基于芝加哥法的柳州市設(shè)計暴雨雨型研究

謝東,蘇小玲，劉蕾，梁春榮，劉洲榮，李煜，藍求，任樂

（柳州市氣象局,廣西 柳州545001）

1 前言

近年來，受全球氣候變化影響，極端降水事件頻發(fā)，諸多城市頻繁出現(xiàn)了嚴重的暴雨內(nèi)澇災害。引起城市雨澇災害的原因是多方面的，其中一個重要方面是雨水排水的設(shè)計標準問題，而城市暴雨強度公式和設(shè)計暴雨雨型是排水設(shè)計標準的一個重要方面，是科學、合理地規(guī)劃設(shè)計城市排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠給市政建設(shè)、水務(wù)及規(guī)劃部門提供科學的理論依據(jù)和準確的設(shè)計參數(shù)[1-2]。柳州市屬中亞熱帶季風氣候，氣候溫暖、多雨，歷史上多洪澇災害[3-9]，防洪排澇工作尤其重要。本文以最新柳州市區(qū)暴雨強度公式為基礎(chǔ)，采用芝加哥法分析研究柳州市設(shè)計暴雨雨型。

2 資料和方法

2.1 基本概念

暴雨雨型是指不同降雨歷時內(nèi)的暴雨強度隨時間變化的特征，以不同降雨歷時的降雨過程線型表達。

2.2 降雨資料

本文降雨原始資料采用柳州國家氣象觀測站1975～2014 年共40a 的逐分鐘降雨過程資料。本次降雨資料滿足可靠性、一致性和代表性的要求。

2.3 選樣方法

根據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導則》中的推薦，本文采用年最大值法選取短歷時暴雨雨型分析降雨樣本。選取降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值的降雨場次，記錄選定降雨場次過程開始時間及逐分鐘降雨量，作為芝加哥法雨型統(tǒng)計的有效暴雨資料樣本。

2.4 暴雨雨型推求方法和原理

根據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導則》中的推薦，本文采用芝加哥雨型分析法來分別推求柳州市區(qū)重現(xiàn)期2、3、5、10、20、30、50、100a 歷時30、60、90、120、150 和180min 間 隔5min的短歷時設(shè)計暴雨雨型。

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，具體流程如圖1。

圖1 流程圖

式（1）、（2）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(quán)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（1）、（2）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[10-11]。

3 主要研究結(jié)果

3.1 短歷時暴雨雨型分析降雨樣本確定

統(tǒng)計柳州1975～2014年共40a降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值的降雨場次，將30、60、90、120、150、180min 的最大降雨過程樣本，以5min 為間隔進行分段，統(tǒng)計降雨過程的降雨量、5min雨量、峰形和雨峰系數(shù)。

經(jīng)分析統(tǒng)計，柳州1975～2014年逐年各歷時最大降雨過程中單峰降雨次數(shù)占50%～82.5%降雨峰值在降雨過程前、中部的場次占77.5%～95%。可見，單峰雨型所占比例最大，雙峰雨型所占比例較小，其中歷時30min 尤為顯著，比例達到82.5%。說明在短歷時的最大降雨過程樣本中，大部分降雨場次為單峰型降雨，雨峰位于整場降雨過程的前、中部。

3.2 芝加哥法推求設(shè)計短歷時暴雨雨型

《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導則》所推薦的芝加哥法是已假定短歷時雨型為單峰型而后根據(jù)綜合雨峰位置系數(shù)和暴雨強度公式來確定最終形態(tài)。根據(jù)這一條件，本文將使用芝加哥法來推求柳州市區(qū)各重現(xiàn)期短歷時的設(shè)計暴雨雨型。

3.2.1 綜合雨峰位置系數(shù)確定

經(jīng)以上的統(tǒng)計分析，得出各短歷時降雨過程的雨峰位置系數(shù)，根據(jù)各歷時的雨峰位置系數(shù)按照各歷時的長度進行加權(quán)平均，求出綜合雨峰位置系數(shù)r，具體信息如表1。

表1 綜合雨峰位置系數(shù)r

3.2.2 雨型分配結(jié)果

以柳州市暴雨強度公式[12-15]為基礎(chǔ)，根據(jù)本文2.4節(jié)所介紹的芝加哥法原理，通過積分計算芝加哥合成暴雨過程線各時段（以5min 計）的累計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，最終確定出重現(xiàn)期2、3、5、10、20、30、50、100a 歷時30、60、90、120、150、180min 的芝加哥法雨型。柳州市區(qū)重現(xiàn)期2a 短歷時5min間隔的設(shè)計暴雨雨型分布圖如圖1。

從利用芝加哥法針推求柳州市區(qū)重現(xiàn)期2a 短歷時5min 間隔的設(shè)計暴雨雨型分布圖（見圖2）可以發(fā)現(xiàn)，歷時30～180min的峰值分別發(fā)生在第2、5、7、9、11、13 時段，雨峰處降雨強度值隨歷時的增加呈現(xiàn)“減小—增大—減小”的波動趨勢，其中雨峰最大峰值出現(xiàn)在歷時120min的雨峰時段?？傆^通過芝加哥法推求的柳州市區(qū)各重現(xiàn)期短歷時的峰值、雨峰時段（見表2），相同重現(xiàn)期下雨峰處降雨強度值隨歷時的變化與2a 重現(xiàn)期一致，其中各重現(xiàn)期歷時120min 雨峰所處第9 時段降雨強度分別為2.91、3.23、3.64、4.19、4.81、5.14、5.53、6.07mm/min。經(jīng)分析對比，可以得出通過芝加哥法推求的柳州市區(qū)重現(xiàn)期3、5、10、20、30、50、100a 短歷時設(shè)計暴雨雨型與重現(xiàn)期2a的形態(tài)一致，且各歷時設(shè)計暴雨雨型雨峰位置基本處于整場降雨過程的1/3分位，但是各歷時的降雨強度隨著重現(xiàn)期的延長而增大[16]。

圖2 芝加哥法推求柳州市區(qū)重現(xiàn)期2a短歷時5min間隔的設(shè)計暴雨雨型分布圖

4 結(jié)論

本文采用芝加哥法推求柳州市區(qū)短歷時設(shè)計暴雨雨型，為今后柳州市城市排水防洪規(guī)劃、建立城市防洪排澇標準提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論有：

各重現(xiàn)期下相同降雨歷時設(shè)計暴雨雨型的形態(tài)一致，各短歷時雨型大體呈單峰型；各短歷時設(shè)計暴雨雨型雨峰位置基本處于整場降雨過程的1/3分位，降雨強度隨著重現(xiàn)期的延長而增大；相同重現(xiàn)期下雨峰處降雨強度值隨歷時的增加呈現(xiàn)“減小—增大—減小”的波動趨勢且歷時120min的雨峰峰值最大。

表2 芝加哥法推求柳州市區(qū)各重現(xiàn)期短歷時（min）的峰值（mm）、雨峰時段（時段長：5min）