疏勒河干流降水时空分布研究

颜明慧，张文春，刘 刚

(甘肃省水文站，甘肃 兰州 735000)

1 流域概况

疏勒河流域属于内流河流域的一部分，位于甘肃省河西走廊西端，地理位置位于东经96°15′～98°30′，北纬39°40′～41°00′之间，流域面积2.41万 km2，干流全长670 km，从河源出祁连山北麓流经甘肃省肃北县、玉门市昌马镇汇入昌马水库，河长347 km，中游流经河西走廊玉门市、瓜州县绿洲盆地，下游流经瓜州县绿洲盆地生态保护区，与疏勒河最大支流党河交汇于敦煌市生态保护区内，最后流入哈拉湖。地形特点南部祁连山区海拔在3 000 m以上，前山丘陵区海拔在2 000～3 000 m，廊道盆地绿洲区海拔在2 000 m以下。

2 降水量空间分布特点与资料收集

2.1 降水量空间分布特点

疏勒河流域降水分布规律较强，气候属大陆性干旱气候，主要受北部冷空气气旋和局部天气影响，气候干燥冷热变化剧烈，风沙较多，从东到西年际降水量逐渐变少，敦煌市多年平均降水量40 mm左右；从地形上说，深山区降水量较多，前山区降水量较深山区少，廊道盆地绿洲区降水量不足前山区的一半；从流域内各区站点降水量年际变化很大，6-9月降水量占全年的六成以上，甚至可达到八成左右；从降水强度来说，深山区雨强较小，降水持续时间较长；前山区雨强较大，降水持续时间较短，产生大暴雨洪水，据长期水文资料监测结果显示，流域暴雨中心都发生在本区域，如：2000年玉门市站日降水量108.7 mm，洪峰流量为250 m3/s，2012年莫高窟站日降水量99.2 mm，洪峰流量达566 m3/s；廊道盆地绿洲区降水强度相对较弱，但时常伴随有大风冰雹等强对流天气情况出现。本次主要讨论研究疏勒河干流流域部分。

2.2 基本资料来源

疏勒河干流流域内降水分布站点有水文部门5个(鱼儿红、昌马堡、五站、潘家庄和双塔堡)和气象部门4个(玉门镇、瓜州、敦煌和马鬃山)。由于流域干流流域雨量站较少，为了更好地研究说明干流流域降水时空分布面上情况，且与相邻流域降水量资料进行合理性对照检查，广泛吸纳了疏勒河流域干流外的玉门市等雨量站和临近黑河流域子水系的冰沟等雨量站合计17个，共计26站年资料；所用资料来源均为相关部门提供，质量可靠的，研究成果具有可应用性。

2.3 资料系列插补延长

选取资料系列为1956-2015年站。在计算分析时首先对各站年资料一致性、统一性、完整性进行相关检查，对个别站资料系列长短不一的需要进行合理性插补延长处理。插补延长采用比值法，即依据设计站与参证站点的气候条件、地形特点、下垫面条件等因素相似性，对设计站进行插补延长；修正系数为需要延长系列站观测资料的总数与参证站或多站同步观测资料总数比值。将所选26站年资料均统一到1956-2015年，资料系列长度达60 a。

3 流域降水量时空分布规律分析

3.1 流域降水量年内时空分布规律分析

3.1.1 流域站点年内时空分布规律分析

疏勒河流域干流研究区域内布设15个监测雨量站点，但干流各站点降水量年内分配不均衡，各站之间年内降水量分布也存在较大差异。

(1)在祁连山西端北麓前山区布设的石包城、蘑菇台、昌马堡、玉门市等雨量站一带，5-9月各站占全年降水量变化区间在72%～85.2%，其中石包城、昌马堡雨量站占比接近，比玉门市占比高出13.2%；从资料统计可知，山前各站多年均值7月降水量最大，玉门市站多年平均降水量最大为39.6 mm,其次石包城站多年平均降水量为33.4 mm，山前雨量站从东到西降水呈现跳跃性变化，也就是流域内降水量山前时空分布为三个暴雨中心，即玉门市、石包城、大泉河(本次不作为研究对象)三个暴雨中心。1-4月及10-12月各站降水量累计占年量变化在14.8%～28%范围之内；非汛期7个月中各站月最大降水量均发生在4月份，个别站发生在3月但量差变化不大，并且各站占年量变化区间在4.2%～7.6%范围之内。

(2)走廊盆地绿洲区从东到雨量站分布有花海子、玉门镇、伍站、潘家庄、双塔堡水库、安西、西湖、马鬃山、柳园等站。5-9月各站占全年降水量变化区间在68.3%～84.3%，其中马鬃山、花海子站降水量分别为84.3%和68.3%，其余各站占比在70%～80%变化。从资料统计可知，盆地绿洲区各站多年均值7月降水量最大，盆地丘陵区马鬃山站多年平均降水量最大为26.3 mm，其次柳园站多年平均降水量为22.0 mm；盆地平原区雨量站从东到西降水量分布变化较小，在8～16.9 mm之间，流域内降水量盆地平原区时空分布为两个暴雨中心，即玉门镇、马鬃山-柳园两个暴雨中心。1-4月及10-12月各站降水量累计占年量变化在15%～31.8%范围之内；非汛期7个月中各站月最大降水量均发生在4月份，个别站发生在3月但量差变化不大，并且各站占年量变化区间在4.1%～7.5%范围之内。

3.1.2 降水的年内空间分布

由疏勒河流域站点降水量多年月年平均值可知，疏勒河干流流域降水量年内分布不均匀，汛期降水量较多而集中，平均占75%以上，其中7月份多年雨量最大，平均占26%以上；汛期降水量较少也集中，平均占25%左右，其中3或4月份多年雨量最大，平均占6%以上，冬季降水比春季少。疏勒河干流流域降水量的空间分布的特点是从东南向西北总体递减，前山区降水量较多，平原区降水量较少，但柳园-马鬃山丘陵地区与前山区降水量相当。疏勒河干流上游山区沿山降水多在100～200 mm之间变化，而盆地绿洲区降水量多在40～70 mm之间变化。

3.2 降水量的年际分布规律分析

3.2.1 降水量的年际变化

流域降水的年际变化，通过点绘流域各雨量站多年过程线，可直观反映各站多年降水变化情况。由于本流域降水分布不均匀的特点，根据相关资料点绘山前区、敦煌盆地、玉门-瓜州盆地过程线图，即图1疏勒河流域山前区代表站年降水量时序累计平均过程线图、图2疏勒河流域敦煌盆地代表站年降水量时序累计平均过程线、图3疏勒河流域玉门-瓜州盆地代表站年降水量时序累计平均过程线图如图所示。

图1 疏勒河流域山前区代表站年降水量时序累计平均过程线图

(1)山前各代表站年际降水过程线基本一致。从图1看出，玉门市、石包城、党城湾等雨量站每年降水量都比较大，进一步说明了玉门市、石包城-大泉河-党城湾站是暴雨中心成立的证据。

图2 疏勒河流域敦煌盆地代表站年降水量时序累计平均过程线

(2)盆地绿洲区—敦煌盆地各代表站年际降水过程线变化规律不强。从图2敦煌市、党河水库、西湖、南湖雨量站反映敦煌盆地降水时空分布不均衡，受气候因素一致性影响变化大；柳园站与其他站降水过程线不同步，说明影响降水的气候、下垫面、地形等条件不同，与实际丘陵地形反映一致。

图3 疏勒河流域玉门-瓜州盆地代表站年降水量时序累计平均过程线图

(3)盆地绿洲区—玉门-瓜州盆地各代表站年际降水过程线变化一致，代表性良好。从图3可知，玉门镇、五站、潘家庄、瓜州等站同期降水量绝大多数变化幅度在20%之间，其中五站、潘家庄站1973、1979、2000和2007年降水量明显增大，经分析暴雨场次中心在玉门盆地玉门镇-五站雨量站中心周围，为本站100 a一遇暴雨；花海子雨量站与各站同期降水量明显偏小，反映出本站远离本区域暴雨中心。

3.2.2 流域降水站点分布数理特征统计及分析

依据收集资料计算统计流域内各代表站的多年平均降水量及年特征值，并且分别点绘各代表站降水量经验频率坐标，绘制皮尔逊Ⅲ型理论曲线，确定其参数，通过经验频率点据与理论曲线的配合情况，试线修改、选配参数，直止理论曲线与经验频率点据配合最佳，最后确定参数偏差系数与变差系数(Cs/Cv=k)的比值。

疏勒河流域各雨量站Cv值参数统计，流域前山区与走廊绿洲盆地区有明显差异。前山区Cv值较小，在0.30～0.44之间变化；走廊绿洲盆地区Cv值较大，在0.43～0.64之间变化；流域代表站年极值比在3.36～64.00之间变化。Cv值或年极值比在时空分布上有明显的分带性；从地形上看，前山区小于绿洲盆地区，但因代表站受局部地形高山或盆地、气象环境、站点分布以及降水量大小等因素的影响，统计值分布出现交叉情况。

疏勒河流域各雨量站参数及频率统计列出了丰水年、平水年、枯水年、特枯水年，即频率为20%、50%、75%、95%的各代表站的年降水量，对于了解流域降水分布特征和区域性农业、工业、生态等需水具有实际指导意义。

3.2.3 流域代表站典型年配型统计及分析

根据疏勒河流域各代表站年设计理论频率曲线，分别查得20%、50%、75%、95%的年降水量，然后在实测资料系列中选取与设计值相等或接近的年份，即可作为相应频率的丰平枯代表年，按照年内分配最不利原则进一步选择确定。

(1)代表站频率为20%典型年：前山区代表站2000年降水量为252.4 mm，敦煌盆地区代表站1959年降水量为98.5 mm， 瓜州-玉门盆地区1982年降水量为82.3 mm。

(2)代表站频率为50%典型年：前山区代表站2003年降水量为185.5 mm，敦煌盆地区代表站1958年降水量为70.4 mm, 瓜州-玉门盆地区1975年降水量为60.4 mm。

(3)代表站频率为75%典型年：前山区代表站1990年降水量为174.4 mm，敦煌盆地区代表站1965年降水量为53.0 mm, 瓜州-玉门盆地区1998年降水量为36.5 mm。

3.3 流域站点资料系列变化趋势分析

3.3.1 流域站点资料系列丰枯变化分析

为了研判疏勒河各雨量代表站年降水量的丰枯变化过程，我们需要引进模比系数差积曲线概念，此概念能较清楚的反映各站年降水量的丰枯变化过程。模比系数差积曲线斜率上升，则表示年降水量处于偏丰或丰水区间；模比系数差积曲线斜率下降，则表示年降水量处于偏枯或枯水区间；模比系数差积曲线斜率不升不降，则表示年降水量处于平水区间。

根据流域降水量时空分布的特点，将流域划分为三个区域即山前区、敦煌盆地区、玉门-瓜州盆地区，计算各站年降水量模比系数(ki=Pi/P平均)，建立模比系数(∑(ki-1))～时间(t)的模比系数差积曲线关系。见图4疏勒河流域山前代表站年降水量模比系数差积曲线、图5疏勒河流域敦煌盆地代表站年降水量模比系数差积曲线、图6疏勒河流域玉门-瓜州盆地代表站年降水量模比系数差积曲线。

从图4中可以看出，山前各站(阿克塞站除外)丰枯年降水变化规律基本一致，经历从枯水年—沣水年—平水年—沣水年周期过程变化；从图5中可以看出，敦煌盆地区各站(柳园站除外)丰枯年降水变化规律基本一致，经历了从枯水年—沣水年—枯水年—沣水年—枯水年—沣水年周期过程变化；从图6中可以看出，玉门-瓜州盆地各站丰枯年降水变化规律比较复杂，双塔堡水库、潘家庄、花海子站经历了从枯水年—沣水年—枯水年—沣水年—枯水年周期过程变化，瓜州、玉门镇、玉门市站经历了从枯水年—沣水年—平水年—沣水年周期过程变化，五站经历了从枯水年—沣水年—平水年—沣水年—枯水年周期过程变化。

通过图4～图6对比分析，模比系数差积曲线都能反映各站有资料记载以来所经历的丰、平、枯的降水变化过程，且大趋势具有一致性的特点。

3.3.2 流域各站点资料长时段丰枯变化分析

流域各站点系列资料丰枯变化情况，常常以逢零年代划分资料区间长度来研究降水量的丰枯变化规律，实际工作中，先算出降水量模比系数kp值(kp=某年降水量/多年平均降水量)，按照丰枯等级划分标准，就可以确定某区间的年降水量丰平枯程度。研究对象划分同上。

(1)前山区：1950年代、1960年代83.3%为枯水到偏枯年，余为平水年；1970年代各站基本为平水年；1980年代33.3%的站为偏丰年，其余为平水年；1990年代基本为平水年；2000年代66.7%为平水年，余为偏丰年；2010年代33.3%为平水年，余为偏丰年(见图7)。

(2)敦煌盆地区：1950年代20%的站为丰水年，其余为平水年或枯水年；1960年代80%的站为偏枯到枯水年；1970年代80%的站为偏丰到特丰年；1980年代60%的站为平水年，余为枯水年；1990年代80%的站为平水年；2000年代60%的站为丰水年，40%站为枯水年；2010年代80%的站为偏、特丰年(见图8)。

(3)玉门-瓜州盆地区：1950年代33.3%的站为平水年，余为枯水年；1960年代各站基本为偏枯到枯水年；1970年代各站为偏丰到特丰年；1980年代83.3%的站为平水年，瓜州为丰水年；1990年代16.7%的站为丰水年，余站为平水年；2000年代16.7%的站为丰水年，余站为平丰年；2010年代33.3%的站为枯水年，余站为平丰年(见图9)。

由统计分析知，疏勒河流域各代表站的年降水量系列出现平水年的几率最大，占统计量42%；丰水年占统计量26.9%；枯水年占统计量31.1%；平、丰水年占统计量68.9%，平、枯水年占统计量73.1%，说明流域降水量时空分布比较正常均衡，多年变化在合理区间内；特别从1970年代以来，平、丰水年占统计量87.1%，平、枯水年占统计量63.5%，充分说明流域降水量时空分布偏丰，对工农业生产、生态恢复利好。

3.3.3 流域雨量站点资料系列显著性变化趋势分析

对于流域内各站降水量系列线性趋势研究，检验资料系列是否显著性趋势变化的判断方法，通常采用坎德尔(Kendall)秩次相关法、斯波曼(Spearman)秩次相关法、线性趋势回归法进行检验。现将收集到各雨量站逐年降水量变化过程进行计算点图(略)，分别进行坎德尔(Kendall)秩次相关、斯波曼(Spearman)秩次相关、线性趋势回归等方法技术处理，按要求参数判断其趋势项检查是否显著。三种检验方法统计如下：

(1)坎德尔秩次相关法与斯波曼秩次相关法分析结果一致。绿洲盆地区12站点占比显著性增加为25%、不显著性增加为75%；前山区4站点占比显著性与不显著性增加各占50%。

(2)线性趋势回归法：绿洲盆地区12站点占比显著性增加为16.7%、不显著性增加为83.3%；前山区4站点显著性增加占比为75%、不显著性增加占比为25%。

(3)柳园站应该划分为山地 丘陵区，三种方法分析的结果一致，均为显著性增加。

通过对疏勒河流域降水时空分布的分析可知，其特点具有一定的区域性。流域前山区降水量增加显著减少，其中疏勒河中段(昌马河上游)及党河流域不显著减少；绿洲盆地区不显著增加，北山区(山地丘陵)趋势项增强显著，趋势变化程度减缓。

4 结语

通过对疏勒河流域降水时空分布的探讨研究，基本搞清楚了疏流河流域降水情况及特点总结如下：

(1)从流域站点年内时空分布规律分析看，前山区降水量大，绿洲盆地区降水量比较小，均值约为前山区的一半；降水量一般集中在5-9月，前山区约占年量75%左右，绿洲盆地区约占年量70%以上；7月份多年雨量最大，占年量26%以上；3或4月降水量较其他非汛期大，占年量6%左右。

(2)从降水量的年际分布规律分析看，山前各代表站年际降水过程线基本一致，根据相关系列资料发现玉门市、石包城-大泉河-党城湾站是流域局部暴雨中心，每年都有较大降水；盆地绿洲区-玉门-瓜州盆地各代表站年际降水过程线变化一致，代表性良好。

(3)从流域降水站点分布数理特征统计及分析看，流域前山区与走廊绿洲盆地区有明显差异。值或年极值比在时空分布上有明显的分带性；前山区值较小，在0.30～0.44之间变化；走廊绿洲盆地区值较大，在0.43～0.64之间变化。

(4)从流域站点资料系列丰枯变化分析看，疏勒河流域各代表站的年降水量系列出现平水年的几率最大，占统计量42%；丰水年占统计量26.9%；枯水年占统计量31.1%；平、丰水年占统计量68.9%，平、枯水年占统计量73.1%，说明流域降水量时空分布比较正常均衡，多年变化在合理区间内；特别从1970年代以来，平、丰水年占统计量87.1%，平、枯水年占统计量63.5%，充分说明流域降水量时空分布偏丰，研究结果为该区域水资源动态分析工作提供科学数据支撑，对工农业生产、生态恢复有实际意义。