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水 利 学 报

2022年5月 SHUILI XUEBAO 第 53卷 第5期

文章编号：0559-9350（2022）05-0560-14

降雨时空分布量化及其在洪水过程分类中的应用

郑彦辰 ，李建柱 ，荣佑同 ，杜 勇 ，冯 平 1
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（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072：
2. University of Bristol，School of Geographical Sciences，Bristol，UK，BS8 1SS）
摘要：洪水过程是水利工程运行管理、防洪调度决策的重要依据，降雨的空间分布和降雨雨型是影响洪水过程形
成的主要驱动因素。本文旨在采用描述降雨时空分布的量化指标，分析降雨时空分布特征与洪水过程的联系，探
索量化指标在洪水过程分类中的应用。基于大清河流域北支紫荆关和南支阜平流域 68 场降雨洪水资料，计算了
降雨一、二阶空间矩和一、二阶时间矩，分析了降雨时空分布特征对洪水过程线形状的影响，依据降雨时空特征
信息采用 K-medoids聚类分析法对洪水分类。结果表明：采用的降雨时空分布量化指标能够准确刻画两个流域的
降雨中心空间分布和降雨雨峰时间分布。基于降雨时空特征指标的洪水聚类分析得到的不同洪水类型特征显著，
两个流域的洪水主要有 3种代表性类型，即尖瘦型、多洪峰长历时型和矮胖型洪水过程。研究结果验证了仅将降
雨时空分布特征作为洪水分类依据的可行性，展示了其应用于流域洪水过程分类的潜力，降低了传统洪水过程分
类方法对洪水数据的依赖性。本研究可为分析流域洪水形成过程的驱动因素、预测无资料流域洪水类型及揭示流
域产汇流机理等提供科学依据。
关键词：降雨时空分布；降雨时空分布量化指标；洪水过程；聚类分析；洪水分类
中图分类号： TV125 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210821

1 研究背景

全球气候变暖引发的极端降雨事件愈发频繁，加剧了洪涝灾害的紧张局势，防洪减灾是保障人
民生命财产安全的重要举措。洪水过程线是反映洪水过程的重要特性之一，是影响水库运行调度措
［1］
施的重要因素 ，但现有的洪水成因分析多以洪峰、洪量和洪水历时为研究对象，较少考虑洪水过
［2］
程。降雨作为洪水形成的主要诱因，在时间或空间上均为高度非均匀的过程 ，其时空分布特征决
定着洪水的形成过程 ［3-5］ ，进而影响了峰现时刻和洪水过程线的形状。因此，研究降雨时空分布特征
及其对洪水过程的影响，对构建河流洪水灾害防御体系和洪水预报预警机制等防洪减灾措施具有重
要意义 ［6-7］ 。
［4］
降雨中心的位置是表征降雨空间分布特征的指标之一。罗倩等 采用 HEC-HMS模型模拟了降雨
中心从上游向下游转移时，临界雨量逐渐减小，表明当降雨中心位于流域下游时，洪水过程更快且
更容易发生，需提前发布洪水预警信息。降雨在时程上的分布特征同样会影响径流的形成过程。
［3］
朱奎等 通过人工模拟降雨径流试验表明，当降雨总量和历时保持不变时，后峰型降雨会比前峰型
降雨多产生约四分之一的径流，并且不同雨型的降雨对径流峰现时间也有影响。在现有研究中，能够
定量描述场次降雨时空分布的指标较少。在研究降雨时程分布对洪水形成的影响时，多采用典型或设
［8］
［9］
计暴雨的雨型 。常用的量化降雨空间分布的指标，如不均匀系数、变差系数和降雨极值的比例 等，
收稿日期：2021-09-06；网络首发时间：2022-04-26
网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220425.1037.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（52079086，51779165）
作者简介：郑彦辰（1994-），博士生，主要从事水文与水资源研究。E-mail：yanchenzheng@tju.edu.cn
通讯作者：冯平（1964-），博士，教授，主要从事水文与水资源研究。E-mail：fengping@tju.edu.cn
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