济南市大汶河流域雨量站网分级优化分析

宋西文，姚 萌，林海洋

（莱芜市水文局，山东 莱芜 271100）

随着近年来中小河流水文监测工程、工程带水文项目新建雨量站的投入运行，水文站网密度不断增加，在满足各方面工作需要的同时，仍存在站网布局不合理问题。且面雨量计算方法需要进一步分析采用更精确的面积加权法。为做好水情信息服务提质增效工作，满足防汛抗旱、水资源管理调度以及推进河长制工作的落实，莱芜市水文局开展了雨量站网优化分析工作。

1 基本情况

1.1 雨量站网概况

莱芜市水文局现设有各种类型的自动雨量站66处，其中常用报汛站58处，站网密度较高，现以58处报汛站为基础，进行区域雨量时空控制分析。其中9处基本常年站为正在运行拥有长系列资料基本站，2012年以来，随着各新建雨量站的投入使用，为满足年降雨观测的需要，逐步补充了5处常年雨量站。

1.2 降雨空间分布

根据监测资料，2013年降雨集中在茶业口、雪野、大王庄等西北部山区，年降雨量在900 mm以上，最大点雨1 069.5 mm，东南部山区降雨偏少，小于650 mm，最小点雨量583.7 mm，自西北向东南呈逐级递减的趋势，极值比为1.83。

2014年东南部山区年降雨量在530 mm以上，最大点雨614.2 mm，西北部山区年降雨均小于430 mm，最小点雨389 mm，形成从东南向西北递减的趋势，极值比为1.58。2015年本流域整体偏枯，局地暴雨明显，最大点雨郑王庄738 mm，最小点雨莱芜548.8 mm，极值比为1.39。

2016年降雨集中在茶业口、雪野、大王庄等西北部山区，年降雨量在950 mm以上，最大点雨鹿野1 187.8 mm，东南部山区偏小，最小点雨霞峰732.1 mm，极值比为1.62。2017年降雨集中东南部葫芦山水库流域，年降雨量在800 mm以上，最大点雨蒙阴寨804.5 mm，西北山区偏小，最小点雨茶业口461.3 mm，极值比为1.74。

总体而言，济南市大汶河流域年降雨量空间分布很不均匀，局地暴雨多，空间分布、年际间变化无明显规律，在现有站网控制条件下，采用算数平均法计算面雨量不可避免会产生较大误差，优化雨量站网，改进面雨计算方法非常有必要。

2 站网控制分析

2.1 技术方法

在1∶50 000矢量地形、行政区划图上，利用ARCGIS软件构建泰森多边形，计算各雨量站控制面积及权重。利用历时资料系列，计算各种站网密度下全市多年平均雨量，分析雨量站网对雨量时空变化控制情况，寻优最小站网密度下最佳雨量控制，形成市、县、乡三级优化控制站网。

2.2 权重计算

利用ARCGIS软件对济南市大汶河流域具有长系列的9个常年基本站（含泰安市范家镇站）、15个基本站，以及41处筛选雨量站、全部58处报汛雨量站做空间控制分析，分别构建泰森多边形，计算各雨量站控制面积及权重，各种站网下泰森多边形控制见表1。

表1 济南市大汶河流域雨量站网控制情况分析计算表

3 雨量站网优化

3.1 市级控制

2013年莱芜市水文局新建雨量站全部投入运行，2014、2015、2017 年为枯水年份，2013、2016年为平水年。利用2013—2017年流域降雨量资料，计算各种雨量站网控制下流域平均雨量，分析雨量站对面雨量控制情况。全流域58处报汛站，其中长系列资料常年站9处，近年新设5处常年站，总计14处常年站。为分析长系列资料站空间控制特点，采用本流域9处及邻近市6处长系列雨量站（以下简称15站）组成长系列站网。

2013年莱芜市水文局新建雨量站全部投入运行，因此利用2013—2017年流域降雨量资料，计算各雨量站网控制下枯季、汛期、全年3个时段全流域面雨量，分析面站网控制情况，结果见表2。因枯季降水空间变化较小，41站、58站中汛期站的枯季降雨，以15站平均雨量代替，藉以计算其年面平均雨量。综合分析表明：41处雨量站组成的站网，可满足全流域平均面雨量的控制要求。

表2 雨量站网控制情况分析计算表

3.2 乡镇、区级控制

为提高乡镇面雨量计算精度，利用现有58处报汛雨量站，对全流域20处乡镇办事处作降雨量分析计算，根据构建的泰森多边形及乡镇行政区图，统计雨量站面积权重（图表从略）。根据乡镇雨量代表站及权重，可计算次雨及时段、日降雨的各乡镇平均雨量，进一步可统计计算各县、区平均雨量。

3.3 流域控制

1）流域划分。兼顾区域整体和流域特性，对大于100 km2的河流化为一个流域，小于100 km2的河流，按照区域并入邻近流域中，以保持全区域面积的完整性。按照以上原则，将本区河流划分为12个流域和区域。

2）权重计算。以41处优化雨量站组成的站网，对全区各流域做泰森多边形控制计算，构建泰森多边形如图1，由此计算不同流域代表雨量站控制权重。

4 长系列面雨计算对比分析

根据15处常年站1956—2016年降雨系列，利用表1权重成果，分别计算9站及15站两种站网控制下的多年平均雨量，结果如图2。由图2可知，两种计算结果趋势基本一致，9站结果略小，分析原因为边界地区特别是边界山区缺少雨量站，不能全面控制降雨极值。根据表2分析，15站成果较9站成果更接近于41站成果，所以建议采用15站站网进行长系列年降雨量计算。

图1 各流域代表雨量站控制图

图2 济南市大汶河流域多年（1956—2017）平均雨量趋势

5 结语

1）通过本次站网分级优化，形成了15处长系列资料雨量站构成的一级站网，用于水资源分析评价工作。41处雨量站构成的二级站网，用于全区报汛、各流域平均雨量的计算；58处雨量站构成的三级站网，用于乡镇平均雨量及中型水库面雨量计算。

2）采用泰森多边形法计算面雨，解决了乡镇代表站数量不足，出现采用单站点雨代表面雨的问题。

3）合理布局、适当增加常年雨量站，满足了年面雨量计算应用要求。

4）流域边界、深山区缺乏代表站，影响面雨量计算，建议调整边界雨量站布局，优化空间控制。