石虎子河小流域降雨年內(nèi)分配特征研究

葉欣欣

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 昌圖 112599)

降雨對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境演變以及水資源時(shí)空分布等具有重要影響,降雨是導(dǎo)致山洪、泥石流及水土流失等自然災(zāi)害的重要原因,對(duì)降雨分配特征進(jìn)行研究極具現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)許多學(xué)者從不同角度探究了降雨分配特征,如劉偉等運(yùn)用滑動(dòng)平均法和累積距平法,依據(jù)1956—2011年渾河流域徑流及逐日降水?dāng)?shù)據(jù),從時(shí)間尺度上分析徑流量與降水量的相關(guān)性,進(jìn)一步揭示兩者的變化趨勢(shì);黃曉亞等利用非參數(shù)檢驗(yàn)(M-K)法和集中度分析了降雨統(tǒng)計(jì)特征與日降水之間的關(guān)系,探討極端降雨隨集中度的變化規(guī)律;劉文莉等以陜西省為例,通過(guò)分析年內(nèi)降水分配特征提出旱澇災(zāi)害主要受年內(nèi)降水集中度的影響,降水集中度越大則洪澇災(zāi)害發(fā)生概率越高;張學(xué)洪等對(duì)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)降雨分配狀況利用降雨年內(nèi)分配不均勻系數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示氣候變化在一定程度上會(huì)降低降水年內(nèi)穩(wěn)定性,提高分配不均勻性;劉士余等以贛西北大坑小流域?yàn)槔?運(yùn)用統(tǒng)計(jì)回歸法和時(shí)間序列法分析其降雨變化趨勢(shì),表明該小流域降雨具有明顯的季節(jié)差異性,年內(nèi)降雨呈現(xiàn)出單峰型變化特征;王紀(jì)軍等通過(guò)計(jì)算分析,從側(cè)面上揭示了降水年內(nèi)分配特點(diǎn),結(jié)果表明不均勻系數(shù)與降水集中度存在顯著相關(guān)性,以上指標(biāo)的功能和效用相同[1-6]。昌圖縣屬東北黑土區(qū),地貌形態(tài)復(fù)雜,多為構(gòu)造剝蝕地形,因人為和自然因素破壞土壤抗侵蝕能力差,水土流失及河道淤積嚴(yán)重,統(tǒng)計(jì)分析土壤侵蝕受年內(nèi)降雨特征影響就顯得非常重要。因此,文章結(jié)合序列降雨數(shù)據(jù),研究昌圖縣石虎子河小流域降雨年內(nèi)分配特征,以期準(zhǔn)確掌握昌圖縣降雨變化規(guī)律,為東北黑土區(qū)土壤侵蝕研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 小流域概況

石虎子河小流域位于昌圖縣泉頭鎮(zhèn)境內(nèi),流域面積17.31 km2。該小流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候,年降水量607.5 mm,年徑流深183 mm。土壤類型是棕壤和草甸土,垂直節(jié)理發(fā)育,顆籽均勻,黏粒含量低,膠結(jié)力很弱,易于產(chǎn)生土壤侵蝕。植被屬長(zhǎng)白植物區(qū)系,由山林和草灌所構(gòu)成,天然次生林較多,人工林較少,植被覆蓋度54 %,樹種主要以落葉松、刺槐為主,經(jīng)濟(jì)林樹種主要有榛子、梨、櫻桃等,流域內(nèi)樹種單調(diào),品種單一。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

流域內(nèi)設(shè)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn),主要監(jiān)測(cè)設(shè)施有雨量站、簡(jiǎn)易氣象觀測(cè)場(chǎng),主要設(shè)備有自記水位計(jì)和雨量計(jì)、取樣瓶等,可以用于徑流量、泥沙和降雨量等監(jiān)測(cè)。研究數(shù)據(jù)來(lái)源于昌圖縣石虎子河小流域監(jiān)測(cè)站2018—2021年605場(chǎng)降雨資料,主要包括每場(chǎng)次最大30 min降雨強(qiáng)度和年內(nèi)日、旬、月降雨量。

1.3 計(jì)算方法

本研究選用降雨集中度及不均勻系數(shù)分析降雨分配特征,表示年內(nèi)各旬降水集中程度;為反映降雨波動(dòng)與分布特征,對(duì)每日、旬、月降水量利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析,通過(guò)探討各類雨型分布情況和每年侵蝕性降雨場(chǎng)次反映全年降雨?duì)?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用到的軟件有SPSS、Excel、Origin8.0等。

2 結(jié)果與分析

2.1 月降雨量分析

月降水量就是從第二層次上分析年降雨分配情況,它反映了每個(gè)月上年降雨總量的分配特征,石虎子河小流域2018—2021年月均降雨量分布如圖1所示。

圖1 石虎子河小流域月降水量變化曲線

由圖1可知,石虎子河小流域降雨年內(nèi)分布呈正態(tài)分布形式,總體為非均勻分布的單峰曲線。1～5月降雨總量<40 mm,分布曲線較為平緩均勻,該時(shí)段為旱季;從6月降雨曲線明顯上升,斜率不斷增大,說(shuō)明從該時(shí)刻開始進(jìn)入雨汛期,降雨量最大值出現(xiàn)在7月份,峰值降雨量達(dá)到150 mm;從8月降雨量逐漸減小,降幅較為明顯,到9月降雨量減少到80 mm以下,這表明6～9月降雨分配不均衡;從10月降雨量降幅逐漸變緩,之后減少到12 mm。因此,研究認(rèn)為6～9月為石虎子河小流域降雨汛期,降雨量多集中于7月和8月,占全年總降雨量的45.2 %,12月—次年3月降雨較少占全年的10.4 %[7]。

通過(guò)對(duì)比分析石虎子河小流域2018—2021年總體平均月和各年月降雨量分布情況可知,2018—2021年月降雨量轉(zhuǎn)變成雙峰型分布曲線,6～8月出現(xiàn)峰值,但是6～9月雨汛期未發(fā)生改變;雖然在雨汛期降雨分布略分散,但整體上仍不均勻。

2.2 旬降雨量分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析月降雨量,從總體上認(rèn)識(shí)了降雨分配特征,但是月對(duì)年而言單位太大仍需進(jìn)一步研究月內(nèi)分配情況,從而更加細(xì)致、清晰、具體全面地分析降雨分配情況,實(shí)現(xiàn)降雨的合理利用[8]。由于部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失,對(duì)2019年前4個(gè)月和2018年全年的旬降雨量分布不做分析。旬降水量就是從第三層次上分析年降雨分配特征,它反映了月內(nèi)降雨分配情況,石虎子河小流域2018—2021年旬降雨量分布如圖2所示。

圖2 石虎子河小流域旬降水量變化曲線

由圖2可知,每年11月～次年3月旬降雨量波動(dòng)變化較小,這表明在該時(shí)段內(nèi)降雨量分配均勻;在6～9月降雨量有較大波動(dòng)幅度,這表明在該時(shí)段降雨量分配不均勻,總體表現(xiàn)出降雨量越大則波動(dòng)幅度越大的特征,尤其是2019年表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)差距。從分配特征上,降雨均勻性與降雨量之間存在負(fù)相關(guān)性,月內(nèi)降雨量分配不均。2018—2021年旬降水量折線點(diǎn)總體呈兩低一高的分布特征,表明在每個(gè)月的某旬內(nèi)降水比較集中,從側(cè)面反映了降雨月內(nèi)分配的不均勻性,該分布特征易引起洪澇和暴雨災(zāi)害。

通過(guò)對(duì)比圖1與圖2發(fā)現(xiàn),雨汛期降雨多為暴雨和大雨,全年68.6%的降雨量發(fā)生在6～9月,這是導(dǎo)致年內(nèi)降雨分配不均的關(guān)鍵因素;降雨月內(nèi)主要發(fā)生在某旬內(nèi),短時(shí)間大雨量會(huì)形成大雨甚至暴雨;全年大雨和暴雨占總價(jià)場(chǎng)次的12.8%,說(shuō)明年內(nèi)降水受暴雨及大雨影響較大,汛期發(fā)生暴雨和大雨很容易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。

2.3 日降雨量分析

通過(guò)合理劃分降雨等級(jí)和統(tǒng)計(jì)分析日降雨量,可以全面地掌握降雨年內(nèi)分布特征以及全年降雨類型分布情況,為洪澇災(zāi)害控制提供數(shù)據(jù)支撐[9-10]。根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1),統(tǒng)計(jì)各種強(qiáng)度級(jí)別降雨在每個(gè)月中的場(chǎng)次,從而直觀地反映不同強(qiáng)度級(jí)別上年降雨總量的分布形式和特征,石虎子河小流域2018—2021年平均日降雨強(qiáng)度場(chǎng)次分布如圖3所示。

表2 降雨類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖3 2018—2021年日降雨強(qiáng)度場(chǎng)次分布特征

由圖3可知,2018—2021年石虎子河小流域降雨以小雨、中雨為主,占總降雨天數(shù)的74.0%和12.8%,每個(gè)月基本上都有小雨或中雨,分布較均勻;大雨和暴雨多發(fā)生在6～8月,占總降雨天數(shù)的12.5%。研究期間未發(fā)現(xiàn)特大暴雨,統(tǒng)計(jì)出2次大暴雨,考慮到特大暴雨和大暴雨屬極端氣候,故不做詳細(xì)分析?？傮w而言,石虎子河小流域降雨類型以中、小雨為主,占總降雨場(chǎng)次的83.3%,,多發(fā)生在10月～次年3月。雖然暴雨和大雨場(chǎng)次較少,但其分布較為集中且降雨量大,6～8月占全年總暴雨和大雨場(chǎng)次的72%,暴雨和大雨占全年總降雨量接近50%。

2.4 降雨集中期與集中度

集中度可以直觀地演示年內(nèi)非均勻分配特征,集中期是指哪一個(gè)旬內(nèi)出現(xiàn)最大旬降水量,這是定量反映年內(nèi)降雨集中時(shí)段的參數(shù),表達(dá)式為:

(1)

式中:PCDi、PCPi為第i年的降雨集中度和集中期;Rxi、Ryi、Ri為在x、y軸上監(jiān)測(cè)站第i年逐旬降水量投影之和及其總降雨量;rij、θj為第i年j旬的降雨量及其矢量角度;i、j表示年份和年內(nèi)旬序,i=2018,2019,2020,2021;j=1,2,…,36。因此,PCDi處于0～1之間,該值越大則代表降雨量越集中,相應(yīng)的年內(nèi)分配越不均勻[11]。

考慮到缺少2019年1～4月和2018年全年數(shù)據(jù),本研究?jī)H計(jì)算2020年及2021年降雨集中度。經(jīng)計(jì)算,2020年、2021年降雨集中度為0.82和0.79,兩年的集中度均超過(guò)0.7,這表明2020—2021年石虎子河小流域年內(nèi)降雨分配不均,整體較為集中。2020年、2021年降雨集中期為17.7和19.3,兩年的平均值為18.5,說(shuō)明降雨集中期為每年7月上旬,但數(shù)據(jù)資料較少,每年第18～20個(gè)旬日(6月下旬至7月中旬)屬于石虎子河小流域降雨集中期。

2.5 年內(nèi)不均勻分配系數(shù)

不均勻系數(shù)Cvy反映了年內(nèi)降雨量分配不均勻程度,一般利用數(shù)學(xué)方法定量描述降雨分配情況,更加直觀地衡量降雨分配特征,其表達(dá)式為:

(2)

式中:Ki、K為各月和各月平均占年總降水量百分比,其中K=100%/12=8.33%,依據(jù)降雨量計(jì)算不均勻系數(shù),各月平均分配雨量時(shí)不均勻系數(shù)為0,說(shuō)明月際間降雨量分配比較均勻;在某一個(gè)月集中分布當(dāng)年降雨時(shí)不均勻系數(shù)取1,說(shuō)明月際間降雨量分配極不均勻;Cvy值越大代表年內(nèi)分配越不均勻,月際間相差越明顯[12]。經(jīng)計(jì)算,2019—2021年石虎子河小流域年內(nèi)降雨不均勻系數(shù)為0.811、0.816、0.814,其平均系數(shù)值為0.814,總體較高,說(shuō)明研究期間石虎子河小流域年內(nèi)降雨分配不均勻。

2.6 侵蝕性降雨分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析侵蝕性降雨能夠更加全面地了解其變化規(guī)律及分布特征,為發(fā)展生產(chǎn)和土壤保護(hù)提供參考[13-15]。考慮到石虎子河小流域植被覆蓋一般,結(jié)合相關(guān)研究成果確定該流域土壤產(chǎn)生侵蝕時(shí)的最大30min雨強(qiáng)為10mm/h以上,2019—2021年發(fā)生的605場(chǎng)次降雨中,有74場(chǎng)次屬于侵蝕性降雨,所占比為12.23%,石虎子河小流域2018—2021年侵蝕性降雨場(chǎng)次分布如圖4所示。

圖4 2018—2021年I30>10mm降雨場(chǎng)次分布

由圖4可知,2018—2021年石虎子河小流域侵蝕性降雨主要發(fā)生在6～8月,7月出現(xiàn)峰值,該月侵蝕性降雨平均發(fā)生6次,總體分布不均勻。侵蝕性降雨發(fā)生規(guī)律一般與土壤侵蝕相同,因此研究侵蝕性降雨分配特征可以為區(qū)域水土流失治理提供參考依據(jù)。

3 結(jié) 論

1)研究認(rèn)為6～9月為石虎子河小流域降雨汛期,降雨量多集中于7月和8月,占全年總降雨量的45.2%,12月至次年3月降雨較少占全年的10.4%。另外,在每個(gè)月的某旬內(nèi)降水比較集中,這從側(cè)面反映出降雨月內(nèi)分配的不均勻性,該分布特征易引起洪澇和暴雨災(zāi)害。

2)從降雨場(chǎng)次上,2018—2021年石虎子河小流域降雨以小雨、中雨為主,每個(gè)月基本上都有小雨或中雨,分布較均勻,大雨和暴雨多發(fā)生在6～8月且分布不均勻。雖然暴雨和大雨場(chǎng)次較少,但其分布較為集中且降雨量大。

3)通過(guò)計(jì)算分析降雨集中期和集中度可知,降雨集中度均超過(guò)0.7,石虎子河小流域年內(nèi)降雨分配較為集中。降雨集中期平均值為18.5,說(shuō)明該小流域降雨集中期為每年7月上旬,降雨不均勻系數(shù)均超過(guò)0.8,表明研究期間年內(nèi)降雨具有較高的不均勻程度。石虎子河小流域侵蝕性降雨主要發(fā)生在6～8月,總體分布不均勻,可以為區(qū)域水土流失治理提供參考依據(jù)。