濟源市降水特征分析

姜寶良，張曉偲

(華北水利水電大學 資源與環境學院，河南 鄭州 450045)

降水的發生、發展和變化過程包含必然性，也存在隨機性。因此，對降水過程進行特征分析有利于了解其變化規律，為預防干旱、洪澇災害的發生提供科學的理論依據[1]。本研究以濟源市為研究區，根據多年降水資料，分析濟源市降水空間分布特征，并基于適線法對全市及各個水資源分區進行降水頻率分析，研究成果既可為當地工程設計提供理論依據，又可為農業生產與居民生活提供數據參考。

1 研究區概況

濟源市位于河南省西北部，素有“豫西北門戶”之稱，總的地貌特征是北、西部高，南部低，東部平，且高差懸殊，具體來說李八莊以東為山前傾斜平原，北部崇山峻嶺，西部群山連綿，南部丘陵起伏，三面環山形成了西高東低的簸箕形盆地。濟源市屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區，四季分明，氣候地區性差異較大，總的特點是春季溫暖多風、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷少雪。

按照全國水資源綜合規劃的分區規定及河南省的補充要求，在已有的3個水資源三級分區的基礎上，根據濟源市地形地質條件及河流分布情況，將其劃分為8個水資源四級區(表1)。

2 數據來源與處理方法

2.1 數據來源

本研究在《濟源市水資源綜合規劃》(修編)的基礎上，根據濟源市境內梨林、五龍口、交地、黃龍廟、竹園、八里胡同等28個雨量站多年實測降水資料，利用泰森多邊形法計算出濟源市大峪河、逢石河太行山區，大峪河、逢石河西部低山區，蟒河太行山區，蟒河平原區，蟒河黃土丘陵區，硯瓦河西部低山區，沁河太行山區，沁河平原區等8個水資源四級區及全市1955—2015年逐年降水量。

表1 濟源市水資源綜合規劃分區

2.2 處理方法

適線法是以經驗頻率點為基礎選配出一條擬合最好的理論頻率曲線，以此估計降水系列總體的統計規律[2]。大量的科學研究與事實證明，適線法是能較好地滿足降水頻率分析要求的一種方法[2]。其具體步驟如下：

(1)計算并點繪經驗頻率點[3]。把實測資料按從大到小的順序排列，計算各項的經驗頻率，并作為縱坐標與相對應的變量值(橫坐標)一起繪于頻率格紙上。經驗頻率的計算公式為

P=m/(n+1)×100%

(1)

式中：P為大于等于變量值的經驗頻率；m為變量值從大到小的排列序號；n為觀測資料的總項數。

(2)計算樣本系列的統計參數[3]。離差系數的計算公式為

(2)

由于偏態系數Cs的計算誤差太大，故本研究不直接計算，而是根據以往降水計算的經驗取值。

(3)選定線型。皮爾遜-Ⅲ型曲線是一條一端有限一端無限的不對稱單峰曲線，是當前水文計算中常用的頻率曲線[4]。

(4)計算設計變量。由確定的Cs，在皮爾遜-Ⅲ型曲線的Φ值表中，查出各對應頻率的ΦP值，然后按下式計算各頻率對應的設計變量。

(3)

式中：xP為各頻率對應的設計變量。

(5)配線。根據配合情況，修改參數，直至配合情況最好為止。

3 結果分析

濟源市各個水資源分區地形地貌條件不同，降水情況也不盡相同。為了研究其分布規律，本研究對濟源市降水特征的空間分布和各個水資源分區的降水頻率進行分析。

3.1 降水空間變化特征分析

根據各站多年平均年降水量，繪制年降水量等值線圖(圖1)。由圖1可知，濟源市降水空間分布差異明顯，且與地形特征關系密切。濟源市降水量總體呈北多南少的特征，由北部山前地帶向東南部平原地區逐漸減少。

圖1 濟源市多年平均年降水量等值線(單位：mm)

3.2 頻率分析

根據多年降水資料，對參數進行多次的分析與調整，最終使理論頻率曲線與經驗頻率點之間得到最優的擬合。

3.2.1 降水頻率分析

圖2為濟源市逐年降水量距平曲線。1955—1985年歷年降水量變化較大，豐枯年交替出現，平均年降水量比多年平均值多38.7 mm；1986—1997年出現連續枯水年，平均年降水量比多年平均值少106.6 mm；1998—2015年平均年降水量基本與多年平均值持平。

圖2 濟源市年降水量距平曲線

運用適線法進行濟源市降水頻率分析，發現該地區年降水量基本符合Cv=0.24、Cs=0.76的皮爾遜-Ⅲ型頻率曲線(圖3)。從而得出該地區的降水規律，在20%、50%、75%、95%的保證率下年降水量分別為743.28、606.72、516.74、414.99 mm。

圖3 優化后理論頻率曲線與經驗點擬合圖

3.2.2 水資源分區降水量頻率分析

采用前述研究方法，得到各水資源分區降水量頻率分析結果見表2。

4 結 語

通過繪制濟源市多年平均年降水量等值線圖，運用適線法對濟源市及境內8個水資源四級區進行降水頻率分析，主要結論如下：

(1)濟源市降水空間分布與地形密切相關，北部山區多年平均年降水量大于東南部平原地區，降水量由北部山前地帶向東南部平原地區逐漸減少，總體呈西北多、東南少的特征。

(2)濟源市在20%、50%、75%、95%的保證率下年降水量分別為743.28、606.72、516.74、414.99 mm。本研究得出的濟源市及各個水資源分區在不同保證率下的降水量，對當地旱澇災害防治和水利工程建設具有重要的現實意義。

表2 濟源市降水頻率分析結果