基于ArcGIS的晉北黃土高原區(qū)典型頻率年降水量分布特征研究

呂雁翔

(山西省大同市水文水資源勘測(cè)站，山西 大同 037043)

降水是影響水資源量的重要因素，是計(jì)算工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利開(kāi)發(fā)、江河防洪潛力和進(jìn)行工程管理評(píng)價(jià)等的重要參數(shù)，也是作物生育過(guò)程中必不可少的因子[1]。降水的分布，很大程度上決定了水資源和作物的分布[2]。因此，對(duì)一定區(qū)域典型頻率年降水量進(jìn)行高精度的空間化研究對(duì)于水文分析、水資源管理、生態(tài)環(huán)境治理、工程防洪評(píng)價(jià)以及作物適宜性評(píng)價(jià)等都具有重要意義。晉北黃土高原屬干旱半干旱地區(qū)，降水量少且時(shí)空分布不均，開(kāi)展典型頻率5%、50%、95%年降水量時(shí)空分布研究對(duì)于降水資源、水利工程的充分合理利用非常重要。

降水資料一般來(lái)源于分布有限的水文站或氣象站的點(diǎn)狀資料，而研究降水量的空間分布特征需將點(diǎn)狀資料插值為面狀資料[3]?？臻g插值的理論前提是假設(shè)地理位置越相近，屬性特征也就越相似。降水量空間插值是將分布離散站點(diǎn)上的降水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)某種關(guān)系式內(nèi)插或外推到整個(gè)地理區(qū)域，預(yù)測(cè)這一區(qū)域內(nèi)每個(gè)位置上的降水量值[4]?？臻g插值方法應(yīng)用較為普遍的有泰森多邊形法、反距離權(quán)重插值法、樣條函數(shù)插值法、克里金插值法[5]等。本文主要基于ArcGIS采用克里金插值法對(duì)晉北黃土高原區(qū)年降水量進(jìn)行插值。

1 研究區(qū)概況與資料

1.1 研究區(qū)概況

本次研究對(duì)象選取的是晉北黃土高原大同市、朔州市16個(gè)縣區(qū)，均屬于典型的干旱半干旱地區(qū)，且降水量小、時(shí)空分布不均。同朔地區(qū)位于晉、冀、內(nèi)蒙古三省(自治區(qū))交界處，地處黃土高原東北邊緣，北與內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市接壤，東與河北省張家口市、保定市相接，南與忻州市毗鄰。研究區(qū)海拔多在1000m以上，最高處為陽(yáng)高縣六棱山主峰黃羊尖2420m，轄有平城區(qū)、云岡區(qū)、新榮區(qū)、云州區(qū)、陽(yáng)高縣、天鎮(zhèn)縣、渾源縣、靈丘縣、廣靈縣、左云縣、朔城區(qū)、平魯區(qū)、右玉縣、左云縣、山陰縣、懷仁縣5區(qū)11縣，總面積24753km2。

研究區(qū)內(nèi)河流分別屬于海河流域永定河水系、大清河水系和黃河流域黃河水系，設(shè)有雨量站315處，站網(wǎng)密度達(dá)78.6km2/站，符合單站控制面積不宜大于150km2的規(guī)定[6]。由雨量站網(wǎng)密度分析和圖1雨量站點(diǎn)分布可知，雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)可代表面上數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)雨量站網(wǎng)分布情況

1.2 選用資料

本文選用研究區(qū)1956—2016年間的各雨量站日降水量資料，研究典型頻率為5%、50%、95%的年降水量分布情況。各雨量站日降水資料來(lái)源于《中華人民共和國(guó)水文年鑒·海河流域水文資料》和《中華人民共和國(guó)水文年鑒·黃河流域水文資料》。

2 研究方法

2.1 各典型頻率年降水量計(jì)算方法

各縣區(qū)的年降水量通過(guò)1956—2016年的各雨量站日降水資料得出各站的年降水量，然后運(yùn)用網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算得出各縣區(qū)的年降水量。將各縣區(qū)年降水量由大到小進(jìn)行排序，并用式(1)計(jì)算各降水量的經(jīng)驗(yàn)頻率[6]。

(1)

式中：m為大于或等于所對(duì)應(yīng)降水量的總個(gè)數(shù)；n為樣本值,n=61。

將各縣區(qū)降水量同對(duì)應(yīng)的頻率繪制在海森概率格紙上。

采用P-Ⅲ型曲線(xiàn)對(duì)降水量散點(diǎn)進(jìn)行擬合。其中，樣本均值為

(2)

式中：P為1956—2016年的降水量均值，mm；Pi為每年對(duì)應(yīng)的降水量,mm。變差系數(shù)為

(3)

圖2 大同市靈丘縣1956—2016年的年降水量適線(xiàn)

根據(jù)圖2擬合的P-Ⅲ型曲線(xiàn)，可得靈丘縣各典型頻率對(duì)應(yīng)的年降水量，見(jiàn)表1。

表1 靈丘縣1956—2016各頻率設(shè)計(jì)年降水量

2.2 典型頻率年降水量等值線(xiàn)圖繪制方法

采用ArcGIS10.1中文版對(duì)典型頻率年降水量等值線(xiàn)圖進(jìn)行繪制。

2.2.1 基礎(chǔ)圖層準(zhǔn)備

首先，將全國(guó)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)時(shí)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院發(fā)布的大同市、朔州市以及相關(guān)16個(gè)縣區(qū)的邊界線(xiàn)圖層加載至ArcGIS中。然后通過(guò)ArcToolbox中的“數(shù)據(jù)管理工具”“要素”“要素轉(zhuǎn)點(diǎn)”工具將各縣區(qū)邊界線(xiàn)圖層轉(zhuǎn)化為點(diǎn)圖層。

2.2.2 典型頻率雨量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

將通過(guò)P-Ⅲ型曲線(xiàn)擬合的16個(gè)縣區(qū)典型頻率為5%、50%、95%的降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行摘錄，可通過(guò)兩種方法錄入至縣區(qū)點(diǎn)圖層屬性表中：

a.直接打開(kāi)縣區(qū)點(diǎn)圖層屬性表，點(diǎn)擊“表選項(xiàng)”下的“添加字段”選項(xiàng)添加名稱(chēng)為“5%年降水量”“50%年降水量”“95%年降水量”3個(gè)字段，將字段類(lèi)型均設(shè)置為“雙精度”即可。然后點(diǎn)擊工具欄的“編輯”“開(kāi)始編輯”選項(xiàng)對(duì)縣區(qū)點(diǎn)圖層進(jìn)行編輯，將摘錄出的降水量數(shù)據(jù)輸入至相應(yīng)縣區(qū)的位置。

b.將16個(gè)縣區(qū)典型頻率為5%、50%、95%的降水量數(shù)據(jù)摘錄至Excel表中，其中第一列是“縣區(qū)名稱(chēng)”，縣區(qū)名稱(chēng)要與ArcGIS中縣區(qū)點(diǎn)圖層屬性表中的縣區(qū)名稱(chēng)以及順序一致。第2～4列分別是“5%年降水量”“50%年降水量”“95%年降水量”，將對(duì)應(yīng)的降水量數(shù)據(jù)錄入相應(yīng)位置；在ArcGIS中內(nèi)容列表右鍵點(diǎn)擊縣區(qū)點(diǎn)圖層，選擇“連接和關(guān)聯(lián)”“連接”，在彈出的對(duì)話(huà)框中按要求輸入相應(yīng)內(nèi)容即可。

2.2.3 典型頻率雨量等值線(xiàn)圖繪制

典型頻率雨量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，選擇ArcToolbox中的“Spatial Analyst工具”“插值分析”“克里金法”，在彈出的對(duì)話(huà)框中按要求輸入相應(yīng)內(nèi)容，便會(huì)生成包含整個(gè)同朔地區(qū)在內(nèi)的長(zhǎng)方形柵格數(shù)據(jù)。

選擇ArcToolbox中的“Spatial Analyst工具”“提取分析”“按掩膜提取”，在彈出的對(duì)話(huà)框中按要求輸入相應(yīng)內(nèi)容，即完成對(duì)等值線(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的裁剪，生成研究區(qū)的典型頻率等值線(xiàn)分布圖,見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)降水量等值線(xiàn)

3 結(jié)果分析

由圖3(a)可知，晉北黃土高原區(qū)同朔地區(qū)典型頻率為5%的年降水量由云岡區(qū)、懷仁縣向東西兩側(cè)方向遞增，且西部降水量大于東部地區(qū)，南部降水量大于北部地區(qū)。最大降水量位于靈丘縣東南部分，介于645～670mm之間；次大降水量位于靈丘縣中部地區(qū)，介于627～645mm之間；最小降水量位于云岡區(qū)和懷仁縣以及新榮區(qū)部分地區(qū)，介于522～546mm之間。

由圖3(b)可知，晉北黃土高原區(qū)同朔地區(qū)典型頻率為50%的年降水量由新榮區(qū)、云岡區(qū)、懷仁縣、平城區(qū)及云州區(qū)西部向東西兩側(cè)方向遞增，且西部降水量大于東部地區(qū)，南部降水量大于北部地區(qū)。最大降水量幾乎覆蓋整個(gè)靈丘縣，介于434～446mm之間；次大降水量位于渾源縣東南部、廣靈縣南部以及靈丘縣西北部，介于425～434mm之間；最小降水量位于新榮區(qū)、云岡區(qū)、懷仁縣及云州區(qū)西部地區(qū)，介于374～384mm之間。

由圖3(c)可知，晉北黃土高原區(qū)同朔地區(qū)典型頻率為95%的年降水量主要由左云縣向東西兩側(cè)方向遞增，且東部降水量大于西部地區(qū)，南部降水量大于北部地區(qū)。最大降水量位于渾源縣南部和應(yīng)縣東南角，介于284～296mm之間；次大降水量位于應(yīng)縣中部、渾源縣中部、廣靈縣西南以及靈丘西北部，介于277～284mm之間；最小降水量主要位于左云縣地區(qū)，介于235～243mm之間。

經(jīng)分析，年降水量最大值除頻率為95%的主要位于渾源縣外，其余均位于靈丘縣，靈丘縣地勢(shì)偏高、氣候濕潤(rùn)，較易發(fā)生洪澇災(zāi)害；年降水量最小值除頻率為95%的主要位于左云縣外，其余均位于懷仁縣、云岡區(qū)以及新榮區(qū)，這些地區(qū)常處于干旱狀態(tài)，不易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)選用晉北黃土高原同朔地區(qū)連續(xù)61年的各雨量站日降水量資料，利用網(wǎng)格法計(jì)算出各縣區(qū)的年降水量，并基于ArcGIS軟件對(duì)P-Ⅲ型曲線(xiàn)適線(xiàn)出的各縣區(qū)典型頻率年降水量進(jìn)行等值線(xiàn)圖繪制。通過(guò)分析可知，自開(kāi)展生態(tài)文明建設(shè)以來(lái)，研究區(qū)各縣區(qū)降水量總體上呈遞增趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)不同典型頻率降水量等值線(xiàn)圖的分析，得出了晉北黃土高原同朔地區(qū)不同縣區(qū)的旱澇狀況以及洪澇災(zāi)害易發(fā)區(qū)的分布情況，該研究結(jié)論對(duì)區(qū)域降水資源、水利工程等的充分利用具有重要作用。