滹沱河山西段降水量時空分布特性分析

程 俊，徐 靜

（1.山西省陽泉市水文水資源勘測分局，山西 陽泉 045000；2.山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

1 流域基本情況

滹沱河是海河水系的重要支流，由忻州市繁峙縣橫澗鄉(xiāng)平型關(guān)發(fā)源，向西從五臺山西北流入忻州盆地，在界河鋪受金山所阻，轉(zhuǎn)向東流，橫穿系舟山和太行山脈在盂縣梁家寨鄉(xiāng)閆家莊村出山西省，于河北省獻(xiàn)縣與滏陽河匯合后稱子牙河[1]。其中，滹沱河山西段山區(qū)部分占61.0%，平川區(qū)部分占18.6%，丘陵區(qū)部分占20.4%，平川區(qū)主要分布在忻州盆地。滹沱河流域基本情況，詳見表1。

表1 滹沱河流域基本情況

該流域水利工程眾多，降雨的變化會導(dǎo)致徑流和可用水量發(fā)生變化，近年來有眾多學(xué)者對全國各區(qū)域的降水特征進(jìn)行了大量研究[2-5]。分析研究降水量的變化特性，對防汛減災(zāi)、水資源開發(fā)利用和水資源綜合規(guī)劃均有重要的現(xiàn)實意義[6]。

2 年內(nèi)降水量分配分析

滹沱河山西段屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水量年內(nèi)分配與季風(fēng)的活動有密不可分的關(guān)系。冬季降水量稀少，只有少量固體降水，且呈現(xiàn)出南多北少、山多谷少的特點；春季降水量逐漸變多，但就總量來說，占全年降水量的比例不足1/5；夏季季風(fēng)活動強烈，降水量充沛，可以達(dá)到全年總降水量的1/2以上；秋季降水量比夏季顯著減少，且分布形式顯現(xiàn)出由北向南增加、由高山向盆地減少的趨勢?？偟膩碚f，降水量在各個季節(jié)間的分配比例是極其不平衡的，如圖1所示。

圖1 滹沱河山西段降水量年內(nèi)分配

經(jīng)分析，可以得出滹沱河山西段降水年內(nèi)分配特征：①降水量在年內(nèi)的分配呈現(xiàn)單峰型，夏季和秋季多雨，汛期（6—9月）降水量占全年的75.74%，東部省界附近的五臺山一帶汛期降水量所占比例在80%以上，如忻州市五臺縣的金崗庫站汛期降水量占全年的86.4%；②7、8兩月降水量最為集中，占全年的48.94%，北部部分地區(qū)可達(dá)50%以上；③冬季（12月至次年2月）干旱，冬季是全年降水最少的時期，降水量只有年降水量的2.41%；④降水量的年內(nèi)分配在各年之間差異較大，豐水年汛期降水量占年降水量的比例較大，枯水年各季節(jié)間分配更為平均，以忻州市的豆羅橋站為例，降水情況見表2；⑤汛期暴雨集中，許多站點最大24 h降水量甚至?xí)^枯水年份的全年降水量，如晉中市昔陽縣的郝家雨量站，2016年7月19日24 h雨量為523.0 mm，枯水年1972年的降水量只有307.7 mm，1 d的降雨量達(dá)到了枯水年降雨量的1.70倍。

表2 豆羅橋站降雨情況

3 年際降水量變化分析

3.1 年降水量變化趨勢分析

利用線性趨勢法、滑動平均法和M-K趨勢分析法對滹沱河山西段1956—2016年平均年降水量變化趨勢進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 滹沱河山西段降水量年際變化

由年降水量過程線可以看出，滹沱河山西段降水量豐、枯懸殊，在1956、1972年分別出現(xiàn)最大和最小年降水量，降水量極值分別為729.5、239.9 mm，最大年降水量是最小年降水量的3.0倍。滹沱河山西段年際間的變化很大，年降水量的極值均出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代之前，近年來年際間的變幅呈減小趨勢，年降水量也呈現(xiàn)出減小趨勢，線性遞減率約為每10 a 5.5 mm。由圖2可以看出，滹沱河山西段降水量呈現(xiàn)波動減小趨勢，有一定的周期性。

通過M-K趨勢分析法對滹沱河山西段年降水量變化趨勢做顯著性分析，取顯著性水平α為0.05，其中M-K趨勢指標(biāo)U＝-0.524，│U│＜Uα/2，說明滹沱河山西段近61 a降水呈不顯著的減小趨勢。

3.2 年降水量突變分析

通過M-K檢驗和滑動t檢驗對滹沱河山西段1956—2016年降水系列進(jìn)行突變分析，結(jié)果如圖3—4所示。

根據(jù)圖3可知，在M-K曲線中，UF和UB曲線有多個交點，均出現(xiàn)在20世紀(jì)五六十年代，分別為1956、1959和1964年。

圖3 降水量M-K統(tǒng)計量曲線

圖4 降水量滑動t統(tǒng)計量曲線

根據(jù)圖4可知，由M-K檢驗識別的突變點年份在子序列長度為10的滑動t檢驗中均未通過α=0.05的顯著水平檢驗，因此大致判斷滹沱河山西段近61 a的年降水量未發(fā)生突變。

3.3 年降水量周期分析

通過小波分析對滹沱河山西段1956—2016年降水系列進(jìn)行周期分析。將滹沱河山西段1956—2016年降水系列進(jìn)行Morlet小波分析，可以得到滹沱河山西段降水量的小波系數(shù)實部等值線、模等值線、方差，如圖5—7所示。

圖5 降水量小波系數(shù)實部等值線

在圖5中，實線部分?jǐn)?shù)值大于零，代表了降水量偏多的時期；虛線部分?jǐn)?shù)值小于零，代表了降水量偏少的時期。由圖5可以看出，滹沱河山西段年降水量存在4個明顯的特征時間尺度，分別為28～31、16～19、10和5 a，其中10 a左右的特征時間尺度主要存在于20世紀(jì)80年代之后、5 a左右的特征時間尺度主要存在于20世紀(jì)80年代之前，沒有貫穿整個研究時段。

圖6 降水量小波系數(shù)模等值線

由圖6可以看出，滹沱河山西段降水系列的周期較為顯著，其小波系數(shù)模值較大的時間區(qū)域為31、19、10、5 a左右，其中31 a左右的時間尺度震蕩能量最強，其次是19 a左右的時間尺度。

圖7 降水量小波方差

由圖7可以看出，在滹沱河山西段年降水量的小波方差圖中存在有31、19、10和5 a 4個較為明顯的峰值，其中最大的峰值出現(xiàn)在31 a左右的特征時間尺度，同時周期震蕩最強烈的也是該時間尺度，因此判斷滹沱河山西段年降水量有31 a的第一主周期，第二、三、四周期分別為19、10和5 a。

4 降水量空間特性分析

根據(jù)1956—2016年滹沱河山西段各雨量站的年降水量，繪制滹沱河山西段的多年降水量等值線如圖8所示。

圖8 滹沱河山西段降水量等值線

由圖8可分析得出滹沱河山西段年降水量的空間分布特征：①滹沱河山西段年降水量分布主要受到了季風(fēng)氣候的影響，大體呈現(xiàn)自東南向西北遞減的趨勢；②滹沱河山西段年降水量分布受山脈走向和地形影響很大，呈現(xiàn)出由河谷向丘陵、山區(qū)遞增和隨高程增高而增加的趨勢；③滹沱河山西段降水量的低值區(qū)主要分布于盆地和山脈的背風(fēng)坡，其中忻州盆地多年平均年降水量小于400 mm；④滹沱河山西段降水量的高值區(qū)主要位于太行山、云中山等山脈的迎風(fēng)坡，尤其是五臺山區(qū)降水量明顯高于周邊地區(qū)；⑤滹沱河山西段降水量空間分布差別很大，其中降水量最大值出現(xiàn)在五臺縣的五臺山雨量站、1956—2016年平均年降水量為777.8 mm，降水量最小值為定襄縣的大營站、多年降水量均值為383.8mm，前者為后者的2.03倍。

5 結(jié)論

滹沱河山西段降水量在各個季節(jié)間的分配比例極其不平衡，主要集中在夏季和秋季，其中7、8月的降水量可以占全年的1/2左右，在這2個月中還常有歷時短、雨強大的短時強降雨發(fā)生。

滹沱河山西段降水量年際間變化劇烈，在近61 a來呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢，沒有明顯的突變，有較為穩(wěn)定的周期變化，第一主周期為31 a。根據(jù)降水量的變化趨勢，預(yù)計未來幾年降水量會有所減小。

滹沱河山西段降水量分布主要受氣候和地形的影響，大體呈現(xiàn)自東南向西北遞減、由河谷向丘陵山區(qū)遞增和隨高程增高而增加的趨勢。

滹沱河上游各支流流域內(nèi)植被較差，森林覆蓋率低，水土流失十分嚴(yán)重。而且由于各支流都是山區(qū)性河流，縱坡普遍較大，產(chǎn)匯流時間短，水流急湍，推移質(zhì)比重較高，一般推懸比為10%～25%，最高的如云中河高達(dá)100%以上，在降雨集中的夏季極易發(fā)生山洪災(zāi)害和滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，在上游山區(qū)建立雨水收集系統(tǒng)，在有條件的地區(qū)建設(shè)新型海綿城市，對緩解區(qū)域內(nèi)水資源短缺、季節(jié)性缺水和預(yù)防山洪、地質(zhì)災(zāi)害都有重要意義。