以尼洋河流域为例探究高原山区降水插值方法

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(河海大学水文水资源学院，江苏南京210098)

尼洋河位于西藏自治区的东南部、雅鲁藏布江中下游的左岸，是雅鲁藏布江的五大支流之一，由于处于独特的位置及流域大小合适，既受到来自印度洋暖湿气流作用又有高原山区独特的冰雪水文作用，尼洋河一度成为高寒区流域水循环规律及其演变机理研究的热门区域，尤其是气候变化背景下气温、降水、融雪、径流等水文要素变化的研究。

达瓦次仁等通过基础水文资料的分析探究尼洋河洪水频发的原因[1]。张显扬等基于混合线性回归模型的黑箱子模型方法建立尼洋河流域的水文预报模型，但整体精度只达到作业预报精度要求水平[2]。李朝霞通过层次分析法构建水资源可持续利用指标体系，对尼洋河流域的水资源可持续性利用进行了系统分析[3]。关于降水插值方面,杨庆等对中国地区降水变化趋势与海拔高度关系进行了初步探究，为中国各流域中降水与海拔关系提供了参考[4]。辜智慧等以锡林郭勒盟为研究区域探究了气象观测站点稀疏地区的降水插值方法，在降水与地形的基础上结合地统计学分析，使得降水插值效果更佳[5]。孙琪利用逐步插值法研究长江中上游降水空间分析，通过降水与影响降水的各种因素建立函数关系，对研究区域进行分割逐个计算降水，利用数学统计分析方法进行验证，得到较高的降水插值结果[6]。对尼洋河进行水文模拟需要建立在降水、蒸发、气温等基本水文要素基础之上，由于尼洋河流域水文气象站点较少，建立合理的降水插值方法对流域水资源分析、水文模拟预报有重要的作用。本文通过参考其他地区降水空间插值方法基础之上，建立符合尼洋河流域自身降水插值方法。

1 尼洋河降水径流关系

尼洋河位于藏东南地区，属于青藏高原地区,是雅鲁藏布江中游的1条较大支流[7]，由于来自印度洋的水汽可以沿着雅鲁藏布江大峡谷溯源而上，使得尼洋河流域降水充沛，水资源丰富，具有极大的开发价值。目前尼洋河流域水文站点较少，能够利用具有长期记录的水文数据只有巴河桥、工布江达、更张3个水文站及林芝气象站。尼洋河全长307.5 km，流域东西长约230 km，南北平均宽约110 km，流域形状呈长叶条状，面积1.767 9万km2，落差达2 000多米，平均坡降达为7.4%，尼洋河沿着河谷自西向东南方向流。其源头为古冰川融水，海拔高度在5 000 m左右[7]。

尼洋河发源于西藏自治区米拉山西侧的错木梁拉山，向东南方向流，在林芝县的则们附近汇入雅鲁藏布江(图1)。尼洋河支流间纵横交错，较大支流有白曲、娘曲、巴朗曲、巴河、则弄、普布弄巴等。其中巴河是最大的一个支流,在尼洋河左岸中游,河长约100 km,流域面积为4 198 km2，占尼洋河流域面积的23.9%，于巴河桥汇入尼洋河。

图1 尼洋河流域地形及站点分布

根据站点的降水数据及工布江达、巴河桥、更张站(其中更张站流量数据与尼洋河口流量存在0.95倍关系)记录的流量，通过表1发现3个站点的降水径流关系明显不符合径流系数，这说明河谷地带的降水不足以使尼洋河的径流达到如此规模，降水明显小于径流，即使通过泰森多边形法插值，也无法满足降水径流关系，所以需要利用其他降水影响因素来模拟流域降水分布规律。

由于尼洋河水文站点均位于尼洋河河谷地带，尼洋河海拔在2 864～7 266 m之间海拔高差大，通常情况下，自然条件比较均一的山地，降水量一般都是随着海拔的升高而逐渐增加，某一高度达到最大值，后再随着海拔的升高而降低[8]。影响降水的因素主要有大气环流、水汽环流、地形、山脉、气温等[9]，本文由于受资料限制，着重探究降水与海拔高差的关系，将其他影响因素通过参数来概化。

由于尼洋河流域站点较少，通过建立降水要素与空间变量间的关系方程，用回归分析方法[10]建立降水与地理海拔影响因子间的关系。由于尼洋河流域对降雨的主要影响因子是海拔，其他影响因素可统一归总到参数中初步确立降水插值模型。

Pi=P(Zi,λi)

(1)

式中i——分区号；Zi——高程；λi——参数。

2 流域降雨插值的建立

由式(1)可知，要建立各区域降雨关系，首先利用ARCgis将流域按照河流级别分为13个区域，相同颜色的区域内河网等级相同。颜色相同部分为一个区域(图2)。

图2 尼洋河流域分区

利用ARCgis计算各分区的平均高程及面积占比，通过图3可以利用比例关系计算各区域海拔和面积，计算结果见表2。根据流域所处地理环境，及参考以往研究建立降雨插值公式，尼洋河流域年降水量递增率在15 mm/100m左右[11]，在海拔高差较大的流域降水不仅与地理位置有关，而且与迎接水汽坡向海拔高度有关，一般随着海拔高度的增加先增加后减少，呈开口向下的抛物线型。

表1 尼洋河流域未经插值的降水径流关系

图3 尼洋河流域各分区像素点个数

由于建立曲线模型需要更多更精确的资料，所以本文概况成线性模型，但必须使得降水量大致一样，达到降水径流平衡。在不同条件下，各因素的作用有所不同，其间关系极为复杂[10]。利用概化参数来体现其他降水因素的作用，一般降水主要与大气中的水汽含量及气温有关，水汽含量和气温随着海拔的升高而减少，而使水汽更好地凝结就必然存在1个临界值，可以认为某一高度带对降水贡献率较大。由此可以得出水汽含量及气温受到海拔高度的影响最大，海拔高度是影响降水的主要因素。但由于尼洋河流域站点较少，要建立复杂的降水数学模型是困难的，需要更精细的数据支撑，在今后流域建立更多水文观测站时，可以进一步完善。

表2 尼洋河流域各分区面积及高程

本文通过降水与高程的关系及考虑其他综合因素的影响建立如下降水分布的概化数学模型：

Pi=[(Zi-Z0)×0.15+P0]×(1+α)

(2)

式中Pi——分区降水量，mm；Zi——区域平均高程，Z0起算点即水文站观测点高程，m；P0——起算水文站点降水量，mm；α——综合影响参数，结合中国高原山区降水影响因素作用，取0.5。

计算结果见表3。从中可以看出降水P大于径流深R，径流系数处于0.60～0.74,通过参考全国径流系数分布图(图略)，其基本符合流域实际情况，初步满足降水径流平衡。

表3 尼洋河流域出口径流深～降水比较

通过地理国情监测云平台下载1985—2012年西藏地区多年平均降水量空间分布栅格数据，尼洋河流域年降水量分布处在1 500 mm左右。通过插值计算的2000—2008年年平均降水量为1 674 mm，与统计数据基本吻合，也证明计算结果具有可靠性。

3 结论

通过数学模型的建立对尼洋河流域进行降水插值使得流域基本达到了降水径流平衡，2000—2008年的平均径流系数为0.67，参考全国径流系数分布图中尼洋河地区径流系数，符合尼洋河流域实际情况，说明该方法具有一定的实际意义，为后续水文预报及模型的基础水文数据输入打下基础。

尼洋河流域处于藏东南降水充沛地区，通过降水插值得到多年平均降水量达1 674 mm，年径流量大，尼洋河干流及支流巴河规划建设9个梯级电站，装机容量31.5万kW，是藏中电网的重要能源基地之一，具有极大的开发利用价值[12]，为科学利用尼洋河水资源提供重要参考。

由于采用河网分级划分流域，将整个尼洋河流域作为一个整体进行计算，不能一次性计算工布江达站和巴河桥站降水径流关系，需要重复将两站所控制的流域划分出按照上述方法重新进行计算，参数的设立建立在参考其他相似流域的基础上，模型概化较强，缺乏更详细的水文基础资料。但随着流域水文站点的增设，以后可以建立更精细的降水插值模型甚至可以利用泰森多边形法。