濟南市大汶河流域雨量站網分級優化分析

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測工程、工程帶水文項目新建雨量站的投入運行，水文站網密度不斷增加，在滿足各方面工作需要的同時，仍存在站網布局不合理問題。且面雨量計算方法需要進一步分析采用更精確的面積加權法。為做好水情信息服務提質增效工作，滿足防汛抗旱、水資源管理調度以及推進河長制工作的落實，萊蕪市水文局開展了雨量站網優化分析工作。

1 基本情況

1.1 雨量站網概況

萊蕪市水文局現設有各種類型的自動雨量站66處，其中常用報汛站58處，站網密度較高，現以58處報汛站為基礎，進行區域雨量時空控制分析。其中9處基本常年站為正在運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，逐步補充了5處常年雨量站。

1.2 降雨空間分布

根據監測資料，2013年降雨集中在茶業口、雪野、大王莊等西北部山區，年降雨量在900 mm以上，最大點雨1 069.5 mm，東南部山區降雨偏少，小于650 mm，最小點雨量583.7 mm，自西北向東南呈逐級遞減的趨勢，極值比為1.83。

2014年東南部山區年降雨量在530 mm以上，最大點雨614.2 mm，西北部山區年降雨均小于430 mm，最小點雨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，最大點雨鄭王莊738 mm，最小點雨萊蕪548.8 mm，極值比為1.39。

2016年降雨集中在茶業口、雪野、大王莊等西北部山區，年降雨量在950 mm以上，最大點雨鹿野1 187.8 mm，東南部山區偏小，最小點雨霞峰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，最大點雨蒙陰寨804.5 mm，西北山區偏小，最小點雨茶業口461.3 mm，極值比為1.74。

總體而言，濟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律，在現有站網控制條件下，采用算數平均法計算面雨量不可避免會產生較大誤差，優化雨量站網，改進面雨計算方法非常有必要。

2 站網控制分析

2.1 技術方法

在1∶50 000矢量地形、行政區劃圖上，利用ARCGIS軟件構建泰森多邊形，計算各雨量站控制面積及權重。利用歷時資料系列，計算各種站網密度下全市多年平均雨量，分析雨量站網對雨量時空變化控制情況，尋優最小站網密度下最佳雨量控制，形成市、縣、鄉三級優化控制站網。

2.2 權重計算

利用ARCGIS軟件對濟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，分別構建泰森多邊形，計算各雨量站控制面積及權重，各種站網下泰森多邊形控制見表1。

表1 濟南市大汶河流域雨量站網控制情況分析計算表

3 雨量站網優化

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，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。

2013年萊蕪市水文局新建雨量站全部投入運行，因此利用2013—2017年流域降雨量資料，計算各雨量站網控制下枯季、汛期、全年3個時段全流域面雨量，分析面站網控制情況，結果見表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，可滿足全流域平均面雨量的控制要求。

表2 雨量站網控制情況分析計算表

3.2 鄉鎮、區級控制

為提高鄉鎮面雨量計算精度，利用現有58處報汛雨量站，對全流域20處鄉鎮辦事處作降雨量分析計算，根據構建的泰森多邊形及鄉鎮行政區圖，統計雨量站面積權重（圖表從略）。根據鄉鎮雨量代表站及權重，可計算次雨及時段、日降雨的各鄉鎮平均雨量，進一步可統計計算各縣、區平均雨量。

3.3 流域控制

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

2）權重計算。以41處優化雨量站組成的站網，對全區各流域做泰森多邊形控制計算，構建泰森多邊形如圖1，由此計算不同流域代表雨量站控制權重。

4 長系列面雨計算對比分析

根據15處常年站1956—2016年降雨系列，利用表1權重成果，分別計算9站及15站兩種站網控制下的多年平均雨量，結果如圖2。由圖2可知，兩種計算結果趨勢基本一致，9站結果略小，分析原因為邊界地區特別是邊界山區缺少雨量站，不能全面控制降雨極值。根據表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站站網進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 濟南市大汶河流域多年（1956—2017）平均雨量趨勢

5 結語

1）通過本次站網分級優化，形成了15處長系列資料雨量站構成的一級站網，用于水資源分析評價工作。41處雨量站構成的二級站網，用于全區報汛、各流域平均雨量的計算；58處雨量站構成的三級站網，用于鄉鎮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，解決了鄉鎮代表站數量不足，出現采用單站點雨代表面雨的問題。

3）合理布局、適當增加常年雨量站，滿足了年面雨量計算應用要求。

4）流域邊界、深山區缺乏代表站，影響面雨量計算，建議調整邊界雨量站布局，優化空間控制。