濟(jì)南市大汶河流域雨量站網(wǎng)分級優(yōu)化分析

宋西文，姚 萌，林海洋

（萊蕪市水文局，山東 萊蕪 271100）

隨著近年來中小河流水文監(jiān)測工程、工程帶水文項(xiàng)目新建雨量站的投入運(yùn)行，水文站網(wǎng)密度不斷增加，在滿足各方面工作需要的同時，仍存在站網(wǎng)布局不合理問題。且面雨量計算方法需要進(jìn)一步分析采用更精確的面積加權(quán)法。為做好水情信息服務(wù)提質(zhì)增效工作，滿足防汛抗旱、水資源管理調(diào)度以及推進(jìn)河長制工作的落實(shí)，萊蕪市水文局開展了雨量站網(wǎng)優(yōu)化分析工作。

1 基本情況

1.1 雨量站網(wǎng)概況

萊蕪市水文局現(xiàn)設(shè)有各種類型的自動雨量站66處，其中常用報汛站58處，站網(wǎng)密度較高，現(xiàn)以58處報汛站為基礎(chǔ)，進(jìn)行區(qū)域雨量時空控制分析。其中9處基本常年站為正在運(yùn)行擁有長系列資料基本站，2012年以來，隨著各新建雨量站的投入使用，為滿足年降雨觀測的需要，逐步補(bǔ)充了5處常年雨量站。

1.2 降雨空間分布

根據(jù)監(jiān)測資料，2013年降雨集中在茶業(yè)口、雪野、大王莊等西北部山區(qū)，年降雨量在900 mm以上，最大點(diǎn)雨1 069.5 mm，東南部山區(qū)降雨偏少，小于650 mm，最小點(diǎn)雨量583.7 mm，自西北向東南呈逐級遞減的趨勢，極值比為1.83。

2014年東南部山區(qū)年降雨量在530 mm以上，最大點(diǎn)雨614.2 mm，西北部山區(qū)年降雨均小于430 mm，最小點(diǎn)雨389 mm，形成從東南向西北遞減的趨勢，極值比為1.58。2015年本流域整體偏枯，局地暴雨明顯，最大點(diǎn)雨鄭王莊738 mm，最小點(diǎn)雨萊蕪548.8 mm，極值比為1.39。

2016年降雨集中在茶業(yè)口、雪野、大王莊等西北部山區(qū)，年降雨量在950 mm以上，最大點(diǎn)雨鹿野1 187.8 mm，東南部山區(qū)偏小，最小點(diǎn)雨霞峰732.1 mm，極值比為1.62。2017年降雨集中東南部葫蘆山水庫流域，年降雨量在800 mm以上，最大點(diǎn)雨蒙陰寨804.5 mm，西北山區(qū)偏小，最小點(diǎn)雨茶業(yè)口461.3 mm，極值比為1.74。

總體而言，濟(jì)南市大汶河流域年降雨量空間分布很不均勻，局地暴雨多，空間分布、年際間變化無明顯規(guī)律，在現(xiàn)有站網(wǎng)控制條件下，采用算數(shù)平均法計算面雨量不可避免會產(chǎn)生較大誤差，優(yōu)化雨量站網(wǎng)，改進(jìn)面雨計算方法非常有必要。

2 站網(wǎng)控制分析

2.1 技術(shù)方法

在1∶50 000矢量地形、行政區(qū)劃圖上，利用ARCGIS軟件構(gòu)建泰森多邊形，計算各雨量站控制面積及權(quán)重。利用歷時資料系列，計算各種站網(wǎng)密度下全市多年平均雨量，分析雨量站網(wǎng)對雨量時空變化控制情況，尋優(yōu)最小站網(wǎng)密度下最佳雨量控制，形成市、縣、鄉(xiāng)三級優(yōu)化控制站網(wǎng)。

2.2 權(quán)重計算

利用ARCGIS軟件對濟(jì)南市大汶河流域具有長系列的9個常年基本站（含泰安市范家鎮(zhèn)站）、15個基本站，以及41處篩選雨量站、全部58處報汛雨量站做空間控制分析，分別構(gòu)建泰森多邊形，計算各雨量站控制面積及權(quán)重，各種站網(wǎng)下泰森多邊形控制見表1。

表1 濟(jì)南市大汶河流域雨量站網(wǎng)控制情況分析計算表

3 雨量站網(wǎng)優(yōu)化

3.1 市級控制

2013年萊蕪市水文局新建雨量站全部投入運(yùn)行，2014、2015、2017 年為枯水年份，2013、2016年為平水年。利用2013—2017年流域降雨量資料，計算各種雨量站網(wǎng)控制下流域平均雨量，分析雨量站對面雨量控制情況。全流域58處報汛站，其中長系列資料常年站9處，近年新設(shè)5處常年站，總計14處常年站。為分析長系列資料站空間控制特點(diǎn)，采用本流域9處及鄰近市6處長系列雨量站（以下簡稱15站）組成長系列站網(wǎng)。

2013年萊蕪市水文局新建雨量站全部投入運(yùn)行，因此利用2013—2017年流域降雨量資料，計算各雨量站網(wǎng)控制下枯季、汛期、全年3個時段全流域面雨量，分析面站網(wǎng)控制情況，結(jié)果見表2。因枯季降水空間變化較小，41站、58站中汛期站的枯季降雨，以15站平均雨量代替，藉以計算其年面平均雨量。綜合分析表明：41處雨量站組成的站網(wǎng)，可滿足全流域平均面雨量的控制要求。

表2 雨量站網(wǎng)控制情況分析計算表

3.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)、區(qū)級控制

為提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)面雨量計算精度，利用現(xiàn)有58處報汛雨量站，對全流域20處鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦事處作降雨量分析計算，根據(jù)構(gòu)建的泰森多邊形及鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)圖，統(tǒng)計雨量站面積權(quán)重（圖表從略）。根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量代表站及權(quán)重，可計算次雨及時段、日降雨的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均雨量，進(jìn)一步可統(tǒng)計計算各縣、區(qū)平均雨量。

3.3 流域控制

1）流域劃分。兼顧區(qū)域整體和流域特性，對大于100 km2的河流化為一個流域，小于100 km2的河流，按照區(qū)域并入鄰近流域中，以保持全區(qū)域面積的完整性。按照以上原則，將本區(qū)河流劃分為12個流域和區(qū)域。

2）權(quán)重計算。以41處優(yōu)化雨量站組成的站網(wǎng)，對全區(qū)各流域做泰森多邊形控制計算，構(gòu)建泰森多邊形如圖1，由此計算不同流域代表雨量站控制權(quán)重。

4 長系列面雨計算對比分析

根據(jù)15處常年站1956—2016年降雨系列，利用表1權(quán)重成果，分別計算9站及15站兩種站網(wǎng)控制下的多年平均雨量，結(jié)果如圖2。由圖2可知，兩種計算結(jié)果趨勢基本一致，9站結(jié)果略小，分析原因?yàn)檫吔绲貐^(qū)特別是邊界山區(qū)缺少雨量站，不能全面控制降雨極值。根據(jù)表2分析，15站成果較9站成果更接近于41站成果，所以建議采用15站站網(wǎng)進(jìn)行長系列年降雨量計算。

圖1 各流域代表雨量站控制圖

圖2 濟(jì)南市大汶河流域多年（1956—2017）平均雨量趨勢

5 結(jié)語

1）通過本次站網(wǎng)分級優(yōu)化，形成了15處長系列資料雨量站構(gòu)成的一級站網(wǎng)，用于水資源分析評價工作。41處雨量站構(gòu)成的二級站網(wǎng)，用于全區(qū)報汛、各流域平均雨量的計算；58處雨量站構(gòu)成的三級站網(wǎng)，用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均雨量及中型水庫面雨量計算。

2）采用泰森多邊形法計算面雨，解決了鄉(xiāng)鎮(zhèn)代表站數(shù)量不足，出現(xiàn)采用單站點(diǎn)雨代表面雨的問題。

3）合理布局、適當(dāng)增加常年雨量站，滿足了年面雨量計算應(yīng)用要求。

4）流域邊界、深山區(qū)缺乏代表站，影響面雨量計算，建議調(diào)整邊界雨量站布局，優(yōu)化空間控制。