海河平原典型小區(qū)域降水量特征及趨勢分析

尹新明

(河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000)

1 概述

海河平原是我國華北平原的一部分，華北地區(qū)主要農(nóng)業(yè)區(qū)。南界黃河，北至燕山，西鄰太行山，東瀕渤海，面積約12.8萬km2。因海河流經(jīng)而得名。海河平原絕大部分在河北省境內(nèi)，故又稱河北平原。耕地約800萬hm2，人口7000余萬。首都北京及天津、保定、石家莊、邯鄲、滄州、衡水等城市均座落平原上，交通方便，工業(yè)發(fā)達(dá)。盛產(chǎn)糧棉和果品，石油和天然氣蘊(yùn)藏豐富。名勝古跡多，旅游資源豐富。海河平原是華北地區(qū)主要農(nóng)業(yè)區(qū)，除跨區(qū)域引調(diào)水外，降水量是產(chǎn)生地表徑流和補(bǔ)給地下水的主要來源。河北省阜城縣地處海河平原，東與東光縣以南運(yùn)河為界，西與武邑縣以清涼江為界。地勢自西南向東北緩慢傾斜，海拔高度12～30m。阜城縣土地肥沃，氣候適宜，共有耕地面積4.5萬hm2，盛產(chǎn)小麥、玉米、棉花、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品，是河北省糧食棉花主要產(chǎn)區(qū)。阜城縣是全國對外開放縣之一，近年來阜城縣裝備制造、紡織服裝、包裝制品、農(nóng)副產(chǎn)品加工4大主導(dǎo)行業(yè)基本形成并持續(xù)壯大，新材科、新技術(shù)、新能源、新裝備等新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，成為阜城縣新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。因地表水資源極度缺乏，客水資源嚴(yán)重不足，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展用水不得不依靠長期超量開采地下水維持，成為衡水市地下水開發(fā)利用程度較高的縣市之一，大量超采地下水引發(fā)了很多生態(tài)、地質(zhì)、環(huán)境問題。本文選取河北省阜城縣為小區(qū)域代表進(jìn)行降水量特征及趨勢分析。

2 河流水系

阜城縣境內(nèi)主要分布有南運(yùn)河、清涼江等主要河流。阜城縣自產(chǎn)地表水資源開發(fā)利用程度較低，其主要原因是地表水的時空分布不利于開發(fā)利用，平原區(qū)一般年份幾乎沒有自產(chǎn)徑流，豐水年份的徑流量亦僅僅是汛期的一兩場暴雨所致，極難調(diào)控。全縣境內(nèi)主要有21條縣級以上河道，其年際、年內(nèi)分配極不均勻，與當(dāng)?shù)貜搅髫S枯期基本同步，且來水主要為上游排放污水。新中國成立后，對現(xiàn)有河道進(jìn)行了全面治理：洪瀝分治，各暢其流，發(fā)展灌溉。南運(yùn)河成了專用行洪河道，兼作輸水之用；清涼江、江江河、湘江河都是黑龍港流域排瀝河道，20世紀(jì)70年代后期以來也用于輸水；洚河、小洛河則成了排除瀝水的干渠。在河道治理的同時，挖渠除澇，20世紀(jì)70年代末全縣形成完整的除澇渠系網(wǎng)絡(luò)。阜城縣至今共有4條骨干河道，17條排灌干渠，以及3000余條支斗農(nóng)渠縱橫交織，這些溝渠與骨干河道串聯(lián)交匯，構(gòu)成縱橫交錯、四通八達(dá)水系水網(wǎng)。

2.1 南運(yùn)河

衡水阜城縣與滄州東光縣以南運(yùn)河為界。該河南起衡水景縣連鎮(zhèn)鄉(xiāng)，自戈家墳村流入阜城縣境，經(jīng)10余村鎮(zhèn)，終在阜城張華雨村東北流向泊頭縣境內(nèi)。南運(yùn)河阜城段全長約31km，左堤段長28.72km。

2.2 清涼江

全長182km的清涼江，屬于黑龍港水系(海河流域)。清涼江南從衡水景縣大落寨村，東北向流入阜城縣，阜城縣與武邑縣以清涼江為界，在郭塔頭村西全部進(jìn)入縣境；北在石官莊村東北出境流入泊頭市，流域面積231.4km2。

2.3 江江河

江江河屬海河流域黑龍港水系，發(fā)源于故城縣大杏基，在景縣樊橋東北流入縣境，于周通莊西有湘江河來匯，在周通莊北注入交河縣。江江河全長118.5km、流域面積2410km2，阜城縣境內(nèi)河長24km，流域面積526.4km2。

2.4 湘江河

湘江河屬江江河支流，發(fā)源于阜城縣城南“千頃洼”中的阜景公路橋下，在高朝元村東南匯入江江河。河流全長41.7km、流域面積269.8km2。

3 選取資料系列及代表性分析

分析以降水資料質(zhì)量較好、系列較長、面上分布均勻?yàn)樵瓌t，收集了阜城縣境內(nèi)及鄰縣雨量站共8站的原始資料，主要來自水文系統(tǒng)多年整編后的年鑒及特征值統(tǒng)計，并結(jié)合應(yīng)用了其他學(xué)者的分析成果，本次資料選取系列為1956—2016年61a降水量，資料年限大于30a，站網(wǎng)密度為87.1km2/站。為了提高數(shù)據(jù)序列的代表性，減小采樣誤差，提高統(tǒng)計參數(shù)的準(zhǔn)確性，對于數(shù)據(jù)不連續(xù)或個別缺失測量的降雨站，根據(jù)具體情況分別采用移用法、相關(guān)法、等值線法、附近各站同時段降水量的歷年平均值或本站同時段降水量的歷年平均值法進(jìn)行了插補(bǔ)延長。

4 降水量的計算與成果

4.1 降水量計算成果

經(jīng)比較，選取網(wǎng)格法進(jìn)行計算，即首先根據(jù)一定距離的經(jīng)緯度將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，隨后根據(jù)雨量站的數(shù)據(jù)計算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的降水量，得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)降水量的算術(shù)平均值。

在計算降水量統(tǒng)計參數(shù)和頻率分析時，按照《全國水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》要求，均值采用了算術(shù)平均值，適線時未進(jìn)行調(diào)整；變差系數(shù)Cv值第1次適線采用距法計算值，當(dāng)點(diǎn)據(jù)擬合不好時對Cv值進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整；偏差系數(shù)Cs的取值一般用Cs/Cv值來反映，Cs/Cv的選用以最佳適線值為準(zhǔn)；經(jīng)驗(yàn)頻率采用數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行計算，頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線調(diào)整，適線時對系列中特大、特小值未作處理，主要按平、枯水年份的點(diǎn)據(jù)趨勢進(jìn)行定線，照顧了大部分點(diǎn)據(jù)。

根據(jù)計算可以得出該典型小區(qū)域(阜城縣)多年平均降水量為537.9mm，頻率為20%條件下降水量662.7mm、50%條件下降水量522.3mm、75%條件下降水量425.6mm、95%條件下降水量311.7mm。阜城縣行政區(qū)劃降水量特征值如表1所示。

表1 阜城縣各行政區(qū)年降水量特征值成果表

4.2 降水量地區(qū)分布

受氣候、地理、地形諸多因素影響，阜城縣東部、西部降水較大，中部較小。其中，降水量大于540mm的籠罩面積約為199km2，占總面積的28.0%，主要集中在霞口鎮(zhèn)南部、碼頭鎮(zhèn)東北部、阜城鎮(zhèn)和漫河鄉(xiāng)中西部；降水量小于500mm的籠罩面積約為130km2，占總面積的18.3%，主要集中在建橋鄉(xiāng)全部、蔣坊鄉(xiāng)東部、大白鄉(xiāng)和崔家廟鎮(zhèn)西部。阜城縣多年平均降水量等值線見圖1。

圖1 阜城縣多年平均降水量等值線圖

4.3 降水量的年內(nèi)分配

阜城縣降水年內(nèi)分配不均勻，降水集中程度較高，受氣候影響，具有明顯的季節(jié)性推移規(guī)律，并且雨季出現(xiàn)及持續(xù)時間長短不一，降水季節(jié)分配極不均勻，一般冬季干旱、降水稀少，夏季濕潤、降水頻繁，春秋季降水介于冬夏之間。通過對區(qū)域內(nèi)降水資料統(tǒng)計分析，阜城縣降水量呈單峰型，夏季降水占全年降水的70.5%；連續(xù)最大4個月降水量均出現(xiàn)在6—9月，其多年平均降水量為419.0mm，占全年降水量的77.9%；汛期降雨主要集中在7—8月的幾場大雨或暴雨，尤其是在雨量豐沛的豐水年份；主汛期7—8月多年平均降水量之和為310.7mm，占全年降水量的57.8%；12月—第2年3月是年降水量最少的時期。這足以說明阜城縣降水在年內(nèi)變化的不均勻性。阜城縣降水年內(nèi)分配情況見表2，逐月多年平均降水量示意圖見圖2。

表2 降水年內(nèi)分配情況表

圖2 阜城縣逐月多年平均降水量示意圖

4.4 降水量的年際變化

4.4.1 極值比和變差系數(shù)

阜城縣年降水量年際差異較大，各行政區(qū)年平均降水量極值比介于3.95～4.57，變差系數(shù)Cv值在0.29～0.31。經(jīng)計算最大年平均降水量是最小年平均降水量的4.12倍。阜城縣年降水量變化見圖3。

圖3 1956—2016年阜城縣年降水量變化圖

4.4.2 降水量的年代變化

阜城縣61a(1956—2016年)降水系列中，20世紀(jì)50年代后期(1956—1959年)處于平水期；20世紀(jì)60—70年代(1960—1969年、1970—1979年)主要處于豐水期，其平均值分別比多年平均值偏大7.7%、8.9%；20世紀(jì)80年代(1980—1989年)主要處于枯水期，其平均值相比多年平均值偏小11.6%；20世紀(jì)90年代(1990—1999年)接近多年平均值；21世紀(jì)00年代以后(2000—2016年)比多年平均值偏小2.9%。阜城縣各年代降水量變化見圖4。

4.5 降水量周期性分析

為了體現(xiàn)降水的周期變化，利用小波變換對阜城縣地區(qū)1956—2016年年平均降水進(jìn)行周期分析，并繪制小波系數(shù)圖和小波方差圖，見圖5。

圖5 阜城縣多年平均降水量小波系數(shù)圖和小波方差圖

對于阜城縣1956—2016年降水序列，從小波系數(shù)圖可以看出，中心頻域尺度主要集中在30～40a；而在小波方差圖中，小波方差隨時間尺度的變化過程中在對應(yīng)時間尺度35a出現(xiàn)一個非常明顯的峰值，因此35a為多年降水的周期。從小波系數(shù)圖中可以看出，在35a周期尺度上，年降水經(jīng)歷了從豐—枯—豐3次豐枯變化，2個豐水年震蕩中心分別在1967年左右和2009年左右，1個枯水年震蕩中心在1988年左右，而2016年后小波系數(shù)逐漸開始向一個低值中心靠近，因此，預(yù)測在2016年后年降水量呈減少趨勢。

5 結(jié)論

本文通過采用海河平原典型小區(qū)域代表阜城縣61a降水資料，分析了該小區(qū)域的降水量特征及年內(nèi)分布，預(yù)測了后期趨勢。

阜城縣多年平均降水量537.9mm，該區(qū)域東部、西部降水較大，中部較小，降水集中程度較高，雨季出現(xiàn)及持續(xù)時間長短不一，降水季節(jié)分配極不均勻。2000年以后，降水量接近多年平均，預(yù)測2016年后期雨量呈減少趨勢。