任丘市60年来降水特性研究

2018-09-21

地下水 2018年5期

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北沧州 061000)

1 区域概况

任丘市地处北纬38°33′～ 38°57′，东经115°56′～ 116°26′之间，东与廊坊市文安、大城两县相连，南与河间市毗邻，西与保定市高阳县接壤，西北与安新县隔白洋淀相望，北与雄县相接。东西横距42.5 km，南北纵距41.0 km，总面积1 023.0 k2，其中白洋淀面积64.8 km2。任丘市属环京津、环渤海经济开放带，是国务院确定的对外开放县市之一。

图1 任丘市雨量站网分布图

2 降水量资料选择

任丘市共有国家雨量站9处，平均113 km2/站。雨量站网分布见图1。最早的是1919年设站的枣林庄站，其次是1931年任丘市气象局设立的任丘站。为适应水利建设的需要，任丘市先后设立了刘庄站(1955)、吕公堡站(1959)、汜水站(1963)、出岸站(1965)、陵城站(1972)、高屯站(1972)、北汉站(1973)，至2015年共累积了近526站年的资料。本文搜集整理了相邻县(市)的西郜站、留古寺站、兴村站、史各庄站、东绪口站共5处雨量站的同步观测资料，以提高计算精度，绘制等值线图。为提高降水资料系列的代表性，对资料不连续、个别年份缺测或未达到六十年同步系列标准的雨量站，采用直接移用、邻站相关和降水量等值线图内插等方法进行延长或插补。

3 降水系列代表性分析

评价一个系列是否具有代表性，主要看两方面：1)资料系列的长短；2)系列本身的丰枯结构以及统计参数的相对稳定程度。一般而言，一个随机系列中，有一个或几个完整的丰枯周期，并且能够将长系列中的最大值和最小值包含于其中，重要的是其统计参数、Cv、Cs/Cv相对稳定，则认为这个系列具有一定的代表性。

3.1 系列统计参数比较分析

沧州区域内降水资料系列较长，资料完整，并有较好代表性的就是沧县捷地雨量站，自1930年设站至2015年共有86 a资料。本次研究为说明短系列资料的代表性，对捷地雨量站短系列( 1956-2012年) 和长系列(1930-2012年) 资料的进行了对比分析，同时增加了1981-2015年降水系列，以突出上世纪80年代以后区域内降水偏枯的现象。分析这三个系列的降水参数采用水文频率分析法，用以判断不同系列的代表性，结果见表1、表2。

表1 捷地站长短系列参数对比表

表2 代表站长短系列特征值分析表 mm

从计算结果可以看出，1981-2015年系列均值与长系列均值比为0.95，变差系数Cv比0.94，相对误差绝对值4.6%，1956-2015年系列均值与长系列均值比为1.00，相对误差绝对值为0.11%，远小于2%，变差系数Cv比0.97； 1956-2015包括了长系列最大值和最小值，且极差变化不大，两系列均值误差为0.32%小于2%。1981～2015年系列不包括长系列的最大值和最小值，极值比变小。由此可见，1956-2015年系列各项参数和长系列基本一致，代表性较好，采用该系列进行统计参数计算是可行的。

3.2 降水系列丰平枯分析

按照任丘市地域特点，选择资料较完整的枣林庄、任丘、刘庄、吕公堡4处雨量站进行丰、平、枯水年份统计分析。本文主要采用以下标准进行统计分析：丰水年的频率小于37.5%，平水年的频率为37.5%～62.5%之间，枯水年的频率大于62.5%。统计结果如表3所列。

表3 丰、平、枯分析成果表

在1956-2015年系列中，共计240站年资料，其中丰水年出现88次，占36.7%，枯水年出现91次，占37.9%，平水年出现61次，占25.4%。分析得出，1956-2015年系列中丰、枯年份出现次数相差无几。因此，可以认为该系列具有较好的代表性。

3.3 降水量累计年平均值分析

选用资料系列较长的任丘站和枣林庄站为代表站，自2015年依次向前，求出1 a、2 a……的平均值，当累积平均到一定长度时，累积平均值过程线趋于稳定，这时的系列长度相当于降水量变化接近于一个周期，具有代表性，然后计算1956-2015年系列累积年平均值。计算公式：

(1)

(2)

(3)

图2 任丘站累计年平均值过程线图

图3 枣林庄站累积年平均值过程线图

由图2、图3可知，系列长度达40 a后累积平均过程线趋于稳定，即为降水量变化的一个周期。1956-2015年系列包括降水量变化的一个周期，因此该系列有较好的代表性。

3.4 降水量模比系数差积曲线分析

选用任丘、枣林庄、北汉和汜水站为代表站，分别将各站逐年年降水量与多年平均降水量进行对比，比值即为模比系数，再求其差值，然后从本次研究所选取序列的终止年份，即2015年开始向前逐年依次累加，最终得到C～t累计曲线，此曲线即为模比系数差积曲线。计算公式如下：

(4)

(5)

年降水量模比系数差积曲线能较好地反映年降水量的丰枯变化情况。若一段时间内差积曲线呈下降趋势，说明这一时期内多年降水量的平均值大于逐年降水量，那么这段时期定为枯水期；若一段时间内差积曲线总体呈上升趋势，说明在此期间多年降水量平均值小于逐年降水量，则这段时期定为丰水期。差积曲线的形状不同，反映的降水周期亦不相同。各站年降水量模比系数差积曲线如图4～图7所示。

图4 任丘站年降水模比系数差积曲线图

图5 枣林庄站年降水模比系数差积曲线图

图6 北汉站年降水模比系数差积曲线图

图7 汜水站年降水模比系数差积曲线图

由图4～图7可以看出，任丘站2015-1997年为下降段枯水期(19年)，1996-1988年为上升段丰水期(9年)，1987-1980年为下降的枯水阶段(8a)，1979-1956为上升的丰水阶段(24年)；枣林庄站2015-1997年为下降段枯水期，1996-1987年为上升段丰水期，1986-1980为下降的枯水阶段，1979-1956年为上升的丰水阶段。北汉和汜水情况和上述两站情况基本接近。通过对以上四个代表站年降水的丰枯变化分析发现，四个站的丰枯变化周期大约都在36 a左右。由此可以看出，本次研究所选取的1956-2015年的年降水量系列，基本包含一个丰枯变化周期，且期间有些浮动的小周期变化，因此认为该系列具有较好的代表性。

4 年降水量系列参数分析及年降水量计算

4.1 年降水量系列参数分析

任丘市共有国家雨量站6处，采用1956-2015年共60 a系列，本文选用矩法进行统计参数计算，采用数字期望公式进行经验频率计算，利用皮尔逊Ⅲ型曲线对频率曲线进行适线调整。矩法计算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

在适线过程中，未对最大、最小极值作处理，取算术平均值作为适线的均值，且适线时固定均值不变，只对Cv、Cs作适当微调，其最后成果见表4。

表4 任丘市降雨量代表站1956-2015年系列特征值统计表

表5 各地年降水量特征值统计表(1956-2015年)

由表4可以看出，几个代表站的 Cv 值相差不大，一般在0. 30 ～ 0. 35 之间，其主要原因在于年降水量的相对稳定。偏差系数Cs 的取值一般用Cs /Cv 值来反映。Cs /Cv 的选用以最佳适线值为准，取值一般在2.0 ～ 2.5之间，本文取用固定值2.5。

4.2 年降水量计算成果

根据1956-2015年降水量同步系列资料统计分析，任丘市多年平均降水量497.0 mm，年均降水总量5.08亿 m3。保证率20%、50%、75%、95%的降水量分别为623.6 mm、475.0 mm、378.9 mm和272.5 mm。各乡镇中，平均降水量最大的是长丰镇，年平均降水量为523.5 mm，出岸镇平均降水量最小，为487.9 mm，各乡镇降水量计算成果见表5。

由表5可以看出1956-2015年系列中，任丘市降雨量分布不均，东部、北部降水较大，其中高屯站多年平均降水量523.4 mm，西部降水较小，呈现自东向西逐渐减少的趋势，但由于区域较小变化趋势不很明显。中东部多年平均降水量在500 mm以上，而西部、南部多年平均降水量一般小于500 mm，其中最小值是出岸为487.9 mm。

4.3 降水量的年内分配与年际变化

4.3.1 降水量的年内分配

任丘市降水量年内分配较为不均，降水主要集中在汛期(6-9月)。汛期降水量占全年降水量的80%左右，个别年份可达90%以上，而其它月份总和还不到10%，降水集中程度较高。而汛期内的降水又主要集中在7、8两个月，丰水年份雨量集中程度更高。例如枣林庄站1994年年降水量为908.8 mm，汛期降水量822.7 mm，占年降水量的91%，而七八月降水量为678.1 mm，占年降水量的75%。代表站多年平均降水量年内分配见表6及图8。

表6 代表站多年平均降水量年内分配表(1956-2015年)

图8 1956-2015年代表站多年平均各月降水量图

4.3.2 降水量的年际变化

受气候、地理等因素的影响，任丘市降水量年际变化较大。变差系数CV或极值比(最大值与最小值之比)可反映降水量年际变化的程度。年降水量系列的CV值越大，极值比越大，降水量的年际变化越大。

1956-2015年共60 a降水量中，任丘市年降水量变差系数CV值的范围为0.30～0.36。在任丘市9个雨量站540站年资料中，最大年降水量为北汉1964年1 268.3 mm，最小年降水量为陵城1997年178.3 mm，相差7.1倍。各雨量站年际变化最大值与最小值之比为3.6～6.1，其中比值最小的是枣林庄站为3.6，CV值也为0.30，比值最大的是汜水站为6.1，CV值为0.36。任丘市降水量年际变化见图9。