量及氣溫有關，水汽含量和氣溫隨著海拔的升高而減少，而使水汽更好地凝結就必然存在1個臨界值，可以認為某一高度帶對降水貢獻率較大。由此可以得出水汽含量及氣溫受到海拔高度的影響最大，海拔高度是影響降水的主要因素。但由于尼洋河流域站點較少，要建立復雜的降水數學模型是困難的，需要更精細的數據支撐，在今后流域建立更多水文觀測站時，可以進一步完善。

表2 尼洋河流域各分區面積及高程

本文通過降水與高程的關系及考慮其他綜合因素的影響建立如下降水分布的概化數學模型：

Pi=[(Zi-Z0)×0.15+P0]×(1+α)

(2)

式中Pi——分區降水量，mm；Zi——區域平均高程，Z0起算點即水文站觀測點高程，m；P0——起算水文站點降水量，mm；α——綜合影響參數，結合中國高原山區降水影響因素作用，取0.5。

計算結果見表3。從中可以看出降水P大于徑流深R，徑流系數處于0.60～0.74,通過參考全國徑流系數分布圖(圖略)，其基本符合流域實際情況，初步滿足降水徑流平衡。

表3 尼洋河流域出口徑流深～降水比較

通過地理國情監測云平臺下載1985—2012年西藏地區多年平均降水量空間分布柵格數據，尼洋河流域年降水量分布處在1 500 mm左右。通過插值計算的2000—2008年年平均降水量為1 674 mm，與統計數據基本吻合，也證明計算結果具有可靠性。

3 結論

通過數學模型的建立對尼洋河流域進行降水插值使得流域基本達到了降水徑流平衡，2000—2008年的平均徑流系數為0.67，參考全國徑流系數分布圖中尼洋河地區徑流系數，符合尼洋河流域實際情況，說明該方法具有一定的實際意義，為后續水文預報及模型的基礎水文數據輸入打下基礎。

尼洋河流域處于藏東南降水充沛地區，通過降水插值得到多年平均降水量達1 674 mm，年徑流量大，尼洋河干流及支流巴河規劃建設9個梯級電站，裝機容量31.5萬kW，是藏中電網的重要能源基地之一，具有極大的開發利用價值[12]，為科學利用尼洋河水資源提供重要參考。

由于采用河網分級劃分流域，將整個尼洋河流域作為一個整體進行計算，不能一次性計算工布江達站和巴河橋站降水徑流關系，需要重復將兩站所控制的流域劃分出按照上述方法重新進行計算，參數的設立建立在參考其他相似流域的基礎上，模型概化較強，缺乏更詳細的水文基礎資料。但隨著流域水文站點的增設，以后可以建立更精細的降水插值模型甚至可以利用泰森多邊形法。