中小流域時(shí)雨型計(jì)算方法研究

許文濤,胡嗣望,何勝杰

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021）

1 概況

在五位一體總體布局建設(shè)進(jìn)程中，洪水災(zāi)害依然是造成人口傷亡最多、經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，防止洪水災(zāi)害一直都是我國(guó)水利工作的重要任務(wù)。我國(guó)中小流域除少數(shù)河流外，絕大多數(shù)河流都缺少流量資料，很難直接通過(guò)頻率計(jì)算得到設(shè)計(jì)洪水，常通過(guò)設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪峰流量[1,2]。為推求設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)，需計(jì)算暴雨深隨時(shí)間的變化過(guò)程，即時(shí)程分布雨型，簡(jiǎn)稱(chēng)為時(shí)雨型。我國(guó)水利部門(mén)習(xí)慣采用單位時(shí)段雨量△H隨時(shí)間t的柱狀圖△H—t來(lái)描述時(shí)雨型[3]。

由于氣候、下墊面等條件的變化、基礎(chǔ)資料的累積及工程設(shè)計(jì)的實(shí)際需要等原因，需要對(duì)現(xiàn)有雨型進(jìn)行分析研究。該文為方便中小流域規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，滿(mǎn)足現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)的需要，研究中小流域設(shè)計(jì)暴雨時(shí)雨型的計(jì)算方法。

2 典型區(qū)域暴雨特性分析

江蘇省沂南地區(qū)位于新沂河以南、廢黃河以北、西至中運(yùn)河、東臨黃海，涉及連云港、宿遷、淮安、鹽城4個(gè)市的7個(gè)縣。該地區(qū)處于暖溫帶向亞熱帶過(guò)渡區(qū)，降雨集中，汛期6—9月。下面以沂南地區(qū)為例，說(shuō)明中小流域設(shè)計(jì)暴雨時(shí)雨型的計(jì)算方法。

2.1 基本資料的收集

雨量資料包括沂南地區(qū)嶂山閘站、穿城站、劉集站等25個(gè)雨量站，1960—2012年逐時(shí)雨量資料及史集、新店、小窯等13個(gè)雨量站1979—2012年逐時(shí)雨量資料。

2.2 頻率計(jì)算

采用皮爾遜III型曲線(xiàn)描述雨量—頻率—?dú)v時(shí)曲線(xiàn)。各重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量值見(jiàn)表1。

表1 歷時(shí)—頻率—雨量關(guān)系表mm

2.3 暴雨統(tǒng)計(jì)分析

在雨型分析中，首先對(duì)大暴雨逐一進(jìn)行研究，分析暴雨特性。時(shí)雨型特征主要包括降雨量、最大雨強(qiáng)、雨峰位置、雨峰雨量占總雨量的比值、降雨歷時(shí)等[4]。

為滿(mǎn)足水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求，分別選取重現(xiàn)期大于5年的1 d暴雨（91.5 mm）、3 d暴雨（148.8 mm）作為樣本進(jìn)行分析。對(duì)樣本分別按2—5年、5—10年、10—20年及20年以上4個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，逐站對(duì)各次暴雨的降雨量、降雨時(shí)段數(shù)、最大雨強(qiáng)、主雨峰位置等降雨要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的暴雨統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 沂南地區(qū)暴雨特性統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合表2，沂南地區(qū)1 d、3 d暴雨主雨峰均主要位于降雨中、后期，合計(jì)約占暴雨總數(shù)的89.6%。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)雨型計(jì)算時(shí)，樣本選擇的好壞直接影響著設(shè)計(jì)雨型的準(zhǔn)確性。對(duì)于同一場(chǎng)暴雨，在同一分區(qū)內(nèi)，如果各雨量站降雨的雨峰位置等暴雨特性基本相似，則只選擇其中某一站降雨量最大者作為該分區(qū)的典型暴雨過(guò)程[5]。對(duì)于同一場(chǎng)暴雨，各分區(qū)選用的資料過(guò)多，則會(huì)造成某一次暴雨雨型權(quán)重過(guò)大，影響雨型的代表性。對(duì)于江蘇省沂南地區(qū)，在對(duì)暴雨特性的分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，相近雨量站的地形、氣候等因素相似，各分區(qū)（以淮沭河、鹽河為界分淮西、鹽西、鹽東三大區(qū)域）的各站降雨具有較強(qiáng)的一致性。

3 設(shè)計(jì)時(shí)雨型分析

研究一個(gè)地區(qū)暴雨的設(shè)計(jì)雨型，需要對(duì)暴雨資料進(jìn)行整理，劃分次暴雨過(guò)程。為將一場(chǎng)連續(xù)的降雨過(guò)程劃分為獨(dú)立的降雨場(chǎng)次，以進(jìn)行暴雨雨型分析，采用最小時(shí)間間隔和規(guī)定的雨量值作為次暴雨劃分標(biāo)準(zhǔn)[6]。研究區(qū)域性暴雨的時(shí)雨型，劃分次暴雨過(guò)程最小時(shí)間間隔取為24 h。分區(qū)挑選典型大暴雨，通過(guò)定位分析和定量計(jì)算進(jìn)行沂南地區(qū)暴雨時(shí)程分布雨型的研究。

智慧旅游基于多種信息技術(shù)，增強(qiáng)旅客在旅游全過(guò)程的主動(dòng)性、互動(dòng)性和智能性，最終目的是實(shí)現(xiàn)旅游體驗(yàn)的個(gè)性化、旅游管理的智能化以及旅游服務(wù)的數(shù)字化[1]。

3.1 設(shè)計(jì)時(shí)雨型定位分析

設(shè)計(jì)時(shí)雨型定位分析采用典型暴雨概化法，以雨量重現(xiàn)期大于5年的暴雨作為總體，對(duì)于同一場(chǎng)暴雨，在分區(qū)內(nèi)只選擇其中某一站雨量最大者作為樣本。共選出最大3 d暴雨樣本33個(gè)、最大24 h暴雨樣本24個(gè)，進(jìn)行設(shè)計(jì)雨型的定位分析。

該文按時(shí)段統(tǒng)計(jì)各時(shí)段雨量所占總雨量的比例，最大3 d設(shè)計(jì)雨型取6 h為統(tǒng)計(jì)時(shí)段，最大24 h設(shè)計(jì)雨型取2 h為統(tǒng)計(jì)時(shí)段。按“短推長(zhǎng)”方式選出最大3 d降雨過(guò)程及最大24 h降雨過(guò)程[7]。統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容包括主、次雨峰的個(gè)數(shù)及相對(duì)位置，主、次雨峰的連續(xù)降雨歷時(shí)，主、次雨峰之間的時(shí)間間隔和停雨時(shí)段數(shù)，其他雨峰的時(shí)段數(shù)及位置等。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析。3 d時(shí)雨型采用雙峰，降雨時(shí)段數(shù)9段：其中，雨量最大時(shí)段位于12時(shí)段中的第10段，雨量最大時(shí)段位于最大四時(shí)段中的第三段，主雨峰部分降雨時(shí)段數(shù)為5段；次雨峰位于主雨峰之前，12時(shí)段中的第4段，次雨峰部分降雨時(shí)段數(shù)為3段；主次雨峰相隔5段，停雨時(shí)段數(shù)為0。

24 h雨型采用三峰，降雨時(shí)段數(shù)10段：其中，雨量最大時(shí)段位于12時(shí)段中的第8段，主雨峰部分降雨時(shí)段數(shù)為3段；次雨峰位于主雨峰之前，12時(shí)段中的第3段；主次雨峰相隔4段，停雨時(shí)段數(shù)為0；其余降雨時(shí)段2段，雨峰位于第11段。

3.2 設(shè)計(jì)時(shí)雨型定量計(jì)算

時(shí)雨型的定量分配，主雨峰雨量所占比例由頻率計(jì)算結(jié)果推算；其他時(shí)段雨量所占比例，以同一類(lèi)型的定位統(tǒng)計(jì)樣本為依據(jù)，將各場(chǎng)降雨的最大四時(shí)段（3 d雨型）或最大三時(shí)段（24 h雨型）對(duì)齊，其他時(shí)段雨量相應(yīng)向前或向后整個(gè)移動(dòng)，迭加平均；最后將計(jì)算結(jié)果根據(jù)定位分析結(jié)果進(jìn)行概化。

按照上述方法，雖然將最大四時(shí)段（3 d雨型）或最大三時(shí)段（24 h雨型）對(duì)齊后迭加平均，但由于降雨雨量主要集中在主雨峰部分，兩端雨量較小，故對(duì)時(shí)雨型定量分配的影響較小。

3.2.1 定量計(jì)算

定量計(jì)算采用固定時(shí)段同頻率放大法，以固定時(shí)段同頻率控制，以保持實(shí)測(cè)降雨的特性。最大3 d雨型固定時(shí)段取6，24，72 h，最大24 h固定時(shí)段取2，6，24 h。

最大3 d雨型時(shí)段分配結(jié)果列于表4，最大24 h雨型時(shí)段分配結(jié)果列于表5。

表3 沂南地區(qū)雨型定位統(tǒng)計(jì)表

表4 最大3 d雨型時(shí)段分配%

3.2.2 降雨歷時(shí)調(diào)整

對(duì)迭加平均后所求得的雨量分配數(shù)，應(yīng)根據(jù)定位分析所確定采用的雨峰數(shù)、時(shí)段數(shù)和停雨間隔等進(jìn)行調(diào)整。雨型的最低點(diǎn)可以調(diào)整為0，位置可以前后移動(dòng)。最后將調(diào)整后的概化雨型作為沂南地區(qū)設(shè)計(jì)雨型。

表5 最大24 h雨型時(shí)段分配%

經(jīng)調(diào)整，最大3 d設(shè)計(jì)雨型、最大24 h設(shè)計(jì)雨型時(shí)段分配列于表6。

表6 設(shè)計(jì)暴雨雨型時(shí)段分配%

4 結(jié)語(yǔ)

以沂南地區(qū)為典型區(qū)域，研究中小流域設(shè)計(jì)暴雨時(shí)雨型計(jì)算方法，得到主要結(jié)論如下：

1）利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法研究沂南地區(qū)的暴雨特性，在分析暴雨特性的基礎(chǔ)上利用典型暴雨概化法，通過(guò)定位分析、定量計(jì)算得到沂南地區(qū)最大3 d設(shè)計(jì)雨型和最大1 d設(shè)計(jì)雨型。期望該設(shè)計(jì)暴雨時(shí)雨型的研究過(guò)程為今后的中小流域設(shè)計(jì)暴雨時(shí)雨型研究提供思路。

2）運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法與實(shí)測(cè)典型暴雨相結(jié)合的方法，充分考慮本地區(qū)已經(jīng)發(fā)生過(guò)常見(jiàn)大暴雨的特性，計(jì)算得到的設(shè)計(jì)雨型具有一定的代表性和可靠性，在充分考慮各地區(qū)氣候、地形等因素的基礎(chǔ)上，可反映該區(qū)域的整體平均情況。