概化的累計(jì)暴雨量百分?jǐn)?shù)法在太湖區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨雨型研究的應(yīng)用

紀(jì)小敏， 楊 娜，陳 霞， 曹 帥， 鮑慶煜， 林炳章

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局， 江蘇 南京 210029； 2.南京信息工程大學(xué)， 江蘇 南京 210004；3.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 江蘇 南京 210000； 4.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南京分局， 江蘇 南京 210008)

1 概 述

暴雨是造成我國絕大部分地區(qū)洪澇災(zāi)害的重要原因，頻繁發(fā)生的極端暴雨洪水施加于高度密集的人口和資產(chǎn)，使得城市洪澇災(zāi)害損失增加，對(duì)城市發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分布，又稱雨型，是城市雨水排水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一。設(shè)計(jì)暴雨雨型確定的準(zhǔn)確與否將直接影響到城市防洪的安全可靠性和排水工程的投資預(yù)算[2]。

國內(nèi)外常用的設(shè)計(jì)暴雨雨型有均勻雨型、Keifer & Chu雨型、SCS雨型、Huff雨型、Pilgrim & Cordery雨型、Yen和Chow雨型(三角形雨型)、同頻率分析方法等[3]。在小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的推理公式中，常采用均勻雨型，但發(fā)現(xiàn)雨型過程與絕大多數(shù)實(shí)際降雨并不相符[4]。在20世紀(jì)40年代曾提出了一種不均勻的設(shè)計(jì)雨型，也稱芝加哥雨型；以及后來的huff，Pligrim和Cordery, Yen和Chow等都提出各自的設(shè)計(jì)暴雨雨型，較好地考慮到了雨型的極端情況，但對(duì)數(shù)據(jù)序列長度要求較高，且更適用于短歷時(shí)暴雨雨型[5]。而在國內(nèi)，鄧培德、王敏等也提出適應(yīng)某個(gè)城市的設(shè)計(jì)暴雨雨型[6]。但各種雨型之間差異較大，因此，目前還沒有一種公認(rèn)的雨型作為設(shè)計(jì)的依據(jù)[7]。本研究將根據(jù)江蘇省水文局提供的位于太湖區(qū)域的1956—1987年間的20場(chǎng)暴雨資料，摸索出一套適用于江蘇省的雨型分析方法，以對(duì)江蘇省水文總站1984年刊布的《江蘇省暴雨洪水圖集》雨型中的太湖流域雨型進(jìn)行改進(jìn)。

2 研究方法

針對(duì)太湖區(qū)域暴雨樣本的實(shí)際情況和日暴雨過程雨型設(shè)計(jì)要求，本研究采用概化的累計(jì)暴雨量百分?jǐn)?shù)法研究江蘇省設(shè)計(jì)暴雨雨型。該方法對(duì)選擇出的每場(chǎng)暴雨在時(shí)間軸和量級(jí)軸上同時(shí)進(jìn)行概化，將同一雨型下不同歷時(shí)的暴雨累積過程圖繪制于同一坐標(biāo)軸上。具體做法為對(duì)于任意降雨場(chǎng)次，P代表該降雨場(chǎng)次降雨總量，T表示該類型降雨的統(tǒng)一歷時(shí)，以小時(shí)為單位。首先，對(duì)暴雨發(fā)生時(shí)間進(jìn)行概化，如24 h雨型無論暴雨樣本歷時(shí)長短均概化為總長度為1的時(shí)間尺度，計(jì)算各累積時(shí)段占總降雨歷時(shí)的百分比，停雨時(shí)段也計(jì)算在內(nèi)。其次，對(duì)降雨量進(jìn)行概化，逐時(shí)段計(jì)算累積降雨量占總降雨量的百分比，停雨時(shí)段降雨量記為0。則一場(chǎng)暴雨第i個(gè)時(shí)段的時(shí)間概化值和雨量概化值分別為時(shí)間概化：

(1)

累積降雨量概化：

(2)

式中，xm表示累積時(shí)間百分比，ym表示累積雨量百分比，m表示總時(shí)段。

將概化后各場(chǎng)暴雨樣本的累計(jì)暴雨量百分比過程線繪制在同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，得到各暴雨場(chǎng)次累積降雨過程綜合曲線圖。根據(jù)該累積降雨過程綜合曲線圖進(jìn)行綜合雨型的分析。

由于本方法是根據(jù)實(shí)際暴雨資料進(jìn)行分析，為了綜合反映暴雨樣本的雨型特征，選取平均雨型作為最終雨型。為了保證各時(shí)段暴雨實(shí)際發(fā)生，取所有場(chǎng)次同一累積時(shí)段降雨量的中值，來獲得平均情況下的累積雨量過程。進(jìn)而還原出各時(shí)段雨量占總雨量的百分比，得到雨型的最初形態(tài)，然后對(duì)初步雨型過程進(jìn)行修正。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 太湖區(qū)域24 h暴雨雨型

參與24 h雨型分析的太湖區(qū)域地區(qū)暴雨場(chǎng)次為20場(chǎng)，采用概化的累積暴雨百分比法得到各場(chǎng)次的累積降雨百分比曲線，篩選出其中飽滿的暴雨過程(15場(chǎng))(圖1(a))。取所有系列同一時(shí)段的中值得到該地區(qū)平均累積暴雨百分比雨型(圖1(b))，并將平均雨型的累積百分比曲線進(jìn)行還原，得到24 h的時(shí)段雨型過程(2 h為1時(shí)段)(圖3(b))。

圖1 太湖區(qū)域24 h暴雨場(chǎng)次累積降雨過程和平均雨型累積降雨過程

可以看出，太湖區(qū)域24 h暴雨雨型，雨峰出現(xiàn)在第7/12時(shí)段，時(shí)段雨量占比為22%，為雨峰靠后型。場(chǎng)次降雨主要集中在第4～8時(shí)段，占總降雨量的74%，峰前雨量高于峰后雨量。

3.2 太湖區(qū)域3 d暴雨雨型

實(shí)際參與3 d雨型分析的太湖區(qū)域地區(qū)暴雨場(chǎng)次為16場(chǎng)，采用概化的累積暴雨百分比法得到各場(chǎng)次的累積降雨百分比曲線，篩選出飽滿的暴雨過程(11場(chǎng))。同理得到3 d暴雨的平均累積暴雨百分比雨型(圖2)和時(shí)段雨型過程(3 h為1時(shí)段)(圖4(b))。

圖2 太湖區(qū)域3 d暴雨場(chǎng)次累積降雨過程和平均雨型累積降雨過程

圖3 太湖地區(qū)最大24 h概化雨型與“84雨型”對(duì)比

圖4 太湖地區(qū)最大3 d概化雨型與“84雨型”對(duì)比

可以看出，太湖區(qū)域3 d暴雨雨型，雨峰出現(xiàn)在第13/24時(shí)段，時(shí)段雨量占比為24%，為雨峰居中尖瘦型。場(chǎng)次降雨主要集中雨峰位置，容易形成城市型洪澇，其峰前雨量與峰后雨量持平。

3.3 與“84圖集”對(duì)比

目前江蘇省規(guī)劃設(shè)計(jì)水文計(jì)算均以1984年《江蘇省暴雨洪水圖集》為基礎(chǔ)，計(jì)算歸納得到的最大3 d、最大24 h設(shè)計(jì)雨型(以下簡稱“84雨型”)對(duì)規(guī)劃工作有極其重要的指導(dǎo)作用，經(jīng)過多年的實(shí)際檢驗(yàn)用，“84雨型”的可靠性得到了很好驗(yàn)證，本文分析計(jì)算得到的雨型(以下簡稱“概化雨型”)需要與“84雨型”進(jìn)行比較分析。

圖3顯示：基于實(shí)際暴雨資料采用概化的累積暴雨百分比法得到的太湖地區(qū)24 h暴雨雨型，其暴雨的雨峰位置與“84圖集”的雨峰位置一致，雨峰占比低于“84圖集”。但該方法更貼近實(shí)際降雨情況，表現(xiàn)出的雨型為緩漲陡落型；而“84圖集”只考慮了雨峰的情況，其余時(shí)段的降雨比例與實(shí)際降雨不符。

圖4顯示：基于實(shí)際暴雨資料采用概化的累積暴雨百分比法得到的太湖地區(qū)3 d暴雨雨型，其暴雨的雨峰位置比“84圖集”的雨峰位置靠前一些，雨峰占比略低于“84圖集”。但該方法得出雨型為陡漲陡落型，相比較“84圖集”只能給出雨峰信息，更能夠?yàn)槌鞘懈鲿r(shí)期的防汛工作給出具體指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

采用概化的累積暴雨量百分?jǐn)?shù)法概念清楚，取材(暴雨樣本)當(dāng)?shù)?，加以概化綜合，反映研究區(qū)當(dāng)?shù)乇┯陼r(shí)程分布的實(shí)際特征。該方法能夠適應(yīng)不同的暴雨資料情況，應(yīng)用更為方便。通過對(duì)太湖區(qū)域暴雨樣本的分析，得到如下結(jié)論。

(1)24 h雨型：太湖區(qū)域地區(qū)的雨峰位置為中間偏后，為緩漲陡落型，雨峰占總雨量百分比為22%。

(2)3 d雨型：太湖區(qū)域地區(qū)為尖瘦單峰型，雨峰占比很大(24%)，雨型陡漲陡落，為典型致澇型雨型，太湖區(qū)域地區(qū)3 d暴雨雨型較為不利。

(3)通過與“84圖集”對(duì)比發(fā)現(xiàn)：概化方法得出的暴雨雨型形態(tài)與“84圖集”在雨峰位置上是基本一致的，由于不是只考慮極端情況，雨峰占比低于“84圖集”。但概化雨型更能如實(shí)反映出實(shí)際暴雨的時(shí)程分布特征，且雨型形態(tài)更為合理，可為暴雨歷時(shí)內(nèi)各時(shí)段的城市防洪工作給出更為具體的指導(dǎo)意見。