彭水縣縣城設(shè)計(jì)暴雨雨型分析

代建君 豆俊川 余燃 張玉坤 左斌

摘 要：2015年彭水縣氣象局根據(jù)本地實(shí)際需要對(duì)彭水縣暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行了推求，但在城市排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)暴雨雨型也起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)總雨量確定后，根據(jù)不同的雨型可計(jì)算出完全不同的洪峰流量和洪水過程線，對(duì)城市排水管網(wǎng)管徑計(jì)算和調(diào)洪計(jì)算有重要影響。該文利用1961～2015年彭水縣國家地面氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)作為樣本，采用《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006，2014 版）和《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定的方法取樣，對(duì)Pilgrim&Cordery法、芝加哥雨型法、同頻率分析法進(jìn)行比較分析，得出了彭水縣城較為合理的設(shè)計(jì)暴雨雨型。

關(guān)鍵詞：暴雨雨型

雨型是描述降雨過程的概念，是指降雨強(qiáng)度在時(shí)間上的分配過程。設(shè)計(jì)雨型是指設(shè)計(jì)暴雨的降雨強(qiáng)度過程，它是大量實(shí)測(cè)暴雨雨型的綜合，能夠代表大多數(shù)暴雨雨型的平均情況。在城市排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)暴雨雨型和暴雨強(qiáng)度一樣起著至關(guān)重要的作用，在設(shè)計(jì)總雨量確定后，根據(jù)不同的雨型可計(jì)算出完全不同的洪峰流量和洪水過程線，對(duì)城市排水管網(wǎng)管徑計(jì)算和調(diào)洪計(jì)算有重要影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，在匯流歷時(shí)內(nèi)平均雨強(qiáng)相同的條件下，雨峰在中部或后部的三角形雨型比均勻雨強(qiáng)的洪峰大 30%以上。暴雨雨型不僅在城市排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)洪管理中起到重要作用，而且對(duì)降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)方面也具有重要意義，也可為室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考意義。該文按相關(guān)規(guī)范要求，利用彭水氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料對(duì)Pilgrim&Cordery法、芝加哥雨型法、同頻率分析法進(jìn)行分析比較，得出合理的彭水縣城設(shè)計(jì)暴雨雨型分布。

1 設(shè)計(jì)暴雨雨型編制基礎(chǔ)

1.1 設(shè)計(jì)暴雨雨型編制依據(jù)

彭水縣縣城設(shè)計(jì)暴雨雨型分析的主要依據(jù)有：《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006，2014 版）和《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》（住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國氣象局2014年4月發(fā)布），以下簡(jiǎn)稱規(guī)范和導(dǎo)則。

規(guī)范（GB50014-2006，2014 版）要求設(shè)計(jì)暴雨量可按城市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，設(shè)計(jì)暴雨過程（即雨型）可按以下三種方法確定：1）設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)模型。結(jié)合編制城市暴雨強(qiáng)度公式的采樣過程，收集降雨過程資料和雨峰位置，根據(jù)常用重現(xiàn)期部分的降雨資料，采用統(tǒng)計(jì)分析方法確定設(shè)計(jì)降雨過程。

2）芝加哥降雨模型。根據(jù)自記雨量資料統(tǒng)計(jì)分析城市暴雨強(qiáng)度公式，同時(shí)采集雨峰位置系數(shù)，雨峰位置系數(shù)取值為降雨雨峰位置除以降雨總歷時(shí)。

3）當(dāng)?shù)厮块T推薦的降雨模型。采用當(dāng)?shù)厮块T推薦的設(shè)計(jì)降雨雨型資料，必要時(shí)需做適當(dāng)修正，并摒棄超過 24h 的長歷時(shí)降雨。

導(dǎo)則規(guī)定了暴雨強(qiáng)度公式編制和暴雨雨型確定的基本要求，適用于各地編制城市暴雨強(qiáng)度公式和確定設(shè)計(jì)暴雨雨型。導(dǎo)則指出：

1）短歷時(shí)暴雨雨型資料站點(diǎn)宜與暴雨強(qiáng)度公式站點(diǎn)一致。

2）短歷時(shí)暴雨雨型的確定可根據(jù)本地條件和需要，研究確定設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)模型。暫推薦采用芝加哥法確定短歷時(shí)暴雨雨型。

1.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

彭水縣縣城設(shè)計(jì)暴雨雨型所使用樣本數(shù)據(jù)為1961～2015年彭水縣國家地面氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)。氣象觀測(cè)資料完整，年代較長，所用資料年限內(nèi)無遷站記錄。降水量是常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目，儀器設(shè)備和資料整理等均符合國家規(guī)范。

2 設(shè)計(jì)暴雨過程推求

2.17種雨型

天然降雨過程千變?nèi)f化，前蘇聯(lián)包高馬佐娃（1956）通過對(duì)大量降雨過程的分析，將降雨歸納成 7 種雨型（圖 1）。7 種雨型中，第 1、2、3 種為單峰雨型，峰值分別在前、后和中部，第 4種為大致分布均勻雨型，第 5、6、7 種為雙峰雨型。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨過程推求方法

推求設(shè)計(jì)暴雨過程的方法有很多，常用的方法有 Pilgrim 和 Cordery 法、同頻率分析法、芝加哥雨型法等。室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50014-2006，2014 版）和導(dǎo)則推薦用芝加哥雨型法推求短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過程。芝加哥雨型是根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式推導(dǎo)得出，是暴雨強(qiáng)度公式的再分布。下面對(duì)這三種方法的原理和具體推求步驟作簡(jiǎn)介。

2.2.1 Pilgrim & Cordery 法原理

Pilgrim& Cordery 方法把雨峰時(shí)段放在出現(xiàn)可能性最大的位置上，而雨峰時(shí)段在總雨量中的比例取各場(chǎng)降雨雨峰所占比例的平均值，其它各時(shí)段的位置和比例也用同樣方法確定。具體步驟如下：

A. 選取一定歷時(shí)的大雨的樣本。選出降雨量最大的多場(chǎng)降雨事件，場(chǎng)次愈多統(tǒng)計(jì)意義愈明顯。

B. 將歷時(shí)分為若干時(shí)段，時(shí)段長短取決于所期望的時(shí)程分布時(shí)間步長，一般越小越好。如推求 5 分鐘時(shí)段 180 分鐘設(shè)計(jì)暴雨雨型，將步驟 1 中選取的歷時(shí)約 180 分鐘的降雨場(chǎng)次分為 36 段；

C. 選取的每場(chǎng)降雨，根據(jù)各時(shí)段雨量由大到小確定各時(shí)段序號(hào)，大雨量對(duì)應(yīng)小號(hào)，將每個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)段的序號(hào)取平均值，取值由小到大分別確定為雨強(qiáng)由大到小的順序（圖 2-1 中（8）-（11）列）；

D.計(jì)算每個(gè)時(shí)段各次降雨量與總雨量的百分比，取各時(shí)段平均百分?jǐn)?shù)（圖中（12）-（15）列）；

E. 以第三步所確定的最大可能次序和第四步中確定的分配比例安排時(shí)段，構(gòu)成雨量過程線。（數(shù)據(jù)來源：Pilgrim & Cordery 1975）。

2.2.2 同頻率分析法

同頻率分析法，又稱“長包短”，特點(diǎn)是在同一重現(xiàn)期水平下，按照出現(xiàn)次數(shù)最多的情況確定時(shí)間序位，以均值確定各時(shí)段雨量的比例。例如以 5 分鐘間隔推求 15 分鐘的降雨分配，其步驟如下：

A. 從年系列雨量資料中摘取出 5 分鐘、15 分鐘最大降雨過程，并統(tǒng)計(jì) 5 分鐘、15 分鐘的時(shí)段雨量；

B. 統(tǒng)計(jì)出的時(shí)段雨量進(jìn)行排頻計(jì)算得出重現(xiàn)期下的 5 分鐘、15 分鐘時(shí)段雨量；

C. 將 15 分鐘暴雨過程分為 P1、P2、P3 三段，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期下最大 15 分鐘暴雨中最大 5 分鐘暴雨出現(xiàn)頻率最多的位置（見圖 2-2），6 場(chǎng) 15 分鐘時(shí)段，最大 5 分鐘發(fā)生在 P1 段有 3 場(chǎng) 4、5、6 場(chǎng)；

D.剩余兩部分 P2、P3 按照多場(chǎng)實(shí)測(cè)典型降雨過程計(jì)算均值，以均值確定兩者分配比例（H15-H5）。

E.將對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期下的 15 分鐘和 5 分鐘降雨代入即得到對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期 15 分鐘雨型分配過程。

本文借鑒同頻率分析法的思路，峰值位置采用平均位置確定，峰值強(qiáng)度采用最大 5 分鐘平均強(qiáng)度替代，剩余時(shí)段按平均值確定分配比例。

2.2.3 芝加哥雨型法

芝加哥雨型推求是基于暴雨強(qiáng)度公式，雨峰的位置由暴雨統(tǒng)計(jì)資料確定。令雨型強(qiáng)度過程的總歷時(shí)為 t0 ，峰前的瞬時(shí)強(qiáng)度曲線為 I a ，相應(yīng)的歷時(shí)為ta ，降雨累計(jì)量為H a，峰后的瞬時(shí)強(qiáng)度曲線為I b，相應(yīng)的歷時(shí)為tb，降雨累計(jì)量為H b，總降雨量HT=Ha+Hb。令 t0=1，強(qiáng)度高峰點(diǎn)的位置為r（0-1 之間），則t0=ta[]r=tb[]1-r

H=rHT+∫TrTIbdt=HTr+（t[]T-r）1+t-T[]（1-r）（T+b）-n

3 設(shè)計(jì)暴雨過程

除設(shè)計(jì)暴雨量外，雨量隨時(shí)間的分配過程也是設(shè)計(jì)暴雨雨型的重要組成部分。以下采用三種常用方法分別對(duì)設(shè)計(jì)暴雨過程進(jìn)行分析。

3.1 芝加哥雨型

芝加哥雨型是基于暴雨強(qiáng)度公式推求而來，鑒于暴雨強(qiáng)度公式編制時(shí)樣本僅包含 3 小時(shí)及以下短歷時(shí)，故這里僅分析 3 小時(shí)及以下短歷時(shí)芝加哥雨型。芝加哥雨型推求首先需要確定雨峰位置系數(shù) r ，雨峰位置系數(shù)是指從降雨歷時(shí)開始至降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間段長度與降雨歷時(shí)的比值。計(jì)算雨型樣本各歷時(shí)雨峰位置系數(shù)的平均值表征該歷時(shí)的雨峰位置系數(shù)，結(jié)果顯示 1 小時(shí)歷時(shí)雨峰位置系數(shù) r 為 0.48，2 小時(shí)歷時(shí)雨峰位置系數(shù) r 為 0.48，3小時(shí)歷時(shí)雨峰位置系數(shù)r為0.50。設(shè)計(jì)暴雨過程分配如下（2、3小時(shí)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過程表3-1、3-2、3-3略）：

3.2 Pilgrim & Cordery 法

根據(jù) Pilgrim & Cordery 法推求設(shè)計(jì)暴雨過程。結(jié)果如下（2、3小時(shí)歷時(shí)表1，）

3.3 同頻率分析法

本文借鑒同頻率分析法的思路：長歷時(shí)雨型包含短歷時(shí)雨型，即給定各短歷時(shí)峰值位置，從最長歷時(shí)（如 24 小時(shí)）雨型中可以依次提取出所需各短歷時(shí)雨型，保證了各歷時(shí)間的關(guān)聯(lián)性。同頻率分析法的具體步驟：首先需要確定峰值位置和 5 分鐘放大值。峰值位置采用所取樣本峰值的平均位置，5 分鐘的放大值為所取樣本 5 分鐘最大值的平均值，其余時(shí)段按比例分配。2 小時(shí)歷時(shí)將 1 小時(shí)雨型根據(jù)峰值位置對(duì)齊放入，其余時(shí)段按比例分配，其它時(shí)段依次類推，最終得到24 小時(shí)設(shè)計(jì)雨型。

24小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過程見（表3-8表略）。

1 小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過程提?。?/p>

（1）根據(jù)峰值對(duì)齊原則，從 24 小時(shí)歷時(shí)中提取 1 小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過程：

（2）在24 小時(shí)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過程表中（限于篇幅1-120和169-288略），130-141 共 12 個(gè) 5 分鐘時(shí)段累計(jì)降水百分比為 33.31%，100%除以 33.31%為3.00，將 130-141時(shí)段的百分比乘以3.00就得到 1 小時(shí)歷時(shí)的設(shè)計(jì)雨型。

3.4 雨型比較分析

經(jīng)研究表明Pilgrim & Cordery 法不適合長歷時(shí)降水雨型的設(shè)計(jì)，因此長歷時(shí)雨型設(shè)計(jì)僅有同頻率分析法可選。此處僅對(duì)短歷時(shí)雨型通過峰值位置和峰值強(qiáng)度進(jìn)行分析比較。

從峰值位置來看，不同方法推求的短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型（3 小時(shí)及以下）雨峰位置接近。從峰值強(qiáng)度來看，芝加哥雨型峰值強(qiáng)度較強(qiáng)，Pilgrim & Cordery 法和同頻率分析法推求的暴雨雨型峰值強(qiáng)度比較接近。在彭水縣城短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型中推薦使用芝加哥雨型法推求的設(shè)計(jì)暴雨過程。

4 結(jié)論

（1）彭水縣縣城設(shè)計(jì)暴雨雨型編制采用了1961～2015年彭水縣國家地面氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)作為樣本，經(jīng)嚴(yán)格的信息化處理、校核和質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。在樣本處理中按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006，2014 版）和《導(dǎo)則》推薦的樣方法進(jìn)行取樣，所取樣本合理。

（2）經(jīng)分析彭水縣各歷時(shí)雨型都以單峰型為主，且降水主要集中在中部。從峰值位置、峰值強(qiáng)度對(duì)比分析芝加哥雨型、Pilgrim & Cordery 雨型和同頻率雨型，結(jié)果表明，三種雨型短歷時(shí)（3 小時(shí)及以下）峰值位置接近，從峰值強(qiáng)度來看，芝加哥雨型峰值強(qiáng)度較強(qiáng)，Pilgrim & Cordery 法和同頻率分析法推求的暴雨雨型峰值強(qiáng)度比較接近，相對(duì)較弱。在彭水縣城短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型中推薦使用芝加哥雨型法，長歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型按導(dǎo)則推薦的采用同頻率分析法推求的設(shè)計(jì)暴雨過程。

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作者簡(jiǎn)介：代建君（1972-），女，土家族，重慶人，本科，工程師，致力于本地氣候及應(yīng)用氣象等方面研究。