富水流域致洪面雨量研究

劉熠炎 童紅梅 衛(wèi)文芳 潘夢(mèng)瑩 張新宜 張煒 黎奇

收稿日期：2024-01-12

基金項(xiàng)目：湖北省氣象局科技發(fā)展基金“黃石市富水流域面雨量與水位關(guān)系研究”（2021Y18）。

作者簡(jiǎn)介：劉熠炎（1971—），男，湖北漢川人，高級(jí)工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)及服務(wù)工作。

摘 要：富水流域在汛期強(qiáng)降雨時(shí)易發(fā)生洪澇災(zāi)害，造成較嚴(yán)重的災(zāi)害損失。為了進(jìn)一步研究汛期富水流域致洪面雨量閾值和水位上漲時(shí)間滯后特征，利用常規(guī)氣象、水文觀測(cè)資料，采用泰森多邊形和氣象統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析方法，重點(diǎn)分析強(qiáng)降水過(guò)程中面雨量與水位上漲的關(guān)系。得到結(jié)論，富水水庫(kù)入庫(kù)水量與面雨量具有良好的正相關(guān)性，具有典型的山溪水性質(zhì)，72 h內(nèi)匯水完成；富水水庫(kù)超汛限面雨量臨界閾值可分為濕潤(rùn)模式和非濕潤(rùn)模式兩大類，其水位漲落量峰值與過(guò)去24 h面雨量峰值一般存在24 h的滯后關(guān)系；富河陽(yáng)新水位站水位上漲量與面雨量超過(guò)50 mm的強(qiáng)降水具有明顯的正相關(guān)性，其水位漲落峰值與過(guò)去24 h面雨量峰值的大多數(shù)存在24 h時(shí)間滯后關(guān)系。

關(guān)鍵詞：富水水庫(kù)；陽(yáng)新富河；面雨量閾值；時(shí)間滯后

中圖分類號(hào)：P426.616 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

富水，長(zhǎng)江中游一級(jí)支流，發(fā)源于幕阜山北麓通山縣廈鋪鎮(zhèn)三界尖，流經(jīng)通山、陽(yáng)新兩縣，由西向東，注入長(zhǎng)江，由黃石市陽(yáng)新縣富池口入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)194 km，平均流量為138 m3/s，總落差達(dá)613 m，集雨面積

5 310 km2，其中陽(yáng)新境內(nèi)稱“富河”，長(zhǎng)81 km，流域面積2 245 km2。富水河是流經(jīng)黃石地區(qū)最長(zhǎng)的河流，也是黃石境內(nèi)流域面積最大的一條河流；黃石海拔最低處就在富水河南城潭河床，海拔僅為8.7 m。富水流域在主汛期，尤其是強(qiáng)降雨時(shí)期易發(fā)生洪澇災(zāi)害，因此對(duì)富水流域面雨量和水位關(guān)系進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。2016、2020年汛期黃石富水流域均出現(xiàn)嚴(yán)重的汛情，產(chǎn)生嚴(yán)重的洪澇損失，尤其是2020年汛期，陽(yáng)新富水流域出現(xiàn)了超過(guò)1998年的洪水，出現(xiàn)了嚴(yán)重災(zāi)情。因此，開(kāi)展黃石富水流域面雨量與水位關(guān)系的研究，為防汛抗洪決策氣象服務(wù)提供更精準(zhǔn)的氣象保障服務(wù)十分必要。

面雨量是指一段時(shí)間某一區(qū)域的平均降水量，是水文上重要的參數(shù)，是洪水預(yù)報(bào)中最重要的預(yù)報(bào)對(duì)象。流域的流量、 江河的抗洪能力及水庫(kù)的蓄洪規(guī)模均與流域的平均面雨量密切相關(guān)[1]。計(jì)算面雨量的方法很多，常用的有算術(shù)平均法、等值線法、泰森多邊形和細(xì)網(wǎng)格等。泰森多邊形是應(yīng)用最廣泛的面雨量計(jì)算方法，該方法考慮了各雨量站的權(quán)重，而且當(dāng)測(cè)站固定不變時(shí)，各測(cè)站的權(quán)重也不變，較為合理，精度也較高，因此在面雨量業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用廣泛[2-5]。

1 資料與方法

資料來(lái)自自動(dòng)氣象站逐日降水觀測(cè)資料和水文觀測(cè)資料（08：00），時(shí)間長(zhǎng)度為2016—2021年5—8月。

面雨量的計(jì)算采用泰森多邊形方法。將整個(gè)流域分為上游—富水水庫(kù)、下游—富水河兩部分，采用泰森多邊形方法分別計(jì)算出富水水庫(kù)、富水河的汛期（5—8月）逐日過(guò)去24 h面雨量。然后，利用面雨量數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析法得到強(qiáng)降水過(guò)程累計(jì)面雨量與入庫(kù)水量、水位上漲量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，根據(jù)關(guān)系式計(jì)算得到不同時(shí)間段、不同初始水位下的超汛期面雨量閾值；水位上漲量與面雨量之間的時(shí)間滯后關(guān)系采用時(shí)間序列分析方法、分類統(tǒng)計(jì)法。

采用上述方法對(duì)上游富水水庫(kù)、下游陽(yáng)新富河流域的致洪面雨量進(jìn)行研究。

2 富水水庫(kù)汛期超汛限水位的面雨量臨界閾值分析

2.1 入庫(kù)水量—面雨量相關(guān)性檢驗(yàn)

以富水水庫(kù)入庫(kù)水量為研究對(duì)象，分析發(fā)生強(qiáng)降水過(guò)程（日面雨量超過(guò)30 mm）的入庫(kù)水量與面雨量之間的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)入庫(kù)量與過(guò)去24 h（1日）、過(guò)去48 h（2日）、過(guò)去72 h（3日）的面雨量明顯相關(guān)。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)，兩變量之間的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.33、0.38、0.36，入庫(kù)量與1、2、3日面雨量均為正相關(guān)，且2日面雨量與入庫(kù)量的相關(guān)性最顯著。此外，相關(guān)系數(shù)Multiple R2值為0.502 929，說(shuō)明回歸模型的高度正相關(guān)。

計(jì)算2016—2020年入庫(kù)水量與1日面雨量、2日面雨量、3日面雨量的多元回歸關(guān)系。得出入庫(kù)水量—面雨量回歸關(guān)系公式如下：入庫(kù)水量=26.8×1日面雨量+219.9×2日面雨量-66.5×3日面雨量-5 178.0。由公式可知，2日面雨量對(duì)入庫(kù)量影響最大，1日面雨量的影響回歸系數(shù)較1日面雨量小一個(gè)量級(jí)，說(shuō)明降雨對(duì)水位的影響存在一定的滯后性，3日面雨量對(duì)入庫(kù)量的影響呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)?shù)降?日時(shí)降水已經(jīng)完全入庫(kù)。這表明對(duì)于水庫(kù)流域來(lái)說(shuō)，降水將于72 h內(nèi)匯水完畢，具有典型的山溪水特征，易漲易落。

2.2 富水水庫(kù)汛期不同時(shí)段的汛限水位

根據(jù)富水水庫(kù)防汛調(diào)度規(guī)程（表1），將汛期分為5月1日—6月30日、7月1—15日、7月16日—8月31日3個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的汛限水位分別為55、56、57 m。

2.3 強(qiáng)降水過(guò)程面雨量與入庫(kù)水量對(duì)應(yīng)的關(guān)系式

分析2016—2020年5—8月的日面雨量大于30 mm

的強(qiáng)降水過(guò)程面雨量與入庫(kù)水量對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到圖1，對(duì)應(yīng)關(guān)系的公式為：y=0.021x-0.644 9，R?=0.890 2，其中y為入庫(kù)水量，單位：億m3；x為過(guò)程面雨量，單位：mm。

為了更加精準(zhǔn)地分析強(qiáng)降水過(guò)程面雨量與入庫(kù)水量對(duì)應(yīng)關(guān)系，將強(qiáng)降水過(guò)程按前期天氣背景分為濕潤(rùn)模式和非濕潤(rùn)模式兩類，以強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生前連續(xù)5 d及以上無(wú)降水或降水不足1 mm進(jìn)行劃分，得到濕潤(rùn)模式和非濕潤(rùn)模式兩類樣本對(duì)應(yīng)的關(guān)系（圖2、圖3），對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)模式的公式為：y=0.020 6x-0.461 6，R2=0.924 2；非濕潤(rùn)模式的公式為：當(dāng)x≤60 mm時(shí)，y=

0.1061e0.020 8x，R2=0.818 6和當(dāng)x>60 mm時(shí)y=0.016 7x-0.556 1，

R2=0.705 2。

對(duì)于濕潤(rùn)模式進(jìn)一步細(xì)分出梅雨期有集中強(qiáng)降水的濕潤(rùn)模式，即強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生前間隔1～2 d已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一次強(qiáng)降水過(guò)程，該類強(qiáng)降水過(guò)程面雨量與入庫(kù)水量對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示，對(duì)應(yīng)關(guān)系式：y=0.020 1x-0.139 4，R2=0.919 6。

由此得到3種情形下的汛期不同時(shí)段導(dǎo)致超汛限水位的面雨量臨界閾值指標(biāo)（表2～表4）。

2.4 面雨量與水位漲落時(shí)間滯后關(guān)系分析

2.4.1 面雨量峰值與水位漲落時(shí)間滯后關(guān)系

分析富水水庫(kù)逐日水位漲落與過(guò)去24 h面雨量時(shí)間序列發(fā)現(xiàn)，水位上漲波峰點(diǎn)與面雨量峰值點(diǎn)存在24 h

的時(shí)間滯后關(guān)系。2020年5—8月逐日水位漲落與面雨量時(shí)序（圖5）存在明顯的24 h滯后關(guān)系。

2.4.2 強(qiáng)降水過(guò)程中面雨量與水位時(shí)滯關(guān)系

統(tǒng)計(jì)2016—2020年5—8月出現(xiàn)的26次強(qiáng)降水過(guò)程中面雨量與水位上漲的時(shí)間滯后關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水位漲落峰值與過(guò)去24 h日面雨量峰值一般存在24 h時(shí)間滯后關(guān)系，26次中出現(xiàn)19次，頻率73%；其次滯后12 h，多出現(xiàn)在有連續(xù)性強(qiáng)降水時(shí)。水位峰值與面雨量峰值大多存在48 h時(shí)間滯后關(guān)系，26次出現(xiàn)頻次15次，占比58%；其次為24 h時(shí)間滯后關(guān)系，大多發(fā)生在有持續(xù)性強(qiáng)降水或啟動(dòng)了開(kāi)閘泄洪工程調(diào)節(jié)時(shí)。

3 陽(yáng)新富河汛期超警戒水位的面雨量臨界閾值分析

3.1 陽(yáng)新富河汛期超警戒水位的面雨量臨界閾值

利用2016—2020年5—8月逐日08：00富河陽(yáng)新水文站水位觀測(cè)資料與面雨量資料，分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于面雨量50 mm以上的強(qiáng)降水過(guò)程，水位上漲量與面雨量具有良好的正相關(guān)性。遴選面雨量大于80 mm的強(qiáng)降水過(guò)程，得到水位上漲量與面雨量之間關(guān)系式：y=1.43lnx+5.3，其中，y為上漲水位量，單位：m；x為面雨量，單位：mm，由此計(jì)算得出面雨量與上漲水位對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

3.2 陽(yáng)新富河面雨量與水位時(shí)滯關(guān)系

對(duì)2016—2020年5—8月陽(yáng)新富河流域發(fā)生的11次強(qiáng)降水過(guò)程，統(tǒng)計(jì)分析陽(yáng)新水文站水位漲落峰值、峰值水位相對(duì)于過(guò)去24 h雨量峰值的滯后時(shí)間，發(fā)現(xiàn)水位漲落峰值大多滯后24 h（占比為7/11），峰值水位滯后時(shí)間也多為24 h（占比為7/11）。

4 結(jié)論

利用2016—2020年5—8月逐日08：00富水水庫(kù)面雨量、富河面雨量以及富水水庫(kù)、富河陽(yáng)新水文站等水位水文資料，對(duì)強(qiáng)降水過(guò)程的面雨量與水庫(kù)、富河水位上漲關(guān)系進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

第一，富水水庫(kù)入庫(kù)水量與面雨量具有良好的正相關(guān)性。對(duì)于強(qiáng)降水過(guò)程，入庫(kù)水量與過(guò)去24、48、72 h

面雨量相關(guān)，表明強(qiáng)降水產(chǎn)生的徑流在72 h內(nèi)匯水完畢，具有典型的山溪水性質(zhì)。

第二，富水水庫(kù)超汛限水位的面雨量臨界閾值可分為兩大類，一類為非濕潤(rùn)模式，另一類為濕潤(rùn)模式。其中，濕潤(rùn)模式又細(xì)分出一類特殊類——梅雨期濕潤(rùn)模式類，在此模態(tài)下，當(dāng)初始水位為52 m時(shí)，40、70、100 mm的面雨量分別對(duì)應(yīng)1、2、3 m的水位上漲，這表明當(dāng)前期已經(jīng)出現(xiàn)強(qiáng)降水，土壤飽和時(shí)再有強(qiáng)降水則易產(chǎn)生地表徑流、匯流，水庫(kù)水位上漲迅猛，對(duì)應(yīng)的面雨量閾值最小。

第三，富水水庫(kù)逐日水位漲落量峰值與過(guò)去24 h面雨量峰值一般存在24 h的滯后關(guān)系；水位峰值與面雨量峰值存在48 h滯后關(guān)系。但是，對(duì)于持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，水位上漲峰值、水位峰值與面雨量滯后關(guān)系縮短為12、24 h，這表明在雨洪疊加情況下，水位上漲更加迅猛。

第四，富河陽(yáng)新水位站水位上漲量與面雨量超過(guò)50 mm的強(qiáng)降水具有顯著的正相關(guān)性。

第五，在強(qiáng)降水過(guò)程中，富河陽(yáng)新水文站日水位漲落峰值相對(duì)于過(guò)去24 h面雨量峰值的滯后時(shí)間大多數(shù)為24 h，其次為12 h；峰值水位與面雨量存在24 h滯后關(guān)系。

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