李學(xué)輝 余守龍 谷桂華 段路松

摘要：降水量等值線是反映水資源變化規(guī)律的重要方式，也是推求無資料地區(qū)水文要素的重要參考依據(jù)。然而，在地形復(fù)雜、氣候多樣的地區(qū)，采用常規(guī)方法繪制降水量等值線存在一定困難。以云南省為例，通過分析實(shí)測(cè)降雨資料變化規(guī)律，研究復(fù)雜地形氣候區(qū)降水量等值線繪制方法。研究表明：依據(jù)水汽輸送情況和降雨分析成果，采用ArcGIS軟件自動(dòng)繪制與人機(jī)交互經(jīng)驗(yàn)修訂相結(jié)合的方式，繪制出的等值線符合降水空間分布特性。研究成果可為水資源空間分布規(guī)律的研究提供依據(jù)，為我國(guó)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)等值線圖繪制提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：降水量等值線;繪制方法;ArcGIS;復(fù)雜地形氣候區(qū);云南省

中圖法分類號(hào)：TV125文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.002

水資源調(diào)查評(píng)價(jià)是國(guó)家自然資源調(diào)查的重要內(nèi)容。近年來，我國(guó)水資源保護(hù)問題突出、水安全形勢(shì)嚴(yán)峻，迫切需要開展水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作，以摸清各地區(qū)水資源的變化狀況，為今后制定水資源戰(zhàn)略規(guī)劃、實(shí)施重大水利工程建設(shè)、落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度、促進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)提供可靠的基礎(chǔ)。近期，全國(guó)開展了第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作，降水量等值線圖繪制是地表水資源評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要工作任務(wù)[1]。

20世紀(jì)80年代，全國(guó)第一次水資源評(píng)價(jià)時(shí)，依據(jù)雨量站位置和降水量數(shù)值在紙質(zhì)地圖上手工繪制等值線圖，采用求積儀逐塊量算區(qū)域降水量，工作繁瑣、人工耗費(fèi)大。21世紀(jì)初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的普及和提高，謝伙生等[2-4]開始研究計(jì)算機(jī)編程自動(dòng)繪制等值線技術(shù)。近年來，在區(qū)域水資源評(píng)價(jià)中，技術(shù)工作者利用各種插值方法和成熟軟件，自動(dòng)生成降水等值線圖[5-6]。其中，ArcGIS軟件功能較強(qiáng)，具有較好的分析、編譯矢量數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的功能，在實(shí)際工作中得到了廣泛應(yīng)用[7-14]。

軟件自動(dòng)繪制等值線通常適用于平原地區(qū)，在地形氣候條件復(fù)雜的地區(qū)，自動(dòng)繪制的等值線尚無法準(zhǔn)確地反映地形和氣候條件的影響，需要進(jìn)行人工修正。本文以云南省為例，在ArcGIS軟件生成的等值線圖基礎(chǔ)上，充分研究區(qū)域降水時(shí)空分布特征，利用人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人機(jī)交互修訂，繪制的降水量等值線圖能夠盡可能符合云南高原山區(qū)降水分布特性。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)概況

云南省位于青藏高原東南和云貴高原西部，境內(nèi)山高谷深、地形復(fù)雜，特別是元江河谷和云嶺山脈一線以西部分，是橫斷山脈縱谷區(qū)，相對(duì)高差大，形成了復(fù)雜的地形氣候區(qū);其所處的地理位置也是孟加拉灣西南暖濕氣流進(jìn)入我國(guó)的唯一通道，水汽含量豐富。因此，云南省復(fù)雜的地形形成了獨(dú)特的氣候特性，全省的降水分布差異較大[15]。云南復(fù)雜地形氣候孕育了六大江河水系，即長(zhǎng)江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江和伊洛瓦底江流域。長(zhǎng)江流域橫跨云南北部，從西藏進(jìn)入云南后，自攀枝花到橫江為川滇界河;珠江流域位于東部與東南部，與貴州、廣西接壤;紅河、瀾滄江、怒江和伊洛瓦底江流域?qū)儆谖髂现T河，分布在云南西部和南部。其中，滇西北怒江、瀾滄江和金沙江從北向南在直線30 km區(qū)域穿過，是著名的“三江并流區(qū)”。

在第一次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)時(shí)，唐一清等[16]對(duì)云南省年降水年徑流等值線進(jìn)行了深入研究，利用1 a多時(shí)間，在紙質(zhì)地圖上手工繪制等值線圖。在第二次調(diào)查評(píng)價(jià)期間，利用Mapinfo軟件矢量化紙質(zhì)地圖，經(jīng)1 a左右時(shí)間，在電子地圖上手工繪制等值線圖。在第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作中，充分利用ArcGIS技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制和人工經(jīng)驗(yàn)交互修訂相結(jié)合的方式，2個(gè)月內(nèi)就完成了降水量等值線的繪制工作。

1.2 數(shù)據(jù)資料

在云南省第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作中，根據(jù)站點(diǎn)分布情況，在六大流域范圍內(nèi)共選用2 657個(gè)雨量站點(diǎn)資料，分析各年度分區(qū)降水量和降水時(shí)空分布特征。按照《全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》要求，選用降水資料完整且具有同步系列的雨量站點(diǎn)繪制1956～2016年和1980～2016年多年平均降水量等值線圖[1]。經(jīng)插補(bǔ)延長(zhǎng)，云南省1956～2016年完整降水系列的站點(diǎn)共434個(gè)，站網(wǎng)密度883 km2/個(gè);1980～2016年完整降水系列的站點(diǎn)共984個(gè)，站網(wǎng)密度389 km2/個(gè)?？傮w而言，云南省具有長(zhǎng)降水系列的雨量站站網(wǎng)密度不大、分布不均勻，對(duì)部分地區(qū)的降水量變化情況控制不足[17-18]，很多地區(qū)仍是水文要素空白區(qū)。各流域站點(diǎn)情況見表1。

2 研究方法

2.1 ArcGIS自動(dòng)繪制等值線

依靠計(jì)算機(jī)完成ArcGIS自動(dòng)繪制等值線方法，耗時(shí)短，對(duì)專業(yè)知識(shí)水平的要求較低，在水文要素變化不大的平原地區(qū)應(yīng)用效果較好。ArcGIS具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)處理能力，采用該軟件提供的樣條函數(shù)法繪制降水量等值線[19]。

樣條函數(shù)法中，使用二維最小曲率樣條法，將點(diǎn)插值成柵格表面，將一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)與指定數(shù)量的最近輸入點(diǎn)進(jìn)行擬合，數(shù)值穩(wěn)定性和收斂性較好，自動(dòng)生成的等值線平滑、美觀。

2.2 等值線修正方法

受復(fù)雜地形氣候的影響，ArcGIS軟件無法識(shí)別各地區(qū)降水之間的聯(lián)系，單純靠軟件系統(tǒng)繪制等值線圖，會(huì)出現(xiàn)螺旋狀的高值區(qū)或低值區(qū)等不合理現(xiàn)象。因此，采用ArcGIS軟件初步繪制的等線圖為工作基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)測(cè)降水量的空間分布特征及變化趨勢(shì)，結(jié)合地形條件和水汽來源，綜合分析各條等值線的數(shù)值和走向，合理判斷其變化趨勢(shì)，必要時(shí)進(jìn)行修正。

在實(shí)際運(yùn)用中，首先在地形氣候復(fù)雜的橫斷山脈、烏蒙山脈、哀牢山脈等地區(qū)建立降水隨高程變化關(guān)系，分析雨量站未控區(qū)降水量的變化情況。根據(jù)高程情況推求降水量數(shù)值，作為資料空白區(qū)降水量的參考依據(jù)。然后根據(jù)地形、水汽來源和高程變化情況，調(diào)整和修訂軟件自動(dòng)繪制的等值線。

3 研究成果

3.1 自動(dòng)繪制等值線

采用ArcGIS軟件繪制降水量等值線，需要準(zhǔn)備雨量站的基本要素，如站名、經(jīng)緯度和年平均降水量等。將1∶25萬比例尺的行政分區(qū)界線、等高線和雨量站點(diǎn)屬性表等基礎(chǔ)信息導(dǎo)入ArcGIS軟件圖層。在工具箱模塊“Spatial Analyst Tools”中，選擇插值分析的樣條函數(shù)法分析功能，選擇多年平均降水量要素進(jìn)行插值分析（見圖1）。生成空間插值柵格數(shù)據(jù)后，再選擇表面分析工具中的等值線分析功能，將柵格數(shù)據(jù)中降水量相等的點(diǎn)自動(dòng)連接成等值線。

云南東部為滇東高原盆地區(qū)、山嶺短小、地形起伏不大，降水站點(diǎn)分布最為密集。自動(dòng)繪制的降水量等值線基本符合降水地區(qū)分布規(guī)律，僅在梁王山、拱王山等局部需按照降水?dāng)?shù)據(jù)分析成果進(jìn)行修訂。云南西部和南部屬于橫斷山脈峽谷區(qū)及南延地形，通過自動(dòng)識(shí)別連接部分不同氣候區(qū)相同降水量的點(diǎn)，自動(dòng)繪制的多年平均降水量等值線圖出現(xiàn)局部“各自為圖”現(xiàn)象（見圖2）。圖2中出現(xiàn)多處降水量等值線閉合圈和等值線橫跨山脈、斜交河流等不合理現(xiàn)象，不符合降水量地區(qū)分布規(guī)律。因此，需結(jié)合降水?dāng)?shù)據(jù)分析成果和地形氣候條件，修訂ArcGIS軟件自動(dòng)繪制的降水量等值線圖。

3.2 等值線人機(jī)交互修訂

受孟加拉灣西南暖濕氣流和北部灣東南暖濕氣流的影響，云南西南部伊洛瓦底江流域和東南部紅河流域是全省兩個(gè)降水量極高值區(qū)。伊洛瓦底江流域?qū)崪y(cè)年降水量可達(dá)4 000 mm，紅河流域可達(dá)3 500 mm。而暖濕氣流難以到達(dá)的西北部金沙江河谷地帶，降水量?jī)H約200 mm。由于地形、氣候?qū)邓挠绊戯@著[20]，需研究降水的空間分布特性，為修訂等值線提供依據(jù)。

無實(shí)測(cè)資料地區(qū)等值線繪制需充分考慮地形和氣候?qū)τ炅康挠绊?，采用降水與高程的關(guān)系和地形變化推算等值線分布是繪制等值線的重要依據(jù)。根據(jù)雨量站實(shí)測(cè)降水資料和降水量分布規(guī)律，分片區(qū)建立降水與高程的關(guān)系，并推求雨量站空白區(qū)的降水分布趨勢(shì)（見圖3）。圖3中，Ⅰ線為滇中北部的拱王山，Ⅱ線為昭通地區(qū)的南部，Ⅲ線為哀牢山中部，Ⅳ線為五蓮峰及橫江河谷，Ⅴ線為高黎貢山南部，Ⅵ線為鄰近越南的哀牢山南部。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，西南部伊洛瓦底江流域的降水量與高程呈正相關(guān)關(guān)系，河谷高程800 m，高黎貢山山脈高程4 000 m，降水量隨著高程的增加由1 200 mm增至4 100mm，降水變化的梯度為91mm/100 m;東南部哀牢山，從海拔950 m的河谷到山頂2 300 m，降水量由1 800 mm增至3 000 mm，降水變化的梯度為89 mm/100m。其他地區(qū)降水量分布也采用此方法進(jìn)行推算。

按照?qǐng)D3研究成果以及地區(qū)高程，推算云南主要山脈降水量成果（見表2）。以推算的降水量作為參考，再根據(jù)水汽輸送方向和地形分布情況確定等值線的走向和分布，修訂降水量等值線。

暖濕氣流從西南和東南兩個(gè)方向進(jìn)入云南，等值線與迎風(fēng)坡基本平行。同時(shí)受地形的影響，水汽沿河谷輸送，等值線與山脈和河谷平行;在繪制高大山脈地區(qū)的等值線時(shí)要進(jìn)行適當(dāng)迂回，避免橫穿主山體;在跨越較大河流時(shí)，應(yīng)避免斜交。

云南地勢(shì)北高南低，西南暖濕氣流從西部、西南部通過云南進(jìn)入我國(guó)腹地，一部分翻越高黎貢山，一部分從伊洛瓦底江、怒江河谷進(jìn)入云南。由于地形的抬升作用，在迎風(fēng)坡形成大量降水;同時(shí)受橫斷山脈地形的影響，水汽沿河谷向北輸送，形成南北向的降水等值線分布趨勢(shì)，見圖4（a）。東南暖濕氣流從低海拔處進(jìn)入云南，受地形抬升作用，在國(guó)境線一帶形成大量的地形雨，降雨分布與地形分布密切，形成東西向的降水等值線分布趨勢(shì)。在哀牢山、無量山等地形的影響下，暖濕氣流沿河谷向北輸送，形成西北-東南向等值線分布趨勢(shì)，見圖4（b）。

由于實(shí)測(cè)降水、山脈、河谷等的影響，等值線會(huì)有彎曲變形和零碎化，但總體趨勢(shì)不變。人工經(jīng)驗(yàn)修訂的降水量等值線圖線型密實(shí)、排列緊湊，符合地形地貌變化特征和降水量地區(qū)分布規(guī)律（見圖5）。

3.3 成果合理性分析

綜合比較ArcGIS軟件自動(dòng)生成的降水量等值線和人工經(jīng)驗(yàn)修訂圖可看出，在地形復(fù)雜、地勢(shì)起伏較大的怒江、瀾滄江、紅河流域等橫斷山脈地區(qū)等值線走勢(shì)和分布差異較大;地勢(shì)較平坦的東部地區(qū)，則基本一致。

根據(jù)氣候、地形、地理?xiàng)l件的分布規(guī)律檢查線形分布的合理性，尤其是等值線分布與較大山脈走向、水汽輸送方向的符合性;同時(shí)，根據(jù)降水分布規(guī)律，檢查等值線高值區(qū)和低值區(qū)位置的合理性。

在地區(qū)分布符合地形氣候規(guī)律的條件下，采用ArcGIS量算降水量等值線，并與逐年計(jì)算的分區(qū)降水量成果進(jìn)行比較。1956～2016年降水量等值線圖量算成果與水資源三級(jí)區(qū)套州市計(jì)算區(qū)的逐年系列多年平均降水量成果誤差在-6%～6%之間，平均相差1%;1980～2016年降水量成果誤差在-10%～6%之間，平均相差3%。兩個(gè)系列的等值線圖均滿足誤差不超過±10%的精度要求[1]。

4 結(jié) 語

降水量等值線圖是地區(qū)降水分布規(guī)律的直觀表現(xiàn)，在水利工作中應(yīng)用廣泛。因此，繪制降水量等值線圖是水資源調(diào)查評(píng)價(jià)的重要工作之一。

云南省地形氣候復(fù)雜，受地形和不同暖濕氣流的影響，同一緯度、相同海拔高程地區(qū)的降水量差異較大。在復(fù)雜地形氣候區(qū)，采用ArcGIS軟件自動(dòng)生成的等值線與修訂后等值線量算值差異較大。由于無法識(shí)別各點(diǎn)降水之間的聯(lián)系，自動(dòng)繪制等值線圖出現(xiàn)局部“各自為圖”的現(xiàn)象，線型分布也不符合降水地區(qū)分布特性。采用ArcGIS軟件自動(dòng)生成與人機(jī)交互經(jīng)驗(yàn)修訂相結(jié)合的方式，更適用于繪制復(fù)雜地形等值線。該法綜合了軟件成圖快和人工經(jīng)驗(yàn)豐富的優(yōu)點(diǎn)，減少了等值線繪制的難度和時(shí)間。繪制的等值線符合地區(qū)降水空間分布特性，提高了等值線的適用性。

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（編輯：李曉濛）