济源市降水特征分析

姜宝良，张晓偲

(华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045)

降水的发生、发展和变化过程包含必然性，也存在随机性。因此，对降水过程进行特征分析有利于了解其变化规律，为预防干旱、洪涝灾害的发生提供科学的理论依据[1]。本研究以济源市为研究区，根据多年降水资料，分析济源市降水空间分布特征，并基于适线法对全市及各个水资源分区进行降水频率分析，研究成果既可为当地工程设计提供理论依据，又可为农业生产与居民生活提供数据参考。

1 研究区概况

济源市位于河南省西北部，素有“豫西北门户”之称，总的地貌特征是北、西部高，南部低，东部平，且高差悬殊，具体来说李八庄以东为山前倾斜平原，北部崇山峻岭，西部群山连绵，南部丘陵起伏，三面环山形成了西高东低的簸箕形盆地。济源市属暖温带半干旱大陆性季风气候区，四季分明，气候地区性差异较大，总的特点是春季温暖多风、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷少雪。

按照全国水资源综合规划的分区规定及河南省的补充要求，在已有的3个水资源三级分区的基础上，根据济源市地形地质条件及河流分布情况，将其划分为8个水资源四级区(表1)。

2 数据来源与处理方法

2.1 数据来源

本研究在《济源市水资源综合规划》(修编)的基础上，根据济源市境内梨林、五龙口、交地、黄龙庙、竹园、八里胡同等28个雨量站多年实测降水资料，利用泰森多边形法计算出济源市大峪河、逢石河太行山区，大峪河、逢石河西部低山区，蟒河太行山区，蟒河平原区，蟒河黄土丘陵区，砚瓦河西部低山区，沁河太行山区，沁河平原区等8个水资源四级区及全市1955—2015年逐年降水量。

表1 济源市水资源综合规划分区

2.2 处理方法

适线法是以经验频率点为基础选配出一条拟合最好的理论频率曲线，以此估计降水系列总体的统计规律[2]。大量的科学研究与事实证明，适线法是能较好地满足降水频率分析要求的一种方法[2]。其具体步骤如下：

(1)计算并点绘经验频率点[3]。把实测资料按从大到小的顺序排列，计算各项的经验频率，并作为纵坐标与相对应的变量值(横坐标)一起绘于频率格纸上。经验频率的计算公式为

P=m/(n+1)×100%

(1)

式中：P为大于等于变量值的经验频率；m为变量值从大到小的排列序号；n为观测资料的总项数。

(2)计算样本系列的统计参数[3]。离差系数的计算公式为

(2)

由于偏态系数Cs的计算误差太大，故本研究不直接计算，而是根据以往降水计算的经验取值。

(3)选定线型。皮尔逊-Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰曲线，是当前水文计算中常用的频率曲线[4]。

(4)计算设计变量。由确定的Cs，在皮尔逊-Ⅲ型曲线的Φ值表中，查出各对应频率的ΦP值，然后按下式计算各频率对应的设计变量。

(3)

式中：xP为各频率对应的设计变量。

(5)配线。根据配合情况，修改参数，直至配合情况最好为止。

3 结果分析

济源市各个水资源分区地形地貌条件不同，降水情况也不尽相同。为了研究其分布规律，本研究对济源市降水特征的空间分布和各个水资源分区的降水频率进行分析。

3.1 降水空间变化特征分析

根据各站多年平均年降水量，绘制年降水量等值线图(图1)。由图1可知，济源市降水空间分布差异明显，且与地形特征关系密切。济源市降水量总体呈北多南少的特征，由北部山前地带向东南部平原地区逐渐减少。

图1 济源市多年平均年降水量等值线(单位：mm)

3.2 频率分析

根据多年降水资料，对参数进行多次的分析与调整，最终使理论频率曲线与经验频率点之间得到最优的拟合。

3.2.1 降水频率分析

图2为济源市逐年降水量距平曲线。1955—1985年历年降水量变化较大，丰枯年交替出现，平均年降水量比多年平均值多38.7 mm；1986—1997年出现连续枯水年，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与多年平均值持平。

图2 济源市年降水量距平曲线

运用适线法进行济源市降水频率分析，发现该地区年降水量基本符合Cv=0.24、Cs=0.76的皮尔逊-Ⅲ型频率曲线(图3)。从而得出该地区的降水规律，在20%、50%、75%、95%的保证率下年降水量分别为743.28、606.72、516.74、414.99 mm。

图3 优化后理论频率曲线与经验点拟合图

3.2.2 水资源分区降水量频率分析

采用前述研究方法，得到各水资源分区降水量频率分析结果见表2。

4 结 语

通过绘制济源市多年平均年降水量等值线图，运用适线法对济源市及境内8个水资源四级区进行降水频率分析，主要结论如下：

(1)济源市降水空间分布与地形密切相关，北部山区多年平均年降水量大于东南部平原地区，降水量由北部山前地带向东南部平原地区逐渐减少，总体呈西北多、东南少的特征。

(2)济源市在20%、50%、75%、95%的保证率下年降水量分别为743.28、606.72、516.74、414.99 mm。本研究得出的济源市及各个水资源分区在不同保证率下的降水量，对当地旱涝灾害防治和水利工程建设具有重要的现实意义。

表2 济源市降水频率分析结果