滹沱河山西段降水量时空分布特性分析

程 俊，徐 静

（1.山西省阳泉市水文水资源勘测分局，山西 阳泉 045000；2.山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001）

1 流域基本情况

滹沱河是海河水系的重要支流，由忻州市繁峙县横涧乡平型关发源，向西从五台山西北流入忻州盆地，在界河铺受金山所阻，转向东流，横穿系舟山和太行山脉在盂县梁家寨乡闫家庄村出山西省，于河北省献县与滏阳河汇合后称子牙河[1]。其中，滹沱河山西段山区部分占61.0%，平川区部分占18.6%，丘陵区部分占20.4%，平川区主要分布在忻州盆地。滹沱河流域基本情况，详见表1。

表1 滹沱河流域基本情况

该流域水利工程众多，降雨的变化会导致径流和可用水量发生变化，近年来有众多学者对全国各区域的降水特征进行了大量研究[2-5]。分析研究降水量的变化特性，对防汛减灾、水资源开发利用和水资源综合规划均有重要的现实意义[6]。

2 年内降水量分配分析

滹沱河山西段属温带大陆性季风气候，降水量年内分配与季风的活动有密不可分的关系。冬季降水量稀少，只有少量固体降水，且呈现出南多北少、山多谷少的特点；春季降水量逐渐变多，但就总量来说，占全年降水量的比例不足1/5；夏季季风活动强烈，降水量充沛，可以达到全年总降水量的1/2以上；秋季降水量比夏季显著减少，且分布形式显现出由北向南增加、由高山向盆地减少的趋势。总的来说，降水量在各个季节间的分配比例是极其不平衡的，如图1所示。

图1 滹沱河山西段降水量年内分配

经分析，可以得出滹沱河山西段降水年内分配特征：①降水量在年内的分配呈现单峰型，夏季和秋季多雨，汛期（6—9月）降水量占全年的75.74%，东部省界附近的五台山一带汛期降水量所占比例在80%以上，如忻州市五台县的金岗库站汛期降水量占全年的86.4%；②7、8两月降水量最为集中，占全年的48.94%，北部部分地区可达50%以上；③冬季（12月至次年2月）干旱，冬季是全年降水最少的时期，降水量只有年降水量的2.41%；④降水量的年内分配在各年之间差异较大，丰水年汛期降水量占年降水量的比例较大，枯水年各季节间分配更为平均，以忻州市的豆罗桥站为例，降水情况见表2；⑤汛期暴雨集中，许多站点最大24 h降水量甚至会超过枯水年份的全年降水量，如晋中市昔阳县的郝家雨量站，2016年7月19日24 h雨量为523.0 mm，枯水年1972年的降水量只有307.7 mm，1 d的降雨量达到了枯水年降雨量的1.70倍。

表2 豆罗桥站降雨情况

3 年际降水量变化分析

3.1 年降水量变化趋势分析

利用线性趋势法、滑动平均法和M-K趋势分析法对滹沱河山西段1956—2016年平均年降水量变化趋势进行分析，结果如图2所示。

图2 滹沱河山西段降水量年际变化

由年降水量过程线可以看出，滹沱河山西段降水量丰、枯悬殊，在1956、1972年分别出现最大和最小年降水量，降水量极值分别为729.5、239.9 mm，最大年降水量是最小年降水量的3.0倍。滹沱河山西段年际间的变化很大，年降水量的极值均出现在20世纪80年代之前，近年来年际间的变幅呈减小趋势，年降水量也呈现出减小趋势，线性递减率约为每10 a 5.5 mm。由图2可以看出，滹沱河山西段降水量呈现波动减小趋势，有一定的周期性。

通过M-K趋势分析法对滹沱河山西段年降水量变化趋势做显著性分析，取显著性水平α为0.05，其中M-K趋势指标U＝-0.524，│U│＜Uα/2，说明滹沱河山西段近61 a降水呈不显著的减小趋势。

3.2 年降水量突变分析

通过M-K检验和滑动t检验对滹沱河山西段1956—2016年降水系列进行突变分析，结果如图3—4所示。

根据图3可知，在M-K曲线中，UF和UB曲线有多个交点，均出现在20世纪五六十年代，分别为1956、1959和1964年。

图3 降水量M-K统计量曲线

图4 降水量滑动t统计量曲线

根据图4可知，由M-K检验识别的突变点年份在子序列长度为10的滑动t检验中均未通过α=0.05的显著水平检验，因此大致判断滹沱河山西段近61 a的年降水量未发生突变。

3.3 年降水量周期分析

通过小波分析对滹沱河山西段1956—2016年降水系列进行周期分析。将滹沱河山西段1956—2016年降水系列进行Morlet小波分析，可以得到滹沱河山西段降水量的小波系数实部等值线、模等值线、方差，如图5—7所示。

图5 降水量小波系数实部等值线

在图5中，实线部分数值大于零，代表了降水量偏多的时期；虚线部分数值小于零，代表了降水量偏少的时期。由图5可以看出，滹沱河山西段年降水量存在4个明显的特征时间尺度，分别为28～31、16～19、10和5 a，其中10 a左右的特征时间尺度主要存在于20世纪80年代之后、5 a左右的特征时间尺度主要存在于20世纪80年代之前，没有贯穿整个研究时段。

图6 降水量小波系数模等值线

由图6可以看出，滹沱河山西段降水系列的周期较为显著，其小波系数模值较大的时间区域为31、19、10、5 a左右，其中31 a左右的时间尺度震荡能量最强，其次是19 a左右的时间尺度。

图7 降水量小波方差

由图7可以看出，在滹沱河山西段年降水量的小波方差图中存在有31、19、10和5 a 4个较为明显的峰值，其中最大的峰值出现在31 a左右的特征时间尺度，同时周期震荡最强烈的也是该时间尺度，因此判断滹沱河山西段年降水量有31 a的第一主周期，第二、三、四周期分别为19、10和5 a。

4 降水量空间特性分析

根据1956—2016年滹沱河山西段各雨量站的年降水量，绘制滹沱河山西段的多年降水量等值线如图8所示。

图8 滹沱河山西段降水量等值线

由图8可分析得出滹沱河山西段年降水量的空间分布特征：①滹沱河山西段年降水量分布主要受到了季风气候的影响，大体呈现自东南向西北递减的趋势；②滹沱河山西段年降水量分布受山脉走向和地形影响很大，呈现出由河谷向丘陵、山区递增和随高程增高而增加的趋势；③滹沱河山西段降水量的低值区主要分布于盆地和山脉的背风坡，其中忻州盆地多年平均年降水量小于400 mm；④滹沱河山西段降水量的高值区主要位于太行山、云中山等山脉的迎风坡，尤其是五台山区降水量明显高于周边地区；⑤滹沱河山西段降水量空间分布差别很大，其中降水量最大值出现在五台县的五台山雨量站、1956—2016年平均年降水量为777.8 mm，降水量最小值为定襄县的大营站、多年降水量均值为383.8mm，前者为后者的2.03倍。

5 结论

滹沱河山西段降水量在各个季节间的分配比例极其不平衡，主要集中在夏季和秋季，其中7、8月的降水量可以占全年的1/2左右，在这2个月中还常有历时短、雨强大的短时强降雨发生。

滹沱河山西段降水量年际间变化剧烈，在近61 a来呈现不显著的减少趋势，没有明显的突变，有较为稳定的周期变化，第一主周期为31 a。根据降水量的变化趋势，预计未来几年降水量会有所减小。

滹沱河山西段降水量分布主要受气候和地形的影响，大体呈现自东南向西北递减、由河谷向丘陵山区递增和随高程增高而增加的趋势。

滹沱河上游各支流流域内植被较差，森林覆盖率低，水土流失十分严重。而且由于各支流都是山区性河流，纵坡普遍较大，产汇流时间短，水流急湍，推移质比重较高，一般推悬比为10%～25%，最高的如云中河高达100%以上，在降雨集中的夏季极易发生山洪灾害和滑坡、泥石流等地质灾害。因此，在上游山区建立雨水收集系统，在有条件的地区建设新型海绵城市，对缓解区域内水资源短缺、季节性缺水和预防山洪、地质灾害都有重要意义。