赤水河、习水河流域降水对水位影响的研究

任青峰，谢辉钰，张东平，翁 玲

(贵州省赤水市气象局，贵州 赤水 564700)

赤水河、习水河流域降水对水位影响的研究

任青峰，谢辉钰，张东平，翁 玲

(贵州省赤水市气象局，贵州 赤水 564700)

该文利用赤水河、习水河降水、流量、径流量、水位等资料，建立了赤水河、习水河暴雨—水位计算公式，为赤水市小流域暴雨洪涝灾害防御工作提供决策依据：赤水9月出现暴雨过程对赤水河水位影响最大；赤水24 h降水达到50 mm时，赤水河水位正常，达到100 mm时，赤水河水位将超过警戒水位，其中9月超过危急水位；赤水24 h降水达到150 mm时，赤水河水位超过危急水位。习水河由于缺乏水文数据，建立公式偏差较大，预警准确度偏低，提升习水河暴雨—洪水预警准确率需要对习水河水文资料开展收集，从而修正偏差值。

赤水河；习水河；暴雨；水位

1 引言

1.1 研究背景

赤水地处于云贵高原向湖南丘陵和四川盆地过渡地带的斜坡地带，境内地形复杂多样，由于暴雨引发的洪涝等自然灾害时有发生[1]。2014年8月10日晚至11日凌晨, 赤水市普降中到大雨，局地暴雨，但地处习水河、赤水河流域上游的习水县境内发生罕见特大暴雨，全县有15个乡镇出现暴雨天气，其中有3个乡镇大暴雨 、5个乡镇特大暴雨，最大降水量为良村镇334.3 mm，最大小时雨强达到84.1 mm，均突破当地有气象记录以来的历史极值。贵州省气候中心对这次特大暴雨定性为极端天气气候事件。

特大暴雨导致习水河短时间迅速形成特大洪水，使地处习水河下游的赤水市东部5乡镇相继出现超历史警戒水位，洪峰持续约2 h。沿岸的石堡乡、官渡镇、长期镇、长沙镇政府所在地集镇分别超警戒水位4.7 m、7.4 m、9.9 m、4.8 m，均为有记录以来的最高水位。由于习水河上游乡镇累计雨量大、雨势猛，加之特殊的地质结构和800 m的地形落差，迅猛的洪水夹杂着泥土、砂石导致赤水市东部5乡镇发生了严重的塌方、滑坡、泥石流和山洪灾害，造成大规模的房屋垮塌，交通、水利、电力、通讯等基础设施严重损毁。

由于中小河流站网偏少，缺乏必要的应急监测手段[2]，为更好的预防洪涝灾害，构建赤水市主要河流流域防洪减灾预警体系，有必要科学分析赤水河、习水河降水量和水位关系,为赤水市的小流域暴雨洪涝灾害防御工作提供决策依据。

1.2 自然特征

1.2.1 赤水河 赤水河位于川江南岸，流域处在云南、贵州、四川三省的接壤地带，发源于云南省镇雄县北部的雨河镇花果顶梁子，海拔2 000 m，流域集水面积约为20 440 km2，长度约520 km，落差1 588 m，平均比降约3‰。赤水河流域地势东、南、西三面高，北部低，大部分为山区，局部为丘陵和冲积盆地。西与永宁河、南广河以及横江的上游分界，南、东隔大娄山脉与乌江流域接壤，东北部紧邻綦江，北接长江干流及其支流塘河。

1.2.2 习水河 习水河，为赤水河下游河口段汇入的东岸大支流。发源于习水县寨坝，东南流至良村下折西北流经官渡、长沙入四川境，至合江城附近注入赤水河。流域面积1 600余km2，贵州省境内为1 513 km2。包括川、黔两省的习水、赤水、合江3县。河道全长116 km，总落差725 m，平均比降约6‰；贵州境内河段长86 km，总落差700 m，平均比降约8‰。流域地势东北高而西南低，海拔400～1 200 m，山高坡陡，傍河很少，台地多为岸坡上梯田。

2 数据和方法

本文的资料来自于赤水河、习水河多年每月平均降水、流量、径流量、水位等资料。对降水与水位关系进行分析，通过参证对比，获得降水与水位联系公式[3]，并通过历史暴雨—水位资料检验，从而建立有一定参考价值的赤水河、习水河暴雨—水位计算模型，为赤水市小流域暴雨洪涝灾害防御工作提供决策依据。

3 赤水河降水与水位关系分析

3.1 降水量、径流量分析

对赤水气象站多年月平均降水与赤水水文站多年月平均径流量相关性分析，从图1可以看出，降水在5—8月最强，而径流量也在5—8月最大，时间分布基本一致。

3.2 暴雨、大洪水年内发生机率分析

从图2可以看出，赤水河发生暴雨几率最高的是7—8月，而赤水河发生大洪水几率最大的是6—7月，对比图1结论可以看出在7月赤水出现的强降水将有极大几率导致赤水河出现洪水。

图2 赤水河暴雨、大洪水年内发生几率月分布Fig.2 Monthly distribution of probability of rainstorm and flood in Chishui River

3.3 降水、流量、径流量关系分析

通过赤水河多年月平均降雨量与多年月平均径流量对应分析，应用统计回归方法建立降水与径流量关系图[4](图3)，其线性相关系数R2=0.934 2，误差不超过7%。

流量Q，指单位时间内通过某一过水断面的水量。径流量W，是指时段内通过河流某一断面的总水量。以所计算时段的时间乘以该时段内的平均流量，就得径流总量W，即：

W=Q×Δt，直接可用降水与流量开展对比分析，从而建立降水—流量关系方程[5]。

由图4分析，建立的降水—流量线性相关系数R2=0.926 0，误差不超过8%。

图3 赤水河降水、径流量线性关系Fig.3 Linear relation of precipitation and runoff in Chishui River

图4 赤水河降水、流量线性关系Fig.4 Linear relation of precipitation and discharge in Chishui River

3.4 水位、流量分析

查阅赤水河水文资料可知，2000年后由于赤水河赤水城区—复兴段修筑防洪堤，河床变窄，赤水水文站测流断面发生冲淤，流量有所增加。为使水位流量关系主要反映现状情况，堤防标准以下的洪水采用2000年以来的资料定线，超过堤防标准的洪水采用建堤前的H-Q关系。通过查阅赤水河水文资料，建立水位—流量多项式(图5)，其相关系数R2=0.9766，误差不超过3%。其中水位采用吴淞高程系统，与黄海高程系统的换算关系为：黄海高程=冻结高程-187.452 m。

图5 赤水河水位流量关系Fig.5 Water level discharge relation of Chishui River

3.5 暴雨、水位分析

由于图4降水流量关系是基于多年月平均雨量、流量开展计算，故本文讨论发生暴雨、洪水时的情况采用多年月平均雨量、流量为基数，以赤水河多年月平均降雨量与水位变幅之间建立有一定机制原理的对应关系式[6]。以月平均流量通过图5关系计算月平均水位作为基准水位，根据历史暴雨—洪水发生情况，以5—9月为研究范围，将降水分为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm 4个量级，计算出现降水时，水位在基准水位上的增加量，从而确立暴雨—水位关系：

H=(R-R0/D0)×C1+H0

(1)

其中H为计算水位，R为设定降雨量，R0为月平均降雨量，D0为月平均降雨日数，C1为降雨—水位关系计算结果相关系数，H0为月基准水位。

H0=Q0×C2+C3

(2)

其中Q0为月平均流量，C2、C3为水位—流量关系计算结果相关系数。

虽然公式(1)、(2)及式中常数是通过历史平均数据计算得出，但是数据来源可靠，跨度较长，可以一定程度上反映真实暴雨—水位关系，后期通过延长数据年限，增加气候变化变量，可进一步完善公式。通过公式(1)计算出暴雨水位值，结果如表1：

表1 赤水河暴雨—水位计算结果Tab.1 Calculation results of storm water level in Chishui River

表1计算结果表明，赤水降水达到50 mm时，赤水河水位最高为9月226.77 m，达不到警戒水位229.0 m；赤水降水达到100 mm时，赤水河水位最高为9月231.68 m，超过危急水位231.0 m，且其余月份均超过警戒水位；赤水降水达到150 mm时，赤水河水位最高为9月239.31 m，超过危急水位8.31 m，其余月份均超危急水位；赤水降水达到200 mm时，赤水河水位最高为9月241.50 m，全部月份都超过有数据记录的历史极值。

由于上文所述结果是按照24 h降水计算，故实际情况中应将降水持续时间作为强度修正量计算。

3.6 结论检验

以历史暴雨—洪水数据作为检验，查阅历史赤水城区洪灾资料、气象资料可知[7]，1998年8月赤水降雨量297.1 mm，赤水河市中段洪水水位231.84 m，受淹780户，房屋2 126间，受灾人口2 850人，受灾面积4 650 m2，15个企业遭受损失，带入公式(1)计算可得如下结果。

表2 历史数据检验Tab.2 Historical data check

由于表2计算时采用历史数据差值，非实际过程降雨量，故水位计算结果比实际记录偏高1.21m，较为接近。

4 习水河降水与水位关系分析

根据前文赤水河降水与水位关系分析方法，开展习水河降水与水位关系分析。

由于习水河干流原石笋水文站实测流量资料系列为1959—1961年，时间短,代表性差,故直接引用石笋水文站资料不能满足要求。选用流域面积与习水河流域相近的桐梓水文站为参证水文站。根据桐梓水文站的径流资料，按习水河流域面积与桐梓站控制面积的倍比，将控制站的径流系列放大得到习水河年月径流系列[8]。

按照上文赤水河暴雨洪水计算方法，计算出暴雨水位值，结果如表3：

表3 习水河暴雨—水位计算结果Tab.3 Calculation results of storm water level in Xishui River

表3计算结果表明，习水降水达到50 mm时，习水河水位最高为5月395.59 m，由于二郎坝水文站历史水位极差为6.5 m，故习水河水位变化率为17.32%，各月平均变化率16.53%；习水降水达到100 mm时，习水河水位变化率最高为7月51.23%，各月平均变化率40.03%；习水降水达到150 mm时，习水河水位变化率最高为5月75.48%，各月平均变化率67.23%；习水降水达到200mm时，习水河水位变化率最高为5月95.90%，各月平均变化率87.65%。

5 结论

①赤水河水文、气象数据较完整，建立公式偏差小，可作为实际暴雨—洪水预测预报的参考。

②赤水9月出现暴雨过程对赤水河水位影响最大；赤水24 h降水达到50 mm时，赤水河水位正常；赤水24 h降水达到100 mm时，赤水河水位将超过警戒水位，其中9月超过危急水位；赤水24 h降水达到150 mm时，赤水河水位超过危急水位。

③习水河由于缺乏水文数据，建立公式偏差较大，预警准确度偏低，提升习水河暴雨—洪水预警准确率需要对习水河水文资料开展收集，从而修正偏差值。

④由于本文采用定量计算，故在实际应用过程中需根据降雨持续时间及强度变化情况开展修订，以接近实际情况。

[1] 姚正兰,谢和林,宋芳.遵义市暴雨气候特征分析[J].贵州气象,2017,41(2):14-19.

[2] 刘志雨,杨大文,胡健伟.基于动态临界雨量的中小河流山洪预警方法及其应用[J].北京师范大学学报(自然科学版),2010,46(3):317-321.

[3] 何艳虎，林凯荣.近期气候变化对东江流域水资源的影响研究[J].中国农村水利水电，2011,(6):7-10.

[4] 罗喜平,周明飞,汪超.贵州省冬季地表(0cm)温度预报探讨[J].贵州气象,2016,40(4):1-5.

[5] 李勇,刘寿东,李登文，等.气象水文藕合预报模式预警洪涝一以湄潭县河流为例[J].气象科学，2007,27(12):115-120.

[6] 周筱兰,张礼平,王仁乔,等.应用最优化订正法制作长江上游面雨量预报[J].气象,2003,29(3):31-33.

[7] 朱定真,陈玉石,王清楼等.汛期长江中下游降雨量与下游水位增幅的预测[J].气象科学,2002,22(3):352-356.

[8] 郭良,唐学哲,孔凡哲.基于分布式水文模型的山洪灾害预警预报系统研究及其应用[J].中国水利,2007,(14):23.

StudyontheinfluenceoftheChishuiRiver,XishuiRiverBasinPrecipitationonWaterLevel

REN Qingfeng，XIE Huiyu，ZHANG Dongping，WENG Ling

(Chishui Meteorological Bureau of Guizhou Province， Chishui 564700， China)

This paper uses the Chishui River, Xishui river flow, rainfall, runoff, water level data, establishes the calculation formula of the Chishui River, Xishui River storm - water level, provides the decision-making basis for the small watershed of Chishui city flood disaster prevention work: rainstorm occurred in Chishui in September, the greatest impact on the Chishui River; Chishui 24h precipitation at 50mm the Chishui river was normal; Chishui 24h precipitation reaches 100mm, the Chishui river water level will exceed the warning level, which in September exceeded the critical water level; Chishui 24h precipitation reaches 150mm, the Chishui river water level exceeds the critical level. Xishui river due to the lack of hydrological data, establish the formula of large deviations, early warning accuracy is low, Xishui River storm flood warning and improve accuracy of Xishui river hydrological data need to be collected to carry out, to correct the deviation.

Chishui River; Xishui River; rainstorm; water level

1003-6598(2017)05-0058-04

2017-02-21

任青峰(1989-)，男，助工，主要从事天气预报服务工作，Email:jesusr@163.com。

贵州省气象局青年基金项目(QN[2015]12号)资助：赤水河、习水河上游降水对下游水位影响的预警机制。

P426.61+3

B