廣西融水縣新舊版暴雨強度公式比較分析

羅延斌 藍求 王藝

摘 ? 要 ? 采用年最大值法對融水氣象站1988—2017年逐分鐘降雨資料，選取短歷時最大降雨量進行樣本統(tǒng)計，利用耿貝爾分布曲線進行擬合和最小二乘法推算出融水縣新版暴雨強度公式，分別從采樣方法、采樣資料、編制方法等方面與1974年舊版暴雨強度公式進行比較分析。經(jīng)檢驗新版公式精度高，符合國家規(guī)范及導(dǎo)則的要求，建議實際應(yīng)用中采用新版暴雨強度公式。提出：運用新版公式在進行市政排水設(shè)計時，在5～30 min短歷時需要適當(dāng)提高設(shè)計的重現(xiàn)期，以提高設(shè)計的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞 ? 暴雨強度公式;比較分析;歷時;重現(xiàn)期;廣西融水縣

中圖分類號：P49 ? ?文獻標志碼：A ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.13.004

融水縣地處廣西柳州市西北部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量1 774.0 mm，累年平均暴雨日數(shù)為7.3 d，為廣西三大暴雨中心之一。研究融水縣暴雨強度公式，是科學(xué)、合理地制訂城市排水專業(yè)規(guī)劃和排水工程設(shè)計的重要基礎(chǔ)，可為縣城基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水務(wù)、規(guī)劃等部門提供科學(xué)的理論依據(jù)和準確的設(shè)計參數(shù)。融水縣現(xiàn)行使用的暴雨強度公式是由廣西建委綜合設(shè)計院在1974年編制的（以下簡稱“舊版公式”），使用至今已有44年之久，根據(jù)近年來融水縣暴雨發(fā)生情況的變化和提高城市防災(zāi)減災(zāi)和防洪排澇能力的現(xiàn)實需要，柳州市氣象局于2018年對融水縣暴雨強度公式進行重新修訂（以下簡稱“新版公式”），并經(jīng)融水縣人民政府批準頒布實施。

本文通過對融水縣新舊版暴雨強度公式的比較分析，探討新舊版暴雨強度公式的差異及其原因，提出暴雨強度公式的合理化利用建議，作為當(dāng)?shù)刂朴喅鞘信潘畬I(yè)規(guī)劃和排水工程設(shè)計的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

融水氣象站留存的年報表文件及廣西氣象信息中心提供的融水國家氣象觀測站逐分鐘降雨量數(shù)據(jù)文件，選取1988—2017年降雨歷時為5，10，15，20，30，45，60，90，120，150，180 min共計11個歷時的年最大降水量。

1.2 推算方法

采用年最大值法選取降雨資料各歷時的年最大降水量，分別應(yīng)用皮爾遜-Ⅲ型分布曲線、指數(shù)分布曲線、耿貝爾分布曲線等三種理論頻率曲線進行擬合，并進行擬合精度檢驗[1-2]。通過計算，皮爾遜-Ⅲ型分布曲線的平均絕對均方差為0.045 mm·min-1，平均相對均方差為3.1%;指數(shù)分布曲線的平均絕對均方差為0.084 mm·min-1，平均相對均方差為5.86%;耿貝爾分布曲線的平均絕對均方差為0.051 mm·min-1，平均相對均方差為3.76%。皮爾遜-Ⅲ型和耿貝爾分布曲線擬合的相對均方差小于5%，符合規(guī)范的要求，擬合效果優(yōu)于指數(shù)分布曲線。而指數(shù)分布曲線擬合的相對均方差大于5%，不符合規(guī)范的要求。

通過擬合調(diào)整選取擬合效果較好的皮爾遜-Ⅲ型和耿貝爾分布曲線頻率分布曲線，分別進行適線外延，得出重現(xiàn)期、降雨強度和降雨歷時三者的關(guān)系。利用最小二乘法和高斯牛頓法推算融水縣暴雨強度公式，并進行精度檢驗，以精度最高的推算公式作為最終應(yīng)用的暴雨強度公式。推算結(jié)果如下：基于耿貝爾分布曲線擬合的暴雨強度公式精度優(yōu)于皮爾遜-Ⅲ型分布和指數(shù)分布，利用最小二乘法推算的暴雨強度公式精度優(yōu)于高斯牛頓法;基于耿貝爾分布曲線，利用最小二乘法推算的融水縣暴雨強度公式是：

2 新版公式與舊版公式比較

2.1 新舊版公式

廣西融水縣新舊版暴雨強度公式見表1。

2.2 采樣方法比較

根據(jù)導(dǎo)則[3]及相關(guān)文獻資料[4-7]，編制暴雨強度公式的采樣方法可分為年最大值法和非年最大值法，非年最大值法又分為年超大值法、超定量法和年多個樣法。我國各地在20世紀80年代以前，排水系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期較低，部分城市降雨資料觀測年限較少，多采用年多個樣法。年多個樣法是從每年每個歷時選擇8個最大值，然后不論年次將各歷時子樣按從大到小的順序排列，再從中選擇資料年數(shù)4倍的最大值，作為統(tǒng)考的基礎(chǔ)資料;年最大值法是分別讀取5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min共計11個歷時年最大降水量作為樣本資料，每年每個歷時各選一個最大值，其要求的資料年限至少20 a，最好有30 a以上資料，該資料不論大年或小年都有一組資料被入選，其機率為嚴密的一年一遇的發(fā)生值。采用年最大值法更適合以年為重現(xiàn)期的周期性水文氣象規(guī)律的表達，可使統(tǒng)計樣本的隨機性、獨立性較好，發(fā)達國家均推薦采用年最大值法。

舊版公式由于受降雨觀測資料所限，采用年多個樣法進行選樣。隨著氣象部門降雨觀測資料的豐富積累，新版公式采用年最大值法進行選樣，更符合國際通用慣例及規(guī)范要求。

2.3 采樣資料比較

舊版公式選取融水縣1962—1972年共11 a的降雨量資料，樣本的年限較短，與現(xiàn)在年代時間差距較遠。新版公式選取融水縣1988—2017年共30 a的降雨量資料，采樣數(shù)據(jù)及年限符合《室外排水設(shè)計規(guī)范》的要求[8]。

2.4 編制方法比較

舊版公式采用數(shù)理統(tǒng)計法進行編制，新版公式采用由中國氣象局公共服務(wù)中心和廣東省氣候中心聯(lián)合開發(fā)的“暴雨強度計算系統(tǒng)”進行計算編制[9]，該系統(tǒng)是依據(jù)國家和行業(yè)的相關(guān)規(guī)范研制開發(fā)出來的，可直接進行資料處理、暴雨強度公式擬合、結(jié)果輸出和精檢驗等，是近年來國內(nèi)氣象部門廣泛用于暴雨強度公式編制的系統(tǒng)。

3 新舊版暴雨強度公式的差異及其原因分析

3.1 差值比率計算結(jié)果

3.1.1 差異

計算新舊版公式的差值比率，將二者差值比率定義為：q差=（q新-q舊） /q舊×100%，其中，q新為新版公式計算的雨強（單位：L/s·hm2），q舊為舊版公式計算的雨強（單位：L/s·hm2）。q差的計算結(jié)果見表2。

由表2分析得出：1）新舊版暴雨強度公式存在一定差異，其中，負向差率占50%，正向差率占50%，差率絕對值小于10%的比例為53.41%，差率絕對值在10%～20%的比例占29.55%，差率絕對值在20%～30%的比例占17.04%。2）5～30 min歷時各重現(xiàn)期以舊版公式計算的雨強較大，各歷時平均偏大幅度在5.0%～10.74%，并隨著歷時增大而差距逐漸減小;45 min歷時的新舊版公式各重現(xiàn)期的雨強基本相當(dāng);60～180 min歷時各重現(xiàn)期以新版公式計算的雨強較大，各歷時平均偏大幅度在4.26%～26.51%，并隨著歷時增大而差距逐漸增大。

3.1.2 差異原因

融水縣新舊版暴雨強度公式的采樣方法、資料時段及年限、編制方法有所不同，由此推算出來的暴雨強度公式不同，造成新舊版公式的計算結(jié)果存在一定差異。分析差異原因為：舊版公式由廣西建委綜合設(shè)計院利用融水縣1962—1972年的降雨資料，采用年多個樣本法進行取樣，由數(shù)理統(tǒng)計方法推算出來，編制時間較早、資料序列較短、方法較為單一;新版公式由柳州市氣象局利用融水縣1988—2017年的分鐘降雨資料，采用年最大值法進行取樣，利用“暴雨強度計算系統(tǒng)”進行計算編制。

3.2 新舊暴雨強度公式重現(xiàn)期對應(yīng)關(guān)系分析

為進一步分析5～30 min短歷時舊版公式比新版公式雨強偏大的差異結(jié)果，為市政設(shè)計中重現(xiàn)期的選定提供參考依據(jù)，需要計算研究在同一暴雨強度下新舊版暴雨強度公式重現(xiàn)期之間存在的關(guān)系。以舊版公式在2 a、3 a、5 a、10 a、20 a、30 a、50 a、100 a重現(xiàn)期下的統(tǒng)計樣本，利用新版公式計算出5～30 min降雨歷時內(nèi)的重現(xiàn)期平均值，并與舊版公式的重現(xiàn)期作偏差對比，得出表3的對應(yīng)關(guān)系。

由表3分析得出：在5～30 min短歷時計算的新版公式重現(xiàn)期均大于舊版公式，重現(xiàn)期偏差在74.50%～96.59%。因此，市政排水設(shè)計在5～30 min短歷時運用該新版公式時，需要適當(dāng)提高設(shè)計的重現(xiàn)期，才能滿足舊版公式的設(shè)計標準。

4 結(jié)論

1）根據(jù)年最大值法，基于耿貝爾分布曲線擬合，采用最小二乘法推算出融水縣新版暴雨強度公式，經(jīng)檢驗其精度高，符合國家規(guī)范及導(dǎo)則的要求，建議實際應(yīng)用中采用新版暴雨強度公式。

2）由于采樣方法、資料時段及年限、編制方法的不同，融水縣新舊版暴雨強度公式存在一定差異：新版公式在5～30 min歷時各重現(xiàn)期的雨強比舊版公式偏小;在45 min歷時新舊版公式各重現(xiàn)期的雨強基本相當(dāng);新版公式在60～180 min歷時各重現(xiàn)期的雨強比舊版公式偏大。

3）運用新版公式在進行市政排水設(shè)計時，在5～30 min短歷時需要適當(dāng)提高設(shè)計的重現(xiàn)期，以提高設(shè)計的安全性和可靠性。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）