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

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)

大氣降水的時空分布特征是一個地區(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個鎮(zhèn)、8個鄉(xiāng)，211個行政村，406個自然村?？?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，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)的時空分布具有重要意義。

本次共搜集到崇禮區(qū)內(nèi)23個氣象站的降水量數(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)普查報告(比例尺1∶200 000)(冀西北地區(qū))》中崇禮區(qū)水資源量評價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。