刘白玉
益阳市气象局 湖南 益阳 413000
摘要：近年来，资水柘桃区间相继发生多次大洪水，降雨量-水位预报在防洪减灾中发挥了重要作用，文章利用资水流域2016年7月1～5日、2017年6月29日～7月2日大暴雨天气过程，进行降雨量与控制站点水位变化进行相关分析，提出降雨量-水位模型，为相似降雨量-水位预报提供参考与借鉴。
关键词：区间流域；雨量；水位；关系分析
1前言
资江发源于城步苗族自治县北青山，流经邵阳、娄底，进入益阳的安化、桃江、益阳市区，于益阳市甘溪港注入洞庭湖，全长653公里，流域面积28142平方公里。近年来，由于流域跨度大，导致预报难度大，2016年7月1～5日、2017年6月29日～7月2日特大暴雨天气过程，短时降雨强度大，过程降水总量创历史极值，每次洪峰过境，都严重威胁安化、桃江和益阳市区沿河人民的生命财产安全，直接考验政府在资江流域防洪保固，泄洪调度的决策能力，也间接考验着气象部门的预报能力和服务水平。因此，迫切需要研究本地化的流域气象监测预报预警服务系统解决资江流域雨量监测，预报融合，面雨量估测，以及建立起气象与水文预报关系模型。从而实现天气预报服务的精加工，应对高密度，快节奏的政府需求，增强气象服务能力。
2流域轮廓提取
流域轮廓提取通常指提取流域的边界和河网，这两个流域要素的提取是进行精确的流域水文模拟的基础。这里使用 Arc- GIS 软件进行流域轮廓的自动提取。研究所使用的数据是栅格格式的数字高程模型, 根据水流方向的最速下降原则( D8 算法)，对原数据按下列顺序进行处理：数据预处理-水流方向网格图层生成-水流累积网格图层生成-河道分段-子流域辨识-子流域边界矢量化，最后获得矢量化的河网和子流域边界。在此过程中，通过对河道分段的阈值的选取，可以获得不同密度的河网和不同尺寸的子流域。因此将柘桃区间子流域提取出来进行相关研究，资水流域柘桃区间主要1级支流及其分区，共分为15个子流域，流域面积处于200 km2~1000 km2之间，流域划分较好体现了地形特征的影响。
3流域实况面雨量计算
根据柘桃区间子流域分布，选取该流域范围内的区域气象站点雨量作为数据源，进行面雨量计算和面雨量-桃江站水位变化情况分析。图1
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图1 柘桃区间子流域区域气象站分布图
3子流域面雨量计算
算术平均值法和泰森多边形目前被广泛用于计算河流流域面雨量。选取2020年9月17日降水天气过程对子流域区域站气象站资料，分别通过泰森多边形和算术平均法计算结果可看出,两种资料的泰森多边形法和算术平均法对面雨量计算结果的一致性较高,仅出现个别区次的误差超过2-3mm,其余均在1mm左右,因此可看出站点越密集,两种计算方法越接近。因此在流域面雨量计算中，使用算术平均计算面雨量。
4流域面雨量与水位的关系分析
4.1资料选取
选取柘溪-桃江段15个自然子流域，以水文控制站-桃江站为代表，以其水位实测资料代表该区间水情变化；选取该区域内所有气象站点，根据各雨量站点实测资料，分析该区间降雨情况。由于水位资料难以获取长时间序列资料，因此挑选4-9月雨量明显的强降水过程水位变化情况数据，包括2017年6月22日-27日、6月29日-7月1日、2019年6月15日-19日、2020年7月6日-11日分析面雨量与水位的相关关系。
4.2资料处理
收集2017-2020年气象观测站对应多个时次的逐日雨量资料，考虑从降雨发生到汇流入河致使水位上涨需要一定时间，选取前5天的累计降雨量与水位的变化进行对比分析。为了解前5天内哪个时段的降雨对水位的变化影响最大，分别对不同时间24小时降雨量采用不同的比重系数Wi，来进行各类累计雨量RA计算，计算公式如下：
RA=W1*R1+W2*R2+W3*R3+W4*R4+W5*R5
其中，Wi为比重，Ri为i天前的24小时降雨量。
不同累计雨量的比重系数Wi,设置如下：
雨量1：假设1天前的降雨量对水位的影响最大，W1=0.4,W2=W3=0.2,W4=W5=0.1；
（2）雨量2：假设2天前的降雨量对水位的影响最大，W1=W5=0.1,W2=0.4,W3=W4=0.2；
（3）雨量3：假设3天前的降雨量对水位的影响最大，W1=W5=0.1,W2=W4=0.2,W3=0.4；
（4）雨量4：假设4天前的降雨量对水位的影响最大，W1=W2=0.1,W3=W5=0.2,W4=0.4；
（5）雨量5：假设5天前的降雨量对水位的影响最大，W1=W2=0.4,W3=W4=0.2,W5=0.4；
（6）平均雨量假设前5天降雨影响相同：则为：W1=W2=W3=W4=W5=0.2。
4.3降雨量-水位的关系
由于选取的数据为区域性强降水过程雨量、水位数据，为了便于处理，将子流域综合为安化段和桃江段，各子流域雨量与水位的关系等以后收集更多时段的水文资料再进行分析处理。
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从统计表1中可以看出：
降水明显时段，安化段和桃江段雨量2与水位上涨之间的相关性最强，雨量4与水位上涨之间的相关性最差；一般性降水对水位的影响主要依靠降水日数，累积量越大，水位上涨相关性强。
针对表中相关性最好和最差的两组数据，分析降雨与水位的同步变化情况。
柘桃区间累计雨量2与水位之间的同步变化关系，共有3次明显的水位增加，这3次明显的水位变化均与累计降雨量的大值区有着较好的对应关系。利用这一时期内的有效雨量2与水位变化之间建立离散点图，并以△H=a*RA3+b*RA2+c*RA+d为变化关系，建立二者之间的变化方程，其中△H为水位变化量（米），RA为有效累计雨量2，a、b、c、d为常数，通过计算得出a=0.0006,b=-0.0439,c=0.8031,d=-1.148。
利用2017年-2020年资料建立流域水位与累计雨量模型，模型如下：
△H=0.0006*RA3-0.0439*RA2+0.8031*RA-1.148。
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参考文献
【1】余德华.资水柘桃区间近年来超标洪水的分析与探讨.湖南水利水电，2019（2）52-55.
【2】黄勇.皖境淮河流域降雨量-水位关系分析.安徽师范大学学报，2010（33）67-71.
刘白玉（1984-），男，湖南益阳人，主要从事气象预报预测预警等工作。