新暴雨形勢下上海市設計暴雨雨型研究

蔣 明

(1. 上海市城市建設設計研究總院, 上海 200125; 2. 上海市城市雨洪管理工程技術研究中心, 上海 200125)

新暴雨形勢下上海市設計暴雨雨型研究

蔣 明1,2

(1. 上海市城市建設設計研究總院, 上海 200125; 2. 上海市城市雨洪管理工程技術研究中心, 上海 200125)

雨型是描述降雨過程的概念, 是降雨強度在時間尺度上的分配過程, 是獲取雨水徑流過程線的基礎. 設計暴雨雨型是當?shù)卦诖罅勘┯曩Y料統(tǒng)計規(guī)律基礎上選定的最有代表性的雨型. 本研究利用上海市多年(1985～2012)降雨資料, 建立了具有典型性、代表性的上海市設計暴雨雨型.

設計暴雨雨型; 芝加哥雨型; Pilgrim和Cordery法雨型

隨著排水系統(tǒng)匯水流域面積逐步擴大, 以及雨水調(diào)蓄設施的廣泛應用, 單一采用推理公式法已不能滿足實際工程設計需求, 而計算機數(shù)學模型在排水設施規(guī)劃設計中的應用則日趨廣泛. 數(shù)學模型法是基于流量過程線的設計方法, 暴雨強度公式是對最強時段降雨量規(guī)律的表達, 無法反應降雨強度隨時間的變化過程. 因此, 研究降雨強度在時間尺度上的變化特征, 即雨型, 是獲取雨水徑流過程線的基礎. 雨型推求同暴雨強度公式編制一樣具有重要的實用價值和意義. 然而上海市還沒有統(tǒng)一的設計雨型, 不利于上海市雨水調(diào)蓄工程規(guī)劃設計、排水防澇評價等方面工作的開展. 因此有必要針對上海市的設計雨型進行研究和標準化.

不同的雨型會導致降雨徑流的計算結果產(chǎn)生明顯的差異. 因此, 雨型應基于大量暴雨資料的統(tǒng)計獲得, 具有典型性和代表性, 能反映絕大多數(shù)情況下的暴雨強度變化過程[1]. 不同的國家和地區(qū)推求雨型的方法不盡相同. 本次工作將基于上海市的實際需求, 結合已有的研究和應用經(jīng)驗, 推求符合上海市暴雨特征的短歷時設計雨型.

1 短歷時設計雨型推求方法

短歷時暴雨雨型研究工作在國內(nèi)開展較少. 在國內(nèi)外雨型應用中, 不同地區(qū)也會根據(jù)實際情況選擇不同的推求方法. 芝加哥法雨型作為典型的模式雨型, 是在暴雨強度公式的基礎上推得, 通過統(tǒng)計綜合雨峰位置系數(shù)即可計算得到雨型, 在實際工程應用中較為方便. Pilgrim和Cordery法雨型作為統(tǒng)計雨型的典型代表, 是建立在大量降雨過程統(tǒng)計分析的基礎上的, 對降雨資料的依賴程度較強, 推導過程相對復雜,但更能反映實際的降雨特征.

由于本課題組已掌握相對完備的上海市降雨基礎數(shù)據(jù), 同時結合以往的研究和應用經(jīng)驗, 將采用芝加哥法與Pilgrim和Cordery法推求上海市短歷時設計雨型.

1.1 芝加哥法雨型

芝加哥法雨型與復合雨型相當, 均為一定重現(xiàn)期下不同歷時最大雨強復合而成. 雨型的確定同樣基于特定重現(xiàn)期下的IDF關系曲線. 芝加哥法雨型確定包括綜合雨峰位置系數(shù)確定及芝加哥降雨過程線模型確定, 具體流程如下:

(1) 將各降雨歷時的逐年最大降雨過程樣本, 以5min為間隔進行分段, 統(tǒng)計降雨過程的雨峰位置系數(shù)

其中ri為雨峰位置系數(shù),ti為降雨峰值時刻,Ti為降雨歷時.

(2) 先將歷時相同的逐年最大降雨樣本的雨峰位置系數(shù)進行算術平均, 再將各歷時的雨峰位置系數(shù)按照各歷時的長度進行加權平均, 求出綜合雨峰位置系數(shù)r.

(3) 根據(jù)綜合雨峰位置系數(shù)r, 設計暴雨重現(xiàn)期(P)、設計降雨歷時(t), 代入根據(jù)暴雨強度公式導出的芝加哥法雨型公式, 計算出雨峰前后瞬時降雨強度及各個時段內(nèi)的平均降雨強度, 最終確定出對應一定重現(xiàn)期及降雨歷時的芝加哥法雨型.

芝加哥法雨型以統(tǒng)計的暴雨強度公式為基礎設計典型降雨過程. 通過引入雨峰位置系數(shù)r來描述暴雨峰值發(fā)生的時刻, 將降雨歷時時間序列分為峰前和峰后兩個部分.

令峰前的瞬時強度為i(tb), 相應的歷時為tb, 峰后的瞬時強度為i(ta), 相應歷時為ta. 取一定重現(xiàn)期下暴雨強度公式為, 雨峰前后瞬時降雨強度可由下式計算:

其中A、b、n為一定重現(xiàn)期下暴雨強度公式中的參數(shù),r為綜合雨峰位置系數(shù), 是根據(jù)每場降雨不同歷時峰值時刻與整個歷時的比值而加權平均確定的,r位于0～1之間.

在求出綜合雨峰位置系數(shù)r之后, 可利用公式(2)、(3)計算芝加哥合成暴雨過程線各時段(以5min計)的累積降雨量及各時段的平均降雨量, 進而得到每個時段內(nèi)的平均降雨強度, 最終確定出對應一定重現(xiàn)期及降雨歷時的芝加哥法雨型[2,3].

1.2 Pilgrim和Cordery法雨型

Pilgrim和Cordery法雨型推求主要包括按暴雨量大小各時段排序序位號的確定及按暴雨量大小各時段雨量比例序位的確定, 具體流程如下:

(1) 對規(guī)定的各降雨歷時, 以5min為間隔將各場降雨樣本進行分段, 計算各分段降雨量占該降雨歷時內(nèi)總雨量的百分比, 并按各分段的雨量(或百分比值)大小降序排序, 大值對應小序位號.

(2) 對選定的降雨歷時, 計算多場降雨樣本的各序位號雨量百分比的均值, 確定Pilgrim和Cordery設計雨型各序位號的雨量比例.

(3) 計算多場降雨樣本的各分段的序位號的均值, 用以確定Pilgrim和Cordery設計雨型各分段的序位.

(4) 將各序位的雨量比例與各分段的序位一一對應, 即可得到Pilgrim和Cordery設計雨型的時程分配比例.

(5) 利用暴雨強度公式計算得到一定重現(xiàn)期及降雨歷時的降雨總量, 結合時程分配比例即可推求出Pilgrim和Cordery法雨型[4].

2 上海市短歷時設計暴雨雨型推求

2.1 雨型統(tǒng)計樣本選取

本研究采用上海市徐家匯氣象站1985～2012年分鐘降雨數(shù)據(jù)進行短歷時雨型推求. 同時, 對于城市化地區(qū)排水系統(tǒng), 考慮其匯流時間通常不超過2h, 因此本次短歷時設計雨型采用120min雨型.

根據(jù)雨型樣本選取方法, 將分鐘降雨數(shù)據(jù)劃分為獨立的降雨場次, 場次降雨間隔以120min降雨量≤2.0mm為界定指標. 從各降雨場次中滑動選取最大的120min降雨過程, 每年選取雨量最大的6～8場120min降雨過程. 將28年的樣本由大至小排序, 選取資料年限的4倍樣本數(shù), 共計112場作為雨型統(tǒng)計樣本.

2.2 芝加哥設計雨型

國內(nèi)外大量統(tǒng)計資料表明[2], 暴雨過程的雨峰位置多半在降雨總歷時的前三分之一左右(表1). 暴雨強度過程的形態(tài), 是先小、繼大, 最后又小的過程. 上海市城市建設設計研究總院和同濟大學在2006年對上海市短歷時雨型曾做過研究, 采用1985～2004年共20年連續(xù)降雨資料, 統(tǒng)計得到120min設計雨型雨峰位置系數(shù)為0.399.

表1 國內(nèi)外雨峰位置系數(shù)r統(tǒng)計結果

本次采用1985～2012年共28年的分鐘連續(xù)降雨數(shù)據(jù), 對120min雨型的雨峰位置系數(shù)進行了統(tǒng)計分析,得到120min芝加哥雨型的雨峰系數(shù)r=0.405.

芝加哥設計雨型主要是推求雨峰位置, 雨峰位置確定后, 便可采用暴雨強度公式的相關參數(shù), 利用上海市暴雨強度公式計算得到不同重現(xiàn)期下120min設計雨型各時段的雨量及平均強度見表2.

表2 各重現(xiàn)期下120min雨型各時段雨量與強度

65 43.64 3.19 48.833.57 55.364.05 64.21 4.70 70 46.18 2.53 51.662.83 58.573.21 67.94 3.73 75 48.30 2.12 54.032.37 61.262.69 71.06 3.12 80 50.14 1.84 56.092.06 63.592.34 73.77 2.71 85 51.78 1.64 57.921.83 65.672.07 76.18 2.41 90 53.25 1.48 59.581.65 67.541.87 78.35 2.17 95 54.61 1.35 61.091.51 69.261.72 80.34 1.99 100 55.86 1.25 62.491.40 70.841.59 82.18 1.84 105 57.02 1.17 63.791.30 72.321.48 83.89 1.71 110 58.11 1.09 65.011.22 73.711.39 85.50 1.61 115 59.14 1.03 66.171.15 75.011.31 87.02 1.52 120 60.12 0.98 67.261.09 76.251.24 88.46 1.44 H60max 45.70 / 51.15/ 58.00/ 67.25 /

以5年一遇120min設計雨型為例, 降雨總量為76.23mm, 雨峰位于50min(雨峰系數(shù)r=0.405), 峰值時段的降雨量為13.87mm/5min. 降雨過程中降雨量最大1h時段位于30～85min, 累積降雨量為57.99mm, 結果如圖1所示.

圖1 5年一遇120min芝加哥法雨型

2.3 Pilgrim和Cordery設計雨型

采用1.2節(jié)所述方法, 推求上海市120min短歷時雨型. 根據(jù)統(tǒng)計結果, 120min雨型雨峰位置位于55min左右, 各時段雨量分配比例見表3.

表3 120min Pilgrim和Cordery雨型雨量分配表

采用上海市暴雨強度公式計算得到各重現(xiàn)期下120min降雨總量, 代入表3即可得到不同重現(xiàn)期下120min設計雨型. 以5年一遇120min為例, 降雨總量為76.23mm, 雨峰位于55min, 峰值降雨量為13.40mm/5min. 降雨過程中降雨量最大1h時段位于15～70min, 最大一小時累積降雨量為65.35mm, 如圖2所示.

圖2 5年一遇120min Pilgrim和Cordery法雨型

3 短歷時雨型應用性分析

1) 計算機數(shù)學模型

推理公式法作為排水系統(tǒng)的傳統(tǒng)計算方法, 具有一定的適用范圍, 對于面積較大的排水系統(tǒng), 會產(chǎn)生較大的計算誤差. 發(fā)達國家已普遍采用數(shù)學模型進行管網(wǎng)徑流量計算, 根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006)(2014年版)要求, 當匯水面積超過2km2時, 宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程, 采用數(shù)學模型法計算雨水設計流量.

排水系統(tǒng)計算機數(shù)學模型通常由降雨模型、產(chǎn)流模型、匯流模型、管網(wǎng)水動力模型等一系列模型組成, 涵蓋了排水系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié). 數(shù)學模型可以考慮同一降雨事件中降雨強度在不同時間和空間的分布情況, 因而可以更加準確地反映地表徑流的產(chǎn)生過程和徑流流量.

降雨模型作為計算機數(shù)學模型的輸入邊界條件, 是徑流過程計算的基礎. 降雨模型主要由設計雨型構成. 因此, 必須根據(jù)上海市的實際降雨特征, 推求短歷時設計雨型, 才能保障模型計算結果的準確性和可靠性.

2) 雨水調(diào)蓄設施

雨水調(diào)蓄設施從功能上可分為兩大類, 一類是以調(diào)節(jié)洪峰流量為目的的超標徑流調(diào)蓄設施, 另一類是以控制面源污染為目的的初期雨水調(diào)蓄設施. 由于功能目標不同, 兩種類型的調(diào)蓄設施的設計方法也有所差異. 為保證雨水調(diào)蓄設施設計方案的合理性,不僅需要通過理論方法計算確定其設計規(guī)模, 同時還需要采用設計降雨過程線及設計流量過程線對設計方案進行校核和優(yōu)化, 通過對降雨徑流過程進行質(zhì)和量的準確模擬, 驗證設計方案的合理性.

圖3 雨水調(diào)蓄設施設計暴雨雨型應用

①初期雨水調(diào)蓄, 基于低重現(xiàn)期設計雨型, 合理確定調(diào)蓄設施的入流量和調(diào)蓄容積, 從而截流調(diào)蓄降雨初期一定降雨量當量的雨水. ② 超標徑流調(diào)蓄, 基于高重現(xiàn)期設計雨型, 確定超標時段以及超標徑流流量, 從而確定調(diào)蓄設施的容積和入流量.

4 結論

(1) 本文采用徐家匯氣象站1985～2012年分鐘降雨數(shù)據(jù), 共選取112場120min降雨過程樣本, 采用芝加哥法、Pilgrim和Cordery法推求短歷時設計雨型.

(2) 推薦采用芝加哥設計雨型作為上海市短歷時設計雨型. 120min雨型雨峰位置系數(shù)r=0.405, 可結合暴雨強度公式計算的得到相應設計雨型.

(3) 可采用Pilgrim和Cordery法雨型作為運行管理的參考. 120min Pilgrim和Cordery設計雨型, 雨峰位于55min, 雨峰時段雨量占120min總雨量的17.57%.

(4) 短歷時雨型可用于排水系統(tǒng)計算機數(shù)學模型或調(diào)蓄設施的設計評估.

[1] 岑國平, 沈 晉, 范榮生. 城市設計暴雨雨型研究[J]. 水科學進展, 1998, 9(1): 41～46

[2] 寧 靜. 上海市短歷時暴雨強度公式與設計雨型研究[D] . 上海: 同濟大學碩士學位論文, 2006

[3] 周玉文, 趙宏賓. 排水管網(wǎng)理論與計算[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2000

[4] 牟金磊. 北京市設計暴雨雨型分析[D]. 蘭州: 蘭州交通大學碩士學位論文, 2011

Study of Shanghai Design Rainstorm Profile Under the New Rainstorm Situation

JIANG Ming1,2
(1. Shanghai Urban Construction Design & Research Institute, Shanghai 200125, China; 2. Shanghai Engineering Research Center of Municipal Stormwater Management, Shanghai 200125, China)

Rainfall pattern is a conception that describes rainfall process, and it is a rainfall intensity allocation process under time scales, and it is the basis on obtaining storm water runoff hydrograph. Design rainstorm profile is the most typical Rainfall pattern that was from the statistical regularities on the basis of large amount of local rainfall data. In this study, on the basis of many years (1985～2012) rainfall data of Shanghai, the recommended, typical and representative Shanghai Design Rainstorm Profile was presented.

design rainstorm profile; Chicago hyetograph; Pilgrim & Cordery method

TU992; P333

A

1672-5298(2015)02-0069-05

2015-05-10

國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項(城市雨水徑流綜合管控平臺與輔助決策系統(tǒng)研究與示范, 2013ZX07304-003)

蔣 明(1979? ), 男, 湖南祁陽人, 博士, 工程師. 主要研究方向: 水處理技術及城市雨洪管理