王玲玲,劉明元,李偉偉,楊春霞

(1.黃河水利科學(xué)研究院,鄭州450003;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌712100;3.新野縣水利局,河南新野473500;4.鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢(xún)工程公司,鄭州450003)

在干旱半干旱的黃土丘陵區(qū),暴雨類(lèi)型特征、時(shí)空變化過(guò)程是影響流域產(chǎn)匯流、產(chǎn)輸沙空間變化的主要因素之一[1],如何定量地描述這些特征,已成為該地區(qū)流域侵蝕模擬計(jì)算中的基本問(wèn)題[2]。本文以黃土丘陵區(qū)雨量站控制條件較好的小流域?yàn)閷?duì)象,研究了該流域的暴雨類(lèi)型、時(shí)段降雨同次降雨分布的內(nèi)在聯(lián)系以及時(shí)段降雨的時(shí)空變化過(guò)程,為進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)流域土壤侵蝕機(jī)理提供了基礎(chǔ)。

1 研究流域及資料概況

選擇橋溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象。橋溝是裴家峁溝流域的一級(jí)支溝,流域面積0.45 km2,主溝長(zhǎng)1.4 km,流域內(nèi)現(xiàn)布設(shè)徑流站3個(gè),自記雨量站4個(gè)。

暴雨雨型是影響土壤侵蝕的主要因素之一。以往研究表明[3],暴雨類(lèi)型主要分為A、B和C三種,其中A、B型暴雨是引起土壤侵蝕的主要暴雨。選擇1986-1996年36場(chǎng)暴雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,36場(chǎng)暴雨中17場(chǎng)為A型暴雨,占47.2%,B型暴雨13場(chǎng),占36.1%,C型暴雨6場(chǎng),占16.7%。

2 時(shí)段降雨與次降雨的關(guān)系

時(shí)段降雨分布與次降雨的關(guān)系,反映了降雨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,用來(lái)進(jìn)一步分析和確定具有代表性的降雨空間頻率分布特征。取橋溝流域自記雨量站資料比較齊全的10場(chǎng)暴雨,對(duì)其時(shí)段降雨分布與次降雨分布進(jìn)行了相關(guān)分析。分析采用各站次降雨量與其不同時(shí)段雨強(qiáng)的對(duì)應(yīng)空間序列進(jìn)行。相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表1、圖1。

表1 相關(guān)分析結(jié)果

圖1 不同時(shí)段降雨和次降雨之間的關(guān)系

分析結(jié)果表明：(1)4個(gè)時(shí)段的降雨分布與次降雨分布的相關(guān)水平波動(dòng)較大,次降雨和30 min時(shí)段降雨量的相關(guān)性在0.05水平只有0.478,而次降雨和150 min時(shí)段降雨的相關(guān)性在0.01水平達(dá)到0.912。說(shuō)明隨著時(shí)段雨量增加,時(shí)段降雨分布對(duì)次降雨分布的影響增強(qiáng),表現(xiàn)在主雨峰期,各時(shí)段的相關(guān)關(guān)系均較好。(2)從表1可以看出,隨著時(shí)段的加長(zhǎng),相關(guān)系數(shù)的增加幅度減小。120 min和150 min時(shí)段的相關(guān)關(guān)系比較接近。說(shuō)明在黃土丘陵區(qū),降雨歷時(shí)一般較短,當(dāng)分析時(shí)段達(dá)到一定長(zhǎng)度以后,對(duì)次降雨分布就具有一定的代表性。

3 降雨時(shí)空特征分析

3.1 降雨空間變化的結(jié)構(gòu)特征

所謂空間結(jié)構(gòu)應(yīng)指降雨在流域內(nèi)任一點(diǎn)降落的特性同流域尺度的關(guān)系。但一般認(rèn)為,空間結(jié)構(gòu)是指流域內(nèi)任意兩點(diǎn)降雨的差值與其各自的絕對(duì)位置(X,Y,Z)無(wú)關(guān),而只與其相對(duì)距離|d|有關(guān),因此,本文主要通過(guò)相關(guān)距離加以分析,以能夠定量反映其空間變化的結(jié)構(gòu)特征。

對(duì)橋溝流域,對(duì)各雨量站的次降雨進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算,相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表2。其相關(guān)距離關(guān)系如圖2。

表2 各雨量站的次降雨相關(guān)系數(shù)

從圖2和表2可以看出,相關(guān)系數(shù)隨著距離的增加而減小,反映流域降雨空間變化程度的相關(guān)距離關(guān)系隨距離的增加而減弱。同時(shí),降雨空間結(jié)構(gòu)的變化,不僅僅只是距離的函數(shù),它還與研究的參考點(diǎn)有關(guān),實(shí)質(zhì)是與流域地貌和高程,以及雨量站的位置有關(guān)。

3.2 降雨的時(shí)空變化過(guò)程

3.2.1 降雨空間插值 由于流域內(nèi)的雨量站是散點(diǎn)布設(shè)于流域面上,在進(jìn)行降雨時(shí)空分析時(shí),必須采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)降雨觀測(cè)值進(jìn)行空間離散(時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 h),本次研究中采用反距離權(quán)重插值方法對(duì)流域的實(shí)測(cè)降雨進(jìn)行插值[4](時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 h),反距離權(quán)重方法的通用方程是：

圖2 次降雨相關(guān)距離圖

式中：Zi——控制點(diǎn)i的z值;d i——控制點(diǎn)i與點(diǎn)0間的距離,表示由離散點(diǎn)(xi,yi)至P(x,y)點(diǎn)的距離;p(z)——要求的待插點(diǎn)的值。參數(shù)u為距離的方次,取值在1.0至6.0之間,本研究取為2.0。

3.2.2 降雨時(shí)空變化過(guò)程 應(yīng)用ARC/INFO軟件對(duì)插值后的降雨空間分布進(jìn)行繪制[5],可得到直觀的暴雨分布圖。結(jié)合流域?qū)崪y(cè)的流量過(guò)程線(xiàn),對(duì)該流域暴雨特征進(jìn)行分析。以1996-07-05和1997-07-29場(chǎng)洪水作為代表,分析橋溝流域的降雨時(shí)空過(guò)程(圖3,4)變化特征。

圖3 1996-07-05降雨時(shí)空變化過(guò)程

圖4 1997-07-29降雨時(shí)空變化過(guò)程

由圖3,4可以看出,一個(gè)流域上每次降雨的暴雨中心位置并不是固定的,而是不斷變化的,由此也就造成了流域土壤流失過(guò)程復(fù)雜多變。因此,在建立土壤流失預(yù)測(cè)模型過(guò)程時(shí),要考慮建立基于水動(dòng)力學(xué)過(guò)程的分布式土壤流失模型,才能反映整個(gè)流域的降雨-徑流-泥沙過(guò)程。

4 結(jié)論

(1)以橋溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象,分析了流域暴雨類(lèi)型特征,分析結(jié)果表明,該流域暴雨類(lèi)型以A、B型為主,是引起流域土壤侵蝕的主要外營(yíng)力之一。

(2)分析橋溝流域時(shí)段降雨與次降雨之間的關(guān)系,結(jié)果表明,隨著時(shí)段的增加,時(shí)段降雨分布對(duì)次降雨分布的影響增強(qiáng),當(dāng)分析時(shí)段達(dá)到一定長(zhǎng)度以后,對(duì)次降雨分布就具有一定的代表性。

(3)分析降雨時(shí)空變化過(guò)程結(jié)果表明,降雨空間變化程度的相關(guān)距離關(guān)系隨距離的增加而減弱,并從時(shí)間過(guò)程來(lái)看,次降雨的暴雨中心位置是不斷變化的,這一變化是引起流域土壤侵蝕過(guò)程復(fù)雜多變的重要因素之一。

[1] 張漢雄.黃土高原的暴雨特性及其分布規(guī)律[J].地理學(xué)報(bào),1983,38(4)：416-425.

[2] 李長(zhǎng)興,沈晉,范榮生.黃土地區(qū)小流域降雨空間變化特征分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,1995,6(2)：127-132.

[3] 焦菊英,王萬(wàn)中,郝小品.黃土高原不同類(lèi)型暴雨的降水侵蝕特征[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1999,13(1)：34-42.

[4] 朱會(huì)義,賈紹鳳.降雨信息空間插值的不確定性分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2004(2)：35-43.

[5] 湯國(guó)安,楊昕.ARCGIS空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社,2009：260-264.