康樂縣降水量時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，降水量的時空分布，關系著經濟社會發展中用水量的規劃，部分區域制約著農業生產灌溉，因而對區域降水進行分析計算，對水資源規劃利用具有重要意義[1-3]。國內專家學者對轄區內相關河流的降水和徑流等方面分析較多，但對區域內降水量分析研究相對較少，在部分項目報告中有所涉及，但分析研究深度不夠。鑒于此，本文從時間和空間上對康樂縣降水量分布和變化特性進行分析研究，以期為康樂縣的水資源開發利用提供參考。

1 資料的選用

1.1 研究區域概況

康樂縣位于甘肅省中南部，臨夏回族自治州南端，地理坐標為東經103°24′～103°50′，北緯34°54′～35°27′，南北狹長，相距57.5km，東西寬34.5km，東接臨洮縣，南接康樂縣和卓尼縣，西鄰和政縣，北靠廣河縣，全縣總面積1083km2。康樂縣東北部屬隴西黃土高原西側邊緣，西南部是蓮花山和白石山，整體地勢西南高、東北低，縣境內主要河流有洮河、三岔河、倒流河、冶木河。縣轄附城、蘇集、胭脂、蓮麓、景古5個鎮，八松、康豐、白王、流川、虎關、鳴鹿、八丹、上灣、草灘和五戶10個鄉，以及太子山保護區(從八松鄉劃出)共計16個鄉鎮行政區域，縣黨政機關設在附城鎮新集村。

圖1 康樂縣水系及雨量站點分布情況

1.2 資料的收集

通過對康樂縣縣內及周邊雨量站點數據的收集，共收集到9處雨量站點月、年數據，雨量站點分布見圖1。資料數據系列是在第三次水資源調查評價的基礎上，延長至2018年，即為1956—2018年，共計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限的不對稱單峰曲線，數學上稱為伽馬分布，其概率密度函數為

(1)

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

(2)

(3)

(4)

(6)

(7)

(8)

由于實際觀測資料的系列長度較短，實踐證明用理論公式計算偏差系數誤差較大，常用Cv/Cs的倍比關系通過經驗頻率(點據)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 降水豐枯等級的劃分標準

根據《水文情報預報規范》(GB/T 22482—2008)對年降水量豐枯情況的劃分采用距平百分率表示，其計算公式為

(9)

式中：w為距平百分率，%。

標準規定：w>20%為豐水年；10%

1.3.3 泰森多邊形法

泰森多邊形法[5]是一種根據離散分布的雨量站點計算面降雨量的方法，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，將每個三角形3條邊的垂直平分線的交點連接起來得到一個多邊形。用這個多邊形內所包含的唯一一個雨量站的降雨量來表示這個多邊形區域內的降雨量，并稱這個多邊形為泰森多邊形。因此，流域面平均降水量P計算公式為

(10)

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

2 結果與分析

2.1 均值的計算與確定

對經插補延長后具備1956—2018年同步期年降水量系列的站點，系列均值一律采用算數平均值。對選用的9處雨量站的年降水量平均值、最大值、最小值、連續4個月最大值及其出現的年份進行統計，具體見表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4個月最大值為吊灘站的485.4mm，除了冶力關和鳴鹿關2站連續4個月最大值出現在5—8月以外，其他站都出現在6—9月。

表1 雨量站點特征值統計情況 單位：mm

2.2 不同頻率降水的確定

由于9處站點分析數據較多，在部分特性分析時，根據站點空間分布選用景古城、吊灘、鳴鹿關、康樂4處站點作為代表站進行分析，4處站點在空間上具有較好的代表性。

為了明確不同的豐、平、枯所對應的降水量，需分析計算不同頻率降水量，用P=20%、50%、75%、90%、95%作為設計頻率，計算成果見表2。其中，變差系數Cv值采用矩法計算確定，再用適線法進行調整。由表2可以看出，康樂縣Cv值在0.16～0.21之間，Cv/Cs值在2.5～3.5之間，說明康樂縣降水量年際變化相對較穩定，變化幅度較小。

表2 不同頻率降水量統計情況

將代表站按照年代進行劃分并計算年代豐、平、枯狀況，計算成果見表3。由表3可以看出，1950—1959年鳴鹿關、流川站為偏豐年，冶力關為偏枯年，其余各站均為平水年；1960—1969年冶力關、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年康樂縣各站均為平水年。

表3 不同年代降水量距平百分率統計情況

2.3 降水量年內變化

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

圖2 代表站年內分配

2.4 降水量年際變化及趨勢

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之一，同時變差系數Cv值也是反映降水量年際變化特征的重要指標，因此，通過統計極值比和Cv值兩個特征指標對降水量年際變化進行分析。Cv值見表2，極值比見表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，說明康樂縣年降水量變化基本穩定。

表4 雨量站極值比和趨勢變化統計情況

利用線性回歸法分析其變化趨勢(y為年降水量，x為年份)，采用坎德爾秩次相關法[6]對變化趨勢進行顯著性分析，選取顯著性水平為95%的置信度(α=0.05)對其進行評價，即U0.05/2=±1.96，當計算的U值大于顯著性水平時，為顯著，反之為不顯著，結果見表4。據此繪制代表站降水量時序變化圖，見圖3。從圖3中可以看出，所有站點整體呈減少趨勢，只有鳴鹿關站減小趨勢顯著，其他站點均為不顯著，說明降水量減少趨勢整體為不顯著[7-8]。

圖3 代表站年際時序變化

2.5 分區降水量成果

根據康樂縣內主要河流，即蘇家集河、流川河、胭脂河、倒流河、洮河干流，將其分成5個區域，采用1956—2018年降水系列，利用泰森多邊形法進行面降水量計算，主要河流分區計算成果見表5。由表5可以看出，康樂縣年降水量為563.8mm，折合水量為6.106億m3，各分區降水量在550.0～578.9mm之間，各河流降水量相差不大。其中，蘇家集河區域年降水量最大，為578.9mm，洮河干流區域和倒流河區域、胭脂河區域相同，年降水量最小，為550.0mm。

表5 主要河流分區面年降水量成果

3 結 論

本文收集了康樂縣境內的9處雨量站數據，采用P-Ⅲ型曲線、泰森多邊形等水文分析方法，對康樂縣降水特性、年內分配、年際變化、空間分布進行了分析，研究成果對區域水文氣象、水資源開發利用具有指導意義。但目前仍缺少對周期性[9]、變異性以及對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行更進一步的研究。