三門峽市降水量多年變化及系列代表性分析

平利昆

(河南省三門峽水文水資源勘測局，河南 三門峽472000)

0 引言

降水是水文循環中重要的一環，是研究區域水文循環系統的基礎，對于水資源開發、防洪抗旱、農業生產和水利工程管理等方面影響很大。選擇三門峽若干觀測資料齊全且年份長的雨量站，分析三門峽多年降水量的豐枯變化規律，計算分析短系列資料的參數與長系列參數的差值，確定最短的有代表性的降水系列，可以為水資源高質量發展提供重要基礎。

1 資料選用概況

全市范圍內分布308個雨量觀測點，降水資料連續性參差不齊，經過對資料的全面梳理、摸底排查，按照降水資料年份長，觀測條件好、數據準確可靠的原則，在三門峽區域內盡量按照一縣一站的基礎上，選取了4個有代表性的雨量站。此次降水量評價采用了1956—2019年(64 a)降水系列。代表雨量站資料見表1。

表1 分析選用站及資料系列統計表

2 代表站降水量的多年變化

2.1 年降水量的變化趨勢

統計計算了各個雨量站不同年代及1980—2019年(40 a)、2000—2019年(20 a)的多年平均降水量與1956—2019年(64 a)多年降水均值的比值(見表2)。從20世紀60至90年代，三門峽經歷了豐-枯-豐-枯的交替變化。自2000年以來，基本處于枯水期。

表2 代表雨量站不同年代與多年平均均值比值表

注：60s指1960—1969年，其余類同。

2.2 年降水量最大最小值統計

三門峽屬于暖溫帶半干旱內陸性氣候，受副熱帶高壓和西風環流影響，降雨量時空分布不均，年際變化大。1964年盧氏站的降水量多達1 200 mm，然后2012年只有不到350 mm，相差數倍。

2.3 降水量豐枯周期性分析

采用模比差積曲線法對三門峽降水量豐枯周期進行分析。可以看出4個代表站均有明顯的2個豐、枯時期，周期長度20—30 a，例如：三門峽站在1956—1965年整體為上升趨勢(豐水段)，1966—1982年整體為下降趨勢(枯水段)，形成第1個豐枯周期，長度28a；1983—1986年為上升趨勢(豐水段)，1987—2003年枯水段，形成第2個豐枯周期，長度為21 a。2004—2019年豐枯變化年際間變化較頻繁，且變幅較大。見圖1。

圖1 差積曲線(∑(Ki-1))過程圖

2.4 降水連豐、連枯年分析

對于水庫、河道等防洪工程，為了保證工程安全，應充分考慮連豐年對工程的考驗，另外社會經濟發展與水資源息息相關，水是制約發展的最大因素。分析連豐或連枯的程度對優化配置水資源和水資源綜合規劃有著重要的意義。

2.4.1 連豐、連枯出現年數

降水資料一般服從P-Ⅲ型分布，文章采用頻率分析法劃分豐平枯水年。把頻率<37.50%的年份作為豐水年，頻率>62.50%的年份作為枯水年，然后統計豐水年或枯水年的連續年數，見表3。

表3 雨量代表站連續豐/枯年發生頻次表

從表3可知，三門峽地區連豐年數平均是2—3年，連枯年數平均是為2—5年，最長是7年。連枯的平均年數要比連豐平均年數長，連續枯水年出現的次數也明顯多于連續豐水年出現的次數。

2.4.2 連豐、連枯概率

采用游程理論分析各種歷時連豐、連枯段發生的概率。分析得出：短歷時連豐/枯的概率比長歷時連豐/枯低，連續枯水年年數長于連續豐水年數。見表4。

表4 雨量代表站連豐/枯概率表

3 年降水量系列代表性分析

3.1 統計參數穩定性分析

降水量統計參數包括多年平均降水量、變差系數Cv和偏態系數Cs。自2019年起，到1956年止，倒時序計算累積均值模比系數，繪制年降水量均值模比系數圖、模比系數的差積曲線圖(2.3節已繪制)和變差系數模數(KCv)圖，見圖2、圖3。從年降水量均值模比系數Kp～T圖中可以看出，4個站年降水量累積均值從2000年之后變化很小，基本穩定，穩定時間是20年左右。年降水量模比系數(∑(Ki-1)～T)曲線上，4個站基本都是頻繁起伏的過程線，說明年降水量年際間的豐枯變化雖然快但變幅不大。從KCv～T圖中可以看出自1985年(35 a)后各個站的KCv逐漸趨于穩定。KCv值的穩定歷時比Ki要長，且變化幅度要比Ki大。

圖2 雨量代表站年降水量均值模比系數圖

圖3 年降水量KCv過程線圖

3.2 長短系列統計參數的比較對照

3.3 長短系列不同年型的頻次分析

對不同長度的降水量樣本按P-Ⅲ線性適線后，按統計學將年降水量劃分為特豐、偏豐、平、偏枯、特枯5種年型，對各個樣本計算不同年型出現的頻次，若某樣本對應年型頻次接近于長系列頻次分布，則認為該短系列有一定的代表性。頻次統計見表6，可知隨著資料年份的增加，短系列的頻次分布逐漸接近長系列的頻次分布。其中三門峽站長系列5種年型的頻次依次為13.00%、16.00%、38.00%、22.00%、13.00%，系列長度為40年時，5種年型的頻次依次為15.00%、18.00%、35.00%、20.00%、13.00%，較接近長系列年型分布，代表性較好；其他站樣本容量達40年時，各種年型分布較接近長系列的分布情況。

表6 代表站不同樣本容量年降水量豐平枯頻次表

4 結語

通過對三門峽4個雨量代表站降水量資料的評價，總結如下：①自1956至2019年經歷了偏豐-偏枯-偏豐的交替變化過程。自20世紀60年代至90年代，降水經過了偏豐-偏枯-偏豐的交替變化過程。自2000年以來，降水量豐枯變化比較頻繁，總體偏枯。②降水量年際變化較大。最大與最小年降水量相差數倍，短歷時連豐/枯出現的概率比長歷時高，連續枯水年數長于連續豐水年數。③變差系數穩定要比均值長，且變幅要比均值大，40 a系列的統計參數和5種不同豐枯年型頻次分布均接近長系列，其代表性較好。為此，確定年降水量最短代表期為40 a。