黃土丘陵區(qū)小流域暴雨時空變化特征分析*

王玲玲,劉明元,李偉偉,楊春霞

(1.黃河水利科學(xué)研究院,鄭州450003;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西楊凌712100;3.新野縣水利局,河南新野473500;4.鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程公司,鄭州450003)

在干旱半干旱的黃土丘陵區(qū),暴雨類型特征、時空變化過程是影響流域產(chǎn)匯流、產(chǎn)輸沙空間變化的主要因素之一[1],如何定量地描述這些特征,已成為該地區(qū)流域侵蝕模擬計算中的基本問題[2]。本文以黃土丘陵區(qū)雨量站控制條件較好的小流域為對象,研究了該流域的暴雨類型、時段降雨同次降雨分布的內(nèi)在聯(lián)系以及時段降雨的時空變化過程,為進(jìn)一步深入認(rèn)識流域土壤侵蝕機(jī)理提供了基礎(chǔ)。

1 研究流域及資料概況

選擇橋溝流域為研究對象。橋溝是裴家峁溝流域的一級支溝,流域面積0.45 km2,主溝長1.4 km,流域內(nèi)現(xiàn)布設(shè)徑流站3個,自記雨量站4個。

暴雨雨型是影響土壤侵蝕的主要因素之一。以往研究表明[3],暴雨類型主要分為A、B和C三種,其中A、B型暴雨是引起土壤侵蝕的主要暴雨。選擇1986-1996年36場暴雨進(jìn)行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結(jié)果表明,36場暴雨中17場為A型暴雨,占47.2%,B型暴雨13場,占36.1%,C型暴雨6場,占16.7%。

2 時段降雨與次降雨的關(guān)系

時段降雨分布與次降雨的關(guān)系,反映了降雨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,用來進(jìn)一步分析和確定具有代表性的降雨空間頻率分布特征。取橋溝流域自記雨量站資料比較齊全的10場暴雨,對其時段降雨分布與次降雨分布進(jìn)行了相關(guān)分析。分析采用各站次降雨量與其不同時段雨強(qiáng)的對應(yīng)空間序列進(jìn)行。相關(guān)分析結(jié)果見表1、圖1。

表1 相關(guān)分析結(jié)果

圖1 不同時段降雨和次降雨之間的關(guān)系

分析結(jié)果表明：(1)4個時段的降雨分布與次降雨分布的相關(guān)水平波動較大,次降雨和30 min時段降雨量的相關(guān)性在0.05水平只有0.478,而次降雨和150 min時段降雨的相關(guān)性在0.01水平達(dá)到0.912。說明隨著時段雨量增加,時段降雨分布對次降雨分布的影響增強(qiáng),表現(xiàn)在主雨峰期,各時段的相關(guān)關(guān)系均較好。(2)從表1可以看出,隨著時段的加長,相關(guān)系數(shù)的增加幅度減小。120 min和150 min時段的相關(guān)關(guān)系比較接近。說明在黃土丘陵區(qū),降雨歷時一般較短,當(dāng)分析時段達(dá)到一定長度以后,對次降雨分布就具有一定的代表性。

3 降雨時空特征分析

3.1 降雨空間變化的結(jié)構(gòu)特征

所謂空間結(jié)構(gòu)應(yīng)指降雨在流域內(nèi)任一點降落的特性同流域尺度的關(guān)系。但一般認(rèn)為,空間結(jié)構(gòu)是指流域內(nèi)任意兩點降雨的差值與其各自的絕對位置(X,Y,Z)無關(guān),而只與其相對距離|d|有關(guān),因此,本文主要通過相關(guān)距離加以分析,以能夠定量反映其空間變化的結(jié)構(gòu)特征。

對橋溝流域,對各雨量站的次降雨進(jìn)行相關(guān)分析計算,相關(guān)分析結(jié)果見表2。其相關(guān)距離關(guān)系如圖2。

表2 各雨量站的次降雨相關(guān)系數(shù)

從圖2和表2可以看出,相關(guān)系數(shù)隨著距離的增加而減小,反映流域降雨空間變化程度的相關(guān)距離關(guān)系隨距離的增加而減弱。同時,降雨空間結(jié)構(gòu)的變化,不僅僅只是距離的函數(shù),它還與研究的參考點有關(guān),實質(zhì)是與流域地貌和高程,以及雨量站的位置有關(guān)。

3.2 降雨的時空變化過程

3.2.1 降雨空間插值 由于流域內(nèi)的雨量站是散點布設(shè)于流域面上,在進(jìn)行降雨時空分析時,必須采用適當(dāng)?shù)姆椒▽涤暧^測值進(jìn)行空間離散(時間步長為0.5 h),本次研究中采用反距離權(quán)重插值方法對流域的實測降雨進(jìn)行插值[4](時間步長為0.5 h),反距離權(quán)重方法的通用方程是：

圖2 次降雨相關(guān)距離圖

式中：Zi——控制點i的z值;d i——控制點i與點0間的距離,表示由離散點(xi,yi)至P(x,y)點的距離;p(z)——要求的待插點的值。參數(shù)u為距離的方次,取值在1.0至6.0之間,本研究取為2.0。

3.2.2 降雨時空變化過程 應(yīng)用ARC/INFO軟件對插值后的降雨空間分布進(jìn)行繪制[5],可得到直觀的暴雨分布圖。結(jié)合流域?qū)崪y的流量過程線,對該流域暴雨特征進(jìn)行分析。以1996-07-05和1997-07-29場洪水作為代表,分析橋溝流域的降雨時空過程(圖3,4)變化特征。

圖3 1996-07-05降雨時空變化過程

圖4 1997-07-29降雨時空變化過程

由圖3,4可以看出,一個流域上每次降雨的暴雨中心位置并不是固定的,而是不斷變化的,由此也就造成了流域土壤流失過程復(fù)雜多變。因此,在建立土壤流失預(yù)測模型過程時,要考慮建立基于水動力學(xué)過程的分布式土壤流失模型,才能反映整個流域的降雨-徑流-泥沙過程。

4 結(jié)論

(1)以橋溝流域為研究對象,分析了流域暴雨類型特征,分析結(jié)果表明,該流域暴雨類型以A、B型為主,是引起流域土壤侵蝕的主要外營力之一。

(2)分析橋溝流域時段降雨與次降雨之間的關(guān)系,結(jié)果表明,隨著時段的增加,時段降雨分布對次降雨分布的影響增強(qiáng),當(dāng)分析時段達(dá)到一定長度以后,對次降雨分布就具有一定的代表性。

(3)分析降雨時空變化過程結(jié)果表明,降雨空間變化程度的相關(guān)距離關(guān)系隨距離的增加而減弱,并從時間過程來看,次降雨的暴雨中心位置是不斷變化的,這一變化是引起流域土壤侵蝕過程復(fù)雜多變的重要因素之一。

[1] 張漢雄.黃土高原的暴雨特性及其分布規(guī)律[J].地理學(xué)報,1983,38(4)：416-425.

[2] 李長興,沈晉,范榮生.黃土地區(qū)小流域降雨空間變化特征分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,1995,6(2)：127-132.

[3] 焦菊英,王萬中,郝小品.黃土高原不同類型暴雨的降水侵蝕特征[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1999,13(1)：34-42.

[4] 朱會義,賈紹鳳.降雨信息空間插值的不確定性分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2004(2)：35-43.

[5] 湯國安,楊昕.ARCGIS空間分析實驗教程[M].北京：科學(xué)出版社,2009：260-264.