城市設(shè)計(jì)暴雨雨型的推求及應(yīng)用

許超峰　荊燕燕　陳文蛟

摘 要：雨型是一定降雨歷時(shí)和間隔下的設(shè)計(jì)降雨總量和分布規(guī)律，不同雨型得出的洪峰流量可能有較大差異，科學(xué)的雨型是使用水力模型進(jìn)行排水防澇規(guī)劃的基礎(chǔ)。本研究介紹了幾種國(guó)內(nèi)外常用的雨型推求方法，并以深圳市為例，分別采用芝加哥雨型和同頻率分析法，來推求2h短歷時(shí)雨型和24h長(zhǎng)歷時(shí)雨型，為深圳市排水防澇規(guī)劃編制提供理論支持。

關(guān)鍵詞：雨型；降雨歷時(shí)；芝加哥雨型；同頻率分析法

中圖分類號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）05-0159-02

The Ascertain and Application on Urban Design Rainfall Pattern

XU Chaofeng1 JING Yanyan2 CHEN Wenjiao3

（1.College of Water Conservancy， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045；2.Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou Henan 450008；3.Pingdingshan Hydrology and Water Resources Survey Bureau ，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The rainfall pattern is the total amount and distribution law of the design rainfall in a certain period of rainfall and interval. The flood peak flow of different rainfall pattern may have great difference. The scientific rainfall pattern is the basis of water drainage and waterlogging prevention planning by using hydraulic model.This paper introduced the rainfall pattern calculation method commonly used at home and abroad， taking Shenzhen city as an example， used the Chicagorain type and same frequency analysis method， to enqure 2h short duration rainfall pattern and 24h long duration rainfall pattern ， to provide theoretical support for the preparation of the planning of drainage waterlogging in Shenzhen city.

Keywords： rainfall pattern；rainfall duration；Chicago rainfall pattern；same frequency analysis method

1 設(shè)計(jì)暴雨雨型概述

設(shè)計(jì)暴雨雨型是指設(shè)計(jì)暴雨的降雨過程，即降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的分配。隨著城市內(nèi)澇的增加，很多城市開始對(duì)當(dāng)前的排水能力進(jìn)行評(píng)估，主要采用的是水力模型進(jìn)行城市排水方案的比選和優(yōu)化，建立模型的基礎(chǔ)之一就是設(shè)計(jì)暴雨雨型，不同雨型通過水力模型有可能得出差異較大的洪峰流量，因此，對(duì)當(dāng)?shù)赜晷偷姆治鲅芯渴强茖W(xué)開展排水防澇規(guī)劃的前提之一[1]。

2 雨型推求

2.1 設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)

雨型推求方法的一個(gè)重要參數(shù)就是降雨歷時(shí)。對(duì)于城市管道排水系統(tǒng)，一般通過暴雨強(qiáng)度公式來推求設(shè)計(jì)雨強(qiáng)[2]。設(shè)計(jì)歷時(shí)指的是設(shè)計(jì)雨強(qiáng)在匯水面積上的匯流時(shí)間，即匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流到設(shè)計(jì)斷面所需的時(shí)間。由于城市中心區(qū)域小，匯流時(shí)間短，一般不超過2h。對(duì)于城市排澇河道，坡度較大的單一河道流速較大，河道長(zhǎng)度除以河道平均流速得到的就是匯流時(shí)間。對(duì)于坡度較小的平原河網(wǎng)，河道匯流時(shí)間與河道長(zhǎng)度、水閘和泵站調(diào)度方式、河網(wǎng)調(diào)蓄庫(kù)容、河道泵站的排水能力、匯水區(qū)域的產(chǎn)流量及產(chǎn)流過程均有密切關(guān)系。對(duì)于城市區(qū)域，一般不會(huì)超過24h。

在設(shè)計(jì)城市雨水排除系統(tǒng)時(shí)，不同區(qū)域選用不同降雨設(shè)計(jì)歷時(shí)更為合適。一般情況下，短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)采用2h，長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)采用24h。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨雨型

排水管道系統(tǒng)在進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模時(shí)，需要用雨型對(duì)雨水調(diào)蓄系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，因此短歷時(shí)暴雨雨型是建模的必須條件。短歷時(shí)暴雨雨型常采用芝加哥雨型推求，這也是《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》推薦的方法。芝加哥法雨型是在暴雨強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)綜合雨峰位置系數(shù)，最終確定設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)間變化過程。國(guó)內(nèi)在進(jìn)行長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型研究時(shí)，常采用王家祁提出的同頻率分析法。這種方法是在同一重現(xiàn)期條件下選擇多場(chǎng)降雨，按照出現(xiàn)次數(shù)最多的情況確定各段雨量的比例，因?yàn)檫x擇的降雨場(chǎng)次較多，相比傳統(tǒng)的采用典型暴雨進(jìn)行頻率放大得出的雨型，避免了偶然性較大的不足。

因此，本研究主要介紹芝加哥雨型和同頻率分析法，分別進(jìn)行短歷時(shí)和長(zhǎng)歷時(shí)雨型的推求。

3 深圳市雨型推求實(shí)例

3.1 深圳市2h設(shè)計(jì)暴雨雨型

此次研究深圳市2h設(shè)計(jì)暴雨雨型采用芝加哥雨型。芝加哥雨型是在一定重現(xiàn)期下不同歷時(shí)最大雨強(qiáng)復(fù)合而成，與復(fù)合雨型相似，雨型的確定同樣基于特定重現(xiàn)期下的IDF關(guān)系曲線。芝加哥法雨型計(jì)算包括綜合雨峰位置系數(shù)確定及降雨過程雨量分配比例的確定。

收集深圳市1963—2013年50年的降雨資料，分場(chǎng)次之后每年選出一個(gè)最大2h的降雨量，分析這50場(chǎng)2h降雨過程對(duì)應(yīng)的雨峰位置。經(jīng)過計(jì)算，深圳市2h的雨峰位置系數(shù)為0.35，即最大值雨量發(fā)生在第42min，再通過暴雨強(qiáng)度公式推求雨峰前后時(shí)段的降雨比例，最終2h5min間隔雨型的雨量分配見圖1。

3.2 深圳市24h設(shè)計(jì)暴雨雨型

深圳市24h設(shè)計(jì)暴雨雨型采用同頻率分析法。該方法是在同一重現(xiàn)期水平下，按照峰值出現(xiàn)次數(shù)最多的情況確定時(shí)間序位，利用多場(chǎng)降雨雨量均值確定各時(shí)段雨量的比例。該方法主要用于洪水、暴雨的時(shí)程分配。

具體步驟如下。

①確定H720的位置。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的多場(chǎng)歷時(shí)1 440min的降雨，統(tǒng)計(jì)每場(chǎng)降雨雨量最大的720min所在的位置，利用“眾值定位”即出現(xiàn)次數(shù)最多的位置確定最大720min雨量H720發(fā)生的位置。

②確定H720以外時(shí)間的降雨比例。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的多場(chǎng)歷時(shí)為720min典型降雨樣本，利用主峰對(duì)齊疊加求平均值，得出H1 440-H720雨型分配比例。

③重復(fù)以上步驟，以“出現(xiàn)次數(shù)最多的情況（眾值）確定時(shí)間序位，以平均情況（均值）確定各時(shí)段雨量的比例”的原則，從最大720min降雨過程H720中找出包含的最大360min降雨過程H360，根據(jù)主峰對(duì)齊確定最大360min的起始時(shí)段，得到H720-H360的分配比例。

④分別求出360、240、180、150、120、90、60、45、30、15min對(duì)應(yīng)的最大240、180、150、120、90、60、45、30、15、5min發(fā)生的位置，以及H360-H240、H240-H180、H180-H150、H150-H120、H120-H90、H90-H60、H60-H45、H45-H30、H30-H15、H15-H5的分配比例（最大5min雨量值的比例為1）。

⑤根據(jù)以上步驟，最終得到深圳市1 440min設(shè)計(jì)暴雨雨型分配結(jié)果。

4 結(jié)論

雨型是通過水力模型進(jìn)行城市防水排澇規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。我國(guó)《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》推薦短歷時(shí)暴雨雨型的推求采用芝加哥雨型，實(shí)際應(yīng)用中，長(zhǎng)歷時(shí)雨型推求方法采用的比較多的是同頻率分析法。本研究以深圳基本氣象站1963—2013年50年的逐分鐘降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過場(chǎng)次劃分，分別采用芝加哥雨型和同頻率分析法推求出2h短歷時(shí)和24h長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型，最終形成2h歷時(shí)5min間隔和24h歷時(shí)5min間隔的降雨分配結(jié)果，為城市排澇規(guī)劃提供理論支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞露，荊燕燕.輔助排水防澇規(guī)劃編制的設(shè)計(jì)降雨雨型研究[J].中國(guó)給水排水，2015（19）：141-145.

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