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(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)降水過程中面雨量與水位上漲的關(guān)系。得到結(jié)論，富水水庫入庫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(guān)系；富河陽新水位站水位上漲量與面雨量超過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；陽新富河；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(dá)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(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，陽新富水流域出現(xiàn)了超過1998年的洪水，出現(xiàn)了嚴(yán)重災(zāi)情。因此，開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)測站固定不變時(shí)，各測站的權(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

資料來自自動(dòng)氣象站逐日降水觀測資料和水文觀測資料（08：00），時(shí)間長度為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、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、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(jì)相關(guān)分析法得到強(qiáng)降水過程累計(jì)面雨量與入庫水量、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、下游陽新富河流域的致洪面雨量進(jìn)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(guān)性檢驗(yàn)

以富水水庫入庫水量為研究對(duì)象，分析發(fā)生強(qiáng)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(guān)關(guān)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(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，入庫量與1、2、3日面雨量均為正相關(guān)，且2日面雨量與入庫量的相關(guān)性最顯著。此外，相關(guān)系數(shù)Multiple R2值為0.502 929，說明回歸模型的高度正相關(guān)。

計(jì)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(guān)系。得出入庫水量—面雨量回歸關(guān)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(duì)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(gè)量級(jí)，說明降雨對(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。這表明對(duì)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(shí)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(gè)階段，對(duì)應(yīng)的汛限水位分別為55、56、57 m。

2.3 強(qiáng)降水過程面雨量與入庫水量對(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)降水過程面雨量與入庫水量對(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為入庫水量，單位：億m3；x為過程面雨量，單位：mm。

為了更加精準(zhǔn)地分析強(qiáng)降水過程面雨量與入庫水量對(duì)應(yīng)關(guān)系，將強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行劃分，得到濕潤模式和非濕潤模式兩類樣本對(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(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)于濕潤模式進(jìn)一步細(xì)分出梅雨期有集中強(qiáng)降水的濕潤模式，即強(qiáng)降水過程發(fā)生前間隔1～2 d已經(jīng)出現(xiàn)過一次強(qiáng)降水過程，該類強(qiáng)降水過程面雨量與入庫水量對(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

分析富水水庫逐日水位漲落與過去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)了開閘泄洪工程調(diào)節(jié)時(shí)。

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(duì)于面雨量50 mm以上的強(qiáng)降水過程，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 陽新富河面雨量與水位時(shí)滯關(guān)系

對(duì)2016—2020年5—8月陽新富河流域發(fā)生的11次強(qiáng)降水過程，統(tǒng)計(jì)分析陽新水文站水位漲落峰值、峰值水位相對(duì)于過去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(duì)強(qiáng)降水過程的面雨量與水庫、富河水位上漲關(guān)系進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

第一，富水水庫入庫水量與面雨量具有良好的正相關(guān)性。對(duì)于強(qiáng)降水過程，入庫水量與過去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(xì)分出一類特殊類——梅雨期濕潤模式類，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，水庫水位上漲迅猛，對(duì)應(yīng)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(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，富河陽新水位站水位上漲量與面雨量超過50 mm的強(qiáng)降水具有顯著的正相關(guān)性。

第五，在強(qiáng)降水過程中，富河陽新水文站日水位漲落峰值相對(duì)于過去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。

參考文獻(xiàn)

[1] 張青艷，陳梁勛.誘發(fā)典型小流域洪水的雨量閾值研究：以安昌河流域?yàn)槔齕J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，33（2）：49-53.

[2] 包紅軍，張珂，魏麗，等.淮河流域2016年汛期洪水預(yù)報(bào)試驗(yàn)[J].氣象，2017，43（7）：831-844.

[3] 高琦，徐明，李武階，等.我國面雨量研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)展[J].氣象科技進(jìn)展，2014，4（2）：66-69.

[4] 高琦，徐明，李武階，等.長江上游六流域強(qiáng)降水面雨量特征分析[J].人民長江，2013，44（13）：14-17.

[5] 徐晶，林建，姚學(xué)祥，等.七大江河流域面雨量計(jì)算方法及應(yīng)用[J].氣象，2001（11）：13-16，51.