海河流域降雨時空變化特征分析

朱曉春，邢 斌，劉江俠

(水利部海河水利委員會，天津 300120)

自20世紀80年代以來，由于氣候變化和人類活動的影響，干旱、洪澇災害等極端氣候事件發(fā)生的概率有所增加。水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展和維持良好的自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，降雨又是流域和區(qū)域水資源最主要來源，降雨量的多少及其時空分布決定了水資源在時間和空間上的分配以及水資源數(shù)量的改變。由于全球氣候變化和人類活動的雙重因素影響，導致水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的變化，進而影響水文循環(huán)特征和水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系。因此，對降雨時空分布特征分析研究，有助于了解水資源轉(zhuǎn)化和分布特點。

海河流域?qū)儆跍貛О霛駶櫋敫珊荡箨懶约撅L氣候區(qū)。流域內(nèi)降雨季節(jié)性強、時間和空間分布不均，容易發(fā)生洪澇、干旱等問題。海河流域也是我國水資源嚴重不足的地區(qū)之一，為支撐經(jīng)濟社會發(fā)展用水需求，流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用率已達到106%，由于水資源過度開發(fā)利用擠占了大量生態(tài)環(huán)境用水，近5年24條平原河流平均年干涸長度1158km，主要濕地水面比20世紀50年代減少72%，過度超采形成地下水漏斗16個，地面最大沉降超過3.25m，地下水戰(zhàn)略儲備瀕臨枯竭，水資源供需矛盾十分突出。客觀分析海河流域降雨在時間和空間上的演變規(guī)律及其變化趨勢，對海河流域防汛抗旱、水資源合理開發(fā)利用、高效配置、科學管理以及改善生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 資料選取及研究方法

以海河流域作為研究對象，在流域35個省套水資源三級區(qū)中選取了灤縣、唐山、官廳、北京、長治、安陽、臨清、九宣閘等35處資料較全的雨量站(氣象站)1956—2016年逐月降雨量資料，采用線性回歸法、模比系數(shù)差積曲線和空間分析法等，分析流域降雨量在時間和空間上的變化特征以及典型代表站降雨汛期、非汛期的變化情況。

2 降雨時間變化特征分析

2.1 年際變化

利用線性回歸法、模比系數(shù)差積曲線分析海河流域降水變化趨勢表明，流域61年的降雨呈明顯下降趨勢，20世紀60年代至世紀末降雨持續(xù)下降，到21世紀初期略呈上升趨勢。海河流域61年的平均降雨量為527mm，年降雨量極大值796mm出現(xiàn)在1964年，年降雨量極小值356mm出現(xiàn)在1965年，兩者相差440mm，極值比為2.24。1981—1990年連續(xù)10年降雨量低于多年平均降雨量，1999—2011年連續(xù)13年降雨量低于多年平均降雨量，1992—1993年、2014—2015年連續(xù)兩年降雨量低于多年平均降雨量。降雨在1965、1973和1997年發(fā)生突變，如圖1所示。

圖1 海河流域1956—2016年年均降雨量

海河流域61年降雨量模比系數(shù)差積曲線也顯示，1956—1964年總體處于豐水段，其年均降水量比多年平均值大15%；1965—1972年總體處于枯水段，其年均降水量比多年平均值小5%；1973—1979年總體處于豐水段，其年均降水量比多年平均值大9%；1980—2016年總體處于枯水段，其年均降水量比多年平均值小5%，如圖2所示。

圖2 海河流域年降水量模比系數(shù)差積曲線

對選取的35處典型雨量站(氣象站)的變差系數(shù)Cv值和極值比進行分析，變差系數(shù)Cv值和極值比K越大表示變化大，反之則小。35處典型雨量站(氣象站)1956—2016年系列降水量均值介于380～778mm，變差系數(shù)Cv值介于0.19～0.36，極值比介于2.1～6.1之間，說明海河流域是我國降水量多年變化幅度較大的地區(qū)之一，見表1。

2.2 年內(nèi)分配

海河流域降水量年內(nèi)分配非常集中，且很不均勻。全年降水量集中在汛期(6—9月)，1956—2016年汛期降水量占全年降水量的68.6%～83.5%，平均為76.7%。汛期降水量又主要集中在7—8月，其降水量占全年降水量的44.5%～60.9%，平均為51.9%。有些年份，全年降水量甚至集中在1～2次大暴雨中。如1963年河北省獐么站，最大7d降水量占全年降水量的80%。單站年最大24h暴雨量最大年與最小年的比值達8.6～22.4倍。暴雨強度大，據(jù)點雨量記錄統(tǒng)計，我國大陸50min和7d最大降雨記錄均發(fā)生在海河流域。

通過對選取的35處雨量站(氣象站)1956—2016年逐年降水量統(tǒng)計，其汛期降水量占全年降水量的68.6%～82.8%，平均為77%；7—8月降水量占全年降水量的44.5%～60.6%，平均為53%；7月份降雨量占全年的29.3%；非汛期降水量占全年降水量的17.1%～31.4%，平均為22.9%。選取唐山、北京、九宣閘、臨清等4處雨量站將1956—2016年汛期降雨和非汛期降雨與全年降雨進行對比，發(fā)現(xiàn)汛期降雨比重呈下降趨勢，非汛期降雨比重呈上升趨勢，如圖3所示。汛期降雨比重減少，秋末的十月至次年的三月降雨比重加大，對這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利，并且從圖3的趨勢來看，這種現(xiàn)象還會進一步加劇。

2.3 降雨年段變化特點

海河流域61年系列中，1956—1960、1961—1970、1971—1980年段的年均降雨均大于多年平均降雨，分別比多年平均偏多10%、7%和3%；1981—1990、1991—2000、2001—2010年段年均降雨均小于多年平均降雨，分別比多年平均偏少5%、5%和7%；2011—2016年段的降雨基本與多年平均持平，見表2。

表1 海河流域主要站年降雨特征值表

圖3 主要雨量站汛期、非汛期降雨比重趨勢圖

表2 海河流域不同年段的降雨對比表

3 降雨空間變化特征

海河流域降水量受氣候、地形等因素的影響，從空間分布來看，存在明顯的地帶性差異，總的趨勢是由多雨的太行山、燕山山前迎風區(qū)分別向西北和東南兩側(cè)減少。從海河流域1956—2016年均降水量等值線圖來看，流域降水分布具有以下特點：

(1)沿太行山、燕山山脈迎風坡，有一條600mm的弧形多雨帶，以及半壁山(河北省承德市)、石廟子(河北省承德市)、八道河(北京市)、下莊(河北省保定市)、五臺山(山西省忻州市)、官山(河南省新鄉(xiāng)市)等700～800mm的高值中心，其中官山多年平均降水量最大，達905.1mm。

(2)在太行山、燕山的背風坡，降水量比迎風坡明顯減少，多年平均降水量為400～550mm。內(nèi)蒙古大部、大同盆地、張宣盆地、蔚陽盆地、涿懷延盆地一帶，多年平均降水量不足400mm，為流域降水量低值區(qū)。

(3)平原區(qū)多年平均降水量一般為500～550mm，其中濱海平原較大，多在550～600mm。在定州、欒城、廣宗、衡水一帶，多年平均降水量不足500mm，為平原區(qū)降水低值區(qū)。

對比1956—2016、1980—2016年年均降雨等值線圖，雖然降雨量的高值區(qū)分布及其等值線的走向基本一致，但是1980—2016年年均降雨量總體較1956—2016年系列有所減少，特別是沿燕山的灤河山區(qū)、北三河山區(qū)一帶，以及北四河下游平原，平均降雨量減少50mm左右，沿太行山降雨高值區(qū)、黑龍港運東平原減少30～40mm，其他區(qū)域減少10～30mm，且高值區(qū)范圍有所縮減。僅有局部區(qū)域兩個系列的降雨量持平或略有增加，分布于子牙河山區(qū)的忻州、灤河山區(qū)靠近內(nèi)蒙古高原東部一帶。

4 結(jié)論

采用線性回歸、模比差積曲線和空間分析法等方法分析了海河流域近61年的降雨時空分布特點，得出如下結(jié)論：

(1)海河流域降雨時間上總體呈下降趨勢；年內(nèi)降雨分布極其不均，汛期降雨比重大，非汛期降雨比重小；4處典型雨量站(氣象站)的降雨隨著時間推移，汛期降雨比重呈下降趨勢，非汛期降雨比重呈上升趨勢，降雨形勢朝有利方向發(fā)展；降雨在1956—1980年段年均降雨比多年平均偏多，1981—2010年段年均降雨比多年平均偏少；2011—2016年段基本與多年平均持平。

(2)海河流域降雨空間分布不均，總體來看呈明顯的地帶性差異，多年平均年降雨量呈現(xiàn)總的趨勢是由多雨的太行山、燕山山前迎風區(qū)分別向西北和東南兩側(cè)減少。

(3)降水量減少是短時間內(nèi)不可逆轉(zhuǎn)的自然規(guī)律，勢必會加劇海河流域的水資源危機。從長遠看，人類應該減少對自然界的破壞，從保護生態(tài)環(huán)境入手，使氣候環(huán)境得到逐步改善。從近期看，落實最嚴格的水資源管理制度，控制水資源的無序和過度開發(fā)利用強度，推進水資源的高效利用和有效保護，最大限度減少人類活動對水資源和水生態(tài)的破壞量，構(gòu)建水資源合理配置和供水安全保障體系，有效合理利用有限的水資源，注重高質(zhì)量發(fā)展是解決水資源短缺行之有效的措施。