富水流域致洪面雨量研究

刘熠炎 童红梅 卫文芳 潘梦莹 张新宜 张炜 黎奇

收稿日期：2024-01-12

基金项目：湖北省气象局科技发展基金“黄石市富水流域面雨量与水位关系研究”（2021Y18）。

作者简介：刘熠炎（1971—），男，湖北汉川人，高级工程师，主要从事天气预报及服务工作。

摘 要：富水流域在汛期强降雨时易发生洪涝灾害，造成较严重的灾害损失。为了进一步研究汛期富水流域致洪面雨量阈值和水位上涨时间滞后特征，利用常规气象、水文观测资料，采用泰森多边形和气象统计相关分析方法，重点分析强降水过程中面雨量与水位上涨的关系。得到结论，富水水库入库水量与面雨量具有良好的正相关性，具有典型的山溪水性质，72 h内汇水完成；富水水库超汛限面雨量临界阈值可分为湿润模式和非湿润模式两大类，其水位涨落量峰值与过去24 h面雨量峰值一般存在24 h的滞后关系；富河阳新水位站水位上涨量与面雨量超过50 mm的强降水具有明显的正相关性，其水位涨落峰值与过去24 h面雨量峰值的大多数存在24 h时间滞后关系。

关键词：富水水库；阳新富河；面雨量阈值；时间滞后

中图分类号：P426.616 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

富水，长江中游一级支流，发源于幕阜山北麓通山县厦铺镇三界尖，流经通山、阳新两县，由西向东，注入长江，由黄石市阳新县富池口入长江，全长194 km，平均流量为138 m3/s，总落差达613 m，集雨面积

5 310 km2，其中阳新境内称“富河”，长81 km，流域面积2 245 km2。富水河是流经黄石地区最长的河流，也是黄石境内流域面积最大的一条河流；黄石海拔最低处就在富水河南城潭河床，海拔仅为8.7 m。富水流域在主汛期，尤其是强降雨时期易发生洪涝灾害，因此对富水流域面雨量和水位关系进行研究具有现实意义。2016、2020年汛期黄石富水流域均出现严重的汛情，产生严重的洪涝损失，尤其是2020年汛期，阳新富水流域出现了超过1998年的洪水，出现了严重灾情。因此，开展黄石富水流域面雨量与水位关系的研究，为防汛抗洪决策气象服务提供更精准的气象保障服务十分必要。

面雨量是指一段时间某一区域的平均降水量，是水文上重要的参数，是洪水预报中最重要的预报对象。流域的流量、 江河的抗洪能力及水库的蓄洪规模均与流域的平均面雨量密切相关[1]。计算面雨量的方法很多，常用的有算术平均法、等值线法、泰森多边形和细网格等。泰森多边形是应用最广泛的面雨量计算方法，该方法考虑了各雨量站的权重，而且当测站固定不变时，各测站的权重也不变，较为合理，精度也较高，因此在面雨量业务中得到应用广泛[2-5]。

1 资料与方法

资料来自自动气象站逐日降水观测资料和水文观测资料（08：00），时间长度为2016—2021年5—8月。

面雨量的计算采用泰森多边形方法。将整个流域分为上游—富水水库、下游—富水河两部分，采用泰森多边形方法分别计算出富水水库、富水河的汛期（5—8月）逐日过去24 h面雨量。然后，利用面雨量数据和水文数据，采用统计相关分析法得到强降水过程累计面雨量与入库水量、水位上涨量之间的统计关系，根据关系式计算得到不同时间段、不同初始水位下的超汛期面雨量阈值；水位上涨量与面雨量之间的时间滞后关系采用时间序列分析方法、分类统计法。

采用上述方法对上游富水水库、下游阳新富河流域的致洪面雨量进行研究。

2 富水水库汛期超汛限水位的面雨量临界阈值分析

2.1 入库水量—面雨量相关性检验

以富水水库入库水量为研究对象，分析发生强降水过程（日面雨量超过30 mm）的入库水量与面雨量之间的相关关系，发现入库量与过去24 h（1日）、过去48 h（2日）、过去72 h（3日）的面雨量明显相关。利用皮尔逊相关系数，两变量之间的相关系数R2分别为0.33、0.38、0.36，入库量与1、2、3日面雨量均为正相关，且2日面雨量与入库量的相关性最显著。此外，相关系数Multiple R2值为0.502 929，说明回归模型的高度正相关。

计算2016—2020年入库水量与1日面雨量、2日面雨量、3日面雨量的多元回归关系。得出入库水量—面雨量回归关系公式如下：入库水量=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日面雨量对入库量影响最大，1日面雨量的影响回归系数较1日面雨量小一个量级，说明降雨对水位的影响存在一定的滞后性，3日面雨量对入库量的影响呈负相关，当到第3日时降水已经完全入库。这表明对于水库流域来说，降水将于72 h内汇水完毕，具有典型的山溪水特征，易涨易落。

2.2 富水水库汛期不同时段的汛限水位

根据富水水库防汛调度规程（表1），将汛期分为5月1日—6月30日、7月1—15日、7月16日—8月31日3个阶段，对应的汛限水位分别为55、56、57 m。

2.3 强降水过程面雨量与入库水量对应的关系式

分析2016—2020年5—8月的日面雨量大于30 mm

的强降水过程面雨量与入库水量对应关系，得到图1，对应关系的公式为：y=0.021x-0.644 9，R?=0.890 2，其中y为入库水量，单位：亿m3；x为过程面雨量，单位：mm。

为了更加精准地分析强降水过程面雨量与入库水量对应关系，将强降水过程按前期天气背景分为湿润模式和非湿润模式两类，以强降水过程发生前连续5 d及以上无降水或降水不足1 mm进行划分，得到湿润模式和非湿润模式两类样本对应的关系（图2、图3），对应的湿润模式的公式为：y=0.020 6x-0.461 6，R2=0.924 2；非湿润模式的公式为：当x≤60 mm时，y=

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

R2=0.705 2。

对于湿润模式进一步细分出梅雨期有集中强降水的湿润模式，即强降水过程发生前间隔1～2 d已经出现过一次强降水过程，该类强降水过程面雨量与入库水量对应关系如图4所示，对应关系式：y=0.020 1x-0.139 4，R2=0.919 6。

由此得到3种情形下的汛期不同时段导致超汛限水位的面雨量临界阈值指标（表2～表4）。

2.4 面雨量与水位涨落时间滞后关系分析

2.4.1 面雨量峰值与水位涨落时间滞后关系

分析富水水库逐日水位涨落与过去24 h面雨量时间序列发现，水位上涨波峰点与面雨量峰值点存在24 h

的时间滞后关系。2020年5—8月逐日水位涨落与面雨量时序（图5）存在明显的24 h滞后关系。

2.4.2 强降水过程中面雨量与水位时滞关系

统计2016—2020年5—8月出现的26次强降水过程中面雨量与水位上涨的时间滞后关系，发现水位涨落峰值与过去24 h日面雨量峰值一般存在24 h时间滞后关系，26次中出现19次，频率73%；其次滞后12 h，多出现在有连续性强降水时。水位峰值与面雨量峰值大多存在48 h时间滞后关系，26次出现频次15次，占比58%；其次为24 h时间滞后关系，大多发生在有持续性强降水或启动了开闸泄洪工程调节时。

3 阳新富河汛期超警戒水位的面雨量临界阈值分析

3.1 阳新富河汛期超警戒水位的面雨量临界阈值

利用2016—2020年5—8月逐日08：00富河阳新水文站水位观测资料与面雨量资料，分析发现对于面雨量50 mm以上的强降水过程，水位上涨量与面雨量具有良好的正相关性。遴选面雨量大于80 mm的强降水过程，得到水位上涨量与面雨量之间关系式：y=1.43lnx+5.3，其中，y为上涨水位量，单位：m；x为面雨量，单位：mm，由此计算得出面雨量与上涨水位对应关系如表5所示。

3.2 阳新富河面雨量与水位时滞关系

对2016—2020年5—8月阳新富河流域发生的11次强降水过程，统计分析阳新水文站水位涨落峰值、峰值水位相对于过去24 h雨量峰值的滞后时间，发现水位涨落峰值大多滞后24 h（占比为7/11），峰值水位滞后时间也多为24 h（占比为7/11）。

4 结论

利用2016—2020年5—8月逐日08：00富水水库面雨量、富河面雨量以及富水水库、富河阳新水文站等水位水文资料，对强降水过程的面雨量与水库、富河水位上涨关系进行分析，得出以下结论。

第一，富水水库入库水量与面雨量具有良好的正相关性。对于强降水过程，入库水量与过去24、48、72 h

面雨量相关，表明强降水产生的径流在72 h内汇水完毕，具有典型的山溪水性质。

第二，富水水库超汛限水位的面雨量临界阈值可分为两大类，一类为非湿润模式，另一类为湿润模式。其中，湿润模式又细分出一类特殊类——梅雨期湿润模式类，在此模态下，当初始水位为52 m时，40、70、100 mm的面雨量分别对应1、2、3 m的水位上涨，这表明当前期已经出现强降水，土壤饱和时再有强降水则易产生地表径流、汇流，水库水位上涨迅猛，对应的面雨量阈值最小。

第三，富水水库逐日水位涨落量峰值与过去24 h面雨量峰值一般存在24 h的滞后关系；水位峰值与面雨量峰值存在48 h滞后关系。但是，对于持续性强降水过程，水位上涨峰值、水位峰值与面雨量滞后关系缩短为12、24 h，这表明在雨洪叠加情况下，水位上涨更加迅猛。

第四，富河阳新水位站水位上涨量与面雨量超过50 mm的强降水具有显著的正相关性。

第五，在强降水过程中，富河阳新水文站日水位涨落峰值相对于过去24 h面雨量峰值的滞后时间大多数为24 h，其次为12 h；峰值水位与面雨量存在24 h滞后关系。

参考文献

[1] 张青艳，陈梁勋.诱发典型小流域洪水的雨量阈值研究：以安昌河流域为例[J].西南科技大学学报，2018，33（2）：49-53.

[2] 包红军，张珂，魏丽，等.淮河流域2016年汛期洪水预报试验[J].气象，2017，43（7）：831-844.

[3] 高琦，徐明，李武阶，等.我国面雨量研究及业务应用进展[J].气象科技进展，2014，4（2）：66-69.

[4] 高琦，徐明，李武阶，等.长江上游六流域强降水面雨量特征分析[J].人民长江，2013，44（13）：14-17.

[5] 徐晶，林建，姚学祥，等.七大江河流域面雨量计算方法及应用[J].气象，2001（11）：13-16，51.