富水流域致洪面雨量研究

劉熠炎 童紅梅 衛(wèi)文芳 潘夢瑩 張新宜 張煒 黎奇

收稿日期：2024-01-12

基金項目：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系研究”（2021Y18）。

作者簡介：劉熠炎（1971—），男，湖北漢川人，高級工程師，主要從事天氣預報及服務工作。

摘 要：富水流域在汛期強降雨時易發(fā)生洪澇災害，造成較嚴重的災害損失。為了進一步研究汛期富水流域致洪面雨量閾值和水位上漲時間滯后特征，利用常規(guī)氣象、水文觀測資料，采用泰森多邊形和氣象統(tǒng)計相關分析方法，重點分析強降水過程中面雨量與水位上漲的關系。得到結論，富水水庫入庫水量與面雨量具有良好的正相關性，具有典型的山溪水性質(zhì)，72 h內(nèi)匯水完成；富水水庫超汛限面雨量臨界閾值可分為濕潤模式和非濕潤模式兩大類，其水位漲落量峰值與過去24 h面雨量峰值一般存在24 h的滯后關系；富河陽新水位站水位上漲量與面雨量超過50 mm的強降水具有明顯的正相關性，其水位漲落峰值與過去24 h面雨量峰值的大多數(shù)存在24 h時間滯后關系。

關鍵詞：富水水庫；陽新富河；面雨量閾值；時間滯后

中圖分類號：P426.616 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

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

5 310 km2，其中陽新境內(nèi)稱“富河”，長81 km，流域面積2 245 km2。富水河是流經(jīng)黃石地區(qū)最長的河流，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，尤其是強降雨時期易發(fā)生洪澇災害，因此對富水流域面雨量和水位關系進行研究具有現(xiàn)實意義。2016、2020年汛期黃石富水流域均出現(xiàn)嚴重的汛情，產(chǎn)生嚴重的洪澇損失，尤其是2020年汛期，陽新富水流域出現(xiàn)了超過1998年的洪水，出現(xiàn)了嚴重災情。因此，開展黃石富水流域面雨量與水位關系的研究，為防汛抗洪決策氣象服務提供更精準的氣象保障服務十分必要。

面雨量是指一段時間某一區(qū)域的平均降水量，是水文上重要的參數(shù)，是洪水預報中最重要的預報對象。流域的流量、 江河的抗洪能力及水庫的蓄洪規(guī)模均與流域的平均面雨量密切相關[1]。計算面雨量的方法很多，常用的有算術平均法、等值線法、泰森多邊形和細網(wǎng)格等。泰森多邊形是應用最廣泛的面雨量計算方法，該方法考慮了各雨量站的權重，而且當測站固定不變時，各測站的權重也不變，較為合理，精度也較高，因此在面雨量業(yè)務中得到應用廣泛[2-5]。

1 資料與方法

資料來自自動氣象站逐日降水觀測資料和水文觀測資料（08：00），時間長度為2016—2021年5—8月。

面雨量的計算采用泰森多邊形方法。將整個流域分為上游—富水水庫、下游—富水河兩部分，采用泰森多邊形方法分別計算出富水水庫、富水河的汛期（5—8月）逐日過去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)計相關分析法得到強降水過程累計面雨量與入庫水量、水位上漲量之間的統(tǒng)計關系，根據(jù)關系式計算得到不同時間段、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間滯后關系采用時間序列分析方法、分類統(tǒng)計法。

采用上述方法對上游富水水庫、下游陽新富河流域的致洪面雨量進行研究。

2 富水水庫汛期超汛限水位的面雨量臨界閾值分析

2.1 入庫水量—面雨量相關性檢驗

以富水水庫入庫水量為研究對象，分析發(fā)生強降水過程（日面雨量超過30 mm）的入庫水量與面雨量之間的相關關系，發(fā)現(xiàn)入庫量與過去24 h（1日）、過去48 h（2日）、過去72 h（3日）的面雨量明顯相關。利用皮爾遜相關系數(shù)，兩變量之間的相關系數(shù)R2分別為0.33、0.38、0.36，入庫量與1、2、3日面雨量均為正相關，且2日面雨量與入庫量的相關性最顯著。此外，相關系數(shù)Multiple R2值為0.502 929，說明回歸模型的高度正相關。

計算2016—2020年入庫水量與1日面雨量、2日面雨量、3日面雨量的多元回歸關系。得出入庫水量—面雨量回歸關系公式如下：入庫水量=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日面雨量對入庫量影響最大，1日面雨量的影響回歸系數(shù)較1日面雨量小一個量級，說明降雨對水位的影響存在一定的滯后性，3日面雨量對入庫量的影響呈負相關，當?shù)降?日時降水已經(jīng)完全入庫。這表明對于水庫流域來說，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 富水水庫汛期不同時段的汛限水位

根據(jù)富水水庫防汛調(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個階段，對應的汛限水位分別為55、56、57 m。

2.3 強降水過程面雨量與入庫水量對應的關系式

分析2016—2020年5—8月的日面雨量大于30 mm

的強降水過程面雨量與入庫水量對應關系，得到圖1，對應關系的公式為：y=0.021x-0.644 9，R?=0.890 2，其中y為入庫水量，單位：億m3；x為過程面雨量，單位：mm。

為了更加精準地分析強降水過程面雨量與入庫水量對應關系，將強降水過程按前期天氣背景分為濕潤模式和非濕潤模式兩類，以強降水過程發(fā)生前連續(xù)5 d及以上無降水或降水不足1 mm進行劃分，得到濕潤模式和非濕潤模式兩類樣本對應的關系（圖2、圖3），對應的濕潤模式的公式為：y=0.020 6x-0.461 6，R2=0.924 2；非濕潤模式的公式為：當x≤60 mm時，y=

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

R2=0.705 2。

對于濕潤模式進一步細分出梅雨期有集中強降水的濕潤模式，即強降水過程發(fā)生前間隔1～2 d已經(jīng)出現(xiàn)過一次強降水過程，該類強降水過程面雨量與入庫水量對應關系如圖4所示，對應關系式：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段導致超汛限水位的面雨量臨界閾值指標（表2～表4）。

2.4 面雨量與水位漲落時間滯后關系分析

2.4.1 面雨量峰值與水位漲落時間滯后關系

分析富水水庫逐日水位漲落與過去24 h面雨量時間序列發(fā)現(xiàn)，水位上漲波峰點與面雨量峰值點存在24 h

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

2.4.2 強降水過程中面雨量與水位時滯關系

統(tǒng)計2016—2020年5—8月出現(xiàn)的26次強降水過程中面雨量與水位上漲的時間滯后關系，發(fā)現(xiàn)水位漲落峰值與過去24 h日面雨量峰值一般存在24 h時間滯后關系，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)性強降水時。水位峰值與面雨量峰值大多存在48 h時間滯后關系，26次出現(xiàn)頻次15次，占比58%；其次為24 h時間滯后關系，大多發(fā)生在有持續(xù)性強降水或啟動了開閘泄洪工程調(diào)節(jié)時。

3 陽新富河汛期超警戒水位的面雨量臨界閾值分析

3.1 陽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富河陽新水文站水位觀測資料與面雨量資料，分析發(fā)現(xiàn)對于面雨量50 mm以上的強降水過程，水位上漲量與面雨量具有良好的正相關性。遴選面雨量大于80 mm的強降水過程，得到水位上漲量與面雨量之間關系式：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，由此計算得出面雨量與上漲水位對應關系如表5所示。

3.2 陽新富河面雨量與水位時滯關系

對2016—2020年5—8月陽新富河流域發(fā)生的11次強降水過程，統(tǒng)計分析陽新水文站水位漲落峰值、峰值水位相對于過去24 h雨量峰值的滯后時間，發(fā)現(xiàn)水位漲落峰值大多滯后24 h（占比為7/11），峰值水位滯后時間也多為24 h（占比為7/11）。

4 結論

利用2016—2020年5—8月逐日08：00富水水庫面雨量、富河面雨量以及富水水庫、富河陽新水文站等水位水文資料，對強降水過程的面雨量與水庫、富河水位上漲關系進行分析，得出以下結論。

第一，富水水庫入庫水量與面雨量具有良好的正相關性。對于強降水過程，入庫水量與過去24、48、72 h

面雨量相關，表明強降水產(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，一類為非濕潤模式，另一類為濕潤模式。其中，濕潤模式又細分出一類特殊類——梅雨期濕潤模式類，在此模態(tài)下，當初始水位為52 m時，40、70、100 mm的面雨量分別對應1、2、3 m的水位上漲，這表明當前期已經(jīng)出現(xiàn)強降水，土壤飽和時再有強降水則易產(chǎn)生地表徑流、匯流，水庫水位上漲迅猛，對應的面雨量閾值最小。

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

第四，富河陽新水位站水位上漲量與面雨量超過50 mm的強降水具有顯著的正相關性。

第五，在強降水過程中，富河陽新水文站日水位漲落峰值相對于過去24 h面雨量峰值的滯后時間大多數(shù)為24 h，其次為12 h；峰值水位與面雨量存在24 h滯后關系。

參考文獻

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