廊坊市某片區(qū)暴雨強(qiáng)度及雨型分析

劉 杰

(河北省廊坊水文勘測研究中心，河北 廊坊 065000)

1 概 述

為了顯著改善城市排水工程規(guī)劃的預(yù)見性，暴雨強(qiáng)度公式及芝加哥雨型模型被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外海綿城市排水工程分析過程[1]。梅平等[2]根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式，提出降雨衰減指數(shù)的概念，并建立區(qū)域暴雨過程致災(zāi)強(qiáng)度的綜合評估模型。研究結(jié)果顯示，暴雨強(qiáng)度分析結(jié)果與歷史災(zāi)情記錄在時(shí)間和影響范圍上吻合較好。鄧培德等[3]利用芝加哥雨型概念，推導(dǎo)出三維參數(shù)雨型，并據(jù)此提出同頻率控制的模式雨型。WANG A等[4]利用現(xiàn)有上海市的降雨資料及芝加哥雨型法，對不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明，將單峰和雙峰暴雨分開推導(dǎo)的水位線在實(shí)際應(yīng)用過程中更加合理。蘇海龍[5]等利用芝加哥雨型計(jì)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(diǎn)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(shí)內(nèi)的暴雨強(qiáng)度，并為后續(xù)海綿城市設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

然而尚未有利用暴雨強(qiáng)度公式及芝加哥雨型法分析不同降雨重現(xiàn)期下廊坊市暴雨強(qiáng)度及雨型分析的報(bào)道。綜上所述，本文結(jié)合廊坊市某區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)工程項(xiàng)目，對研究區(qū)域內(nèi)的不同降雨重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度及雨型進(jìn)行分析。研究結(jié)果可為廊坊市不同暴雨重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度及雨型分布提供基礎(chǔ)的理論指導(dǎo)，并為廊坊市片區(qū)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

廊坊市位于河北省中部偏東，地理坐標(biāo)為N38°30′-N40°05′、E116°07′-E117°15′，地處華北平原東北部位置。廊坊市地處華北平原中東部，北起燕山南麓丘陵地區(qū)，南抵黑龍港流域，大部分為凹陷地區(qū)。廊坊市地處中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥、春季溫暖多風(fēng)、秋季涼爽適宜，雨熱同季。研究區(qū)域位于河北省廊坊市東北部地區(qū)，總面積約為22.3km2，海拔在5～20.5m之間。研究區(qū)域位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域位置

3 研究地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式

廊坊市坐落于華北平原東北部，地處京津之間，是河北省唯一沒有調(diào)蓄水庫的設(shè)區(qū)市，水資源十分匱乏。全市年平均降水量554.9mm，降水季節(jié)分布不均，多集中在夏季。研究區(qū)域6-8月份3個(gè)月降水量一般達(dá)到年總降水量的70%～80%[6]。因此，根據(jù)研究區(qū)域不同重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度，合理規(guī)劃排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)模，提升研究區(qū)域雨水利用效率，進(jìn)一步提高廊坊市排水蓄水能力。廊坊市氣象部門聯(lián)合當(dāng)?shù)刈〗ú块T頒布的暴雨強(qiáng)度公式，為廊坊市海綿城市建設(shè)提供重要設(shè)計(jì)依據(jù)。廊坊市的暴雨強(qiáng)度公式如下：

(1)

(2)

其中：i為暴雨強(qiáng)度，mm/hm2；t為降雨歷時(shí),min；P為重現(xiàn)期，年。

本次計(jì)算降雨歷時(shí)t取120min，重現(xiàn)期P取1、2、3、5、10及20年。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 廊坊市不同降雨重現(xiàn)期下降雨強(qiáng)度表 /mm·(hm2)-1

4 研究區(qū)域降雨量模擬

4.1 芝加哥雨型模擬方法

芝加哥雨型計(jì)算法因其相對較高的普適性，因此該方法被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外海綿城市降雨分析過程[7]。芝加哥雨型計(jì)算法是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(qiáng)度轉(zhuǎn)化成瞬時(shí)強(qiáng)度，進(jìn)一步通過人工造峰即可求得降雨過程中的降雨瞬時(shí)強(qiáng)度，其中雨峰位置和研究區(qū)域的氣候及水系情況相關(guān)。目前，常見的雨型分析方法有常數(shù)法、三角法、德波爾德法(Desbordes)、芝加哥法(Chicago)、西法爾達(dá)法(Sifalda)、水土保持服務(wù)水位圖(Soil conservation service hyetograph)。作為一種可以應(yīng)用在大流域范圍內(nèi)的雨量雨型分析理論，芝加哥雨型計(jì)算法被廣泛應(yīng)用于“海綿城市系統(tǒng)設(shè)計(jì)”及“排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)”過程。具體來說，芝加哥雨型計(jì)算法中雨峰位置和研究區(qū)域的氣候及區(qū)位情況相關(guān)。

4.2 芝加哥雨型計(jì)算法原理

芝加哥雨型計(jì)算法公式如下：

(3)

其中：t為降雨歷時(shí)；A、b、n為地方降雨參數(shù)；Q為平均降雨強(qiáng)度。

研究中數(shù)據(jù)處理工具為SPSS 19.0，按照百分?jǐn)?shù)對計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)表示以x2測定，P＜0.05差異具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

降雨歷時(shí)t的總降雨量：

(4)

式中：H為降雨總量；t時(shí)刻的降雨強(qiáng)度為：

(5)

t=ta+tb

(6)

(7)

(8)

(9)

其中：r為雨峰相對位置參數(shù)，一般取值為0.3～0.5；tb為峰后降雨歷時(shí)；ta為峰前降雨歷時(shí)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[7-8]，考慮到研究區(qū)域?qū)嶋H降雨情況，故本研究模擬過程雨峰位置選取為0.45。

4.3 暴雨強(qiáng)度計(jì)算分析

基于廊坊市暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算1、2、3、5、10及20年重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度值，暴雨歷時(shí)為120min。結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在降雨歷時(shí)區(qū)間內(nèi)(0～120min)，暴雨強(qiáng)度隨著重現(xiàn)期的增加而逐漸提高。具體來說，當(dāng)降雨歷時(shí)為20 min時(shí)，對應(yīng)1、2、3、5、10及20年重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度值分別為173.50 、214.03、237.74、267.61、308.14及348.67mm/hm2。降雨重現(xiàn)期20年與1年的暴雨強(qiáng)度比值為2.01。隨著降雨歷時(shí)的增加，廊坊市暴雨強(qiáng)度在80min內(nèi)快速下降，并于80min后暴雨強(qiáng)度變化逐漸趨于緩和。具體來說，隨著降雨重現(xiàn)期從20年降低到1年，經(jīng)歷120min降雨歷時(shí)的暴雨強(qiáng)度從135.95mm/hm2降低到67.65mm/hm2。120min降雨歷時(shí)下的最大暴雨強(qiáng)度與最低暴雨強(qiáng)度的比值依然保持為2.01。降雨量統(tǒng)計(jì)見表2。

圖2 研究區(qū)域內(nèi)暴雨強(qiáng)度

表2 降雨量統(tǒng)計(jì)表

再進(jìn)一步對研究區(qū)域內(nèi)降水量進(jìn)行計(jì)算。在研究區(qū)域內(nèi)的匯水量分別為1 508.57、1 860.98、2 067.12、2 326.83、2 679.23及3031.63mm。根據(jù)項(xiàng)目所在地暴雨強(qiáng)度分析可知，隨著降雨重現(xiàn)期增加，暴雨強(qiáng)度及研究區(qū)域的徑流匯水量將出現(xiàn)明顯上升。

4.4 芝加哥雨型分析

根據(jù)芝加哥雨型的分析公式，進(jìn)一步通過積分計(jì)算研究區(qū)域芝加哥綜合暴雨過程線。由圖3可知，在降雨歷時(shí)內(nèi)且降雨重現(xiàn)期為1、2、3、5、10及20年的條件下，雨峰位置下(54min)的暴雨強(qiáng)度分別為0.014 8、0.018 2、0.020 2、0.022 8、0.026 2及0.029 7mm/min。在該雨型條件下，暴雨強(qiáng)度最高值與最低值比值為2.00。在本研究條件下，研究區(qū)域內(nèi)雨峰位置下暴雨強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。

圖3 不同降雨重現(xiàn)期下的雨型

由圖4可知，在降雨重現(xiàn)期為10年的條件下，隨著r從0.25提高至0.75，芝加哥雨型下雨峰位置的出現(xiàn)時(shí)間明顯滯后。具體來說，芝加哥雨型下雨峰位置的出現(xiàn)時(shí)間從30.0min增加至90.0min。基于上述分析，在廊坊市研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的雨水排水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇降雨重現(xiàn)期及雨峰參數(shù)。

圖4 不同雨峰位置下的雨型

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用廊坊市暴雨強(qiáng)度公式及芝加哥雨型分析方法，對不同降雨重現(xiàn)期及雨峰參數(shù)條件下研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強(qiáng)度及芝加哥雨型進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

1)在本研究中，降雨重現(xiàn)期的增加明顯提高了研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強(qiáng)度。同時(shí)，隨著降雨歷時(shí)的增加，暴雨強(qiáng)度之間的比值穩(wěn)定于2.01。

2)研究區(qū)域內(nèi)的芝加哥雨型呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，且隨著雨峰參數(shù)的提高，降雨歷時(shí)內(nèi)暴雨強(qiáng)度分布發(fā)生了明顯變化。