澧水流域降水量的時空分布特征

胡德勇，姚幫松*，孫松林，許航

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省水利廳，湖南 長沙 410007)

降水量作為流域水資源的主要收入項，決定著不同區(qū)域和時間條件下地表水資源的豐枯程度和空間分布狀態(tài)，制約著水資源的數(shù)量與開發(fā)利用的程度[1]。降水量也一直是水文科學(xué)研究中的熱點與難點之一[2]。有研究[3-6]表明，長江中下游地區(qū)年和夏季降水量呈明顯增加趨勢，黃河流域降水量表現(xiàn)出微弱減少趨勢。張愛民等[7]研究了淮河流域近50年降水量的變化，認為年降水量呈減少趨勢，氣候傾向率為-36 mm/(100年)。祝青林等[8]研究了黃河流域近 30年降水量的時空演變特征，認為黃河流域年降水量略有下降趨勢。王兆禮等[9]研究了珠江流域近 40年降水量的時史演變特征，認為珠江流域總降水量呈微弱的增加趨勢。上述研究主要集中于大流域河，對小流域降水量的時空分布特征研究相對較少。澧水流域是湖南省第四大河流域[10]，為典型的山溪性雨洪型河流域。該區(qū)域是湖南省乃至中國重要的糧食、棉花等作物及牲畜養(yǎng)殖商品基地，自然降水為該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的主要來源。在氣候變化和人類活動的共同影響下，澧水流域水資源的時空格局也在發(fā)生深刻變化，降雨、徑流與洪水特性導(dǎo)致該流域洪災(zāi)發(fā)生頻繁，災(zāi)害嚴重[11-12]，給整個洞庭湖區(qū)的防汛安全造成了巨大威脅[13]。筆者根據(jù)澧水流域各水文觀測站多年觀測數(shù)據(jù)，對該流域降水量的時空分布進行了綜合分析，以期更全面地認識和了解流域降水量的時空分布特征，從而對整個流域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和調(diào)整、農(nóng)業(yè)水資源的綜合利用和可持續(xù)發(fā)展、洪水預(yù)報和防汛決策以及生態(tài)環(huán)境治理等起到一定的指導(dǎo)作用。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源包括兩部分：一是澧水流域概況資料，引用了《湖南省水文志》[14]、《湖南年鑒》(2005—2007年)[15-17]的部分數(shù)據(jù)，包括澧水流域的地理位置、地形、地貌、氣象特征和社會經(jīng)濟情況；二是研究區(qū)域內(nèi)控制站點的降水量數(shù)據(jù)(來自湖南省水利廳市(州)防汛地理信息系統(tǒng))，包括澧水流域各水文站和雨量站、水位站 50年以上的實際觀測值；部分指標分析采用石門水文觀測站的數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

1) 水文統(tǒng)計分析方法[18]。研究水文現(xiàn)象的長期變化規(guī)律，通過矩法計算、頻率分析、頻次分析、差積曲線分析、滑動平均分析等求出水文系列資料的月平均降水量、年平均降水量等位置特征參數(shù)及降水量極值比(Km)、變差系數(shù)(Cv)、偏態(tài)系數(shù)(Cs)等離散特征參數(shù)。

2) 相關(guān)分析法[19]。主要分析變量間的相關(guān)關(guān)系，判斷變量間相關(guān)關(guān)系的密切程度，檢驗其相關(guān)系數(shù)。當變量間存在相關(guān)關(guān)系時，可應(yīng)用回歸分析確定因變量和自變量之間的關(guān)系式，包括最小二乘法和線性回歸分析法。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel 2003軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 澧水流域降水量的空間分布

1990—2008年澧水流域上、中、下游代表站年平均降水量列于表1。澧水上游(山區(qū))為本流域最大降雨中心，年降水量在1 500 mm以上，區(qū)域平均年降水量(1 590.70 mm)位于湖南省之首[14]；中游(丘陵區(qū))年降水量1 300～1 500 mm，區(qū)域平均年降水量1 393.62 mm；下游(濱湖平原)年降水量小于1 300 mm，區(qū)域平均年降水量1 209.73 mm。

表1 1990—2008年澧水流域各代表站年降水量Table 1 Average rainfall of the representative station of Lishui basin from 1990 to 2008

由表1得出澧水流域年平均降水量(y)與高程(x)的關(guān)系：y = 0.725 9 x－855.49 (x≥1 200 mm)，澧水流域降水量隨高程的增加而不斷加大，變化趨勢是自流域上游向下游遞減，自西北(高山丘陵區(qū))向東南部(濱湖平原區(qū))遞減，分布規(guī)律與流域地勢變化一致；澧水流域降水量與高程存在顯著相關(guān)性，高程每降低100 m，降水量減少137.76 mm。

2.2 澧水流域降水量的時間分布

2.2.1 年內(nèi)分配

由圖1可知，1990—2008年澧水流域上、中、下游各區(qū)域年降水量年內(nèi)分配存在差異，1—4月和11—12月降水量趨勢一致，5—10月降水量為上游、中游、下游依次遞減；流域降水量年內(nèi)分配不均，年內(nèi)降水量集中程度高，4—8月為澧水流域汛期，降水量占全年總降水量的72.47%；連續(xù)3個月最大降水量出現(xiàn)在 5—7月，降水量約占全年總降水量的44.1%；連續(xù)3個月最小降水量出現(xiàn)在12月至次年2月，降水量占全年總降水量的9.1%。

圖1 1990—2008年澧水流域降水量的年內(nèi)分配Fig.1 Regional distribution of rainfall during the year

2.2.2 年際變化

1) 年際變化幅度。由表2可知，澧水流域上、中、下游年降水量的年際變幅趨勢基本一致。澧水中、下游降水量的Km和Cv均大于澧水上游，說明澧水中、下游年際變化和變化幅度均大于澧水上游，而澧水上游的Cs和Cs/Cv值均大于澧水中、下游，說明澧水上游降水量對均值的不對稱程度大于澧水中、下游。

表2 澧水流域年降水量變差系數(shù)和極值比Table 2 Parameters of inter-annual variation in the Lishui basin

2) 年代際變化趨勢。由圖2可以看出，澧水流域不同年限年降水量的變化趨勢較為一致，中、下游變化較上游劇烈；年代際間上游降水量一直大于中、下游降水量；年降水量同步系列中，上游年降水量略有增減，中、下游 20 世紀 50 年代降雨偏多，六七十年代降雨偏少，80年代降雨增多，90年代以后基本呈偏少態(tài)勢。

圖2 澧水流域降水量的年代際變化Fig.2 Changes of decadal rainfall of the Lishui basin upstream and middle-downstream

3) 多年變化的差積曲線分析。圖3為澧水流域石門站歷年年降水量模比系數(shù)及歷年模比差積曲線過程圖。澧水流域石門站的年降水量模比系數(shù)曲線表現(xiàn)為單一月半峰或饅頭式過程，說明其年降水量年際間的豐、枯變化時間持續(xù)時間較長，變幅較大。

圖3 澧水流域石門站降水量模比差積與系數(shù)Fig. 3 Curve of frequency factor and coefficient of Shimen station Lishui basin

4) 連豐、連枯頻次分析。統(tǒng)計澧水流域石門站1950—2008年降水量系列資料結(jié)果顯示，連豐年數(shù)為2年的發(fā)生7次，3年的發(fā)生2次，沒有4年以上的連豐現(xiàn)象發(fā)生；連枯年數(shù)為2年的發(fā)生7次，3年的發(fā)生2次，4年以上的發(fā)生1次。連豐系數(shù)K豐極值(1.31)小于連枯系數(shù) K枯極值(1.40)，且 K豐的變化幅度也小于K枯，說明澧水流域連枯年限大于連豐年限。

3 小結(jié)與討論

a.澧水流域年降水量具有典型的區(qū)域差異性，總的趨勢是自流域上游向下游遞減，自西北(高山丘陵)向東南部(濱湖平原區(qū))遞減，降水量與高程存在顯著相關(guān)，高程每降低100 m，年降水量減少137.76 mm。據(jù)此，在整個流域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和調(diào)整時，根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)的需水量，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不同作物的需水量，在流域上游盡量種植需水量大且涵養(yǎng)水源能力強的作物，在充分利用天然降水資源的同時，為下游的用水提供保障；在流域的中、下游合理布置二三產(chǎn)業(yè)，綜合利用流域的降水資源。

b.澧水流域年降水量年內(nèi)分配極不均勻，集中程度高。4—8月為澧水流域汛期，降水量占全年總降水量的 72.47%；連續(xù) 3個月最大降水量出現(xiàn)在5—7月，約占全年總降水量的44.1%；連續(xù)3個月最小降水量出現(xiàn)在12月至次年2月，降水量只占全年的9.1%；因此，生產(chǎn)上要提前做好汛期洪水的預(yù)防和旱季水資源的調(diào)度，科學(xué)安排全流域的工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

c.澧水流域年降水量具有明顯的年際變化，中、下游年際變化幅度大于上游，降水量年際間豐枯變化持續(xù)時間較長，變幅較大，連豐最長年數(shù)為3年，而連枯最長年數(shù)可達4年。根據(jù)連豐、連枯最大年限，應(yīng)科學(xué)設(shè)置水庫調(diào)度方案和流域水資源使用方案，密切關(guān)注整個流域的生態(tài)安全，確保全流域的生態(tài)平衡，避免大旱大澇災(zāi)害的出現(xiàn)。

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