無(wú)資料地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算思考
——以魯西地區(qū)為例

潘 旭,趙慶魯,陳成勇

(聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

1 研究背景

隨著全球氣候變暖,極端天氣越來(lái)越多,對(duì)于全國(guó)各地來(lái)說(shuō),汛期的強(qiáng)降水造成的自然災(zāi)害尤為嚴(yán)重,降水形成的洪澇災(zāi)害可對(duì)地區(qū)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,因此在工程建設(shè)上要考慮本地區(qū)可能發(fā)生的較大暴雨。本次主要以魯西地區(qū)的聊城為例,研究無(wú)資料地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算。

聊城市位于山東的西部,地處魯西平原,處于山東、河南、河北三省的交界處,下轄東昌府區(qū)、臨清、高唐、茌平、東阿、陽(yáng)谷、莘縣、冠縣八個(gè)縣市區(qū)。地形為黃河沖積平原,地勢(shì)西南高、東北低,地面坡降1/6500～1/7500,海拔高度為22.6～49.0m。聊城歷史上受黃河多次決口沖擊影響,形成了起伏較緩,坡、洼相間的平原地貌。境內(nèi)地貌主要分為河灘高地、淺平洼地、緩平坡地等。

2 聊城氣候條件

聊城處于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū),具有明顯的季風(fēng)氣候特征,四季分明。四季氣候的特點(diǎn)是春季風(fēng)沙較多,夏季多雨易出現(xiàn)洪澇,秋冬季降水偏少容易干旱。全市多年平均降水量560.0mm,最大1035.3mm(2021年),最小301.0mm(2002年)。聊城市降水量在時(shí)空分布上較不均勻,但相差不是很大。中西部及西北部地區(qū)降水量在540mm左右,東部和東南部降水量偏多在560mm左右。由于降水影響本市的時(shí)間、路徑和強(qiáng)度不同,不同年份間年降水量也存在一定出入,近20a降水量最多年(2021年)和最少年(2002年)相差734.3mm。1a中各月份降水也存在較大出入,拿降水最多的2021年為例,其中1～5月份,全市平均降水量112.5mm,比歷年同期偏多16.0%。6～9月份,全市平均降水量783.1mm,比歷年同期偏多91.0%,10～12月份,全市平均降水量129.0mm,比歷年同期偏多1.5倍。其中汛期降水主要集中在7月、9月兩個(gè)月份,兩個(gè)月份全市平均降水量合計(jì)578.6mm,較歷年全年平均降水量560.0mm還多18.6mm。

雖然年與年、月與月之間的降水差距較大,但聚集到每一場(chǎng)降水過(guò)程中,聊城市的降水有其特點(diǎn)。大部分降水過(guò)程暴雨地區(qū)相對(duì)集中,很少呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布。汛期期間除去雷陣雨等強(qiáng)對(duì)流天氣,一般降水自西向東的過(guò)程較多,因此大多數(shù)聊城市相鄰地區(qū)的降水特點(diǎn)及降水量差別不會(huì)太大。

3 無(wú)資料地區(qū)計(jì)算方式

考慮聊城為平原地區(qū),降水在空間上具有一定的規(guī)律性。根據(jù)歷年降水記錄,聊城地區(qū)降水范圍較大且強(qiáng)度較大的降水,多是因?yàn)楦睙釒Ц邏罕碧c北方冷空氣交匯或者受臺(tái)風(fēng)影響產(chǎn)生的降水。這種降水范圍及強(qiáng)度都較大的降水過(guò)程,降水量在各縣市區(qū)之間都相對(duì)均勻,不會(huì)產(chǎn)生相鄰地區(qū)降水量相差巨大的情況。根據(jù)歷年降水資料,聊城降水一般呈現(xiàn)自西北向東南減少的狀況,各縣市區(qū)多年平均降水量在540～590mm之間,相鄰兩縣之間平均降水量相差在38 mm以下,因此兩個(gè)相鄰雨量站之間的降水變化不會(huì)太大且也存在逐步減小或者逐步增大的規(guī)律性[1-2]。利用此點(diǎn)可以利用有長(zhǎng)系列資料的雨量站點(diǎn)來(lái)計(jì)算無(wú)資料地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨或者為無(wú)資料地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨提供參考。

本次雨量站點(diǎn)選用5個(gè)站,分別為處于聊城中部地區(qū)的聊城站,聊城東部的東阿站,聊城西部的冠縣站,聊城北部的高唐站以及南部的莘縣站。站點(diǎn)信息表,見表1。

表1 站點(diǎn)信息表

4 數(shù)據(jù)分析計(jì)算

將所選的雨量站點(diǎn)的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,主要整理歷時(shí)為24h的暴雨極值數(shù)據(jù),然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三性審查,包括一致性、代表性、可靠性。最后進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)適線法對(duì)不同Cs,Cv值進(jìn)行調(diào)整后確定最終的統(tǒng)計(jì)參數(shù),最后將各歷時(shí)單站統(tǒng)計(jì)參數(shù)代入P-Ⅲ型曲線中計(jì)算單站設(shè)計(jì)暴雨。

所選取的5個(gè)站,連續(xù)系列長(zhǎng)度均>50a,滿足其代表性。本次收集的雨量資料為整編資料,是經(jīng)過(guò)專門收集、整編過(guò)的,數(shù)據(jù)可靠。

數(shù)據(jù)的一致性采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)。在α=5%顯著性水平下,采用非參數(shù)Mann-Kendall均值趨勢(shì)檢驗(yàn)。一致性審查成果表,見表2。

表2 一致性審查成果表

本次最終成果在Cs/Cv固定為3.5的情況下,歷時(shí)為24h的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù),以及24h歷時(shí)下重現(xiàn)期為20a、50a、100a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值。雨量站統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比表,見表3;設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值,見表4。

表3 雨量站統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比表

表4 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值

根據(jù)當(dāng)前分析數(shù)據(jù)可知聊城地區(qū)重現(xiàn)期100a、50a、20a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值以聊城站為中心向其他地區(qū)為減少趨勢(shì)。根據(jù)聊城地區(qū)的地形氣候及歷年降水特點(diǎn),我們可以看出兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的降水量變化趨勢(shì)多是單向平緩減少或增加的,然后根據(jù)5個(gè)站的位置以及被計(jì)算點(diǎn)的位置選取合適的點(diǎn)建立連線。利用兩點(diǎn)的經(jīng)緯度推求兩點(diǎn)之間距離,然后推求兩點(diǎn)間設(shè)計(jì)暴雨值同距離的線性關(guān)系公式,求出連線之間任意一點(diǎn)的暴雨設(shè)計(jì)值[3-4]。

我們以重現(xiàn)期100a的設(shè)計(jì)暴雨為例來(lái)計(jì)算無(wú)資料站點(diǎn)A點(diǎn)的暴雨設(shè)計(jì)值,無(wú)資料站點(diǎn)計(jì)算示意圖,見圖1。已知冠縣、莘縣、東阿等站點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值及其經(jīng)緯度信息,通過(guò)莘縣與東阿建立直線以及冠縣與所求點(diǎn)A建立直線,兩直線相交于B點(diǎn),利用公式d=111.12cos{1/[sinΦA(chǔ)sinΦB+cosΦA(chǔ)cosΦBcos(λB-λA)]}(A點(diǎn)的經(jīng)度緯度分別為λA和ΦA(chǔ),B點(diǎn)的經(jīng)度緯度分別為λB和ΦB,d為計(jì)算兩點(diǎn)間的距離),計(jì)算出莘縣至B點(diǎn)和莘縣至東阿的距離。通過(guò)歷年降水信息可看出,聊城地區(qū)兩點(diǎn)之間的降水變化大多是單向平緩減少或增加的,已計(jì)算出由莘縣到東阿的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值減小了22.6mm,利用公式求得莘縣至B點(diǎn)的距離為X,莘縣至東阿的距離為Y,則推求出B點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值為229.2～22.6*X/Y。

圖1 無(wú)資料站點(diǎn)計(jì)算示意圖

同理,知道B 點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨,可以推求任選點(diǎn)A的設(shè)計(jì)暴雨,再利用同樣的方法將莘縣站與聊城站及高唐站建立連線,利用交點(diǎn)C和D來(lái)計(jì)算A點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨。利用3條線求得的設(shè)計(jì)暴雨可以同時(shí)為A點(diǎn)進(jìn)行參考或取均值以減少計(jì)算誤差。

通過(guò)上述方式,利用公式分別計(jì)算出莘縣至B點(diǎn)的距離、莘縣至東阿的距離、冠縣至A點(diǎn)的距離、冠縣至B點(diǎn)的距離分別為39.5km、51.5km、23.5km、59.8km。將已知莘縣和東阿站點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨及兩點(diǎn)間的距離帶入公式得229.2-(229.2-206.6)*39.5/51.5,求得B點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值211.9mm。將B點(diǎn)和冠縣的設(shè)計(jì)暴雨及兩點(diǎn)間的距離再次帶入公式,求得A點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值209.4mm。利用同樣的計(jì)算方式,通過(guò)莘縣與聊城建立連線求得的A點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值為253.3mm,通過(guò)莘縣與高唐建立連線求得的A點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值為223.9mm。取其平均值228.9mm作為A點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值。

同理我們利用同樣的方法可以計(jì)算A點(diǎn)重現(xiàn)期50a以及20a的設(shè)計(jì)暴雨。利用莘縣與東阿建立連線求得的A點(diǎn)重現(xiàn)期50a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值187.5mm,20a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值158.1mm,利用莘縣與聊城建立連線求得的A點(diǎn)重現(xiàn)期50a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值為223.3mm,20a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值為180.9mm,利用莘縣與高唐建立連線求得的A點(diǎn)重現(xiàn)期50a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值為199.1mm,20a的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算值為165.7mm。取其平均值203.3mm、168.2mm分別作為A點(diǎn)重現(xiàn)期為50a和20a設(shè)計(jì)暴雨。

本次以重現(xiàn)期100a、50a、20a的為例,利用同樣的計(jì)算方法可以求其它任意點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨。

5 結(jié)論與思考

近幾年極端氣候增多,尤其2021年聊城市發(fā)生了歷史罕見的全流域大洪水,雖然洪水未造成較大經(jīng)濟(jì)損失,但洪澇災(zāi)害也足以引起我們的注意。洪水給人類正常生活、生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)巨大影響,設(shè)計(jì)暴雨可以為水利工程安全運(yùn)行提供保障,盡量降低洪澇災(zāi)害對(duì)經(jīng)濟(jì)及人類生活的影響。

文章為無(wú)資料地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算提供了思路參考,利用此方式可以計(jì)算無(wú)資料地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨,且便于計(jì)算,可以為當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)等提供設(shè)計(jì)暴雨的參考資料。利用此方式計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨的前提需了解地區(qū)的氣候特征,兩地區(qū)之間氣候和降水特點(diǎn)存在類似的地區(qū)可以參考此方式進(jìn)行計(jì)算。

利用此方式計(jì)算無(wú)資料地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨應(yīng)滿足4個(gè)條件:①無(wú)資料地區(qū)的鄰近地區(qū)有長(zhǎng)系列降水資料的站點(diǎn);②兩站點(diǎn)(地區(qū))之間的距離不要太遠(yuǎn),避免影響因素增加,加大計(jì)算誤差;③無(wú)資料地區(qū)的鄰近地區(qū)符合條件的站點(diǎn)越多越好,通過(guò)與不同站點(diǎn)建立連線求得多組設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)降低誤差;④兩地區(qū)間降水特點(diǎn)類似,地區(qū)降水不受地形等因素的影響。