易 澤，衛(wèi)曉婧，宋小燕

(1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京100029；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢430072；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

黑河是居延海的主要水源，發(fā)源于祁連山北麓中段，東南流經(jīng)走廊南山與托勒山之間，流域內(nèi)高山、盆地相間，形成了獨(dú)特的西北干旱區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)。黑河流域地跨青海、甘肅和內(nèi)蒙古三個(gè)省區(qū)，由于水資源問(wèn)題引起的生態(tài)環(huán)境、社會(huì)和民族團(tuán)結(jié)問(wèn)題已十分突出。隨著上游干流黃臧寺水庫(kù)的修建，黑河流域水資源統(tǒng)一管理和水量統(tǒng)一調(diào)度已指日可待。降水是決定流域水資源時(shí)空分配的最主要因素，進(jìn)行全流域水資源管理，需要首先了解流域的降水特征。

盡管對(duì)黑河流域降水成因及變化規(guī)律已有大量的研究[1]，但仍有值得探討的問(wèn)題：①大部分研究都討論了降水量與經(jīng)度、緯度及海拔高度的關(guān)系，基于降水特征對(duì)降水進(jìn)行地理分區(qū)的研究卻不多見(jiàn)；②黑河干流分水方案建立在“上游降水與中游降水同豐同枯”的假設(shè)基礎(chǔ)之上[5]，但對(duì)于上游山區(qū)和中游盆地降水的豐枯遭遇性，尚缺乏研究；③1980年代末，西北地區(qū)發(fā)生了由暖干到暖濕的氣候轉(zhuǎn)型[6]，但是鮮有針對(duì)氣候轉(zhuǎn)型以后降水特征的研究?；?990-2012年水文、氣象臺(tái)站的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文補(bǔ)充研究黑河中上游地區(qū)的降水特征，以期為黑河流域的水資源管理提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

黑河是我國(guó)西北地區(qū)的第二大內(nèi)陸河，全長(zhǎng)948 km，流域面積44 400 km2。黑河流域(圖1)地處歐亞大陸中部，氣候干燥，降水稀少而集中[7]。流域內(nèi)降水時(shí)空分布不均，上游山區(qū)地形條件復(fù)雜多樣，海拔1 700～5 541 m，年降水量為300～600 mm，是徑流的主要形成區(qū)；中游盆地海拔1 200～2 400 m，年降水量為50～200 mm，是主要的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)；下游地區(qū)海拔800～1 200 m，大部分地區(qū)年降水量不足50 mm，是徑流的耗散區(qū)。

因?yàn)楹诤酉掠谓邓^測(cè)站稀少，所以本文選擇上游祁連山區(qū)和中游的張掖、酒泉盆地為主要研究區(qū)域，采用的降水?dāng)?shù)據(jù)主要來(lái)自于36個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)(基本信息見(jiàn)圖1和表1)。26個(gè)雨量站，除冰溝站缺測(cè)2002-2012年，康樂(lè)站缺測(cè)1996-1998年外，其余測(cè)站均為1990-2012年的逐日降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自張掖市水文水資源勘測(cè)局。祁連、酒泉、高臺(tái)、山丹、托勒、野牛溝和張掖7個(gè)站為國(guó)家基本氣象站，數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)；肅南、民樂(lè)和臨澤為甘肅省氣象站，數(shù)據(jù)來(lái)自張掖市氣象局。氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)為1970-2012年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況與降水站分布Fig.1 Location of the study area and precipitation gauges

表1 降水站基本信息Tab.1 Information of the precipitation station

2 研究方法

2.1 相似性搜索

相似性搜索是尋求與給定序列的變化行為最為接近的數(shù)據(jù)序列[8]。給定時(shí)間序列X=X1,X2,…,Xn和Y=Y1,Y2,…,Ym(n和m的取值可相同也可不同)，通過(guò)構(gòu)造能夠度量序列相似性的距離公式D(X,Y)來(lái)判斷X與Y是否相似，度量距離D(X,Y)越小，兩條序列就越相似，反之則越不相似。即給定閾值ε>0，序列間距離公式D(X,Y)<ε則認(rèn)為序列X和Y在閾值ε內(nèi)相似。

時(shí)間序列的相似性分析度量方法較多，目前研究和利用較為廣泛的度量方法有歐幾里得距離、線性相關(guān)性、離散傅立葉變換、小波變換，以及新提出的動(dòng)態(tài)時(shí)間扭曲法、最長(zhǎng)公共子序列度量法等[9]。歐幾里得距離(Euclidean Distance)是相似性研究中研究最為廣泛的相似性度量方法，該度量方法易于理解、計(jì)算比較簡(jiǎn)單、索引比較高效。本文采用歐幾里得距離公式判斷降水序列的相似性，尋求相似的降水年內(nèi)分配過(guò)程。等長(zhǎng)序列X和Y的歐幾里得距離采用如下公式計(jì)算：

(1)

式中：n為序列長(zhǎng)度。

2.2 降水豐枯水遭遇性

對(duì)黑河流域中上游地區(qū)的降水豐枯遭遇性進(jìn)行分析，就是分析流域不同區(qū)域的降水變化過(guò)程中豐、平、枯水年的匹配情 況。首先根據(jù)泰森多邊形法計(jì)算各區(qū)域的面降水量，然后對(duì)面降水量進(jìn)行豐枯進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)降水的大小，豐枯指標(biāo)按照豐、平、枯3級(jí)進(jìn)行劃分，取豐枯水劃分相應(yīng)的概率為62.5%和37.5%[10]。根據(jù)豐、平、枯三種降水類(lèi)型對(duì)降水進(jìn)行劃分，則兩個(gè)區(qū)域的豐枯遭遇可分為豐豐、豐平、豐枯、平豐、平平、平枯、枯豐、枯平、枯枯共9種情況類(lèi)型。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水類(lèi)型及地理分區(qū)

多樣的水汽來(lái)源和祁連山變化復(fù)雜的地形，使得流域不同區(qū)域降水的年內(nèi)分配差異較大[1]。相同氣候與地形條件下，降水會(huì)表現(xiàn)出相似的年內(nèi)分配過(guò)程。對(duì)36個(gè)降水站的多年平均月降水過(guò)程進(jìn)行相似性搜索(綜合考慮各觀測(cè)站年、季降水量差異，計(jì)算中設(shè)定閾值ε=22)，挖掘得到相似的月降水過(guò)程及其地理分區(qū)如圖2所示，不同區(qū)域降水量統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表2。

圖2 降水年內(nèi)分配及其地理分區(qū)Fig.2 Intra-annual distribution of precipitation and their location

類(lèi)型年降水量/mm不均勻系數(shù)冬半年降水量/mm(10月-次年3月)夏半年降水量/mm(4-9月)比例/%春夏秋冬A75.80.8111.264.618.954.221.60.0B122.40.8614.5107.918.655.421.00.1C184.00.7430.8153.223.851.618.10.1D207.10.8721.5185.620.155.220.50.1E289.60.8331.2258.423.755.216.80.1F347.40.8728.0319.421.853.921.60.1G424.90.8141.8383.122.552.321.50.2H527.70.7169.5458.224.548.421.60.3I424.21.0515.1409.116.763.818.40.0朱龍關(guān)158.81.255.5153.312.075.810.50.0托 勒306.51.187.9298.614.471.213.20.0硤 口228.20.7430.0198.218.146.529.70.1

根據(jù)相似性搜索的結(jié)果，黑河中上游地區(qū)降水的年內(nèi)分配過(guò)程可分為12種類(lèi)型(9個(gè)組與3個(gè)獨(dú)立的觀測(cè)站)。黑河上游山區(qū)呈現(xiàn)東南～西北走向，降水的地理分區(qū)基本上與祁連山山脈走向相同。平原區(qū)包括A、B兩種類(lèi)型，山麓區(qū)包括C、D兩種類(lèi)型，低山區(qū)包括E～H和硤口站5個(gè)類(lèi)型，山區(qū)包括I、托勒與朱龍關(guān)站3個(gè)類(lèi)型。

相似的年內(nèi)降水過(guò)程，出現(xiàn)在一定的地理區(qū)域內(nèi)，則隱藏著相似的降水成因。夏半年(4-9月)，黑河流域的水汽來(lái)源主要為東南季風(fēng)帶來(lái)的夏季暖濕氣流。東南季風(fēng)對(duì)該地區(qū)的影響從東南向西北逐漸減弱[11]，因此，研究區(qū)域夏半年的降水量也從東南角的大于450 mm向西北逐漸減少到不足70 mm(表2)。冬半年(10月-翌年3月)，黑河流域的水汽來(lái)源主要為西風(fēng)環(huán)流帶來(lái)的大西洋冷濕氣流。與夏半年相比，地形對(duì)冬半年降水的影響更加明顯，在祁連山的阻擋與攔截作用下，山麓與低山區(qū)的降水量明顯大于山區(qū)和平原區(qū)，處在谷地的H處冬半年降水量最大達(dá)到69.5 mm。與東亞季風(fēng)相比，西風(fēng)環(huán)流對(duì)研究區(qū)降水的貢獻(xiàn)率要小得多，特別是冬季(12月-翌年2月)，降水比例極小，不足全年的0.3%。

降水分配不均勻系數(shù)可以反應(yīng)年內(nèi)各月降水的不均勻性，年內(nèi)各月降水量相差越懸殊，不均勻系數(shù)越大。黑河流域山區(qū)最大3個(gè)月的降水集中在夏季(6-8月)，導(dǎo)致I類(lèi)、朱龍觀和托勒站的降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)值均大于1，且自東向西逐漸增大。低山區(qū)H類(lèi)，春、秋季節(jié)降水量比例達(dá)46.1%，降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)值最小為0.71。其他類(lèi)型降水的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)值分布在0.74～0.87之間。

現(xiàn)有討論黑河流域降水空間分布特征的研究，更多地分析了降水量與經(jīng)度、緯度、海拔高度及坡向、坡度等因子的關(guān)系，大多研究人為的劃分降水區(qū)，并嘗試給出不同高度帶或不同地區(qū)降水量的計(jì)算公式。黑河流域降水空間分布及其十分復(fù)雜，相似性搜索方法依據(jù)降水自身特征，挖掘相似的降水過(guò)程，客觀得到不同類(lèi)型降水的地理分區(qū)，可以為分析降水成因及進(jìn)行降水空間插值提供一定的參考。

3.2 降水豐枯水遭遇性分析

黑河干流水系包括黑河干流、梨園河及東部沿山支流(圖1)。黑河干流水系山區(qū)與低山區(qū)年降水量280～600 mm，是徑流的形成區(qū)。山麓與平原區(qū)為重要的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，降水量70～200 mm，幾乎不產(chǎn)流，是水資源的主要消耗區(qū)。黑河干流水資源分配方案根據(jù)鶯落峽來(lái)水量，限制中游農(nóng)灌區(qū)的用水量，來(lái)保證正義峽的下泄流量。分水方案建立在“上游降水與中游降水同枯同豐”的假設(shè)基礎(chǔ)上，認(rèn)為上游山區(qū)降水量越大的年份，中游的來(lái)水量與降水量也相應(yīng)較大，要求正義峽下泄水量越大，使得中游可利用水量反而越少。分水方案要求鶯落峽來(lái)水12.9 億m3時(shí)，正義峽下泄6.3 億m3；正義峽來(lái)水15.8 億m3時(shí)，鶯落峽下泄9.5 億m3；正義峽來(lái)水17.1 億m3時(shí)，鶯落峽下泄10.9 億m3；正義峽來(lái)水19.0 億m3時(shí)，鶯落峽下泄13.2 億m3?；诮邓乩矸謪^(qū)的結(jié)果，通過(guò)分析黑河干流水系山區(qū)，低山區(qū)，山麓區(qū)、平原區(qū)降水的豐枯遭遇性，分析分水方案假設(shè)條件的科學(xué)性。

表3 不同區(qū)域降水豐枯遭遇頻率 %

由表3可知，雖然研究區(qū)面積不足5 萬(wàn)km2，但是由于流域范圍內(nèi)地形條件復(fù)雜，各降水區(qū)域同豐同枯發(fā)生的頻率并不高，分布在39.1%～78.3%之間。相鄰的兩個(gè)降水區(qū)域，即山區(qū)與低山區(qū)，低山區(qū)與山麓，山麓與平原，發(fā)生豐枯同步的頻率都超過(guò)50%，其中山麓和平原區(qū)豐枯同步的頻率最高，達(dá)到78.3%。

降水豐沛的年份，農(nóng)灌區(qū)(山麓+平原區(qū))灌溉用水量相對(duì)較少，可下泄水量較多；降水稀少的年份，農(nóng)灌區(qū)灌溉用水量相對(duì)較多，可下泄水量較少。山區(qū)與農(nóng)灌區(qū)豐枯同步(表3中①、②、③情景)，符合分水方案的假設(shè)條件，容易按照分水方案進(jìn)行水資源配置，完成下泄目標(biāo)。但是研究區(qū)的實(shí)際情況中，豐枯同步現(xiàn)象發(fā)生的頻率并不高，山區(qū)與山麓+平原區(qū)同豐同枯的頻率分別為39.1%和43.5%，低山區(qū)與山麓+平原區(qū)同豐同枯的頻率略高，為56.5%和69.5%。

在山區(qū)與農(nóng)灌區(qū)豐枯異步的6種組合中，④、⑤、⑥情景不利于調(diào)度計(jì)劃的完成。山區(qū)降水量相對(duì)豐沛，農(nóng)灌區(qū)降水量較少時(shí)，農(nóng)灌區(qū)的灌溉用水量相比豐枯同步情況會(huì)有所增加，從而增大完成下泄任務(wù)的難度。山區(qū)與山麓和平原發(fā)生這種情況的頻率都高達(dá)30.4%，低山區(qū)與山麓和平原發(fā)生這種情況的頻率分別為26.1%和17.4%。⑦、⑧、⑨情景有利于調(diào)度計(jì)劃的完成。因?yàn)樯絽^(qū)降水量較少，農(nóng)灌區(qū)降水量相對(duì)豐沛時(shí)，農(nóng)灌區(qū)的灌溉用水量相比豐枯同步的情況會(huì)有所減少，從而有利于下泄任務(wù)的完成。山區(qū)與山麓和平原區(qū)發(fā)生這種現(xiàn)象的頻率為34.0%和26.1%，低山區(qū)與山麓和平原發(fā)生這種現(xiàn)象的頻率分別為17.4%和13.0%。

實(shí)際情況中，黑河干流低山區(qū)發(fā)育的大部分河流(支流)基本與干流失去了地表水聯(lián)系，被引灌或滲失于山前沖積扇，無(wú)論豐枯水年都無(wú)法匯入黑河干流。黑河干流水資源調(diào)度的水源基本上都來(lái)自于山區(qū)，引黑河干流地表水的灌區(qū)基本都位于平原區(qū)，山區(qū)與平原區(qū)不利于調(diào)度計(jì)劃完成的組合發(fā)生的頻率高達(dá)30.4%。

4 結(jié) 論

本文研究黑河流域中上游地區(qū)相似的月降水過(guò)程及其地理分區(qū)，在此基礎(chǔ)上分析不同區(qū)域降水的豐枯遭遇性。研究結(jié)果表明：①受水汽來(lái)源與地形影響，黑河中上游地區(qū)降水的年內(nèi)分配過(guò)程分為12種類(lèi)型，降水類(lèi)型的地理分區(qū)基本上與祁連山走向相同。②地形條件復(fù)雜，黑河干流各降水區(qū)豐枯同步發(fā)生的頻率并不高，在39.1%～78.3%之間，干旱內(nèi)陸河流域降水徑流關(guān)系復(fù)雜，黑河干流分水方案有待進(jìn)一步論證。

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