石虎子河小流域降雨年内分配特征研究

叶欣欣

(昌图县水利事务服务中心,辽宁 昌图 112599)

降雨对农业生产、生态环境演变以及水资源时空分布等具有重要影响,降雨是导致山洪、泥石流及水土流失等自然灾害的重要原因,对降雨分配特征进行研究极具现实意义。我国许多学者从不同角度探究了降雨分配特征,如刘伟等运用滑动平均法和累积距平法,依据1956—2011年浑河流域径流及逐日降水数据,从时间尺度上分析径流量与降水量的相关性,进一步揭示两者的变化趋势;黄晓亚等利用非参数检验(M-K)法和集中度分析了降雨统计特征与日降水之间的关系,探讨极端降雨随集中度的变化规律;刘文莉等以陕西省为例,通过分析年内降水分配特征提出旱涝灾害主要受年内降水集中度的影响,降水集中度越大则洪涝灾害发生概率越高;张学洪等对北部湾经济区降雨分配状况利用降雨年内分配不均匀系数进行分析,结果显示气候变化在一定程度上会降低降水年内稳定性,提高分配不均匀性;刘士余等以赣西北大坑小流域为例,运用统计回归法和时间序列法分析其降雨变化趋势,表明该小流域降雨具有明显的季节差异性,年内降雨呈现出单峰型变化特征;王纪军等通过计算分析,从侧面上揭示了降水年内分配特点,结果表明不均匀系数与降水集中度存在显著相关性,以上指标的功能和效用相同[1-6]。昌图县属东北黑土区,地貌形态复杂,多为构造剥蚀地形,因人为和自然因素破坏土壤抗侵蚀能力差,水土流失及河道淤积严重,统计分析土壤侵蚀受年内降雨特征影响就显得非常重要。因此,文章结合序列降雨数据,研究昌图县石虎子河小流域降雨年内分配特征,以期准确掌握昌图县降雨变化规律,为东北黑土区土壤侵蚀研究提供科学依据。

1 研究方法

1.1 小流域概况

石虎子河小流域位于昌图县泉头镇境内,流域面积17.31 km2。该小流域属大陆性季风气候,年降水量607.5 mm,年径流深183 mm。土壤类型是棕壤和草甸土,垂直节理发育,颗籽均匀,黏粒含量低,胶结力很弱,易于产生土壤侵蚀。植被属长白植物区系,由山林和草灌所构成,天然次生林较多,人工林较少,植被覆盖度54 %,树种主要以落叶松、刺槐为主,经济林树种主要有榛子、梨、樱桃等,流域内树种单调,品种单一。

1.2 数据来源

流域内设有监测站点,主要监测设施有雨量站、简易气象观测场,主要设备有自记水位计和雨量计、取样瓶等,可以用于径流量、泥沙和降雨量等监测。研究数据来源于昌图县石虎子河小流域监测站2018—2021年605场降雨资料,主要包括每场次最大30 min降雨强度和年内日、旬、月降雨量。

1.3 计算方法

本研究选用降雨集中度及不均匀系数分析降雨分配特征,表示年内各旬降水集中程度;为反映降雨波动与分布特征,对每日、旬、月降水量利用统计学方法进行分析,通过探讨各类雨型分布情况和每年侵蚀性降雨场次反映全年降雨状,数据统计分析使用到的软件有SPSS、Excel、Origin8.0等。

2 结果与分析

2.1 月降雨量分析

月降水量就是从第二层次上分析年降雨分配情况,它反映了每个月上年降雨总量的分配特征,石虎子河小流域2018—2021年月均降雨量分布如图1所示。

图1 石虎子河小流域月降水量变化曲线

由图1可知,石虎子河小流域降雨年内分布呈正态分布形式,总体为非均匀分布的单峰曲线。1～5月降雨总量<40 mm,分布曲线较为平缓均匀,该时段为旱季;从6月降雨曲线明显上升,斜率不断增大,说明从该时刻开始进入雨汛期,降雨量最大值出现在7月份,峰值降雨量达到150 mm;从8月降雨量逐渐减小,降幅较为明显,到9月降雨量减少到80 mm以下,这表明6～9月降雨分配不均衡;从10月降雨量降幅逐渐变缓,之后减少到12 mm。因此,研究认为6～9月为石虎子河小流域降雨汛期,降雨量多集中于7月和8月,占全年总降雨量的45.2 %,12月—次年3月降雨较少占全年的10.4 %[7]。

通过对比分析石虎子河小流域2018—2021年总体平均月和各年月降雨量分布情况可知,2018—2021年月降雨量转变成双峰型分布曲线,6～8月出现峰值,但是6～9月雨汛期未发生改变;虽然在雨汛期降雨分布略分散,但整体上仍不均匀。

2.2 旬降雨量分析

通过统计分析月降雨量,从总体上认识了降雨分配特征,但是月对年而言单位太大仍需进一步研究月内分配情况,从而更加细致、清晰、具体全面地分析降雨分配情况,实现降雨的合理利用[8]。由于部分数据的缺失,对2019年前4个月和2018年全年的旬降雨量分布不做分析。旬降水量就是从第三层次上分析年降雨分配特征,它反映了月内降雨分配情况,石虎子河小流域2018—2021年旬降雨量分布如图2所示。

图2 石虎子河小流域旬降水量变化曲线

由图2可知,每年11月～次年3月旬降雨量波动变化较小,这表明在该时段内降雨量分配均匀;在6～9月降雨量有较大波动幅度,这表明在该时段降雨量分配不均匀,总体表现出降雨量越大则波动幅度越大的特征,尤其是2019年表现出明显的波动差距。从分配特征上,降雨均匀性与降雨量之间存在负相关性,月内降雨量分配不均。2018—2021年旬降水量折线点总体呈两低一高的分布特征,表明在每个月的某旬内降水比较集中,从侧面反映了降雨月内分配的不均匀性,该分布特征易引起洪涝和暴雨灾害。

通过对比图1与图2发现,雨汛期降雨多为暴雨和大雨,全年68.6%的降雨量发生在6～9月,这是导致年内降雨分配不均的关键因素;降雨月内主要发生在某旬内,短时间大雨量会形成大雨甚至暴雨;全年大雨和暴雨占总价场次的12.8%,说明年内降水受暴雨及大雨影响较大,汛期发生暴雨和大雨很容易导致洪涝灾害。

2.3 日降雨量分析

通过合理划分降雨等级和统计分析日降雨量,可以全面地掌握降雨年内分布特征以及全年降雨类型分布情况,为洪涝灾害控制提供数据支撑[9-10]。根据划分标准(表1),统计各种强度级别降雨在每个月中的场次,从而直观地反映不同强度级别上年降雨总量的分布形式和特征,石虎子河小流域2018—2021年平均日降雨强度场次分布如图3所示。

表2 降雨类型划分标准

图3 2018—2021年日降雨强度场次分布特征

由图3可知,2018—2021年石虎子河小流域降雨以小雨、中雨为主,占总降雨天数的74.0%和12.8%,每个月基本上都有小雨或中雨,分布较均匀;大雨和暴雨多发生在6～8月,占总降雨天数的12.5%。研究期间未发现特大暴雨,统计出2次大暴雨,考虑到特大暴雨和大暴雨属极端气候,故不做详细分析。总体而言,石虎子河小流域降雨类型以中、小雨为主,占总降雨场次的83.3%,,多发生在10月～次年3月。虽然暴雨和大雨场次较少,但其分布较为集中且降雨量大,6～8月占全年总暴雨和大雨场次的72%,暴雨和大雨占全年总降雨量接近50%。

2.4 降雨集中期与集中度

集中度可以直观地演示年内非均匀分配特征,集中期是指哪一个旬内出现最大旬降水量,这是定量反映年内降雨集中时段的参数,表达式为:

(1)

式中:PCDi、PCPi为第i年的降雨集中度和集中期;Rxi、Ryi、Ri为在x、y轴上监测站第i年逐旬降水量投影之和及其总降雨量;rij、θj为第i年j旬的降雨量及其矢量角度;i、j表示年份和年内旬序,i=2018,2019,2020,2021;j=1,2,…,36。因此,PCDi处于0～1之间,该值越大则代表降雨量越集中,相应的年内分配越不均匀[11]。

考虑到缺少2019年1～4月和2018年全年数据,本研究仅计算2020年及2021年降雨集中度。经计算,2020年、2021年降雨集中度为0.82和0.79,两年的集中度均超过0.7,这表明2020—2021年石虎子河小流域年内降雨分配不均,整体较为集中。2020年、2021年降雨集中期为17.7和19.3,两年的平均值为18.5,说明降雨集中期为每年7月上旬,但数据资料较少,每年第18～20个旬日(6月下旬至7月中旬)属于石虎子河小流域降雨集中期。

2.5 年内不均匀分配系数

不均匀系数Cvy反映了年内降雨量分配不均匀程度,一般利用数学方法定量描述降雨分配情况,更加直观地衡量降雨分配特征,其表达式为:

(2)

式中:Ki、K为各月和各月平均占年总降水量百分比,其中K=100%/12=8.33%,依据降雨量计算不均匀系数,各月平均分配雨量时不均匀系数为0,说明月际间降雨量分配比较均匀;在某一个月集中分布当年降雨时不均匀系数取1,说明月际间降雨量分配极不均匀;Cvy值越大代表年内分配越不均匀,月际间相差越明显[12]。经计算,2019—2021年石虎子河小流域年内降雨不均匀系数为0.811、0.816、0.814,其平均系数值为0.814,总体较高,说明研究期间石虎子河小流域年内降雨分配不均匀。

2.6 侵蚀性降雨分析

通过统计分析侵蚀性降雨能够更加全面地了解其变化规律及分布特征,为发展生产和土壤保护提供参考[13-15]。考虑到石虎子河小流域植被覆盖一般,结合相关研究成果确定该流域土壤产生侵蚀时的最大30min雨强为10mm/h以上,2019—2021年发生的605场次降雨中,有74场次属于侵蚀性降雨,所占比为12.23%,石虎子河小流域2018—2021年侵蚀性降雨场次分布如图4所示。

图4 2018—2021年I30>10mm降雨场次分布

由图4可知,2018—2021年石虎子河小流域侵蚀性降雨主要发生在6～8月,7月出现峰值,该月侵蚀性降雨平均发生6次,总体分布不均匀。侵蚀性降雨发生规律一般与土壤侵蚀相同,因此研究侵蚀性降雨分配特征可以为区域水土流失治理提供参考依据。

3 结 论

1)研究认为6～9月为石虎子河小流域降雨汛期,降雨量多集中于7月和8月,占全年总降雨量的45.2%,12月至次年3月降雨较少占全年的10.4%。另外,在每个月的某旬内降水比较集中,这从侧面反映出降雨月内分配的不均匀性,该分布特征易引起洪涝和暴雨灾害。

2)从降雨场次上,2018—2021年石虎子河小流域降雨以小雨、中雨为主,每个月基本上都有小雨或中雨,分布较均匀,大雨和暴雨多发生在6～8月且分布不均匀。虽然暴雨和大雨场次较少,但其分布较为集中且降雨量大。

3)通过计算分析降雨集中期和集中度可知,降雨集中度均超过0.7,石虎子河小流域年内降雨分配较为集中。降雨集中期平均值为18.5,说明该小流域降雨集中期为每年7月上旬,降雨不均匀系数均超过0.8,表明研究期间年内降雨具有较高的不均匀程度。石虎子河小流域侵蚀性降雨主要发生在6～8月,总体分布不均匀,可以为区域水土流失治理提供参考依据。