濟(jì)源市降水特征分析

姜寶良，張曉偲

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045)

降水的發(fā)生、發(fā)展和變化過程包含必然性，也存在隨機(jī)性。因此，對(duì)降水過程進(jìn)行特征分析有利于了解其變化規(guī)律，為預(yù)防干旱、洪澇災(zāi)害的發(fā)生提供科學(xué)的理論依據(jù)[1]。本研究以濟(jì)源市為研究區(qū)，根據(jù)多年降水資料，分析濟(jì)源市降水空間分布特征，并基于適線法對(duì)全市及各個(gè)水資源分區(qū)進(jìn)行降水頻率分析，研究成果既可為當(dāng)?shù)毓こ淘O(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，又可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與居民生活提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)源市位于河南省西北部，素有“豫西北門戶”之稱，總的地貌特征是北、西部高，南部低，東部平，且高差懸殊，具體來說李八莊以東為山前傾斜平原，北部崇山峻嶺，西部群山連綿，南部丘陵起伏，三面環(huán)山形成了西高東低的簸箕形盆地。濟(jì)源市屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候地區(qū)性差異較大，總的特點(diǎn)是春季溫暖多風(fēng)、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷少雪。

按照全國(guó)水資源綜合規(guī)劃的分區(qū)規(guī)定及河南省的補(bǔ)充要求，在已有的3個(gè)水資源三級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)濟(jì)源市地形地質(zhì)條件及河流分布情況，將其劃分為8個(gè)水資源四級(jí)區(qū)(表1)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究在《濟(jì)源市水資源綜合規(guī)劃》(修編)的基礎(chǔ)上，根據(jù)濟(jì)源市境內(nèi)梨林、五龍口、交地、黃龍廟、竹園、八里胡同等28個(gè)雨量站多年實(shí)測(cè)降水資料，利用泰森多邊形法計(jì)算出濟(jì)源市大峪河、逢石河太行山區(qū)，大峪河、逢石河西部低山區(qū)，蟒河太行山區(qū)，蟒河平原區(qū)，蟒河黃土丘陵區(qū)，硯瓦河西部低山區(qū)，沁河太行山區(qū)，沁河平原區(qū)等8個(gè)水資源四級(jí)區(qū)及全市1955—2015年逐年降水量。

表1 濟(jì)源市水資源綜合規(guī)劃分區(qū)

2.2 處理方法

適線法是以經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)為基礎(chǔ)選配出一條擬合最好的理論頻率曲線，以此估計(jì)降水系列總體的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[2]。大量的科學(xué)研究與事實(shí)證明，適線法是能較好地滿足降水頻率分析要求的一種方法[2]。其具體步驟如下：

(1)計(jì)算并點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)[3]。把實(shí)測(cè)資料按從大到小的順序排列，計(jì)算各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率，并作為縱坐標(biāo)與相對(duì)應(yīng)的變量值(橫坐標(biāo))一起繪于頻率格紙上。經(jīng)驗(yàn)頻率的計(jì)算公式為

P=m/(n+1)×100%

(1)

式中：P為大于等于變量值的經(jīng)驗(yàn)頻率；m為變量值從大到小的排列序號(hào)；n為觀測(cè)資料的總項(xiàng)數(shù)。

(2)計(jì)算樣本系列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)[3]。離差系數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

由于偏態(tài)系數(shù)Cs的計(jì)算誤差太大，故本研究不直接計(jì)算，而是根據(jù)以往降水計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)取值。

(3)選定線型。皮爾遜-Ⅲ型曲線是一條一端有限一端無限的不對(duì)稱單峰曲線，是當(dāng)前水文計(jì)算中常用的頻率曲線[4]。

(4)計(jì)算設(shè)計(jì)變量。由確定的Cs，在皮爾遜-Ⅲ型曲線的Φ值表中，查出各對(duì)應(yīng)頻率的ΦP值，然后按下式計(jì)算各頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量。

(3)

式中：xP為各頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量。

(5)配線。根據(jù)配合情況，修改參數(shù)，直至配合情況最好為止。

3 結(jié)果分析

濟(jì)源市各個(gè)水資源分區(qū)地形地貌條件不同，降水情況也不盡相同。為了研究其分布規(guī)律，本研究對(duì)濟(jì)源市降水特征的空間分布和各個(gè)水資源分區(qū)的降水頻率進(jìn)行分析。

3.1 降水空間變化特征分析

根據(jù)各站多年平均年降水量，繪制年降水量等值線圖(圖1)。由圖1可知，濟(jì)源市降水空間分布差異明顯，且與地形特征關(guān)系密切。濟(jì)源市降水量總體呈北多南少的特征，由北部山前地帶向東南部平原地區(qū)逐漸減少。

圖1 濟(jì)源市多年平均年降水量等值線(單位：mm)

3.2 頻率分析

根據(jù)多年降水資料，對(duì)參數(shù)進(jìn)行多次的分析與調(diào)整，最終使理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)之間得到最優(yōu)的擬合。

3.2.1 降水頻率分析

圖2為濟(jì)源市逐年降水量距平曲線。1955—1985年歷年降水量變化較大，豐枯年交替出現(xiàn)，平均年降水量比多年平均值多38.7 mm；1986—1997年出現(xiàn)連續(xù)枯水年，平均年降水量比多年平均值少106.6 mm；1998—2015年平均年降水量基本與多年平均值持平。

圖2 濟(jì)源市年降水量距平曲線

運(yùn)用適線法進(jìn)行濟(jì)源市降水頻率分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)年降水量基本符合Cv=0.24、Cs=0.76的皮爾遜-Ⅲ型頻率曲線(圖3)。從而得出該地區(qū)的降水規(guī)律，在20%、50%、75%、95%的保證率下年降水量分別為743.28、606.72、516.74、414.99 mm。

圖3 優(yōu)化后理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)擬合圖

3.2.2 水資源分區(qū)降水量頻率分析

采用前述研究方法，得到各水資源分區(qū)降水量頻率分析結(jié)果見表2。

4 結(jié) 語

通過繪制濟(jì)源市多年平均年降水量等值線圖，運(yùn)用適線法對(duì)濟(jì)源市及境內(nèi)8個(gè)水資源四級(jí)區(qū)進(jìn)行降水頻率分析，主要結(jié)論如下：

(1)濟(jì)源市降水空間分布與地形密切相關(guān)，北部山區(qū)多年平均年降水量大于東南部平原地區(qū)，降水量由北部山前地帶向東南部平原地區(qū)逐漸減少，總體呈西北多、東南少的特征。

(2)濟(jì)源市在20%、50%、75%、95%的保證率下年降水量分別為743.28、606.72、516.74、414.99 mm。本研究得出的濟(jì)源市及各個(gè)水資源分區(qū)在不同保證率下的降水量，對(duì)當(dāng)?shù)睾禎碁?zāi)害防治和水利工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表2 濟(jì)源市降水頻率分析結(jié)果