康樂(lè)縣降水量時(shí)空分布及變化特性研究

(甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

降水量可以用于反映水資源狀況，是水文氣象表征要素之一，降水量的時(shí)空分布，關(guān)系著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中用水量的規(guī)劃，部分區(qū)域制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉，因而對(duì)區(qū)域降水進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)水資源規(guī)劃利用具有重要意義[1-3]。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)轄區(qū)內(nèi)相關(guān)河流的降水和徑流等方面分析較多，但對(duì)區(qū)域內(nèi)降水量分析研究相對(duì)較少，在部分項(xiàng)目報(bào)告中有所涉及，但分析研究深度不夠。鑒于此，本文從時(shí)間和空間上對(duì)康樂(lè)縣降水量分布和變化特性進(jìn)行分析研究，以期為康樂(lè)縣的水資源開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 資料的選用

1.1 研究區(qū)域概況

康樂(lè)縣位于甘肅省中南部，臨夏回族自治州南端，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°24′～103°50′，北緯34°54′～35°27′，南北狹長(zhǎng)，相距57.5km，東西寬34.5km，東接臨洮縣，南接康樂(lè)縣和卓尼縣，西鄰和政縣，北靠廣河縣，全縣總面積1083km2?？禈?lè)縣東北部屬隴西黃土高原西側(cè)邊緣，西南部是蓮花山和白石山，整體地勢(shì)西南高、東北低，縣境內(nèi)主要河流有洮河、三岔河、倒流河、冶木河?？h轄附城、蘇集、胭脂、蓮麓、景古5個(gè)鎮(zhèn)，八松、康豐、白王、流川、虎關(guān)、鳴鹿、八丹、上灣、草灘和五戶10個(gè)鄉(xiāng)，以及太子山保護(hù)區(qū)(從八松鄉(xiāng)劃出)共計(jì)16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)域，縣黨政機(jī)關(guān)設(shè)在附城鎮(zhèn)新集村。

圖1 康樂(lè)縣水系及雨量站點(diǎn)分布情況

1.2 資料的收集

通過(guò)對(duì)康樂(lè)縣縣內(nèi)及周邊雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集，共收集到9處雨量站點(diǎn)月、年數(shù)據(jù)，雨量站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。資料數(shù)據(jù)系列是在第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)至2018年，即為1956—2018年，共計(jì)63年。

1.3 研究方法

1.3.1 P-Ⅲ型曲線(皮爾遜Ⅲ型)

降水量頻率曲線的線型一般為P-Ⅲ型曲線[4]，它是一條一端有限一端無(wú)限的不對(duì)稱單峰曲線，數(shù)學(xué)上稱為伽馬分布，其概率密度函數(shù)為

(1)

式中：Γ(α)為α的伽瑪函數(shù)；x為降水量，mm；α、β、α0分別為分布的形狀、尺度和位置參數(shù)，α>0，β>0。

(2)

(3)

(4)

(6)

(7)

(8)

由于實(shí)際觀測(cè)資料的系列長(zhǎng)度較短，實(shí)踐證明用理論公式計(jì)算偏差系數(shù)誤差較大，常用Cv/Cs的倍比關(guān)系通過(guò)經(jīng)驗(yàn)頻率(點(diǎn)據(jù))與理論頻率曲線配合最佳的方法確定，取值范圍一般在0.2～4.0之間。

1.3.2 降水豐枯等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482—2008)對(duì)年降水量豐枯情況的劃分采用距平百分率表示，其計(jì)算公式為

(9)

式中：w為距平百分率，%。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：w>20%為豐水年；10%

1.3.3 泰森多邊形法

泰森多邊形法[5]是一種根據(jù)離散分布的雨量站點(diǎn)計(jì)算面降雨量的方法，即將所有相鄰雨量站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，將每個(gè)三角形3條邊的垂直平分線的交點(diǎn)連接起來(lái)得到一個(gè)多邊形。用這個(gè)多邊形內(nèi)所包含的唯一一個(gè)雨量站的降雨量來(lái)表示這個(gè)多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨量，并稱這個(gè)多邊形為泰森多邊形。因此，流域面平均降水量P計(jì)算公式為

(10)

式中：ai為各降水量觀測(cè)站控制面積，km2；pi為各觀測(cè)站同期降水量，mm；A為流域總面積，km2；P為流域平均降水量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 均值的計(jì)算與確定

對(duì)經(jīng)插補(bǔ)延長(zhǎng)后具備1956—2018年同步期年降水量系列的站點(diǎn)，系列均值一律采用算數(shù)平均值。對(duì)選用的9處雨量站的年降水量平均值、最大值、最小值、連續(xù)4個(gè)月最大值及其出現(xiàn)的年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體見(jiàn)表1。由表1可知，年降水量最大值為吊灘站的1135.5mm，最小值為景古城站的262.2mm，連續(xù)4個(gè)月最大值為吊灘站的485.4mm，除了冶力關(guān)和鳴鹿關(guān)2站連續(xù)4個(gè)月最大值出現(xiàn)在5—8月以外，其他站都出現(xiàn)在6—9月。

表1 雨量站點(diǎn)特征值統(tǒng)計(jì)情況 單位：mm

2.2 不同頻率降水的確定

由于9處站點(diǎn)分析數(shù)據(jù)較多，在部分特性分析時(shí)，根據(jù)站點(diǎn)空間分布選用景古城、吊灘、鳴鹿關(guān)、康樂(lè)4處站點(diǎn)作為代表站進(jìn)行分析，4處站點(diǎn)在空間上具有較好的代表性。

為了明確不同的豐、平、枯所對(duì)應(yīng)的降水量，需分析計(jì)算不同頻率降水量，用P=20%、50%、75%、90%、95%作為設(shè)計(jì)頻率，計(jì)算成果見(jiàn)表2。其中，變差系數(shù)Cv值采用矩法計(jì)算確定，再用適線法進(jìn)行調(diào)整。由表2可以看出，康樂(lè)縣Cv值在0.16～0.21之間，Cv/Cs值在2.5～3.5之間，說(shuō)明康樂(lè)縣降水量年際變化相對(duì)較穩(wěn)定，變化幅度較小。

表2 不同頻率降水量統(tǒng)計(jì)情況

將代表站按照年代進(jìn)行劃分并計(jì)算年代豐、平、枯狀況，計(jì)算成果見(jiàn)表3。由表3可以看出，1950—1959年鳴鹿關(guān)、流川站為偏豐年，冶力關(guān)為偏枯年，其余各站均為平水年；1960—1969年冶力關(guān)、李家村、臨洮站為偏豐年，其余各站均為平水年；1970—1979年李家村、吊灘、蘇家集、臨洮、流川站為偏豐年，其余各站均為平水年；1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年康樂(lè)縣各站均為平水年。

表3 不同年代降水量距平百分率統(tǒng)計(jì)情況

2.3 降水量年內(nèi)變化

降水量的年內(nèi)分配因遠(yuǎn)離東南沿海海洋季風(fēng)，受西伯利亞冷空氣的影響，表現(xiàn)為汛期降水量相對(duì)較多且集中，春季雨水少而不穩(wěn)定，冬季雨雪甚少的特點(diǎn)。各雨量站的降水量年內(nèi)分配基本相同，連續(xù)最大4個(gè)月的降水量一般在6—9月，占年降水量的65.0%～70.0%；最大月降水量出現(xiàn)在7月，占年降水量的32.1%～38.4%；最小月降水量出現(xiàn)在12月，占年降水量的0.7%～1.4%。代表站各月分配情況見(jiàn)圖2。

圖2 代表站年內(nèi)分配

2.4 降水量年際變化及趨勢(shì)

年降水量極值比(歷年年降水量最大值與最小值比值)是表征年降水量多年變化的指標(biāo)之一，同時(shí)變差系數(shù)Cv值也是反映降水量年際變化特征的重要指標(biāo)，因此，通過(guò)統(tǒng)計(jì)極值比和Cv值兩個(gè)特征指標(biāo)對(duì)降水量年際變化進(jìn)行分析。Cv值見(jiàn)表2，極值比見(jiàn)表4，由表2、表4可以看出，Cv值在0.16～0.21之間，極值比在1.90～3.40之間，說(shuō)明康樂(lè)縣年降水量變化基本穩(wěn)定。

表4 雨量站極值比和趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)情況

利用線性回歸法分析其變化趨勢(shì)(y為年降水量，x為年份)，采用坎德?tīng)栔却蜗嚓P(guān)法[6]對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性分析，選取顯著性水平為95%的置信度(α=0.05)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，即U0.05/2=±1.96，當(dāng)計(jì)算的U值大于顯著性水平時(shí)，為顯著，反之為不顯著，結(jié)果見(jiàn)表4。據(jù)此繪制代表站降水量時(shí)序變化圖，見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出，所有站點(diǎn)整體呈減少趨勢(shì)，只有鳴鹿關(guān)站減小趨勢(shì)顯著，其他站點(diǎn)均為不顯著，說(shuō)明降水量減少趨勢(shì)整體為不顯著[7-8]。

圖3 代表站年際時(shí)序變化

2.5 分區(qū)降水量成果

根據(jù)康樂(lè)縣內(nèi)主要河流，即蘇家集河、流川河、胭脂河、倒流河、洮河干流，將其分成5個(gè)區(qū)域，采用1956—2018年降水系列，利用泰森多邊形法進(jìn)行面降水量計(jì)算，主要河流分區(qū)計(jì)算成果見(jiàn)表5。由表5可以看出，康樂(lè)縣年降水量為563.8mm，折合水量為6.106億m3，各分區(qū)降水量在550.0～578.9mm之間，各河流降水量相差不大。其中，蘇家集河區(qū)域年降水量最大，為578.9mm，洮河干流區(qū)域和倒流河區(qū)域、胭脂河區(qū)域相同，年降水量最小，為550.0mm。

表5 主要河流分區(qū)面年降水量成果

3 結(jié) 論

本文收集了康樂(lè)縣境內(nèi)的9處雨量站數(shù)據(jù)，采用P-Ⅲ型曲線、泰森多邊形等水文分析方法，對(duì)康樂(lè)縣降水特性、年內(nèi)分配、年際變化、空間分布進(jìn)行了分析，研究成果對(duì)區(qū)域水文氣象、水資源開(kāi)發(fā)利用具有指導(dǎo)意義。但目前仍缺少對(duì)周期性[9]、變異性以及對(duì)降水影響的氣象因素等方面的分析研究[10]，今后可在這些方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。