基于ArcGIS的晉北黃土高原區典型頻率年降水量分布特征研究

呂雁翔

(山西省大同市水文水資源勘測站，山西 大同 037043)

降水是影響水資源量的重要因素，是計算工農業生產、水利開發、江河防洪潛力和進行工程管理評價等的重要參數，也是作物生育過程中必不可少的因子[1]。降水的分布，很大程度上決定了水資源和作物的分布[2]。因此，對一定區域典型頻率年降水量進行高精度的空間化研究對于水文分析、水資源管理、生態環境治理、工程防洪評價以及作物適宜性評價等都具有重要意義。晉北黃土高原屬干旱半干旱地區，降水量少且時空分布不均，開展典型頻率5%、50%、95%年降水量時空分布研究對于降水資源、水利工程的充分合理利用非常重要。

降水資料一般來源于分布有限的水文站或氣象站的點狀資料，而研究降水量的空間分布特征需將點狀資料插值為面狀資料[3]。空間插值的理論前提是假設地理位置越相近，屬性特征也就越相似。降水量空間插值是將分布離散站點上的降水數據，根據某種關系式內插或外推到整個地理區域，預測這一區域內每個位置上的降水量值[4]。空間插值方法應用較為普遍的有泰森多邊形法、反距離權重插值法、樣條函數插值法、克里金插值法[5]等。本文主要基于ArcGIS采用克里金插值法對晉北黃土高原區年降水量進行插值。

1 研究區概況與資料

1.1 研究區概況

本次研究對象選取的是晉北黃土高原大同市、朔州市16個縣區，均屬于典型的干旱半干旱地區，且降水量小、時空分布不均。同朔地區位于晉、冀、內蒙古三省(自治區)交界處，地處黃土高原東北邊緣，北與內蒙古自治區烏蘭察布市接壤，東與河北省張家口市、保定市相接，南與忻州市毗鄰。研究區海拔多在1000m以上，最高處為陽高縣六棱山主峰黃羊尖2420m，轄有平城區、云岡區、新榮區、云州區、陽高縣、天鎮縣、渾源縣、靈丘縣、廣靈縣、左云縣、朔城區、平魯區、右玉縣、左云縣、山陰縣、懷仁縣5區11縣，總面積24753km2。

研究區內河流分別屬于海河流域永定河水系、大清河水系和黃河流域黃河水系，設有雨量站315處，站網密度達78.6km2/站，符合單站控制面積不宜大于150km2的規定[6]。由雨量站網密度分析和圖1雨量站點分布可知，雨量站點數據可代表面上數據。

圖1 研究區雨量站網分布情況

1.2 選用資料

本文選用研究區1956—2016年間的各雨量站日降水量資料，研究典型頻率為5%、50%、95%的年降水量分布情況。各雨量站日降水資料來源于《中華人民共和國水文年鑒·海河流域水文資料》和《中華人民共和國水文年鑒·黃河流域水文資料》。

2 研究方法

2.1 各典型頻率年降水量計算方法

各縣區的年降水量通過1956—2016年的各雨量站日降水資料得出各站的年降水量，然后運用網格法進行計算得出各縣區的年降水量。將各縣區年降水量由大到小進行排序，并用式(1)計算各降水量的經驗頻率[6]。

(1)

式中：m為大于或等于所對應降水量的總個數；n為樣本值,n=61。

將各縣區降水量同對應的頻率繪制在海森概率格紙上。

采用P-Ⅲ型曲線對降水量散點進行擬合。其中，樣本均值為

(2)

式中：P為1956—2016年的降水量均值，mm；Pi為每年對應的降水量,mm。變差系數為

(3)

圖2 大同市靈丘縣1956—2016年的年降水量適線

根據圖2擬合的P-Ⅲ型曲線，可得靈丘縣各典型頻率對應的年降水量，見表1。

表1 靈丘縣1956—2016各頻率設計年降水量

2.2 典型頻率年降水量等值線圖繪制方法

采用ArcGIS10.1中文版對典型頻率年降水量等值線圖進行繪制。

2.2.1 基礎圖層準備

首先，將全國山洪災害調查評價時中國水利水電科學研究院發布的大同市、朔州市以及相關16個縣區的邊界線圖層加載至ArcGIS中。然后通過ArcToolbox中的“數據管理工具”“要素”“要素轉點”工具將各縣區邊界線圖層轉化為點圖層。

2.2.2 典型頻率雨量數據準備

將通過P-Ⅲ型曲線擬合的16個縣區典型頻率為5%、50%、95%的降水量數據進行摘錄，可通過兩種方法錄入至縣區點圖層屬性表中：

a.直接打開縣區點圖層屬性表，點擊“表選項”下的“添加字段”選項添加名稱為“5%年降水量”“50%年降水量”“95%年降水量”3個字段，將字段類型均設置為“雙精度”即可。然后點擊工具欄的“編輯”“開始編輯”選項對縣區點圖層進行編輯，將摘錄出的降水量數據輸入至相應縣區的位置。

b.將16個縣區典型頻率為5%、50%、95%的降水量數據摘錄至Excel表中，其中第一列是“縣區名稱”，縣區名稱要與ArcGIS中縣區點圖層屬性表中的縣區名稱以及順序一致。第2～4列分別是“5%年降水量”“50%年降水量”“95%年降水量”，將對應的降水量數據錄入相應位置；在ArcGIS中內容列表右鍵點擊縣區點圖層，選擇“連接和關聯”“連接”，在彈出的對話框中按要求輸入相應內容即可。

2.2.3 典型頻率雨量等值線圖繪制

典型頻率雨量數據準備完畢后，選擇ArcToolbox中的“Spatial Analyst工具”“插值分析”“克里金法”，在彈出的對話框中按要求輸入相應內容，便會生成包含整個同朔地區在內的長方形柵格數據。

選擇ArcToolbox中的“Spatial Analyst工具”“提取分析”“按掩膜提取”，在彈出的對話框中按要求輸入相應內容，即完成對等值線柵格數據的裁剪，生成研究區的典型頻率等值線分布圖,見圖3。

圖3 研究區降水量等值線

3 結果分析

由圖3(a)可知，晉北黃土高原區同朔地區典型頻率為5%的年降水量由云岡區、懷仁縣向東西兩側方向遞增，且西部降水量大于東部地區，南部降水量大于北部地區。最大降水量位于靈丘縣東南部分，介于645～670mm之間；次大降水量位于靈丘縣中部地區，介于627～645mm之間；最小降水量位于云岡區和懷仁縣以及新榮區部分地區，介于522～546mm之間。

由圖3(b)可知，晉北黃土高原區同朔地區典型頻率為50%的年降水量由新榮區、云岡區、懷仁縣、平城區及云州區西部向東西兩側方向遞增，且西部降水量大于東部地區，南部降水量大于北部地區。最大降水量幾乎覆蓋整個靈丘縣，介于434～446mm之間；次大降水量位于渾源縣東南部、廣靈縣南部以及靈丘縣西北部，介于425～434mm之間；最小降水量位于新榮區、云岡區、懷仁縣及云州區西部地區，介于374～384mm之間。

由圖3(c)可知，晉北黃土高原區同朔地區典型頻率為95%的年降水量主要由左云縣向東西兩側方向遞增，且東部降水量大于西部地區，南部降水量大于北部地區。最大降水量位于渾源縣南部和應縣東南角，介于284～296mm之間；次大降水量位于應縣中部、渾源縣中部、廣靈縣西南以及靈丘西北部，介于277～284mm之間；最小降水量主要位于左云縣地區，介于235～243mm之間。

經分析，年降水量最大值除頻率為95%的主要位于渾源縣外，其余均位于靈丘縣，靈丘縣地勢偏高、氣候濕潤，較易發生洪澇災害；年降水量最小值除頻率為95%的主要位于左云縣外，其余均位于懷仁縣、云岡區以及新榮區，這些地區常處于干旱狀態，不易發生洪澇災害。

4 結 語

本文通過選用晉北黃土高原同朔地區連續61年的各雨量站日降水量資料，利用網格法計算出各縣區的年降水量，并基于ArcGIS軟件對P-Ⅲ型曲線適線出的各縣區典型頻率年降水量進行等值線圖繪制。通過分析可知，自開展生態文明建設以來，研究區各縣區降水量總體上呈遞增趨勢。通過對不同典型頻率降水量等值線圖的分析，得出了晉北黃土高原同朔地區不同縣區的旱澇狀況以及洪澇災害易發區的分布情況，該研究結論對區域降水資源、水利工程等的充分利用具有重要作用。