肖健 劉慧 鄭福維 米楚陽

摘 ?要：利用鳳凰縣長潭崗水庫2010-2015年降雨及水庫水位資料，本文建立降雨與水位變化預(yù)測模型方程，以最小二乘法原理求解模型方程;并通過對2019年水庫水位預(yù)報(bào)模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：模擬值能反映出長潭崗水庫降雨與水位變化趨勢，與實(shí)況變化值較為吻合。本文建立的水位變化預(yù)測模型對防汛抗旱科學(xué)調(diào)度，服務(wù)旅游業(yè)和農(nóng)林漁牧業(yè)等，降低暴雨洪澇災(zāi)害帶來的損失，具有重大意義。

關(guān)鍵詞：降雨量;水位變化;鳳凰縣

引言

鳳凰古城是全國4A級旅游景點(diǎn)，沱江穿城而過，是鳳凰縣境內(nèi)最大的河流，境內(nèi)長96.9公里，流域面積為732.42平方公里。長潭崗水庫是沱江流域的龍頭水庫，位于湖南省鳳凰縣沱江上游10公里，始建于1988年，水庫集雨面積460平方公里，庫容9970萬立方米，裝機(jī)1.2萬KW，年發(fā)電量0.376億kwh。長潭崗水庫是一座以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉、供水、旅游、水土保持、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益的中型水利工程，它造福于沱江沿河數(shù)十萬百姓，被列為全國重點(diǎn)防洪中型水庫[1]。而鳳凰縣歷年來遭受自然自然災(zāi)害41%為暴雨洪澇災(zāi)害，2001-2010年共計(jì)遭受暴雨洪澇災(zāi)害26次，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。2014年“7.15”280年一遇特大洪澇災(zāi)害導(dǎo)致鳳凰縣受災(zāi)人口達(dá)19.8萬人，經(jīng)濟(jì)損失12億元，鳳凰古城瞬間變成了“水城”，旅游業(yè)全面受損，直接損失達(dá)到1億元，間接損失超過2億元。由于地理位置、地形、降雨量、下墊面因素等影響，長潭崗水庫是影響鳳凰古城安危的關(guān)鍵水庫。但是，針對鳳凰縣相關(guān)水域水位-降雨關(guān)系研究尚處于空白狀態(tài)。因此，研究長潭崗水庫降雨與水庫水位關(guān)系，有利于鳳凰縣防汛抗旱科學(xué)調(diào)度，對于降

低鳳凰縣暴雨洪災(zāi)帶來的損失意義重大。

目前關(guān)于降雨量與水位關(guān)系的研究大致分為以下兩類，一是基于物理機(jī)制，利用水文模型進(jìn)行相關(guān)研究[1]。如林志強(qiáng)等[2]基于HBV模型探討了尼洋曲流域上游的降水-徑流關(guān)系。張調(diào)風(fēng)等[3]利用HBV模型建立了降水-流量-水位關(guān)系。二是基于歷史數(shù)據(jù)，模擬推算降雨量

-水位之間的關(guān)系，這種方法未涉及物理機(jī)制，研究操作過程相對簡便。葉正偉等[4]采用計(jì)量統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以江蘇里下河腹部地區(qū)為例，研究了江淮平原水網(wǎng)區(qū)汛期雨量與洪澇水位關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最大15日和最大3日雨量是水位變化的敏感性時段雨量，且長時段雨量對水位變化的累積效應(yīng)顯著。尹義星等[5]基于歷史數(shù)據(jù)分析了太湖流域腹部地區(qū)水位對降水變化及城鎮(zhèn)化的響應(yīng)。葉小峰等[6]利用贛江流域 2004～2006 年 4～7 月氣象測站的實(shí)測雨量資料，建立了贛江流域水位預(yù)報(bào)模式。Bunchingiv Bazartseren等[7]基于德國兩個河流水位數(shù)據(jù)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)模糊方法預(yù)測短期水位。

鑒于此，考慮數(shù)據(jù)可獲得性，本文基于長潭崗水庫2010-2015年降雨及水庫水位資料，建立降雨與水位預(yù)報(bào)模型方程，利用最小二乘法原理求解模型方程，旨在為日后水庫水位預(yù)測提供依據(jù)，深化與地方水利、電力等部門合作，為防汛抗旱提供一定的科學(xué)參考。

1.研究區(qū)域概況

鳳凰縣位于湖南省的西部邊緣，云貴高原的東端。主屬中亞熱帶山地季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，由于受自然地帶、季風(fēng)環(huán)流和地形地貌的綜合影響，氣候類型多樣，垂直差異和水平差異明顯，年際變化大。降水充沛，但時空分布不均：年最大降雨量（出現(xiàn)于1995年）1589.5毫米，最小降雨量（出現(xiàn)于2005年）925.2毫米（mm），年平均降雨量1281.6 mm，降雨量多集中于3～8月905.2 mm，占全年總降雨量的71%，這時期發(fā)生的暴雨災(zāi)害極易對鳳凰古城資源造成嚴(yán)重影響，對古城自然資源、旅游資源、人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大的威脅。

2.數(shù)據(jù)來源

選取了鳳凰縣長潭崗水庫2010-2015年期間的上游4站及長潭崗水庫氣象自動站日降雨量及水庫水位資料。水庫水位數(shù)據(jù)來源于水利工程動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，2010-2015年日降雨量大于等于30.0mm共計(jì)81次，平均每年發(fā)生13.5次，其中日降雨量大于等于100.0mm共計(jì)10次。

水庫降雨量采用長潭崗上游4個自動站及長潭崗水庫自動站共5個站點(diǎn)的平均值，研究期間各年份日降雨量與水位描述統(tǒng)計(jì)如下表1所示。長潭崗水庫水位最高為2014年397.46米，最低為2010年360.93米，水位情況變化波動最大的是2010年，波動最小的是2015年。日降雨量最大為2014年達(dá)215.62 mm，最小為0 mm，日降雨量變化情況最大的是2010年，最小的是2015年?？梢姡蛔兓c日降雨量變化趨勢具有一致性。

3.降水-水位關(guān)系實(shí)證分析

3.1 降雨與水庫水位關(guān)系分析

受篇幅限制，本文分析了研究期間2010年和2015年降雨與水位變化趨勢，其中，2010年降雨量與水位關(guān)系如下圖2-1所示，日降雨量大于30.0mm共12次，為5月7日、5月19日、5月22日、6月2日、6月9日、6月24日，7月13日、7月20日、8月24日、9月23日、10月15日、12月13日降雨量分別42.90mm、33.50mm、42.46mm、39.98mm、119.54mm、66.44mm、65.56mm、32.20mm、30.94mm、40.06mm、32.00mm、33.24mm，水位分別為377.68m、384.94m、390.72m、394.47m、394.48m、393.81m、395.12m、395.09 m、390.71m、388.67m、392.87m、390.06m，最高水位分別出現(xiàn)在5月13日（6日后）、5月22日（3日后）、5月30日（8日后）、6月3日（1日后）、6月9日（當(dāng)天）、6月30日（6日后）、7月16日（3日后）、7月21日（1日后）、8月28日（4日后）、9月25日（2日后）、10月19日（4日后）、12月13（1日后）。

2015年降雨量與水位關(guān)系如下圖2-2所示，日降雨量大于30mm共計(jì)12次，為5月9日、6月3日、6月4日、6月22日、7月1日、7月28日、8月20日，8月28日、9月6日、9月7日、9月12日，9月20日降雨量分別為43.72mm、49.36mm、59.90mm、66.68mm、48.68mm、34.76mm、30.94mm、30.38mm、37.84 mm、56.64 mm、34.88 mm、31.14 mm，水位分別為379.05 m、381.31 m、385.43 m、390.16 m、391.49m、388.48m、385.47m、385.21m、386.16 m、388.34 m、389.77 m、390.96 m，最高水位分別出現(xiàn)在5月12日（3日后）、6月12日（9日后）、6月12日（8日后）、6月27日（6日后）、7月6日（5日后）、7月28日（當(dāng)天）、8月21日（1日后）、8月29日（1日后）、9月11日（5日后）、9月11日（4日后）、9月17日（5日后）、9月24日（4日后）。

綜上所述，當(dāng)日降雨量大于30mm，水庫水位大部分最高出現(xiàn)在降雨后的5日內(nèi)。2010年和2015年最高水位出現(xiàn)在5日內(nèi)均達(dá)全年75%，最高水位出現(xiàn)在6-9日后的是由于后續(xù)5日以上持續(xù)降雨引起。

3.2 研究假設(shè)及相關(guān)性分析

通過上節(jié)分析可知，最高水位出現(xiàn)與5天降雨累計(jì)響應(yīng)最為明顯，累積降雨量與水位存在高度相關(guān)性，R. Gonzalez-Villanueva等[8]采用累積降雨量研究降雨與水位關(guān)系，黃勇等[9]也是采取的前5天累計(jì)降雨，因此本文著重分析5天累計(jì)降雨量（AC）與水位變化（DL）之間的關(guān)系。根據(jù)黃勇等[9]假設(shè)，降雨流入水庫受降雨時間間隔、蒸發(fā)、河床滲透等因素影響，因此每天的降雨量對水位的影響存在差異，故分別對不同時間間隔降雨量賦予權(quán)重表明影響的大小，權(quán)重越大，對水位的影響越大。影響假設(shè)如下：

4.模擬試驗(yàn)對比

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)健性，對2019年長潭崗水庫降雨量資料進(jìn)行驗(yàn)證分析。2019年全年日降雨量大于30mm的為11次。利用本文建立的水位變化模型，結(jié)果如圖4所示，總體而言，預(yù)測值大于或接近實(shí)際值，可能是由于人為因素干擾蓄洪造成。但4月24日和6月22日實(shí)際值遠(yuǎn)大于預(yù)測值，尤其是6月22日，可能是由于長潭崗本站及距離較近的自動站降雨量遠(yuǎn)大于其他自動站降雨量，而模型取均值降雨量預(yù)測水位，從而導(dǎo)致預(yù)測值偏低。從檢驗(yàn)效果來看，本文建立的模型對長潭崗水庫水位變化具有一定的預(yù)測能力，預(yù)測的水位變化趨勢，與實(shí)況變化值較為吻合，可為防汛抗旱提供有力的科學(xué)支撐。

5.結(jié)論與討論

本文基于鳳凰縣長潭崗水庫2010-2015年日降雨量及水庫水位數(shù)據(jù)資料，采用一系列描述分析、相關(guān)性分析等，做出相關(guān)的6個假設(shè)，建立與之對應(yīng)的6個水位變化預(yù)測模型，通過參數(shù)、方程等顯著性檢驗(yàn)，模型擬合優(yōu)度檢驗(yàn)以及不同假設(shè)下累積降雨-水位相關(guān)性檢驗(yàn)等，確定最終模型。最后，運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與實(shí)際值較為吻合，本文建立的模型具有一定的預(yù)測功能，能較為真實(shí)地反映實(shí)際變化情況。

但是，文本也存在一些局限性，一是參數(shù)設(shè)定不夠客觀，不同時期降雨量的權(quán)重設(shè)定存在人為主觀因素，權(quán)重設(shè)置相對粗略，不能細(xì)致客觀反映實(shí)際情況。二是數(shù)據(jù)處理不夠精準(zhǔn)，降雨量只是簡單的采取了5站平均降雨量資料，未能精準(zhǔn)反映出長潭崗水庫區(qū)域?qū)嶋H降雨量。三是影響因素考慮不全面，水庫水位變化不僅受降雨量的影響，還與蒸發(fā)、下滲、人為蓄洪等因素有關(guān)，而且不同季節(jié)蒸發(fā)、蓄洪等因素影響也存在差異。

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基金項(xiàng)目：2017年湘西自治州政府的鳳凰古城科學(xué)防洪調(diào)度氣象預(yù)警研究（2060499）項(xiàng)目支持

作者簡介：肖?。?972-），女，湖南衡陽人，成都信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)推廣碩士學(xué)位，高級政工師，主要從事專業(yè)氣象服務(wù)工作。