石虎子河小流域降雨年內分配特征研究

葉欣欣

(昌圖縣水利事務服務中心,遼寧 昌圖 112599)

降雨對農業生產、生態環境演變以及水資源時空分布等具有重要影響,降雨是導致山洪、泥石流及水土流失等自然災害的重要原因,對降雨分配特征進行研究極具現實意義。我國許多學者從不同角度探究了降雨分配特征,如劉偉等運用滑動平均法和累積距平法,依據1956—2011年渾河流域徑流及逐日降水數據,從時間尺度上分析徑流量與降水量的相關性,進一步揭示兩者的變化趨勢;黃曉亞等利用非參數檢驗(M-K)法和集中度分析了降雨統計特征與日降水之間的關系,探討極端降雨隨集中度的變化規律;劉文莉等以陜西省為例,通過分析年內降水分配特征提出旱澇災害主要受年內降水集中度的影響,降水集中度越大則洪澇災害發生概率越高;張學洪等對北部灣經濟區降雨分配狀況利用降雨年內分配不均勻系數進行分析,結果顯示氣候變化在一定程度上會降低降水年內穩定性,提高分配不均勻性;劉士余等以贛西北大坑小流域為例,運用統計回歸法和時間序列法分析其降雨變化趨勢,表明該小流域降雨具有明顯的季節差異性,年內降雨呈現出單峰型變化特征;王紀軍等通過計算分析,從側面上揭示了降水年內分配特點,結果表明不均勻系數與降水集中度存在顯著相關性,以上指標的功能和效用相同[1-6]。昌圖縣屬東北黑土區,地貌形態復雜,多為構造剝蝕地形,因人為和自然因素破壞土壤抗侵蝕能力差,水土流失及河道淤積嚴重,統計分析土壤侵蝕受年內降雨特征影響就顯得非常重要。因此,文章結合序列降雨數據,研究昌圖縣石虎子河小流域降雨年內分配特征,以期準確掌握昌圖縣降雨變化規律,為東北黑土區土壤侵蝕研究提供科學依據。

1 研究方法

1.1 小流域概況

石虎子河小流域位于昌圖縣泉頭鎮境內,流域面積17.31 km2。該小流域屬大陸性季風氣候,年降水量607.5 mm,年徑流深183 mm。土壤類型是棕壤和草甸土,垂直節理發育,顆籽均勻,黏粒含量低,膠結力很弱,易于產生土壤侵蝕。植被屬長白植物區系,由山林和草灌所構成,天然次生林較多,人工林較少,植被覆蓋度54 %,樹種主要以落葉松、刺槐為主,經濟林樹種主要有榛子、梨、櫻桃等,流域內樹種單調,品種單一。

1.2 數據來源

流域內設有監測站點,主要監測設施有雨量站、簡易氣象觀測場,主要設備有自記水位計和雨量計、取樣瓶等,可以用于徑流量、泥沙和降雨量等監測。研究數據來源于昌圖縣石虎子河小流域監測站2018—2021年605場降雨資料,主要包括每場次最大30 min降雨強度和年內日、旬、月降雨量。

1.3 計算方法

本研究選用降雨集中度及不均勻系數分析降雨分配特征,表示年內各旬降水集中程度;為反映降雨波動與分布特征,對每日、旬、月降水量利用統計學方法進行分析,通過探討各類雨型分布情況和每年侵蝕性降雨場次反映全年降雨狀,數據統計分析使用到的軟件有SPSS、Excel、Origin8.0等。

2 結果與分析

2.1 月降雨量分析

月降水量就是從第二層次上分析年降雨分配情況,它反映了每個月上年降雨總量的分配特征,石虎子河小流域2018—2021年月均降雨量分布如圖1所示。

圖1 石虎子河小流域月降水量變化曲線

由圖1可知,石虎子河小流域降雨年內分布呈正態分布形式,總體為非均勻分布的單峰曲線。1～5月降雨總量<40 mm,分布曲線較為平緩均勻,該時段為旱季;從6月降雨曲線明顯上升,斜率不斷增大,說明從該時刻開始進入雨汛期,降雨量最大值出現在7月份,峰值降雨量達到150 mm;從8月降雨量逐漸減小,降幅較為明顯,到9月降雨量減少到80 mm以下,這表明6～9月降雨分配不均衡;從10月降雨量降幅逐漸變緩,之后減少到12 mm。因此,研究認為6～9月為石虎子河小流域降雨汛期,降雨量多集中于7月和8月,占全年總降雨量的45.2 %,12月—次年3月降雨較少占全年的10.4 %[7]。

通過對比分析石虎子河小流域2018—2021年總體平均月和各年月降雨量分布情況可知,2018—2021年月降雨量轉變成雙峰型分布曲線,6～8月出現峰值,但是6～9月雨汛期未發生改變;雖然在雨汛期降雨分布略分散,但整體上仍不均勻。

2.2 旬降雨量分析

通過統計分析月降雨量,從總體上認識了降雨分配特征,但是月對年而言單位太大仍需進一步研究月內分配情況,從而更加細致、清晰、具體全面地分析降雨分配情況,實現降雨的合理利用[8]。由于部分數據的缺失,對2019年前4個月和2018年全年的旬降雨量分布不做分析。旬降水量就是從第三層次上分析年降雨分配特征,它反映了月內降雨分配情況,石虎子河小流域2018—2021年旬降雨量分布如圖2所示。

圖2 石虎子河小流域旬降水量變化曲線

由圖2可知,每年11月～次年3月旬降雨量波動變化較小,這表明在該時段內降雨量分配均勻;在6～9月降雨量有較大波動幅度,這表明在該時段降雨量分配不均勻,總體表現出降雨量越大則波動幅度越大的特征,尤其是2019年表現出明顯的波動差距。從分配特征上,降雨均勻性與降雨量之間存在負相關性,月內降雨量分配不均。2018—2021年旬降水量折線點總體呈兩低一高的分布特征,表明在每個月的某旬內降水比較集中,從側面反映了降雨月內分配的不均勻性,該分布特征易引起洪澇和暴雨災害。

通過對比圖1與圖2發現,雨汛期降雨多為暴雨和大雨,全年68.6%的降雨量發生在6～9月,這是導致年內降雨分配不均的關鍵因素;降雨月內主要發生在某旬內,短時間大雨量會形成大雨甚至暴雨;全年大雨和暴雨占總價場次的12.8%,說明年內降水受暴雨及大雨影響較大,汛期發生暴雨和大雨很容易導致洪澇災害。

2.3 日降雨量分析

通過合理劃分降雨等級和統計分析日降雨量,可以全面地掌握降雨年內分布特征以及全年降雨類型分布情況,為洪澇災害控制提供數據支撐[9-10]。根據劃分標準(表1),統計各種強度級別降雨在每個月中的場次,從而直觀地反映不同強度級別上年降雨總量的分布形式和特征,石虎子河小流域2018—2021年平均日降雨強度場次分布如圖3所示。

表2 降雨類型劃分標準

圖3 2018—2021年日降雨強度場次分布特征

由圖3可知,2018—2021年石虎子河小流域降雨以小雨、中雨為主,占總降雨天數的74.0%和12.8%,每個月基本上都有小雨或中雨,分布較均勻;大雨和暴雨多發生在6～8月,占總降雨天數的12.5%。研究期間未發現特大暴雨,統計出2次大暴雨,考慮到特大暴雨和大暴雨屬極端氣候,故不做詳細分析。總體而言,石虎子河小流域降雨類型以中、小雨為主,占總降雨場次的83.3%,,多發生在10月～次年3月。雖然暴雨和大雨場次較少,但其分布較為集中且降雨量大,6～8月占全年總暴雨和大雨場次的72%,暴雨和大雨占全年總降雨量接近50%。

2.4 降雨集中期與集中度

集中度可以直觀地演示年內非均勻分配特征,集中期是指哪一個旬內出現最大旬降水量,這是定量反映年內降雨集中時段的參數,表達式為:

(1)

式中:PCDi、PCPi為第i年的降雨集中度和集中期;Rxi、Ryi、Ri為在x、y軸上監測站第i年逐旬降水量投影之和及其總降雨量;rij、θj為第i年j旬的降雨量及其矢量角度;i、j表示年份和年內旬序,i=2018,2019,2020,2021;j=1,2,…,36。因此,PCDi處于0～1之間,該值越大則代表降雨量越集中,相應的年內分配越不均勻[11]。

考慮到缺少2019年1～4月和2018年全年數據,本研究僅計算2020年及2021年降雨集中度。經計算,2020年、2021年降雨集中度為0.82和0.79,兩年的集中度均超過0.7,這表明2020—2021年石虎子河小流域年內降雨分配不均,整體較為集中。2020年、2021年降雨集中期為17.7和19.3,兩年的平均值為18.5,說明降雨集中期為每年7月上旬,但數據資料較少,每年第18～20個旬日(6月下旬至7月中旬)屬于石虎子河小流域降雨集中期。

2.5 年內不均勻分配系數

不均勻系數Cvy反映了年內降雨量分配不均勻程度,一般利用數學方法定量描述降雨分配情況,更加直觀地衡量降雨分配特征,其表達式為:

(2)

式中:Ki、K為各月和各月平均占年總降水量百分比,其中K=100%/12=8.33%,依據降雨量計算不均勻系數,各月平均分配雨量時不均勻系數為0,說明月際間降雨量分配比較均勻;在某一個月集中分布當年降雨時不均勻系數取1,說明月際間降雨量分配極不均勻;Cvy值越大代表年內分配越不均勻,月際間相差越明顯[12]。經計算,2019—2021年石虎子河小流域年內降雨不均勻系數為0.811、0.816、0.814,其平均系數值為0.814,總體較高,說明研究期間石虎子河小流域年內降雨分配不均勻。

2.6 侵蝕性降雨分析

通過統計分析侵蝕性降雨能夠更加全面地了解其變化規律及分布特征,為發展生產和土壤保護提供參考[13-15]。考慮到石虎子河小流域植被覆蓋一般,結合相關研究成果確定該流域土壤產生侵蝕時的最大30min雨強為10mm/h以上,2019—2021年發生的605場次降雨中,有74場次屬于侵蝕性降雨,所占比為12.23%,石虎子河小流域2018—2021年侵蝕性降雨場次分布如圖4所示。

圖4 2018—2021年I30>10mm降雨場次分布

由圖4可知,2018—2021年石虎子河小流域侵蝕性降雨主要發生在6～8月,7月出現峰值,該月侵蝕性降雨平均發生6次,總體分布不均勻。侵蝕性降雨發生規律一般與土壤侵蝕相同,因此研究侵蝕性降雨分配特征可以為區域水土流失治理提供參考依據。

3 結 論

1)研究認為6～9月為石虎子河小流域降雨汛期,降雨量多集中于7月和8月,占全年總降雨量的45.2%,12月至次年3月降雨較少占全年的10.4%。另外,在每個月的某旬內降水比較集中,這從側面反映出降雨月內分配的不均勻性,該分布特征易引起洪澇和暴雨災害。

2)從降雨場次上,2018—2021年石虎子河小流域降雨以小雨、中雨為主,每個月基本上都有小雨或中雨,分布較均勻,大雨和暴雨多發生在6～8月且分布不均勻。雖然暴雨和大雨場次較少,但其分布較為集中且降雨量大。

3)通過計算分析降雨集中期和集中度可知,降雨集中度均超過0.7,石虎子河小流域年內降雨分配較為集中。降雨集中期平均值為18.5,說明該小流域降雨集中期為每年7月上旬,降雨不均勻系數均超過0.8,表明研究期間年內降雨具有較高的不均勻程度。石虎子河小流域侵蝕性降雨主要發生在6～8月,總體分布不均勻,可以為區域水土流失治理提供參考依據。