基于排水防澇規(guī)劃的短歷時暴雨雨型分析

陳 青 李 明

(湖北省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430071)

基于排水防澇規(guī)劃的短歷時暴雨雨型分析

陳 青 李 明

(湖北省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430071)

基于歷史降雨記錄資料，采用數(shù)理分析方法，科學(xué)表達(dá)城市暴雨特征，是建立完善的城市排水防澇系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)性工作。針對湖北省宜都市城市排水防澇系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計，統(tǒng)計每場降雨過程的雨峰位置系數(shù)，加權(quán)平均得到綜合雨峰位置系數(shù)，采用P&C分析法及芝加哥法確定短歷時暴雨雨型，為城市排水防澇系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計提供了有力支撐，可為城市雨水徑流控制與資源化利用提供參考。

暴雨雨型； P&C雨型分析； 雨峰位置系數(shù)； 芝加哥雨型

由于全球氣候變化的不斷加劇，加之受城市化效應(yīng)影響，城市市區(qū)中心短歷時高強度局地性暴雨的發(fā)生概率和降雨強度大大增加，極端洪澇災(zāi)害頻發(fā)，影響范圍也逐漸擴大，城市內(nèi)澇災(zāi)害已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的主要障礙之一[1]。因此，設(shè)計典型的能夠有效反映地區(qū)降雨特征的短歷時暴雨雨型在城市排水防澇系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計中顯得尤為重要[2]。

市政雨水管渠一般采用恒定均勻流推理公式計算雨水設(shè)計流量?！妒彝馀潘O(shè)計規(guī)范》中提出，當(dāng)匯水面積超過2 km2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(xué)模型法計算雨水設(shè)計流量[3]。設(shè)計暴雨過程即雨型，是科學(xué)、合理地規(guī)劃設(shè)計城市排水防澇系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

本文以湖北省宜都市城區(qū)排水(雨水)防澇專項規(guī)劃編制為例，收集降雨過程資料，統(tǒng)計降雨特性參數(shù)，采用P&C(Pilgrim&Cordery)統(tǒng)計分析法和芝加哥降雨模型法確定宜都市城區(qū)短歷時暴雨雨型，為采用DHI MIKE軟件進(jìn)行城市現(xiàn)狀排水防澇系統(tǒng)能力評估、內(nèi)澇風(fēng)險評估與區(qū)劃提供技術(shù)支撐，以期為排水防澇系統(tǒng)的規(guī)劃、低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的設(shè)計等提供參考。

1 降雨資料

采用宜都市國家基本氣象站1959～2012年共54 a的逐分鐘雨量數(shù)據(jù)為降雨原始資料，其中，2001～2012年降雨資料為現(xiàn)代自動氣象站自動記錄的逐分鐘雨量數(shù)據(jù)[4]。從逐年雨量資料中每年挑選5，10，15，20，30，45，60，90，120，150 min和180 min共11個降雨歷時的最大值作為原始數(shù)據(jù)，采用“年最大值法”推求暴雨強度公式。

2 短歷時暴雨雨型分析

2.1 P&C法推求雨型

P&C法是一種無級序平均法推求設(shè)計暴雨雨型，把雨峰時段定位在出現(xiàn)可能性最大的位置上，而雨峰時段在總雨量中的比例取各場降雨雨峰所占比例的平均值，其他各時段的位置和比例用同樣方法確定[5]。該項目采用將參與某一歷時降雨過程分析的降雨過程因子進(jìn)行歸一化處理的方法，即將參與分析的降雨過程因子的自身過程進(jìn)行歸一，根據(jù)降雨過程分析的需要，將每個降雨過程因子按照自身的降雨歷時均勻的進(jìn)行n等分。這種做法保證了每個參與分析的降雨過程因子自身的完整性，不會破壞降雨過程因子的結(jié)構(gòu)。具體流程如圖1所示。

圖1 P&C法雨型的確定流程

采用30，60，90，120，150 min和180 min共6個降雨歷時的降雨資料為樣本。針對已選的每場降雨，將各時段雨量按從大到小的順序來確定各時段的序號，大雨量對應(yīng)小序號，將每個對應(yīng)時段的序號取平均值，取值按從小到大分別確定為雨強由大到小的順序。依據(jù)每一時段的各場次降雨量與總雨量的比值，取每個對應(yīng)時段的比值的平均值，作為最終的分配比例[6]。該項目采用“年最大值法”確定短歷時暴雨雨型，同時也采用“年多個樣法”進(jìn)行對比分析。利用P&C法推求的短歷時設(shè)計暴雨雨型各時段級序分配比例見圖2～3。

在得到短歷時的雨型分配比例之后，只要給定相應(yīng)重現(xiàn)期下各降雨歷時的降雨量，即可得到相應(yīng)重現(xiàn)期下降雨時程分配[7]。

2.2 芝加哥法推求雨型

芝加哥法雨型的確定基于特定重現(xiàn)期下的IDF關(guān)系曲線。包括綜合雨峰位置系數(shù)及芝加哥降雨過程線模型的確定[8]。

2.2.1 雨峰位置系數(shù)

采用各降雨歷時的逐年最大降雨過程為樣本，以5 min為間隔進(jìn)行分段，統(tǒng)計降雨過程的雨峰位置系數(shù)。將歷時相同的逐年最大降雨樣本的雨峰位置系數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，再將各歷時的雨峰位置系數(shù)按照各歷時的長度進(jìn)行加權(quán)平均，求出綜合雨峰位置系數(shù)r，見表1。

ri=ti/Ti

(1)

式中，ri為雨峰位置系數(shù)；ti為降雨峰值時刻，min；Ti為降雨歷時，min。

圖2 P&C法推求短歷時暴雨雨型分配(“年最大值法”)

表1 綜合雨峰位置系數(shù)r的確立

圖3 P&C法推求短歷時暴雨雨型分配(“年多個樣法”)

2.2.2 芝加哥降雨過程線

芝加哥法雨型以統(tǒng)計的暴雨強度公式為基礎(chǔ)設(shè)計典型降雨過程[8]，暴雨強度是排水規(guī)劃、排水管道大小設(shè)計的主要依據(jù)，合理制定某地區(qū)雨強公式，可使設(shè)計工程安全可靠、節(jié)約投資，社會經(jīng)濟效益明顯。設(shè)計暴雨強度公式一般采用下式

(2)

式中，q為平均暴雨強度，mm/min；A1是重現(xiàn)期為1 a時的設(shè)計降雨量，mm；C為雨量變動參數(shù)；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為暴雨歷時，min；b、n為常數(shù)。

令i=167A1(1+ClgP),則得到單一重現(xiàn)期公式

(3)

式中，i為雨力參數(shù)，mm/min；即不同重現(xiàn)期下1 min的設(shè)計降雨量，mm。

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(yīng)的歷時為tb，峰后的瞬時強度為i(ta)，相應(yīng)歷時為ta，則雨峰前后瞬時降雨強度可計算如下：

(4)

(5)

式中，i(tb)、i(ta)為瞬時降雨強度，mm/min;tb為峰前歷時，min;ta為峰后歷時，min;r為綜合雨峰位置系數(shù)；A、b、n為一定重現(xiàn)期下暴雨強度公式中的參數(shù)，均為常數(shù)。

采用“年最大值法”推導(dǎo)的暴雨強度公式見表2。

表2 暴雨強度公式參數(shù)

圖4 芝加哥法推求短歷時暴雨雨型分配(2 a重現(xiàn)期)

利用式(4)、(5)計算芝加哥合成暴雨過程線各時段(以5 min計)的累積降雨量及各時段的平均降雨量，進(jìn)而得到每個時段內(nèi)的平均降雨強度，最終確定出對應(yīng)一定重現(xiàn)期及降雨歷時的芝加哥法雨型。圖4是采用芝加哥雨型得到的2 a重現(xiàn)期下短歷時設(shè)計暴雨雨型分配圖。

3 結(jié) 論

(1) P&C法短歷時暴雨雨型基本呈單峰形，雨強過程通常呈現(xiàn)由小及大轉(zhuǎn)而又小的形式，與芝加哥法雨型基本一致，符合當(dāng)?shù)氐谋┯陮嶋H，希望工程設(shè)計者具體使用時，根據(jù)實際情況綜合考慮兩種方法的計算結(jié)果。

(2) P&C法及芝加哥法短歷時暴雨雨型雨峰位置系數(shù)均靠前，基本處于各降雨歷時的1/3位置，短歷時暴雨發(fā)生后將很快出現(xiàn)雨峰，降雨強度會達(dá)到最大，在低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)設(shè)計中，要綜合考慮徑流峰值流量控制。

(3) “年多個樣法”短歷時暴雨雨型及雨峰位置同“年最大值法”基本一致，建議采用降雨資料短缺城市短歷時暴雨雨型的推求。

[1] 張冬冬，嚴(yán)登華，王義成，等．城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估及綜合應(yīng)對研究進(jìn)展[J]．災(zāi)害學(xué)，2014，29(1):144-149．

[2] 張大偉，趙冬泉，陳吉，等．芝加哥降雨過程線模型在排水系統(tǒng)模擬中的應(yīng)用[J]．給水排水，2008,34(S1)：354-357.

[3] GB50014-2006室外排水設(shè)計規(guī)范(2014年版)[S].

[4] 王伯民,呂勇平,張強.降水自記紙彩色掃描數(shù)字化處理系統(tǒng)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2004，15(6):737-744.

[5] Pilgrim D H，Cordery I.Rainfall temporal patterns for design floods[J].Journal of the Hydraulics Division,ASCE,1975,101(1):81-95.

[6] 牟金磊．北京市設(shè)計暴雨雨型分析[D]．蘭州:蘭州交通大學(xué)，2011．

[7] 李晶，劉志生，薛喜，等.長春市降雨特征及雨型分析研究[J]．中國給水排水，2015，31(5)：100-104.

[8] 城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則[S].

(編輯：唐湘茜)

2017-03-20

陳青，男，湖北省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，工程師，碩士.

1006-0081(2017)05-0038-03

P333.2

A