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        基于高程效應(yīng)的崇禮區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算

        2019-09-26 08:23:16付世騫師明川杜尚海
        節(jié)水灌溉 2019年9期
        關(guān)鍵詞:補(bǔ)給量崇禮氣象站

        付世騫,師明川,杜尚海

        (1. 河北省水文工程地質(zhì)勘查院,石家莊 050020;2. 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長春 130021)

        大氣降水的時(shí)空分布特征是一個(gè)地區(qū)水資源量的根本決定因素[1-6],同一地區(qū)的大氣降水量往往受到地形地貌等條件的影響[7-14]。根據(jù)山西省大同地區(qū)不同高程的大氣降水量觀測數(shù)據(jù),每升高100 m降水量增大約20 mm,四川省錦屏水電站附近的大氣降水量高程梯度在20~35 mm/100m,青海省大柴旦地區(qū)的大氣降水量高程梯度為15 mm/100 m[15,16]。由此可見,大氣降水量的高程效應(yīng)是普遍存在的,對區(qū)域水資源量計(jì)算結(jié)果影響顯著,有必要開展大氣降水量高程效應(yīng)的長期監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析。區(qū)域地下水資源是接受大氣降水入滲補(bǔ)給而來,地下水資源量的計(jì)算除考慮大氣降水的時(shí)空分布特征之外,下墊面條件變化也是控制大氣降水入滲量的主要控制因素[17,18]。

        1 研究區(qū)概況

        崇禮區(qū)位于河北省西北部,隸屬張家口市。正東、東北與赤城縣、沽源縣交界,西南與張家口市區(qū)、萬全區(qū)毗鄰,西北、正北和張北縣接壤,南隔古長城與宣化區(qū)相望。崇禮區(qū)交通位置圖見圖1。崇禮區(qū)人民政府位于西灣子鎮(zhèn),全區(qū)轄2個(gè)鎮(zhèn)、8個(gè)鄉(xiāng),211個(gè)行政村,406個(gè)自然村???cè)丝?2.6萬人。

        圖1 崇禮區(qū)交通位置圖

        崇禮區(qū)屬中山~高中山地貌,地形總體趨勢東北高、西南低,自然傾斜,海拔高度820~2 129 m。區(qū)界四周群山環(huán)繞,山巒起伏連綿,東溝、正溝、西溝三條大溝呈北東南西向縱貫全區(qū)。

        崇禮區(qū)屬中溫帶亞干旱大陸性季風(fēng)型山區(qū)氣候,常年干旱少雨。年平均氣溫3.2~3.7 ℃,受山區(qū)地形的影響,崇禮區(qū)年內(nèi)降水量多集中在6-9月,時(shí)有冰雹、暴雨災(zāi)害。根據(jù)崇禮區(qū)1971-2017年的降水量和蒸發(fā)量資料,多年平均降水量為472.83 mm,多年平均蒸發(fā)量為1 416.45 mm。

        崇禮區(qū)河流屬兩個(gè)水系。崇禮區(qū)清三營鄉(xiāng)東部部分流域?qū)俪卑缀铀担淞饔蛎娣e占全區(qū)總面積的4.3%。其余皆屬永定河水系,包括清水河和小清水河(盤常河)兩個(gè)分支,其流域面積占全區(qū)總面積的95.7%。

        2 計(jì)算方法

        大氣降水入滲量指大氣降水中能夠有效補(bǔ)給地下的水量,主要受到降水總量、降水特征、包氣帶巖性和厚度、地形、植被等因素影響。由于崇禮區(qū)的地形是一個(gè)變化的曲面(高度差為1 309 m),大氣降水量存在顯著的高程效應(yīng),且受包氣帶巖性控制的大氣降水入滲系數(shù)具有顯著的空間分布變異性,因此進(jìn)行崇禮區(qū)的大氣降水入滲補(bǔ)給量時(shí)需要考慮大氣降水量、降水入滲系數(shù)(巖性)空間變異的疊加。

        本次研究應(yīng)用ArcGIS 10.0,借助其強(qiáng)大的空間分析和計(jì)算功能,給出大氣降水入滲量的計(jì)算方法。在具體計(jì)算時(shí),充分考慮到研究區(qū)大氣降水量和降水入滲系數(shù)的空間變異性,采用下式計(jì)算:

        Q降=∑0.1 ΔpiαiAi

        (1)

        式中:Q降為崇禮區(qū)降水入滲量,m3;Δpi為各計(jì)算柵格上的降水量,mm;αi為—各計(jì)算柵格上的降水入滲系數(shù),無量綱;Ai為各計(jì)算柵格的面積,m2。

        計(jì)算過程中聯(lián)合使用ArcGIS中的空間分析模塊(Spatial Analyst)和三維分析擴(kuò)展模塊(3D Analyst),首先將研究區(qū)地面高程等值線的shp格式文件轉(zhuǎn)化為Raster格式文件,結(jié)合大氣降水高程效應(yīng),在每個(gè)柵格中賦降水量值;根據(jù)小流域調(diào)查結(jié)果,繪制出崇禮區(qū)大氣降水入滲系數(shù)分區(qū)的shp文件,并將該文件轉(zhuǎn)化為Raster格式文件,在每個(gè)柵格中賦入滲系數(shù)值,各分區(qū)賦值如圖所示;然后應(yīng)用柵格計(jì)算功能,將兩個(gè)Raster格式文件中對應(yīng)柵格進(jìn)行計(jì)算,即可得到崇禮區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給量。

        3 計(jì)算結(jié)果與討論

        3.1 崇禮區(qū)大氣降水監(jiān)測站的選擇

        崇禮區(qū)位于清水河上游山區(qū),四周發(fā)育的高山使得區(qū)內(nèi)水系發(fā)育為一個(gè)相對封閉的流域,除了清水河在高家營鎮(zhèn)附近流出區(qū)外,地表水和地下水并未與區(qū)外發(fā)生其他交換。因此,崇禮區(qū)內(nèi)的大氣降水成為地下水資源的唯一來源,精確刻畫大氣降水在區(qū)內(nèi)的時(shí)空分布具有重要意義。

        本次共搜集到崇禮區(qū)內(nèi)23個(gè)氣象站的降水量數(shù)據(jù),各氣象站的高程、降水量監(jiān)測結(jié)果如表所示,相關(guān)信息見表1,監(jiān)測站的空間分布如圖2所示。

        表1 崇禮區(qū)氣象站相關(guān)信息表

        圖2 崇禮區(qū)降水監(jiān)測站空間分布圖

        3.2 崇禮區(qū)大氣降水的高程效應(yīng)計(jì)算

        根據(jù)崇禮區(qū)各氣象站的大氣降水量監(jiān)測結(jié)果和高程值,可以繪制出崇禮區(qū)大氣降水量與高程值之間的關(guān)系圖,如圖3所示。從圖3可以看出,崇禮區(qū)各氣象站的大氣降水量與高程值之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系,即隨著地面高程值的增大,降水量呈現(xiàn)增大趨勢。

        圖3 崇禮區(qū)氣象站高程值與大氣降水量相關(guān)關(guān)系圖

        應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行大氣降水量和高程值之間線性關(guān)系擬合,即可得到崇禮區(qū)大氣降水量的高程效應(yīng)公式:

        P=0.213H+189.25

        (2)

        式中:P為氣象站監(jiān)測的大氣降水量;H為氣象站的高程值。

        從崇禮區(qū)大氣降水量的高程效應(yīng)公式可以看出,隨著地面高程值的增大,大氣降水量顯著呈現(xiàn)增大的趨勢,且地面高程每升高100 m,大氣降水量平均升高21.3 mm。

        3.3 不同高程的大氣降水量計(jì)算

        根據(jù)崇禮區(qū)大氣降水量高程效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,地面高程每升高100 m,大氣降水量平均升高21.3 mm??梢缘玫絽^(qū)內(nèi)不同高程區(qū)間的大氣降水量。區(qū)內(nèi)高程最低點(diǎn)為820 m,高程最高點(diǎn)為2 129 m,以崇禮的多年平均大氣降水量(478 mm)和高程值(1 240 m)為基準(zhǔn)值,可以內(nèi)推崇禮區(qū)各高程區(qū)間的降水量取值如表2所示。

        表2 崇禮區(qū)不同高程區(qū)間降水量取值

        根據(jù)崇禮區(qū)的小流域調(diào)查成果,可以繪制出崇禮區(qū)大氣降水入滲系數(shù)分區(qū)圖如圖4所示,各分區(qū)的大氣降水入滲系數(shù)取值如表3所示。從圖4可以看出,全區(qū)大部分被火山巖和變質(zhì)巖覆蓋,大氣降水入滲系數(shù)主要在0.04 ~ 0.06之間變化。

        圖4 崇禮區(qū)大氣降水入滲系數(shù)分區(qū)圖

        分區(qū)序號12345α0.120.040.040.040.06

        根據(jù)崇禮區(qū)地形等高線圖可以得到100 m等高間距得地面等高線分布圖如圖5所示,各等高間距的面積統(tǒng)計(jì)如表4所示。從表4可以看出,崇禮區(qū)總面積2 332.60 km2,面積占比最大的為1 401~1 600 m。

        3.4 基于GIS的大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)上述計(jì)算方法和崇禮區(qū)不同高程區(qū)間大氣降水量、大氣降水入滲系數(shù)分區(qū)、不同高程區(qū)間面積等信息,即可計(jì)算得到崇禮區(qū)的大氣降水入滲補(bǔ)給量,計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表5可以看出,崇禮區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給量為6 302.20 萬m3。

        3.5 計(jì)算結(jié)果對比分析

        按照全區(qū)面積2 332.60 km2計(jì)算,崇禮區(qū)綜合降水入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.056,遠(yuǎn)低于《中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(比例尺1∶200 000)(冀西北地區(qū))》中崇禮區(qū)水資源量評價(jià)中取用的大氣降水入滲系數(shù)(0.104)。

        圖5 崇禮區(qū)地形高程等值線

        序號高程區(qū)間/m面積/km2百分比/%1801~9009.550.412901~100046.632.0031001~1100107.884.6241101~1200182.967.8451201~1300236.5010.1461301~1400288.2512.3671401~1500345.6814.8281501~1600357.2115.3191601~1700276.1811.84101701~1800253.8910.88111801~1900158.296.79121901~200069.582.98合計(jì)2332.60100

        表5 崇禮區(qū)各等高間距大氣降水入滲量統(tǒng)計(jì)表

        4 結(jié) 語

        (1)崇禮區(qū)大氣降水量的高程效應(yīng)公式可以看出,隨著地面高程值的增大,大氣降水量顯著呈現(xiàn)增大的趨勢,且地面高程每升高100 m,大氣降水量平均升高21.3 mm。

        (2)基于崇禮區(qū)的大氣降水量高程效應(yīng),可計(jì)算得到崇禮區(qū)的大氣降水入滲補(bǔ)給量為6 302.20 萬m3。綜合降水入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.056。

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