某片區(qū)暴雨強度及雨型分析

李新泉

(河北省承德水文勘測研究中心，河北 承德 067000)

0 引言

近年來，海綿城市的建設(shè)概念在全國城市建設(shè)及更新設(shè)計中逐漸推廣開來。海綿城市是指在城市中建設(shè)防洪防澇并兼有生態(tài)環(huán)保功能的新型城市模型，即城市如同海綿一樣，降雨時城市可以“吸水”，而非降雨時期則可“擠”出蓄存的雨水[1]。暴雨強度公式是海綿城市設(shè)計中雨水排水設(shè)計流量計算、城市排水管網(wǎng)設(shè)計和片區(qū)規(guī)劃設(shè)計等工作的重要基礎(chǔ)指標(biāo)。因此暴雨強度公式的利用必須客觀反映城市內(nèi)研究區(qū)域的降雨特征與規(guī)律[2]。作為海綿城市設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)，暴雨強度公式及雨型分析對海綿城市設(shè)計及系統(tǒng)運行具有顯著影響[3]。

暴雨強度公式是海綿城市排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計的重要依據(jù)[4]。芝加哥雨型計算法作為一種具有相對較高普適性的雨型分析手段，根據(jù)其合成的暴雨過程線被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外海綿城市排水工程分析過程[5]。謝東[6]等運用柳州國家氣象觀測站1975-2014年的降雨資料及芝加哥法模擬了柳州市區(qū)設(shè)計暴雨雨型，研究表明：各重現(xiàn)期下柳州相同降雨歷時設(shè)計暴雨雨型的形態(tài)一致，降雨歷時內(nèi)雨型大體呈單峰型，且相同重現(xiàn)期下雨峰處降雨強度值隨歷時的增加呈現(xiàn)“減小—增大—減小”的波動趨勢。戴有學(xué)[7]等采用芝加哥雨型法，對臨汾市城區(qū)短歷時的暴雨雨型設(shè)計進行分析研究。研究結(jié)果表明：1981-2013年山西臨汾短歷時最大降水量年際變化較大，且隨著降水歷時的延長，臨汾市年最大降水量極值有增大趨勢。當(dāng)暴雨重現(xiàn)期取值相同時，雨峰處降雨強度隨著降雨歷時的延長呈現(xiàn)處降低、增大、再降低的波動趨勢，但峰值雨強差異較小。蘇海龍[8]等使用過芝加哥雨型計算法及SWMM模型對西安小寨區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)能力評估及積水點分析，研究結(jié)果表明：芝加哥法具有良好的通用性，可以高效準(zhǔn)確地分析西安小寨區(qū)域在降雨歷時內(nèi)的暴雨強度，并為后續(xù)海綿城市設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

然而尚未有利用暴雨強度公式及芝加哥雨型法分析降雨強度及雨型分析的報道?；诖?，本文結(jié)合某區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)工程項目，利用暴雨強度公式及芝加哥雨型分析法對研究區(qū)域內(nèi)的不同降雨重現(xiàn)期下的暴雨強度及雨型進行分析。研究結(jié)果對理解不同暴雨重現(xiàn)期下的暴雨強度差異性及雨型變化具有一定的參考價值，為城市海綿城市規(guī)劃及城市片區(qū)排水工程設(shè)計提供基礎(chǔ)的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域總面積為20 km2，該地區(qū)以地勢南高北低，中部為平原，東西部為淺丘。中部為平壩區(qū)，占總面積的36%。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。研究區(qū)域境內(nèi)海拔差異小，氣候變化不大，年溫差2.5℃以內(nèi)。

2 研究地區(qū)暴雨強度公式

暴雨強度公式在城市建設(shè)、城市建設(shè)及海綿城市規(guī)劃等各個領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。隨著近年來中國城市化進程的加快以及全球氣溫持續(xù)變暖，國內(nèi)城市化區(qū)域降雨特性變化很大，許多地區(qū)的極端降雨特性發(fā)生了明顯的變化。氣象部門聯(lián)合住建部門修訂的暴雨強度公式，為城市規(guī)劃、控規(guī)編制、徑流控制、“海綿城市”建設(shè)等提供重要科學(xué)依據(jù)。城市曲線暴雨強度公式如下式所示：

(1)

(2)

式中：i為暴雨強度(mm/min，mm/min或mm/ha，mm/hm2)；t為降雨歷時(min，分鐘)；P為重現(xiàn)期(年)。

本次計算降雨歷時t取120min，重現(xiàn)期P取2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a。計算結(jié)果如表1所示。

3 研究區(qū)域降雨量模擬

3.1 芝加哥雨型模擬方法

芝加哥雨型計算法因其相對較高的普適性，被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)海綿城市降雨分析過程。我國國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及地方雨量分析規(guī)定等也廣泛地采用該方法。芝加哥雨型計算法是美國人Keifer與Chu研究出的一種應(yīng)用在排水管網(wǎng)系統(tǒng)的雨量分析理論，該理論把平均強度轉(zhuǎn)化成瞬時強度，進一步地，通過人工造峰即可求得，其中雨峰位置和研究區(qū)域的氣候及水系情況相關(guān)。

表1 降雨強度表 mm/min

3.2 芝加哥雨型計算法原理

芝加哥雨型計算法其計算公式如下式所示：

(3)

式中：t為降雨歷時；q為平均降雨強度；A，b，n等均為地方降雨參數(shù)。進一步地，降雨歷時t地總降雨量：

(4)

式中：H為降雨總量，t時刻的降雨強度為：

(5)

t=ta+tb

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：r為雨峰相對位置參數(shù)，一般取值為0.3～0.5；tb表示峰后降雨歷時；ta表示峰前降雨歷時。根據(jù)相關(guān)文獻報道，本研究模擬過程雨峰位置選取為0.4。

3.3 暴雨強度計算分析

基于暴雨強度計算公式，計算了2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a重現(xiàn)期下的暴雨強度值，暴雨歷時為120 min。結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)暴雨強度

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在降雨歷時區(qū)間為0～40 min內(nèi)，重現(xiàn)期對暴雨強度強度地影響相對較大。具體來說，當(dāng)降雨歷時為10 min時，對應(yīng)2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a重現(xiàn)期下的暴雨強度值分別為：1.557 mm/min、2.017 mm/min、2.337 mm/min、2.655 mm/min、2.841 mm/min、2.973 mm/min及3.075 mm/min，最高值與最低值之間地比值為1.97。進一步地，研究區(qū)域內(nèi)暴雨強度隨著降雨時長地增加，其暴雨強度變化逐漸趨于緩和。隨著重現(xiàn)期從2 a增加到50 a，在經(jīng)歷120 min降雨歷時內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強度分別從2.135 mm/min、2.719 mm/min、3.145 mm/min、3.569 mm/min、3.816 mm/min、3.991 mm/min及4.127 mm/min，降低到0.415、0.541 mm/min、0.632 mm/min、0.722 mm/min、0.775 mm/min、0.812 mm/min及0.841 mm/min。與初期降雨量隨著重現(xiàn)期不同而劇烈震蕩相似，降雨歷時末期的最大暴雨強度與最低暴雨強的比值為2.02。

表2 降雨量統(tǒng)計表

進一步地，如表2所示，其每公頃內(nèi)降水量在研究區(qū)域內(nèi)的匯水量分別為：1 386.1 mm、1 806.94 mm、2 110.88 mm、2 411.48 mm、2 588.5 mm、2 712.08 mm及2 808.94 mm。綜上所述，盡管隨著降雨歷時的增加暴雨強度會進一步降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。然而，暴雨重現(xiàn)期依然對暴雨強度的計算起到關(guān)鍵作用。

3.4 芝加哥雨型分析

以研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強度公式為基礎(chǔ)，根據(jù)芝加哥雨型計算原理及公式，進一步通過積分計算芝加哥合成暴雨過程線在降雨歷時內(nèi)的平均降雨量，進而得到在1～120 min降雨歷時內(nèi)，對應(yīng)降雨重現(xiàn)期為2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a的芝加哥雨型。如圖2所示，在0～120 min降雨歷時內(nèi)，雨峰的位置出現(xiàn)在48 min時。進一步地，在雨峰位置確定后，在雨峰位置所對應(yīng)的降雨歷時下，其峰值分別為：2.2785 mm/min、2.7721 mm/min、3.1455 mm/min、3.5189 mm/min、3.7373 mm/min、3.8923 mm/min及4.0128 mm/min。其最高值與最低值比值為1.76。研究片區(qū)內(nèi)的雨型呈現(xiàn)先增加后降低的降雨趨勢。

圖2 不同降雨重現(xiàn)期下的雨型

綜上所述，在實際城市排水系統(tǒng)工程設(shè)計中，通過合理地計算暴雨重現(xiàn)期及雨峰位置參數(shù)下的暴雨強度，可以有效地提高研究區(qū)域內(nèi)的城市規(guī)劃、控規(guī)編制、徑流控制、“海綿城市”設(shè)計的準(zhǔn)確性及合理性。

4 結(jié)語

本研究利用暴雨強度計算公式及芝加哥雨型分析方法，對不同降雨重現(xiàn)期下的成都市某片區(qū)暴雨強度及雨型變化進行研究。得到了如下結(jié)論：

(1)降雨重現(xiàn)期的選取將顯著地影響研究區(qū)域內(nèi)的降雨強度，且隨著降雨歷時的增加暴雨強度會趨于穩(wěn)定；

(2)不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)域內(nèi)的雨型呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且降雨歷時內(nèi)的雨峰出現(xiàn)在第48分鐘時。