浙江省短歷時暴雨分析計算方法探討

勞國民

（浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009）

1 問題的提出

當(dāng)前存在的洪澇災(zāi)害、水資源短缺和水污染三大水問題中，暴雨是產(chǎn)生洪澇災(zāi)害的主要原因。某一區(qū)域的暴雨特征值一般要求基于該區(qū)域雨量代表站的長系列實測資料進行分析，但在實際工作中，往往存在一些分析區(qū)域，特別是小流域缺乏雨量代表站。浙江省水文局2003年出版的《浙江省短歷時暴雨》，以浙江省637個雨量站建站以來至2000年的歷史資料為依據(jù)，研究形成暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線、暴雨時面深關(guān)系、暴雨雨型等成果，在全省不同區(qū)域設(shè)計暴雨和設(shè)計洪水分析計算中發(fā)揮了重要作用。

為研究《浙江省短歷時暴雨》分析計算的點雨量特征值與實測資料的相符性，本文選取全省23個具有長系列雨量資料的代表站，分別采用實測資料頻率分析方法和《浙江省短歷時暴雨》確定的設(shè)計暴雨計算方法進行分析比較，對分析成果進行相符性分析，探討2種方法的合理性和可靠性，供全省不同地區(qū)設(shè)計暴雨計算作參考。

2 雨量代表站的選擇

浙江省位于我國東南沿海，地處東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)，按降雨成因全省可分為梅雨主控區(qū)、臺風(fēng)雨主控區(qū)和梅雨臺風(fēng)雨兼容區(qū)3種類型，為分析不同類型地區(qū)雨量特征值，選取全省23個雨量代表站，涵蓋全省八大水系，包括山區(qū)型站點和平原型站點，測站高程從3 m到1 100 m，具有較好的代表性。各雨量站基本信息、年最大10 min和年最大60 min實測雨量特征值見表1、圖1。

表1 雨量代表站基本特性表

續(xù)表1

圖1 雨量代表站位置分布圖

3 暴雨計算成果及比較分析

暴雨歷時選擇10 min和60 min兩個歷時，設(shè)計頻率選擇20%（5 a一遇）、5%（20 a一遇）和2%（50 a一遇）3種，對2種方法計算成果進行比較分析。

3.1 設(shè)計暴雨法

《浙江省短歷時暴雨》中某一歷時不同頻率設(shè)計暴雨Xp可用式（1）計算：

式中：X為設(shè)計頻率P的設(shè)計雨量，mm；X為雨量均值，mm；Φp為離均系數(shù)；Cv為變差系數(shù)。

（1）在對應(yīng)歷時點雨量均值等值線圖上讀取雨量站所在位置的雨量均值X；

（2）在對應(yīng)歷時點雨量變差系數(shù)等值線圖上讀取雨量站所在位置的變差系數(shù)Cv；

（3）在P -Ⅲ型曲線離均系數(shù)表中讀取對應(yīng)Cs和設(shè)計頻率P的離均系數(shù)Φp（浙江省短歷時暴雨的偏態(tài)系數(shù)Cs和變差系數(shù)Cv的比值Cs/Cv一般取3.5）；

（4）對應(yīng)設(shè)計頻率P的設(shè)計暴雨Xp即可用式（1）計算得到。

3.2 頻率分析法

以單站歷年實測資料為依據(jù)，采用P -Ⅲ型分布曲線分析某一歷時不同頻率設(shè)計雨量，步驟如下：

（1）將歷年實測資料按從大到小的順序排列，按公式（2）計算相應(yīng)的經(jīng)驗頻率，將經(jīng)驗頻率點據(jù)（Pi，Xi）點繪到概率格紙上；

相關(guān)性分析顯示，周圍神經(jīng)病變、心臟自主神經(jīng)功能存在相似性，存在以下特征：①正中神經(jīng)與心臟自主神經(jīng)功能關(guān)系更為密切；②SCV與心臟自主神經(jīng)功能關(guān)系更為密切?？赡茉驗椋赫猩窠?jīng)在臂部損傷時可累及全部分支，手并非承重的肢體，不容易受到大血管病變的影響，其能夠更真實的反映高血糖所致的神經(jīng)損傷，提示心臟自主神經(jīng)損傷也容易受到高血糖的影響[6]。SCV能夠更好的反映靜止?fàn)顟B(tài)下的神經(jīng)功能，更好的反映高血糖神經(jīng)損傷情況，不容易受到運動狀態(tài)、方式等因素的影響，不容易受到干擾。

式中：Pi為第i個數(shù)據(jù)的經(jīng)驗頻率；n為數(shù)據(jù)個數(shù)。

（2）采用矩法公式（3）、（4）計算變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs；

式中：Xi為第i個實測數(shù)據(jù)。

（3）在P -Ⅲ型曲線離均系數(shù)表中讀取對應(yīng)Cs和設(shè)計頻率P的離均系數(shù)Φp，按照式（1）計算相應(yīng)頻率下的設(shè)計雨量，得到理論點據(jù)系列；

（4）將理論頻率點據(jù)（P，Xp）點繪到同一張概率格紙上，并繪制理論頻率曲線，根據(jù)曲線和經(jīng)驗點據(jù)的擬合度對變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs作適當(dāng)調(diào)整，重新計算理論點據(jù)，直至理論頻率曲線與經(jīng)驗點據(jù)能較好的擬合；

（5）按照調(diào)整后的參數(shù)計算得到指定頻率P的設(shè)計雨量Xp。

3.3 計算成果及比較分析

對選用的23個雨量代表站，分別采用設(shè)計暴雨法和頻率分析法，計算分析10 min和60 min兩個歷時，20%（5 a一遇）、5%（20 a一遇）和2%（50 a一遇）3種頻率的設(shè)計雨量（表2、表3）。

表2 浙江省雨量代表站最大10 min設(shè)計暴雨分析成果

續(xù)表2

表3 浙江省雨量代表站最大60 min設(shè)計暴雨分析成果

續(xù)表3

由表2、表3可知，采用2種方法分析計算23個雨量代表站最大10 min和最大60 min不同頻率暴雨，設(shè)計暴雨法計算結(jié)果均比頻率分析法偏大。

最大10 min暴雨分析成果，全部雨量站頻率為2%（50 a一遇）2種方法計算結(jié)果相對偏差為0.8% ～ 18.8%，平均相對偏差7.3%；頻率為5%（20 a一遇）相對偏差為1.5% ～15.0%，平均相對偏差5.9%；頻率為20%（5 a一遇）相對偏差為0.0% ～ 7.0%，平均相對偏差3.3%。頻率為2%（50 a一遇）、5%（20 a一遇）、20%（5 a一遇）時，梅雨主控區(qū)站點平均相對偏差分別為6.9%、5.9%、3.7%，臺風(fēng)雨主控區(qū)站點平均相對偏差分別為8.2%、6.3%、2.8%，梅雨臺風(fēng)雨兼容區(qū)站點平均相對偏差分別為6.8%、5.5%、3.4%。

最大60 min暴雨分析成果，全部雨量站頻率為2%（50 a一遇）2種方法計算結(jié)果相對偏差為0.4% ～ 15.3%，平均相對偏差7.5%；頻率為5%（20 a一遇）相對偏差為1.1% ～11.3%，平均相對偏差5.7%；頻率為20%（5 a一遇）相對偏差為0.5% ～ 6.5%，平均相對偏差2.5%。頻率為2%（50 a一遇）、5%（20 a一遇）、20%（5 a一遇）時，梅雨主控區(qū)站點平均相對偏差分別為6.0%、4.6%、2.0%，臺風(fēng)雨主控區(qū)站點平均相對偏差分別為10.0%、7.3%、2.4%，梅雨臺風(fēng)雨兼容區(qū)站點平均相對偏差分別為7.0%、5.6%、3.1%。

頻率越高（重現(xiàn)期越長），2種方法計算結(jié)果相對偏差越大，主要原因是設(shè)計暴雨法和頻率分析法都是以雨量站幾十年實測資料為依據(jù)，資料系列相對較短，高頻率附近實測點據(jù)偏少，容易產(chǎn)生偏差。

不同地區(qū)類型雨量站，臺風(fēng)雨主控區(qū)站點2種方法計算結(jié)果相對偏差較大，梅雨主控區(qū)站點和梅雨臺風(fēng)雨兼容區(qū)站點的相對偏差基本接近。

4 結(jié) 語

（1）目前浙江省單站設(shè)計暴雨主要采用2種方法，一種是《浙江省短歷時暴雨》確定的設(shè)計暴雨法，主要應(yīng)用于實測資料缺乏或系列較短的雨量站；另一種是以單站實測資料為依據(jù)的頻率分析法，主要應(yīng)用于實測資料系列較長的雨量站。

（2）全省不同區(qū)域雨量代表站分析表明，各歷時不同頻率暴雨計算結(jié)果，設(shè)計暴雨法均比頻率分析法偏大，90%的相對偏差在10%以內(nèi)，最大偏差不超過20%，2種方法計算結(jié)果具有較好的相符性。

（3）頻率越高（重現(xiàn)期越大），2種方法計算結(jié)果相對偏差越大；臺風(fēng)雨主控區(qū)站點2種方法計算結(jié)果相對偏差比梅雨主控區(qū)站點和梅雨臺風(fēng)雨兼容區(qū)站點要略大。

（4）頻率分析法以單站實測資料為依據(jù)，限于資料系列的局限性，分析結(jié)果有時會出現(xiàn)不能全面反映設(shè)計區(qū)域暴雨特性的情況；設(shè)計暴雨法考慮鄰近站點數(shù)據(jù)、地形條件及氣候條件等綜合因素，相關(guān)參數(shù)進行概化，部分站點分析結(jié)果與實測資料不完全相符。

（5）實際工作中，應(yīng)根據(jù)區(qū)域雨量站實測資料系列情況確定設(shè)計暴雨計算方法，具有較長系列實測資料的站以頻率分析法為主，實測資料缺乏或系列較短的雨量站以設(shè)計暴雨法為主，并綜合分析比較后最終確定暴雨計算結(jié)果。