晋城市降雨量时空分布变化特征.pdf

山 西 水 利2023 年 7 月 2023 年第 7 期晋城市降雨量时空分布变化特征段州（晋城市供水保障中心，山西晋城048000）摘要 为研究晋城市内降雨量时空变化规律，本文提取晋城市 5 个县地面测站 20002019 年的降雨量数据，利用累计距平百分比分析，得到晋城市年降雨量时空变化特征，采用 P-芋拟合曲线进行降雨频率分布拟合，结合空间插值分析，得出了晋城市年降雨量概率分布特征。结果表明：阳城地区降雨量相对于其他区域年际分配更为不均，需要注意旱涝灾害的防范；晋城市 50 年及 100 年设计降雨高值主要集中在晋城市中部及西南部；晋城市东部及南北向阳城区域降水量相对于其他区域不均匀。关键词 降雨量；变化特征；P-芋曲线；时空分布；晋城市中图分类号 S161.6+2文献标识码 C文章编号 1004-7042（2023）07-0033-041区域概述在人为和自然规律双重因素的推动下，我国出现了温度升高等气候现象1-2。已有研究表明，未来我国平均气温将上升 2.0益左右，而降雨将增加 10%耀20%3-4。气候变化会影响生物的生存环境，对人类居住环境也会造成很大的影响。降雨是描述一个地区气候变化的关键指标，为加深对某一地区气候的全面认识，充分了解该地区降雨的时空分布变化特征，研究气候变化条件下降雨量时空分布的变化，已成为世界水文水资源方向的研究重点5。近年来，众多国内学者对山西省气候变化进行了分析研究，取得了重要的研究成果。如，赵桂香等6通过对山西省近 46 年降雨和气温资料的 Morlet 小波分析得出 19572003 年山西地区气候经历了“冷湿原暖干”的变化过程。李芬等7运用线性倾向估计、均值分布等方法研究山西省降雨的变化特征得出了降雨呈下降趋势的结论。以上降雨量时空变化特征的研究侧重点，是对当地降雨要素的线性趋势变化进行分析，对其概率分布特征研究极少。晋城市地处山西省东南部，属暖温带半湿润大陆性季风气候区，受大陆性季风以及复杂地形地貌影响，辖区内各地小气候差异大，并且随着气候变化对水文循环过程的影响也在不断的增大8-9，进一步加剧了辖区内降雨量分布不均，因此在气候变化条件下，对晋城市降雨量时空分布变化特征分析具有重要意义，研究成果可为晋城市水文规律分析预测研究提供重要基础，而且还在防洪减灾、趋利避害，促进国民经济和社会发展等方面都具有非常重要的意义。2晋城市降雨资料来源及研究方法2.1降雨资料来源晋城市位于太行山南端，辖区面积 9 490 km2，属大陆性季风气候，地理位置如图 1 所示。在中国气象数据网下载气象数据，选择晋城市内沁水、阳城、晋城、高平及陵川 5 个气象站点的 20002019 年逐月及逐年降雨资料进行计算（见图 2）。将整理好的各站点20002019 年各年降雨总和数据加载入 ArcGIS 软件中进行泰森多边形分析，计算各多边形面积权重，点雨量与面积权重乘积之和即为晋城市各年面雨量。图 1晋城市地理位置图2.2研究方法皮尔逊芋型曲线是由 19 世纪英国统计学家卡沁水阳城高平晋城陵川012.5 2550kmN气象站点主要铁路主要河流主要公路DEM值高：2 279低：302水文研究33SHANXI WATER RESOURCES山西水利山西水利山西水利图 3晋城市降雨量累计距平百分比图尔 皮尔逊（Karl Pearson）提出的一种概率分布曲线，它是正态分布曲线的一种变体，也被称为皮尔逊类型芋分布。皮尔逊芋型曲线具有以下特点：（1）曲线形状：皮尔逊芋型曲线是单峰的，呈现出类似正态分布的钟形曲线，但其两侧尾部较长，疑似异常值的概率较高。（2）偏斜性：相比正态分布，皮尔逊芋型曲线具有更明显的偏斜性。正偏斜（右偏）的曲线表示在数据分布中存在较多的较小值，负偏斜（左偏）的曲线则表示存在较多的较大值。（3）峰度：皮尔逊芋型曲线的峰度相对正态分布较低，表明数据的分布较为平坦，不存在正态分布曲线那样的尖峰。皮尔逊芋型曲线在实际应用中常用于描述一些具有非对称形状的数据，如降水量和河流流量的分布等。它在统计学、气象学、水文学等领域中得到广泛应用，用于模拟和分析各种随机变量的分布情况。本研究选择 P-芋型理论频率曲线对降雨分布进行拟合。克里格插值方法是一种常用的空间插值方法，主要用途是预测未知位置的数值或属性，该方法广泛应用于地质学、环境科学、农业、地理信息系统等领域。在研究降雨序列和降雨量空间分布变化时，利用空间插值方法形成降雨空间化信息是较为常用的方式。本文采用克里格插值方法进行插值，得出降雨量空间分布变化，从而得到晋城市降雨量空间分布特征。3结果与讨论3.1降雨量时空分布变化特征20002019年晋城市年平均降雨量为 668.084mm，各地多年平均降雨量都在 633691 mm 之间（图 2），整体变化幅度不大。对 20002019 年年平均降雨量作累计距平线图（图 3），从累计距平百分率来看，晋城市的年平均降雨量存在一定波动状态，距平百分比在一些年份达到-25%30%，尤其是阳城地区 20052008 年距平百分比持续达到 20%以上，这表明晋城市阳城地区降雨量相对于其他区域波动性更强，且以波动性降雨量偏多为主要特征，降雨量年际分配不均，需要注意旱涝灾害的防范。3.2降雨量概率分布探讨使用皮尔逊 III 型分布对 20002019 年晋城市多年年平均降雨量进行拟合，结果见表 1 及图 4 所示。可以看出，皮尔逊 III 型分布在沁水地区拟合效果较好，绝对残差及残差标准差最低，分别为 139.327 3 及283.905 8，在阳城地区拟合较差，绝对残差及残差标准差最高，分别为 199.868 9 及 307.690 7，这表明P-芋曲线的拟合优度受到区域性影响，其结果的可靠性有待进一步验证，分析成果可作为水资源规划的参考及后续研究的基础。图 2晋城市降雨量统计图水文研究34山 西 水 利2023 年 7 月 2023 年第 7 期4结论本文使用累计距平百分比、空间插值分析及 P-芋分布拟合等常用的降雨量时空分布研究方法，对晋城市 5 个气象站 20002019 年降雨量时空分布特征进行了分析，识别了晋城市不同重现期年降雨量概率分布特征。结果如下：（1）阳城地区降雨量相对于其他区域年际更为分配不均，需要注意旱涝灾害的防范。（2）晋城市 50 年及100 年一遇设计降雨高值主要集中在晋城市中部及西南部；晋城市东部及南北向阳城区域降水量相对于其他区域不均匀。（3）P-芋曲线的拟合优度受到区域性影响，其结果的可靠性有待进一步验证，分析成果可图 5降雨量概率分布的空间变化特征图表 1分布拟合度检验表对晋城市 5 个气象站及面降雨量进行频率分析，得到研究区各区域及整体 50 年一遇、100 年一遇设计年降雨量，及研究区内各区域年降雨量指标大于平均值的频率，如表 2 所示。可以看出，晋城市内各气象站点总体表现为设计年降雨值大于面设计年降雨值，表明晋城市设计年降雨存在空间变化特征，在实际分析中需要考虑其区域性变化。表 2设计年降雨值统计表对表 2 结果进行空间插值，得出的研究区年降雨量概率分布的空间变化特征图，如图 5 所示。结果表明，对于 50 年及 100 年一遇设计降雨，都表现为降水高值主要集中在晋城市中部及西南部，未来需注意相应区域的极端降雨灾害事件。指标大于平均值的频率高发区，位于晋城市东部及南北向阳城区域，可达到 40%以上，进一步表明该部分区域降水量年际分配相对于其他区域不均匀。晋城高平阳城沁水陵川面Cv0.098 80.1080.130 90.102 70.097 50.095 8Cs1.179 51.090 90.813 40.849 91.269 60.786 8绝对残差196.283 4 179.925 199.868 9 139.327 3 191.364 2 190.520 2残差标准差292.173 6 287.087 8 307.690 7 283.905 8 292.629 2 324.825 8图 4P-芋曲线拟合结果（以高平及晋城站为例）晋城高平阳城沁水陵川面50 年一遇8 578.388 448.58 497.65 8 154.41 8 694.39 8 246.36100 年一遇 8 927.65 8 805.07 8 885.76 8 454.03 9 056.58 8 524.81指标大于平均值的频率/%42.14%42.7644.5844.3441.5744.76高平水文频率 P-型分布曲线晋城水文频率 P-型分布曲线11 00010 0009 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000频率 P/渊%冤0.010.04 0.20.5 1 234568 1218263444546472808691 95 97 99 99.6 99.9 99.9911 00010 0009 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000频率 P/渊%冤0.010.04 0.20.5 1 234568 1218263444546472808691 95 97 99 99.6 99.9 99.99平均值=6 607.40Cv=0.168 2，Cs=0.303 9Cs/Cv=1.81绝对残差=398.333 1残差标准差=437.695 8重现期为 100 时的理论值=9 434.56指标逸6 607 时的频率=47.99%平均值=6 815.73Cv=0.098 8，Cs=1.179 5Cs/Cv=11.94绝对残差=196.283 4残差标准差=292.173 6重现期为 100 时的理论值=8 927.65指标逸6 816 时的频率=42.14%水文研究35SHANXI WATER RESOURCES山西水利山西水利山西水利质安全、水量稳定、取用便捷的再生水循环利用系统。着力推进再生水利用滞后地区的基础设施建设和改造，加紧谋划水系人工湿地工程等项目。加快雨污管网建设和改造，将再生水管网纳入城市供水基础设施统一规划和建设，鼓励工业园区、用水大户与再生水生产实施运营单位合作建设再生水管网，签订再生水利用合作协议。依托季节性河道和闲置洼地，在充分论证调查地质和水文地质条件，确保防洪安全的前提下，因地制宜建设再生水调蓄库塘，增加再生水调控能力，探索建设“供、排、净、治”设施建设运维一体化，改革示范推广资源能源标杆再生水厂。5.2加强再生水配置管理黄河流域实行再生水使用额度管理，在涉水项目的水资源论证取水审批环节，由省级水行政主管部门明确并提高城市再生水年度使用比例，优先论证再生水的可行性，具备使用条件而未使用再生水的建设项目，不予批准取水许可或核减用水计划，推动纳入区域经济社会发展规划。工业冷却水、服务业非接触性用水、市政杂用和景观用水应优先使用再生水，鼓励水质符合条件的再生水用于农业灌溉，重要采矿区、重大涌水矿区应建设矿井水处理利用设施，优先将矿井水用于矿区生产，具备条件的纳入地方供水规划，向周边城镇居民和工业企业供水。省级水行政主管部门在办理采矿取水许可时，充分考虑配置矿井水，对未合理利用的，应不予许可或核减地表水和其他地下水。5.3开拓投融资渠道政府主管部门应加大再生水源的管理和配置工作力度，试行引入由常规水源供水企业运行和维护本区域内的再生水源工程；选择再生水水源可利用量大、分布较为集中、需求量稳定的区域，探索建立多种所有制形式的市场化的再生水综合利用工程；价格管理部门研究和出台再生水水价体系，合理制定再生水资源供水价格，实现良性水价运行机制，全面助力加速再生水源工程的有效运转。5.4提高技术和管理水平相关技术部门应加强再生水技术研发，发挥成熟项目的引领作用，加快推广各种先进适用的废水资源化技术、再生水回用技术和再生水设施建设技术等，建立高效权威的信息发布平台，收集、管理和发布有关再生水和水权交易的信息，满足生产者和使用者的需要，提升再生水的产权价值和生态环境价值，推动再生水用水权向有偿取得、有偿使用转变，填补常规水资源配置手段在再生水价值发现中的缺口。5.5再生水回灌至地下层再生水补给地下含水层后，可通过土壤的过滤、截留、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化以及生物的吸收等作用对再生水的污染物进一步综合净化，去除水中有害物质和病原微生物，提高再生水利用的安全性。我国可以借鉴美国、日本、以色列等城市污水再生利用方面的经验，探索通过将深度净化处理后的再生水在丰水季节补给地下含水层，扩大水资源储备，缓解地下水水位下降，经 SAT（Soil Aquifer Treatment）土壤含水层处理系统回灌地下再抽取使用，有效调节农业用水供需分配。作者简介 薛敏（1981-），女，2008 年毕业于山西农业大学农业推广专业，高级经济师。收稿日期 2023-05-11；修回日期 2023-06-25作为水资源规划的参考及后续研究的基础。参考文献1 孟江丽.新疆水资源调控关键技术研究 J.水利技术监督，2015（4）：32-34援2 谭晶.塔里木河流域水资源统一管理成效分析 J.水利技术监督，2015（4）：18-20+25.3 覃新闻.塔里木河流域水资源管理体制与机制探讨 J.中国水利，2011（8）：23-25援4 张记忠.奎屯河流域水资源管理初探 J.中国西部科技，2008（12）：62-63援5 阿达来提 吐尔迪援实现喀什噶尔河流域水资源统一管理的探讨 J.水利技术监督，2010（05）：24-26援6 赵桂香，赵彩萍，李新生，等.山西省气候变化的多尺度诊断J.干旱区研究，2007，24（2）：240原246援7 李芬，张建新，张荣.1958原2013 年山西降水时空分布 J.中国沙漠，2015，35（5）：1301原1311援8 International Panel of Climate Change（IPCC）Working Group I.IPCCFifthAssessmentReport（AR5）；IPCC：Stockholm，Sweden，23-26 September 2013.9 Hejia Wang，Weihua Xiao，Jianhua Wang，et al.The Impact ofClimate Change on the Duration and Division of Flood Season inthe Fenhe River Basin，China J.Water，2016，8（3）：105.作者简介 段州（1985原），女，2014 年毕业于太原理工大学水利工程专业，工程师。收稿日期 2023-05-04；修回日期 2023-06-21（上接第 25 页）水文研究36