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        任丘市60年來降水特性研究

        2018-09-21 10:02:32
        地下水 2018年5期
        關(guān)鍵詞:任丘市棗林雨量站

        (河北省滄州水文水資源勘測局,河北 滄州 061000)

        1 區(qū)域概況

        任丘市地處北緯38°33′~ 38°57′,東經(jīng)115°56′~ 116°26′之間,東與廊坊市文安、大城兩縣相連,南與河間市毗鄰,西與保定市高陽縣接壤,西北與安新縣隔白洋淀相望,北與雄縣相接。東西橫距42.5 km,南北縱距41.0 km,總面積1 023.0 k2,其中白洋淀面積64.8 km2。任丘市屬環(huán)京津、環(huán)渤海經(jīng)濟開放帶,是國務(wù)院確定的對外開放縣市之一。

        圖1 任丘市雨量站網(wǎng)分布圖

        2 降水量資料選擇

        任丘市共有國家雨量站9處,平均113 km2/站。雨量站網(wǎng)分布見圖1。最早的是1919年設(shè)站的棗林莊站,其次是1931年任丘市氣象局設(shè)立的任丘站。為適應(yīng)水利建設(shè)的需要,任丘市先后設(shè)立了劉莊站(1955)、呂公堡站(1959)、汜水站(1963)、出岸站(1965)、陵城站(1972)、高屯站(1972)、北漢站(1973),至2015年共累積了近526站年的資料。本文搜集整理了相鄰縣(市)的西郜站、留古寺站、興村站、史各莊站、東緒口站共5處雨量站的同步觀測資料,以提高計算精度,繪制等值線圖。為提高降水資料系列的代表性,對資料不連續(xù)、個別年份缺測或未達到六十年同步系列標準的雨量站,采用直接移用、鄰站相關(guān)和降水量等值線圖內(nèi)插等方法進行延長或插補。

        3 降水系列代表性分析

        評價一個系列是否具有代表性,主要看兩方面:1)資料系列的長短;2)系列本身的豐枯結(jié)構(gòu)以及統(tǒng)計參數(shù)的相對穩(wěn)定程度。一般而言,一個隨機系列中,有一個或幾個完整的豐枯周期,并且能夠?qū)㈤L系列中的最大值和最小值包含于其中,重要的是其統(tǒng)計參數(shù)、Cv、Cs/Cv相對穩(wěn)定,則認為這個系列具有一定的代表性。

        3.1 系列統(tǒng)計參數(shù)比較分析

        滄州區(qū)域內(nèi)降水資料系列較長,資料完整,并有較好代表性的就是滄縣捷地雨量站,自1930年設(shè)站至2015年共有86 a資料。本次研究為說明短系列資料的代表性,對捷地雨量站短系列( 1956-2012年) 和長系列(1930-2012年) 資料的進行了對比分析,同時增加了1981-2015年降水系列,以突出上世紀80年代以后區(qū)域內(nèi)降水偏枯的現(xiàn)象。分析這三個系列的降水參數(shù)采用水文頻率分析法,用以判斷不同系列的代表性,結(jié)果見表1、表2。

        表1 捷地站長短系列參數(shù)對比表

        表2 代表站長短系列特征值分析表 mm

        從計算結(jié)果可以看出,1981-2015年系列均值與長系列均值比為0.95,變差系數(shù)Cv比0.94,相對誤差絕對值4.6%,1956-2015年系列均值與長系列均值比為1.00,相對誤差絕對值為0.11%,遠小于2%,變差系數(shù)Cv比0.97; 1956-2015包括了長系列最大值和最小值,且極差變化不大,兩系列均值誤差為0.32%小于2%。1981~2015年系列不包括長系列的最大值和最小值,極值比變小。由此可見,1956-2015年系列各項參數(shù)和長系列基本一致,代表性較好,采用該系列進行統(tǒng)計參數(shù)計算是可行的。

        3.2 降水系列豐平枯分析

        按照任丘市地域特點,選擇資料較完整的棗林莊、任丘、劉莊、呂公堡4處雨量站進行豐、平、枯水年份統(tǒng)計分析。本文主要采用以下標準進行統(tǒng)計分析:豐水年的頻率小于37.5%,平水年的頻率為37.5%~62.5%之間,枯水年的頻率大于62.5%。統(tǒng)計結(jié)果如表3所列。

        表3 豐、平、枯分析成果表

        在1956-2015年系列中,共計240站年資料,其中豐水年出現(xiàn)88次,占36.7%,枯水年出現(xiàn)91次,占37.9%,平水年出現(xiàn)61次,占25.4%。分析得出,1956-2015年系列中豐、枯年份出現(xiàn)次數(shù)相差無幾。因此,可以認為該系列具有較好的代表性。

        3.3 降水量累計年平均值分析

        選用資料系列較長的任丘站和棗林莊站為代表站,自2015年依次向前,求出1 a、2 a……的平均值,當累積平均到一定長度時,累積平均值過程線趨于穩(wěn)定,這時的系列長度相當于降水量變化接近于一個周期,具有代表性,然后計算1956-2015年系列累積年平均值。計算公式:

        (1)

        (2)

        (3)

        圖2 任丘站累計年平均值過程線圖

        圖3 棗林莊站累積年平均值過程線圖

        由圖2、圖3可知,系列長度達40 a后累積平均過程線趨于穩(wěn)定,即為降水量變化的一個周期。1956-2015年系列包括降水量變化的一個周期,因此該系列有較好的代表性。

        3.4 降水量模比系數(shù)差積曲線分析

        選用任丘、棗林莊、北漢和汜水站為代表站,分別將各站逐年年降水量與多年平均降水量進行對比,比值即為模比系數(shù),再求其差值,然后從本次研究所選取序列的終止年份,即2015年開始向前逐年依次累加,最終得到C~t累計曲線,此曲線即為模比系數(shù)差積曲線。計算公式如下:

        (4)

        (5)

        年降水量模比系數(shù)差積曲線能較好地反映年降水量的豐枯變化情況。若一段時間內(nèi)差積曲線呈下降趨勢,說明這一時期內(nèi)多年降水量的平均值大于逐年降水量,那么這段時期定為枯水期;若一段時間內(nèi)差積曲線總體呈上升趨勢,說明在此期間多年降水量平均值小于逐年降水量,則這段時期定為豐水期。差積曲線的形狀不同,反映的降水周期亦不相同。各站年降水量模比系數(shù)差積曲線如圖4~圖7所示。

        圖4 任丘站年降水模比系數(shù)差積曲線圖

        圖5 棗林莊站年降水模比系數(shù)差積曲線圖

        圖6 北漢站年降水模比系數(shù)差積曲線圖

        圖7 汜水站年降水模比系數(shù)差積曲線圖

        由圖4~圖7可以看出,任丘站2015-1997年為下降段枯水期(19年),1996-1988年為上升段豐水期(9年),1987-1980年為下降的枯水階段(8a),1979-1956為上升的豐水階段(24年);棗林莊站2015-1997年為下降段枯水期,1996-1987年為上升段豐水期,1986-1980為下降的枯水階段,1979-1956年為上升的豐水階段。北漢和汜水情況和上述兩站情況基本接近。通過對以上四個代表站年降水的豐枯變化分析發(fā)現(xiàn),四個站的豐枯變化周期大約都在36 a左右。由此可以看出,本次研究所選取的1956-2015年的年降水量系列,基本包含一個豐枯變化周期,且期間有些浮動的小周期變化,因此認為該系列具有較好的代表性。

        4 年降水量系列參數(shù)分析及年降水量計算

        4.1 年降水量系列參數(shù)分析

        任丘市共有國家雨量站6處,采用1956-2015年共60 a系列,本文選用矩法進行統(tǒng)計參數(shù)計算,采用數(shù)字期望公式進行經(jīng)驗頻率計算,利用皮爾遜Ⅲ型曲線對頻率曲線進行適線調(diào)整。矩法計算公式如下:

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        在適線過程中,未對最大、最小極值作處理,取算術(shù)平均值作為適線的均值,且適線時固定均值不變,只對Cv、Cs作適當微調(diào),其最后成果見表4。

        表4 任丘市降雨量代表站1956-2015年系列特征值統(tǒng)計表

        表5 各地年降水量特征值統(tǒng)計表(1956-2015年)

        由表4可以看出,幾個代表站的 Cv 值相差不大,一般在0. 30 ~ 0. 35 之間,其主要原因在于年降水量的相對穩(wěn)定。偏差系數(shù)Cs 的取值一般用Cs /Cv 值來反映。Cs /Cv 的選用以最佳適線值為準,取值一般在2.0 ~ 2.5之間,本文取用固定值2.5。

        4.2 年降水量計算成果

        根據(jù)1956-2015年降水量同步系列資料統(tǒng)計分析,任丘市多年平均降水量497.0 mm,年均降水總量5.08億 m3。保證率20%、50%、75%、95%的降水量分別為623.6 mm、475.0 mm、378.9 mm和272.5 mm。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,平均降水量最大的是長豐鎮(zhèn),年平均降水量為523.5 mm,出岸鎮(zhèn)平均降水量最小,為487.9 mm,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量計算成果見表5。

        由表5可以看出1956-2015年系列中,任丘市降雨量分布不均,東部、北部降水較大,其中高屯站多年平均降水量523.4 mm,西部降水較小,呈現(xiàn)自東向西逐漸減少的趨勢,但由于區(qū)域較小變化趨勢不很明顯。中東部多年平均降水量在500 mm以上,而西部、南部多年平均降水量一般小于500 mm,其中最小值是出岸為487.9 mm。

        4.3 降水量的年內(nèi)分配與年際變化

        4.3.1 降水量的年內(nèi)分配

        任丘市降水量年內(nèi)分配較為不均,降水主要集中在汛期(6-9月)。汛期降水量占全年降水量的80%左右,個別年份可達90%以上,而其它月份總和還不到10%,降水集中程度較高。而汛期內(nèi)的降水又主要集中在7、8兩個月,豐水年份雨量集中程度更高。例如棗林莊站1994年年降水量為908.8 mm,汛期降水量822.7 mm,占年降水量的91%,而七八月降水量為678.1 mm,占年降水量的75%。代表站多年平均降水量年內(nèi)分配見表6及圖8。

        表6 代表站多年平均降水量年內(nèi)分配表(1956-2015年)

        圖8 1956-2015年代表站多年平均各月降水量圖

        4.3.2 降水量的年際變化

        受氣候、地理等因素的影響,任丘市降水量年際變化較大。變差系數(shù)CV或極值比(最大值與最小值之比)可反映降水量年際變化的程度。年降水量系列的CV值越大,極值比越大,降水量的年際變化越大。

        1956-2015年共60 a降水量中,任丘市年降水量變差系數(shù)CV值的范圍為0.30~0.36。在任丘市9個雨量站540站年資料中,最大年降水量為北漢1964年1 268.3 mm,最小年降水量為陵城1997年178.3 mm,相差7.1倍。各雨量站年際變化最大值與最小值之比為3.6~6.1,其中比值最小的是棗林莊站為3.6,CV值也為0.30,比值最大的是汜水站為6.1,CV值為0.36。任丘市降水量年際變化見圖9。

        圖9 任丘市多年平均降水量年際變化圖

        5 結(jié)語

        本文采用任丘市1956 —2015 年的降水量資料,分析了該區(qū)域60 a來降水的年代和年際變化的一些特征:

        (1)任丘市60 a來降水量的空間分布呈現(xiàn)自東向西逐漸減少的格局,降水主要集中在東部和北部,西部降水較小。

        (2)任丘市60 a來降水量年內(nèi)分配較為不均,降水主要集中在6-9月份,約占總降水量的70%~80%以上。

        (3)任丘市60 a來降水量的年際分布呈現(xiàn)豐枯交替現(xiàn)象,其中1956-1964 年為豐水期,1964年為極值年份,出現(xiàn)近60 a來最大值1 268.3 mm,之后降水量呈遞減趨勢。

        (4)近年來,任丘市的地表和地下徑流量呈現(xiàn)減少趨勢,對當?shù)乜衫盟Y源量減少,居民的日常生活飲用水都受到了一定的影響。對該市降水特性的研究,為當?shù)胤姥纯购禌Q策工作提供可靠的依據(jù)。

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