深圳市流域暴雨雨型及變化趨勢(shì)分析

柴苑苑，孫 翔

(1.廣東河海工程咨詢有限公司深圳市分公司，廣東 深圳 518022；2.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518022)

深圳市通過大規(guī)模防洪基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大大提高了城市防洪標(biāo)準(zhǔn)。但低緯度沿海地區(qū)，受地勢(shì)因素、暴雨因素及潮位頂托因素，在極端氣候下內(nèi)澇情況仍十分嚴(yán)重。進(jìn)入新世紀(jì)以來，深圳陸續(xù)遭受2006年“6·9”，2008年“6·13”，2014年“3·30”“5·11”“5·20”等暴雨襲擊?？紤]暴雨發(fā)生時(shí)，不僅強(qiáng)降水會(huì)造成巨大損失，不同的暴雨雨型所帶來的降水過程，如雨峰偏前的單鋒雨型導(dǎo)致的突如其來的降雨一定程度上會(huì)造成低估降雨風(fēng)險(xiǎn)，因此結(jié)合深圳市降雨歷史數(shù)據(jù)，開展對(duì)本地的暴雨雨型的分析和研究是十分必要的。

1 研究背景

對(duì)流域長(zhǎng)歷時(shí)雨型和短歷時(shí)雨型，在20世紀(jì)均有針對(duì)性研究記錄。

長(zhǎng)歷時(shí)雨型：20世紀(jì)40年代包高馬佐娃和彼得羅娃在研究降雨強(qiáng)度很突出的蘇聯(lián)歐洲部分西北地區(qū)時(shí)，認(rèn)為可將1935年10月5—6日在敖維爾氣象站記錄的實(shí)際降雨進(jìn)程作為標(biāo)準(zhǔn)降雨進(jìn)程。此后，他們又在國(guó)立水文研究院將烏克蘭和蘇聯(lián)歐洲部分的中央黑海地區(qū)許多地點(diǎn)的降雨(降雨量不小于10cm)進(jìn)程進(jìn)行了更為詳盡的研究。

短歷時(shí)雨型：1957年Keifer和Chu根據(jù)強(qiáng)度-歷時(shí)-頻率關(guān)系得到一種不均勻的設(shè)計(jì)雨型，也稱芝加哥雨型。以后Huff，Pilgrim和Cordery，Yen和Chow等都提出過各自的設(shè)計(jì)暴雨雨型。在國(guó)內(nèi)，鄧培德等曾采用Keifer和Chu雨型進(jìn)行調(diào)蓄池容積計(jì)算，王敏等根據(jù)北京市的雨量資料提出過北京市的設(shè)計(jì)暴雨雨型。

各種雨型之間差異較大，目前還沒有一種公認(rèn)的雨型作為設(shè)計(jì)的依據(jù)?？紤]短歷時(shí)雨型的觀測(cè)數(shù)據(jù)尚不完備，而流域長(zhǎng)歷時(shí)雨型是短歷時(shí)雨型的分析基礎(chǔ)，因此本文主要針對(duì)深圳市長(zhǎng)歷時(shí)雨型及其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2 分析方法

本次以高峰水庫(kù)、清林徑水庫(kù)、三洲田水庫(kù)、石巖水庫(kù)、鐵崗水庫(kù)、西麗水庫(kù)、羅田水庫(kù)、赤灣、南澳圩以及深圳水庫(kù)等10個(gè)站點(diǎn)逐時(shí)降水資料為基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)按照水文日(當(dāng)天上午8時(shí)至次日上午8時(shí))進(jìn)行劃分，以24h(當(dāng)天上午8時(shí)至次日上午8時(shí))降水量超過50mm的暴雨為雨型分析對(duì)象，進(jìn)行暴雨雨型分析。

2.1 雨型分類法

根據(jù)高馬佐娃和彼得羅娃的雨型分析方法，將每場(chǎng)雨的總歷時(shí)分為10等份(相當(dāng)于降雨總歷時(shí)的10%)，并對(duì)每等份求出其降水量，以全部降雨總降雨量的百分?jǐn)?shù)計(jì)。經(jīng)同樣方法分析800場(chǎng)以上的降雨以后，歸納出7種降雨進(jìn)程，如圖1所示。其中I、II、III類為單峰雨型，雨峰分別在前、后和中部，IV類為大致均勻雨型，V、VI、VII為雙峰雨型。

圖1 雨型分類

2.2 模糊識(shí)別法

模糊識(shí)別法是根據(jù)時(shí)段雨量所占總雨量的百分比例來定量說明該場(chǎng)降雨的雨型指標(biāo)，組建7種雨型的模式矩陣。然后根據(jù)每場(chǎng)實(shí)際降雨與7種模式相比較，采用擇近原則，確定該場(chǎng)降雨最終為哪種雨型。

采用擇近原則，確定該場(chǎng)降雨最終為哪種雨型。每個(gè)時(shí)段的雨量占總雨量的比例為：

Xi=Hi/Hz

(1)

式中，Hi—各時(shí)段雨量；Hz—總雨量。把這組xi作為該天降雨的雨型指標(biāo)，并用向量表示：

X=(x1，…，xn)

(2)

同理，7種模式雨型也用這種指標(biāo)表示：

Vk=(Vk1，Vk2，…，Vkm)

(3)

這里與Vki和xi的意義相同，7種模式也可寫成矩陣形式。模式確定后，可計(jì)算出每場(chǎng)降雨與7種模式的貼近度，由就近原則，若貼近最大，該場(chǎng)降雨就屬于該種雨型。

劃分工作由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，避免了目估法存在的人為判斷誤差。

3 暴雨雨型分類統(tǒng)計(jì)

根據(jù)模糊分析法分析高峰、清林徑、三洲田等10個(gè)雨量站至少35a以上的暴雨雨型，為分析雨型變化趨勢(shì)，分別對(duì)1980年以前、1980—2012以及1980—1989、1990—1999、2000—2012、2008—2012等分段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次參與暴雨雨型統(tǒng)計(jì)分析暴雨場(chǎng)數(shù)共3548場(chǎng)，其中20世紀(jì)80年代以前共有1065場(chǎng)，1980—2012年共2483場(chǎng)。本次分析深圳雨型過程與傳統(tǒng)分析圖集的比較如圖2所示。

圖2 《圖集》及本次分析深圳雨型過程對(duì)比

4 與傳統(tǒng)分析圖集的比較

根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱《查算圖表》)，廣東省共有11種設(shè)計(jì)雨型，是1976年按經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法分析的分區(qū)設(shè)計(jì)雨型，采用模糊聚類方法分析設(shè)計(jì)雨型。共選用24h雨型樣本266個(gè)、3d雨型樣本294個(gè)、7d雨型樣本308個(gè)，資料統(tǒng)計(jì)到1985年，并補(bǔ)充1986、1987年發(fā)生的特大暴雨樣本。設(shè)計(jì)雨型分別給出韓江、粵東沿海、東江上游、東江中下游、北江上游、北江中下游、珠江三角洲、西江、粵西沿海、雷州半島、海南島等11個(gè)分區(qū)24h(時(shí)段為1h)、3d(時(shí)段為6h)、7d(時(shí)段為1d)3種歷時(shí)的設(shè)計(jì)雨型。根據(jù)《查算圖表》分區(qū)與暴雨、產(chǎn)流、匯流分區(qū)對(duì)應(yīng)表，深圳分別位于2個(gè)分區(qū)之間，分別是珠江三角洲以及東江中下游分區(qū)。其中，珠江三角洲最大6h降水約占最大24h降水的62%，東江中下游最大6h降水約占最大24h降水的約61%。

對(duì)該設(shè)計(jì)雨型進(jìn)行7種雨型識(shí)別分析，結(jié)果顯示深圳2種設(shè)計(jì)雨型最貼近第III種雨型(單峰中部)，且單峰中部的雨型占的比例并不高，近年來呈減少趨勢(shì)。

4種單峰中部雨型中，深圳市泰森多邊形加權(quán)求出的單峰中部雨型無論是長(zhǎng)系列計(jì)算的還是2000年以后所有單峰中部雨型泰森多邊形加權(quán)而得的，均比珠江三角洲雨型降水更為集中，降水峰值更大，2000年以后的雨型結(jié)果峰值偏后。

表1 全市暴雨雨型統(tǒng)計(jì)分類結(jié)果 單位：%

5 雨型趨勢(shì)分析

全市暴雨型統(tǒng)計(jì)分類結(jié)果見表1，6種不同年份劃分方法下7種雨型分布比例如圖3所示。

圖3 6種不同年份劃分方法下7種雨型分布比例

(1)由雨型統(tǒng)計(jì)分析成果可得，深圳市近幾十年以來暴雨雨型主要是以單鋒雨型為主，單峰雨型占雨型統(tǒng)計(jì)總數(shù)除2000—2012年為69.7%以外，其余年代均超過70%；其中1980—1989、1990—1999年單峰雨型占的比例較大，分別74.1%和74.9%；21世紀(jì)之后有所減少，占69.7%；2008—2012年近5年來，單峰降水的比例有所增加，占72.8%。

(2)單峰雨型中主要以單峰前部(I)和單峰后部(II)雨型為主，單峰前部(I)除1980年以前雨型所占比例較低，其他分段年份基本維持在30%以上；單峰后部(II)所占基本在22%～30%左右，其中從20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)90年代有較大幅度增加，由22.2%增加到26.3%，其后基本維持在26%左右；單峰中部(III)除1980—1989年份所占比例有所上升以外，其他比例均保持在15%左右。

(3)大致均勻型雨型(IV)占的比例較少，1980年以前，占7.4%，1980—2012年占6.0%；雙峰雨型(V～VII)所占比例約為20%，21世紀(jì)之后較大，占24.1%，近5年來比例有所下降，占21.1%。

6 結(jié)論

經(jīng)過以上分析可知，深圳市暴雨雨型主要以單峰為主，大致均勻型雨型所占比例較少，雙峰雨型約占總暴雨雨型的20%左右，單峰雨型中以單峰前部為主要雨型，基本維持在30%以上，單峰后部近年來有所增加，單峰中部呈逐年減少的趨勢(shì)。

同時(shí)與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)分析手段《廣東省暴雨徑流手冊(cè)》所提出的暴雨設(shè)計(jì)雨型與本次分析的深圳市實(shí)際暴雨雨型有一定差別，在后續(xù)的水文情勢(shì)分析以及采用水動(dòng)力模型進(jìn)行內(nèi)澇分析的工作中，應(yīng)格外注意強(qiáng)化對(duì)后峰雨型的應(yīng)對(duì)和模擬。