海河平原典型小区域降水量特征及趋势分析

尹新明

(河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000)

1 概述

海河平原是我国华北平原的一部分，华北地区主要农业区。南界黄河，北至燕山，西邻太行山，东濒渤海，面积约12.8万km2。因海河流经而得名。海河平原绝大部分在河北省境内，故又称河北平原。耕地约800万hm2，人口7000余万。首都北京及天津、保定、石家庄、邯郸、沧州、衡水等城市均座落平原上，交通方便，工业发达。盛产粮棉和果品，石油和天然气蕴藏丰富。名胜古迹多，旅游资源丰富。海河平原是华北地区主要农业区，除跨区域引调水外，降水量是产生地表径流和补给地下水的主要来源。河北省阜城县地处海河平原，东与东光县以南运河为界，西与武邑县以清凉江为界。地势自西南向东北缓慢倾斜，海拔高度12～30m。阜城县土地肥沃，气候适宜，共有耕地面积4.5万hm2，盛产小麦、玉米、棉花、蔬菜等农产品，是河北省粮食棉花主要产区。阜城县是全国对外开放县之一，近年来阜城县装备制造、纺织服装、包装制品、农副产品加工4大主导行业基本形成并持续壮大，新材科、新技术、新能源、新装备等新兴产业快速发展，成为阜城县新的经济增长点。因地表水资源极度缺乏，客水资源严重不足，经济社会发展用水不得不依靠长期超量开采地下水维持，成为衡水市地下水开发利用程度较高的县市之一，大量超采地下水引发了很多生态、地质、环境问题。本文选取河北省阜城县为小区域代表进行降水量特征及趋势分析。

2 河流水系

阜城县境内主要分布有南运河、清凉江等主要河流。阜城县自产地表水资源开发利用程度较低，其主要原因是地表水的时空分布不利于开发利用，平原区一般年份几乎没有自产径流，丰水年份的径流量亦仅仅是汛期的一两场暴雨所致，极难调控。全县境内主要有21条县级以上河道，其年际、年内分配极不均匀，与当地径流丰枯期基本同步，且来水主要为上游排放污水。新中国成立后，对现有河道进行了全面治理：洪沥分治，各畅其流，发展灌溉。南运河成了专用行洪河道，兼作输水之用；清凉江、江江河、湘江河都是黑龙港流域排沥河道，20世纪70年代后期以来也用于输水；洚河、小洛河则成了排除沥水的干渠。在河道治理的同时，挖渠除涝，20世纪70年代末全县形成完整的除涝渠系网络。阜城县至今共有4条骨干河道，17条排灌干渠，以及3000余条支斗农渠纵横交织，这些沟渠与骨干河道串联交汇，构成纵横交错、四通八达水系水网。

2.1 南运河

衡水阜城县与沧州东光县以南运河为界。该河南起衡水景县连镇乡，自戈家坟村流入阜城县境，经10余村镇，终在阜城张华雨村东北流向泊头县境内。南运河阜城段全长约31km，左堤段长28.72km。

2.2 清凉江

全长182km的清凉江，属于黑龙港水系(海河流域)。清凉江南从衡水景县大落寨村，东北向流入阜城县，阜城县与武邑县以清凉江为界，在郭塔头村西全部进入县境；北在石官庄村东北出境流入泊头市，流域面积231.4km2。

2.3 江江河

江江河属海河流域黑龙港水系，发源于故城县大杏基，在景县樊桥东北流入县境，于周通庄西有湘江河来汇，在周通庄北注入交河县。江江河全长118.5km、流域面积2410km2，阜城县境内河长24km，流域面积526.4km2。

2.4 湘江河

湘江河属江江河支流，发源于阜城县城南“千顷洼”中的阜景公路桥下，在高朝元村东南汇入江江河。河流全长41.7km、流域面积269.8km2。

3 选取资料系列及代表性分析

分析以降水资料质量较好、系列较长、面上分布均匀为原则，收集了阜城县境内及邻县雨量站共8站的原始资料，主要来自水文系统多年整编后的年鉴及特征值统计，并结合应用了其他学者的分析成果，本次资料选取系列为1956—2016年61a降水量，资料年限大于30a，站网密度为87.1km2/站。为了提高数据序列的代表性，减小采样误差，提高统计参数的准确性，对于数据不连续或个别缺失测量的降雨站，根据具体情况分别采用移用法、相关法、等值线法、附近各站同时段降水量的历年平均值或本站同时段降水量的历年平均值法进行了插补延长。

4 降水量的计算与成果

4.1 降水量计算成果

经比较，选取网格法进行计算，即首先根据一定距离的经纬度将计算区域划分为网格，随后根据雨量站的数据计算网格节点的降水量，得到网格节点降水量的算术平均值。

在计算降水量统计参数和频率分析时，按照《全国水资源综合规划技术细则》要求，均值采用了算术平均值，适线时未进行调整；变差系数Cv值第1次适线采用距法计算值，当点据拟合不好时对Cv值进行了适当调整；偏差系数Cs的取值一般用Cs/Cv值来反映，Cs/Cv的选用以最佳适线值为准；经验频率采用数学期望公式进行计算，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线进行适线调整，适线时对系列中特大、特小值未作处理，主要按平、枯水年份的点据趋势进行定线，照顾了大部分点据。

根据计算可以得出该典型小区域(阜城县)多年平均降水量为537.9mm，频率为20%条件下降水量662.7mm、50%条件下降水量522.3mm、75%条件下降水量425.6mm、95%条件下降水量311.7mm。阜城县行政区划降水量特征值如表1所示。

表1 阜城县各行政区年降水量特征值成果表

4.2 降水量地区分布

受气候、地理、地形诸多因素影响，阜城县东部、西部降水较大，中部较小。其中，降水量大于540mm的笼罩面积约为199km2，占总面积的28.0%，主要集中在霞口镇南部、码头镇东北部、阜城镇和漫河乡中西部；降水量小于500mm的笼罩面积约为130km2，占总面积的18.3%，主要集中在建桥乡全部、蒋坊乡东部、大白乡和崔家庙镇西部。阜城县多年平均降水量等值线见图1。

图1 阜城县多年平均降水量等值线图

4.3 降水量的年内分配

阜城县降水年内分配不均匀，降水集中程度较高，受气候影响，具有明显的季节性推移规律，并且雨季出现及持续时间长短不一，降水季节分配极不均匀，一般冬季干旱、降水稀少，夏季湿润、降水频繁，春秋季降水介于冬夏之间。通过对区域内降水资料统计分析，阜城县降水量呈单峰型，夏季降水占全年降水的70.5%；连续最大4个月降水量均出现在6—9月，其多年平均降水量为419.0mm，占全年降水量的77.9%；汛期降雨主要集中在7—8月的几场大雨或暴雨，尤其是在雨量丰沛的丰水年份；主汛期7—8月多年平均降水量之和为310.7mm，占全年降水量的57.8%；12月—第2年3月是年降水量最少的时期。这足以说明阜城县降水在年内变化的不均匀性。阜城县降水年内分配情况见表2，逐月多年平均降水量示意图见图2。

表2 降水年内分配情况表

图2 阜城县逐月多年平均降水量示意图

4.4 降水量的年际变化

4.4.1 极值比和变差系数

阜城县年降水量年际差异较大，各行政区年平均降水量极值比介于3.95～4.57，变差系数Cv值在0.29～0.31。经计算最大年平均降水量是最小年平均降水量的4.12倍。阜城县年降水量变化见图3。

图3 1956—2016年阜城县年降水量变化图

4.4.2 降水量的年代变化

阜城县61a(1956—2016年)降水系列中，20世纪50年代后期(1956—1959年)处于平水期；20世纪60—70年代(1960—1969年、1970—1979年)主要处于丰水期，其平均值分别比多年平均值偏大7.7%、8.9%；20世纪80年代(1980—1989年)主要处于枯水期，其平均值相比多年平均值偏小11.6%；20世纪90年代(1990—1999年)接近多年平均值；21世纪00年代以后(2000—2016年)比多年平均值偏小2.9%。阜城县各年代降水量变化见图4。

4.5 降水量周期性分析

为了体现降水的周期变化，利用小波变换对阜城县地区1956—2016年年平均降水进行周期分析，并绘制小波系数图和小波方差图，见图5。

图5 阜城县多年平均降水量小波系数图和小波方差图

对于阜城县1956—2016年降水序列，从小波系数图可以看出，中心频域尺度主要集中在30～40a；而在小波方差图中，小波方差随时间尺度的变化过程中在对应时间尺度35a出现一个非常明显的峰值，因此35a为多年降水的周期。从小波系数图中可以看出，在35a周期尺度上，年降水经历了从丰—枯—丰3次丰枯变化，2个丰水年震荡中心分别在1967年左右和2009年左右，1个枯水年震荡中心在1988年左右，而2016年后小波系数逐渐开始向一个低值中心靠近，因此，预测在2016年后年降水量呈减少趋势。

5 结论

本文通过采用海河平原典型小区域代表阜城县61a降水资料，分析了该小区域的降水量特征及年内分布，预测了后期趋势。

阜城县多年平均降水量537.9mm，该区域东部、西部降水较大，中部较小，降水集中程度较高，雨季出现及持续时间长短不一，降水季节分配极不均匀。2000年以后，降水量接近多年平均，预测2016年后期雨量呈减少趋势。