海河流域降雨時(shí)空變化特征分析

朱曉春，邢 斌，劉江俠

(水利部海河水利委員會(huì)，天津 300120)

自20世紀(jì)80年代以來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，干旱、洪澇災(zāi)害等極端氣候事件發(fā)生的概率有所增加。水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維持良好的自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，降雨又是流域和區(qū)域水資源最主要來源，降雨量的多少及其時(shí)空分布決定了水資源在時(shí)間和空間上的分配以及水資源數(shù)量的改變。由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的雙重因素影響，導(dǎo)致水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的變化，進(jìn)而影響水文循環(huán)特征和水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系。因此，對(duì)降雨時(shí)空分布特征分析研究，有助于了解水資源轉(zhuǎn)化和分布特點(diǎn)。

海河流域?qū)儆跍貛О霛駶?、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。流域內(nèi)降雨季節(jié)性強(qiáng)、時(shí)間和空間分布不均，容易發(fā)生洪澇、干旱等問題。海河流域也是我國水資源嚴(yán)重不足的地區(qū)之一，為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水需求，流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用率已達(dá)到106%，由于水資源過度開發(fā)利用擠占了大量生態(tài)環(huán)境用水，近5年24條平原河流平均年干涸長(zhǎng)度1158km，主要濕地水面比20世紀(jì)50年代減少72%，過度超采形成地下水漏斗16個(gè)，地面最大沉降超過3.25m，地下水戰(zhàn)略儲(chǔ)備瀕臨枯竭，水資源供需矛盾十分突出?？陀^分析海河流域降雨在時(shí)間和空間上的演變規(guī)律及其變化趨勢(shì)，對(duì)海河流域防汛抗旱、水資源合理開發(fā)利用、高效配置、科學(xué)管理以及改善生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料選取及研究方法

以海河流域作為研究對(duì)象，在流域35個(gè)省套水資源三級(jí)區(qū)中選取了灤縣、唐山、官廳、北京、長(zhǎng)治、安陽、臨清、九宣閘等35處資料較全的雨量站(氣象站)1956—2016年逐月降雨量資料，采用線性回歸法、模比系數(shù)差積曲線和空間分析法等，分析流域降雨量在時(shí)間和空間上的變化特征以及典型代表站降雨汛期、非汛期的變化情況。

2 降雨時(shí)間變化特征分析

2.1 年際變化

利用線性回歸法、模比系數(shù)差積曲線分析海河流域降水變化趨勢(shì)表明，流域61年的降雨呈明顯下降趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代至世紀(jì)末降雨持續(xù)下降，到21世紀(jì)初期略呈上升趨勢(shì)。海河流域61年的平均降雨量為527mm，年降雨量極大值796mm出現(xiàn)在1964年，年降雨量極小值356mm出現(xiàn)在1965年，兩者相差440mm，極值比為2.24。1981—1990年連續(xù)10年降雨量低于多年平均降雨量，1999—2011年連續(xù)13年降雨量低于多年平均降雨量，1992—1993年、2014—2015年連續(xù)兩年降雨量低于多年平均降雨量。降雨在1965、1973和1997年發(fā)生突變，如圖1所示。

圖1 海河流域1956—2016年年均降雨量

海河流域61年降雨量模比系數(shù)差積曲線也顯示，1956—1964年總體處于豐水段，其年均降水量比多年平均值大15%；1965—1972年總體處于枯水段，其年均降水量比多年平均值小5%；1973—1979年總體處于豐水段，其年均降水量比多年平均值大9%；1980—2016年總體處于枯水段，其年均降水量比多年平均值小5%，如圖2所示。

圖2 海河流域年降水量模比系數(shù)差積曲線

對(duì)選取的35處典型雨量站(氣象站)的變差系數(shù)Cv值和極值比進(jìn)行分析，變差系數(shù)Cv值和極值比K越大表示變化大，反之則小。35處典型雨量站(氣象站)1956—2016年系列降水量均值介于380～778mm，變差系數(shù)Cv值介于0.19～0.36，極值比介于2.1～6.1之間，說明海河流域是我國降水量多年變化幅度較大的地區(qū)之一，見表1。

2.2 年內(nèi)分配

海河流域降水量年內(nèi)分配非常集中，且很不均勻。全年降水量集中在汛期(6—9月)，1956—2016年汛期降水量占全年降水量的68.6%～83.5%，平均為76.7%。汛期降水量又主要集中在7—8月，其降水量占全年降水量的44.5%～60.9%，平均為51.9%。有些年份，全年降水量甚至集中在1～2次大暴雨中。如1963年河北省獐么站，最大7d降水量占全年降水量的80%。單站年最大24h暴雨量最大年與最小年的比值達(dá)8.6～22.4倍。暴雨強(qiáng)度大，據(jù)點(diǎn)雨量記錄統(tǒng)計(jì)，我國大陸50min和7d最大降雨記錄均發(fā)生在海河流域。

通過對(duì)選取的35處雨量站(氣象站)1956—2016年逐年降水量統(tǒng)計(jì)，其汛期降水量占全年降水量的68.6%～82.8%，平均為77%；7—8月降水量占全年降水量的44.5%～60.6%，平均為53%；7月份降雨量占全年的29.3%；非汛期降水量占全年降水量的17.1%～31.4%，平均為22.9%。選取唐山、北京、九宣閘、臨清等4處雨量站將1956—2016年汛期降雨和非汛期降雨與全年降雨進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)汛期降雨比重呈下降趨勢(shì)，非汛期降雨比重呈上升趨勢(shì)，如圖3所示。汛期降雨比重減少，秋末的十月至次年的三月降雨比重加大，對(duì)這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利，并且從圖3的趨勢(shì)來看，這種現(xiàn)象還會(huì)進(jìn)一步加劇。

2.3 降雨年段變化特點(diǎn)

海河流域61年系列中，1956—1960、1961—1970、1971—1980年段的年均降雨均大于多年平均降雨，分別比多年平均偏多10%、7%和3%；1981—1990、1991—2000、2001—2010年段年均降雨均小于多年平均降雨，分別比多年平均偏少5%、5%和7%；2011—2016年段的降雨基本與多年平均持平，見表2。

表1 海河流域主要站年降雨特征值表

圖3 主要雨量站汛期、非汛期降雨比重趨勢(shì)圖

表2 海河流域不同年段的降雨對(duì)比表

3 降雨空間變化特征

海河流域降水量受氣候、地形等因素的影響，從空間分布來看，存在明顯的地帶性差異，總的趨勢(shì)是由多雨的太行山、燕山山前迎風(fēng)區(qū)分別向西北和東南兩側(cè)減少。從海河流域1956—2016年均降水量等值線圖來看，流域降水分布具有以下特點(diǎn)：

(1)沿太行山、燕山山脈迎風(fēng)坡，有一條600mm的弧形多雨帶，以及半壁山(河北省承德市)、石廟子(河北省承德市)、八道河(北京市)、下莊(河北省保定市)、五臺(tái)山(山西省忻州市)、官山(河南省新鄉(xiāng)市)等700～800mm的高值中心，其中官山多年平均降水量最大，達(dá)905.1mm。

(2)在太行山、燕山的背風(fēng)坡，降水量比迎風(fēng)坡明顯減少，多年平均降水量為400～550mm。內(nèi)蒙古大部、大同盆地、張宣盆地、蔚陽盆地、涿懷延盆地一帶，多年平均降水量不足400mm，為流域降水量低值區(qū)。

(3)平原區(qū)多年平均降水量一般為500～550mm，其中濱海平原較大，多在550～600mm。在定州、欒城、廣宗、衡水一帶，多年平均降水量不足500mm，為平原區(qū)降水低值區(qū)。

對(duì)比1956—2016、1980—2016年年均降雨等值線圖，雖然降雨量的高值區(qū)分布及其等值線的走向基本一致，但是1980—2016年年均降雨量總體較1956—2016年系列有所減少，特別是沿燕山的灤河山區(qū)、北三河山區(qū)一帶，以及北四河下游平原，平均降雨量減少50mm左右，沿太行山降雨高值區(qū)、黑龍港運(yùn)東平原減少30～40mm，其他區(qū)域減少10～30mm，且高值區(qū)范圍有所縮減。僅有局部區(qū)域兩個(gè)系列的降雨量持平或略有增加，分布于子牙河山區(qū)的忻州、灤河山區(qū)靠近內(nèi)蒙古高原東部一帶。

4 結(jié)論

采用線性回歸、模比差積曲線和空間分析法等方法分析了海河流域近61年的降雨時(shí)空分布特點(diǎn)，得出如下結(jié)論：

(1)海河流域降雨時(shí)間上總體呈下降趨勢(shì)；年內(nèi)降雨分布極其不均，汛期降雨比重大，非汛期降雨比重??；4處典型雨量站(氣象站)的降雨隨著時(shí)間推移，汛期降雨比重呈下降趨勢(shì)，非汛期降雨比重呈上升趨勢(shì)，降雨形勢(shì)朝有利方向發(fā)展；降雨在1956—1980年段年均降雨比多年平均偏多，1981—2010年段年均降雨比多年平均偏少；2011—2016年段基本與多年平均持平。

(2)海河流域降雨空間分布不均，總體來看呈明顯的地帶性差異，多年平均年降雨量呈現(xiàn)總的趨勢(shì)是由多雨的太行山、燕山山前迎風(fēng)區(qū)分別向西北和東南兩側(cè)減少。

(3)降水量減少是短時(shí)間內(nèi)不可逆轉(zhuǎn)的自然規(guī)律，勢(shì)必會(huì)加劇海河流域的水資源危機(jī)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，人類應(yīng)該減少對(duì)自然界的破壞，從保護(hù)生態(tài)環(huán)境入手，使氣候環(huán)境得到逐步改善。從近期看，落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度，控制水資源的無序和過度開發(fā)利用強(qiáng)度，推進(jìn)水資源的高效利用和有效保護(hù)，最大限度減少人類活動(dòng)對(duì)水資源和水生態(tài)的破壞量，構(gòu)建水資源合理配置和供水安全保障體系，有效合理利用有限的水資源，注重高質(zhì)量發(fā)展是解決水資源短缺行之有效的措施。