內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨雨型研究

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（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海）

雨型體現(xiàn)了暴雨強(qiáng)度在時(shí)間尺度上的分配過程，是內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)的重要影響因子，對(duì)內(nèi)澇積水的范圍和深度有直接影響。隨著內(nèi)澇防治工作的不斷完善，城市設(shè)計(jì)暴雨雨型已被列為城市內(nèi)澇防治設(shè)施規(guī)劃的基礎(chǔ)專題進(jìn)行研究[1]，當(dāng)前我國部分城市如北京、南京、鄭州等地發(fā)布了城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)長歷時(shí)雨型以指導(dǎo)城市排水防澇體系的建設(shè)。然而，尚有許多城市和地區(qū)受限于有限的長歷時(shí)降雨資料條件，尚未建立設(shè)計(jì)雨型。

1 設(shè)計(jì)暴雨雨型關(guān)鍵因素研究

內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨雨型包含降雨時(shí)長、時(shí)間間隔、雨強(qiáng)分配等關(guān)鍵因素。城市內(nèi)澇防治系統(tǒng)包括城市小排水系統(tǒng)（市政雨水管渠等）和大排水系統(tǒng)（河湖水系等），分別屬于市政、水利兩個(gè)系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)在風(fēng)險(xiǎn)理念、暴雨頻率計(jì)算選樣、計(jì)算方法上均有顯著的差異[2]，目前尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)雨型。小排水系統(tǒng)涉及的匯水分區(qū)面積較小，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)較短，一般在180 min 以內(nèi)，在設(shè)計(jì)時(shí)一般假定在一定降雨歷時(shí)范圍內(nèi)暴雨強(qiáng)度保持恒定，不考慮雨型，但在進(jìn)行內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期校核時(shí)，需要考慮降雨歷程，即雨型的影響。大排水系統(tǒng)需要計(jì)算滲透、調(diào)蓄等設(shè)施對(duì)雨水的滯蓄作用，需采用較長歷時(shí)降雨，我國內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)一般選用3 h～24 h，城區(qū)常以24 h控制。

《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》GB51222-2017 規(guī)定：當(dāng)匯水面積大于2 km2時(shí)，應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型法確定雨水設(shè)計(jì)流量，并校核內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下地面的積水深度等要素。內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨應(yīng)兼顧大、小排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)降雨時(shí)長應(yīng)取兩者較大值，而設(shè)計(jì)降雨時(shí)間間隔取兩者較小值。《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和應(yīng)用規(guī)程》T/CECS 647-2019 提出：城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)暴雨用于確定內(nèi)澇防治設(shè)施的尺寸，降雨輸入步長一般為5 min。因此，城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨時(shí)長宜為24 h，暴雨間隔宜為5 min。

2 研究方法

獲得符合模型運(yùn)算要求的內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨主要有兩種做法，一種是同頻率分析法，以出現(xiàn)次數(shù)最多的情況（即眾值）確定時(shí)間序位，以平均情況（即均值）確定各時(shí)段雨量比例[3]，該方法推導(dǎo)的雨型代表性好，但對(duì)長歷時(shí)降雨資料樣本數(shù)量要求高；另一種是典型暴雨放大法，即選取典型暴雨過程，按照設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的要求，進(jìn)行同倍比或同頻率放大后作為內(nèi)澇防治重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨[4]，該方法雖然對(duì)降雨樣本數(shù)量要求較低，但單一降雨樣本偶然性大，可能會(huì)造成較大誤差。在此，提出一種在既有條件下的內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算方法，該方法基于暴雨圖集和短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式，既能克服長歷時(shí)暴雨資料樣本不足的問題，又能彌補(bǔ)典型暴雨代表性不足的問題，同時(shí)還能兼顧大、小排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，得出的設(shè)計(jì)暴雨也能滿足模型計(jì)算的精度要求，為后續(xù)開展城市內(nèi)澇防治提供必要的工作基礎(chǔ)。

3 實(shí)例研究

暴雨參數(shù)圖集是各省應(yīng)水利部要求編制的，用以指導(dǎo)省內(nèi)水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)的重要參考資料，其內(nèi)容一般包含10 min、60 min、6 h、24 h、3 d等不同歷時(shí)的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式是應(yīng)國家住建部要求編制的，用以指導(dǎo)市政小排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，當(dāng)前大部分省市均已形成成果。通過暴雨強(qiáng)度公式可獲得180 min 降雨過程以內(nèi)任意時(shí)段降雨數(shù)據(jù)，但受選樣資料歷時(shí)所限，暴雨強(qiáng)度公式不能延伸到24 h，否則將引起重大誤差。

綜合暴雨參數(shù)圖集和暴雨強(qiáng)度公式，可推算內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨各控制時(shí)段雨量和時(shí)程分配。本文以推求江蘇省N 市內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)雨型為例加以說明。

3.1 設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度

查《江蘇省暴雨參數(shù)圖集》（以下簡稱“圖集”）可得各歷時(shí)的均值H、Cv 值，根據(jù)Cv、Cs 查《水文頻率計(jì)算查算表》的皮爾遜Ⅲ型曲線KP表（Cs=3.5Cv），再按公式計(jì)算得到不同頻率設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量，需注意，當(dāng)內(nèi)澇防治區(qū)域面積較大時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨按時(shí)～面～深關(guān)系查算折減系數(shù)計(jì)算城市內(nèi)澇防治面暴雨量。本文只說明設(shè)計(jì)雨型計(jì)算方法，未有特定內(nèi)澇研究區(qū)域，因此不乘折減系數(shù)，而暫以點(diǎn)暴雨量代替面暴雨量，計(jì)算得到N 市24 h 內(nèi)各時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨量見表1。

表1 N 市“圖集”設(shè)計(jì)暴雨量（單位：mm）

表2 N 市暴雨強(qiáng)度公式設(shè)計(jì)暴雨量（單位：mm）

對(duì)比表1 和表2 中相同重現(xiàn)期下10 min 和1 h設(shè)計(jì)歷時(shí)的降雨量可知，10 min 降雨歷時(shí)下兩種計(jì)算方法的設(shè)計(jì)暴雨成果比較接近，但暴雨重現(xiàn)期越高，暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算的結(jié)果較“圖集”計(jì)算結(jié)果越大；1 h 暴雨歷時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨成果與10 min 降雨歷時(shí)的規(guī)律正好相反，暴雨重現(xiàn)期越高，“圖集”計(jì)算結(jié)果較暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算的結(jié)果越大。兩種方法均采用了年最大值法進(jìn)行選樣，選樣方法相同，導(dǎo)致出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不同的原因，一是“圖集”在編制過程中考慮了降雨的地區(qū)分布規(guī)律，與鄰近省市進(jìn)行過協(xié)調(diào)，整體上存在“均化”效應(yīng)[5]，而暴雨強(qiáng)度公式選用各城市降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，城市之間差異性明顯；二是兩種方法所選資料序列不一，資料樣本不同。值得說明的是，不論是哪種方法的計(jì)算結(jié)果，都是合理的，但是需要對(duì)差異進(jìn)行處理，使結(jié)果統(tǒng)一合理。

綜合“圖集”和暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算成果，從工程安全角度出發(fā)，采用“長包短”、“大包小”[6]的型式統(tǒng)一1 h 及1 h 以內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨，3 h 降雨量采用暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算成果，6 h 和24 h 降雨量采用“圖集”計(jì)算成果，見表3。處理以后，市政小排水系統(tǒng)和水利大排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)暴雨都得到了兼顧，為后續(xù)內(nèi)澇防治體系合理構(gòu)建提供有利條件。

表3 N 市設(shè)計(jì)暴雨量（單位：mm）

3.2 設(shè)計(jì)暴雨過程

“圖集”已根據(jù)實(shí)測(cè)暴雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)明確了1 h 時(shí)間間隔的設(shè)計(jì)雨型，根據(jù)“圖集”，24 h 設(shè)計(jì)暴雨雨峰位置位于第18 h，最大6 h 降雨時(shí)間為第14 h～第19 h，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充最大3 h 降雨占比，最終24 h設(shè)計(jì)暴雨量分1 h、3 h、6 h 和24 h 四段控制。

“圖集”將設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配到了逐小時(shí)，為了獲得逐5 min 降雨數(shù)據(jù)，還需進(jìn)一步處理。短歷時(shí)降雨過程分布參考雨型模式矩陣分為7 種模式，如圖1 所示。在降雨樣本充分的情況下，通過分析樣本數(shù)據(jù)可得出具有當(dāng)?shù)卮硇缘脑O(shè)計(jì)暴雨雨型，然而在缺少樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下，可酌情選擇7 種模式雨型中的一種或幾種對(duì)逐小時(shí)內(nèi)降雨進(jìn)行分配細(xì)化。一般情況下，時(shí)程分配不均的降雨較均勻降雨經(jīng)地表匯流產(chǎn)生的峰值流量更大，對(duì)市政小排水系統(tǒng)的影響更不利，而不均勻降雨中，以芝加哥雨型為代表的單峰降雨對(duì)市政小排水系統(tǒng)的影響最為不利，因此，可考慮采用芝加哥雨型對(duì)逐小時(shí)雨量進(jìn)行分配細(xì)化，其中最大3 h降雨過程直接采用180 min 短歷時(shí)芝加哥雨型代替。

圖1 7 種模式雨型示意

按照N 市短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型（芝加哥雨型）對(duì)逐小時(shí)降雨過程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：i 表示瞬時(shí)雨強(qiáng)（mm/min）；t1表示峰前時(shí)間（min）；t2表示峰后時(shí)間（min）；r 表示雨峰位置系數(shù)；暴雨強(qiáng)度公式的參數(shù)：A=9.972，c=1.004，b=12.000，n=0.657，r=0.43。最終計(jì)算得到內(nèi)澇防治重現(xiàn)期下24 h 逐5 min 降雨過程，N 市內(nèi)澇防治重現(xiàn)期為50 年，24 h逐5 min 降雨過程如圖2 所示。

圖2 50 年一遇內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨過程

3.3 合理性分析

分析計(jì)算得到的24 h 暴雨過程，其中H3時(shí)段內(nèi)降雨與180 min 短歷時(shí)芝加哥雨型降雨過程相吻合，而H6-H3時(shí)段內(nèi)每小時(shí)的降雨量為13.1 mm，H24-H6時(shí)段內(nèi)最大小時(shí)降雨量為8.6 mm，這些數(shù)值已遠(yuǎn)低于N 市市政小排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的雨量，理論上該時(shí)段內(nèi)無論雨型如何分配，均不會(huì)對(duì)市政小排水系統(tǒng)造成影響。此外，該設(shè)計(jì)雨型的1 h、3 h、6 h和24 h 分時(shí)段雨量均達(dá)到了水利大排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)180 min 以內(nèi)雨量分配也能對(duì)市政小排水系統(tǒng)起到校核作用，因此該雨型很好地兼顧了內(nèi)澇防治體系的大、小排水系統(tǒng)。

結(jié)束語

本文以各省市均具備的“圖集”和暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)，采用“長包短”、“大包小”的分析方法得出不同頻率、不同時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨量，在“圖集”的長歷時(shí)時(shí)程分配的指導(dǎo)下，合理地將芝加哥雨型“嵌入”其中得到逐5 min 內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨雨型，為數(shù)學(xué)模型運(yùn)算提供必要條件。值得注意的是，部分城市“圖集”和暴雨強(qiáng)度公式編制時(shí)間較早，城市的暴雨分布和統(tǒng)計(jì)特征可能發(fā)生較大變化，在收集到的樣本資料足夠的情況下，有條件的地區(qū)還是應(yīng)該抓緊開展內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨雨型專題研究，為后續(xù)的內(nèi)澇防治工作提供有力支撐。