基于城市下墊面產匯流視角的盱眙縣極值雨型和最大徑流關系分析

劉 松, 侯鈞宇, 戴 晶, 徐 昕, 徐 順

(1.淮安市水利工程建設管理服務中心, 江蘇 淮安 223005; 2.淮陰師范學院 地埋科學與規(guī)劃學院, 江蘇 淮安 223300)

0 引言

我國近70%的陸地面積存在著不同程度的洪水災害[1],由于西高東低的地形有利于洪水向下游地區(qū)快速匯集,加之東部地區(qū)地形平坦,城市化水平較高,人口密集,經濟發(fā)達,因而受到的洪水危害較為嚴重[2-3]．然而,快速的城市化擾亂和破壞了自然水循環(huán)和天然下墊面,嚴重影響了流域的產匯流規(guī)律,導致了一系列城市水問題的出現,城市水管理面臨前所未有的挑戰(zhàn)[4-5]．城市化進程改變了區(qū)域小氣候和城市下墊面,導致降水、蒸發(fā)和徑流等水文循環(huán)過程的變化[6]．諸多學者主要利用水文氣象觀測、歷史觀測和小型城市集水區(qū)的分布式水文模型,研究因快速城市化進程而導致的降水、蒸發(fā)和徑流等的變化．城市化對降水的影響,主要表現在城市極值降水發(fā)生的頻次增多,且降水呈現出季節(jié)性和區(qū)域性分布的特征．城市化進程改變了區(qū)域小氣候和城市下墊面狀況從而引起了蒸發(fā)量發(fā)生了改變[7-9]．城市化對徑流的影響,主要是由于城市排水系統(tǒng)、地表滲透系數、地表粗糙度系數和地下水位變化導致的集水區(qū)路徑的變化,從而導致城市徑流過程的重大變化[10-12]．

城市化改變了流域內的產流和匯流過程,有學者認為,傳統(tǒng)的土地利用產品不能有效地識別不透水表面,進而導致低產流量[13-19]．有學者將城市下墊面細化為6種單元,不同的水文響應單元對應特定的水文反應過程,然后再運用相應的理論和方法來描述降水的形成和匯流過程[20]．城市的產匯流機制對于研究城市極值降雨雨型和最大徑流關系具有重要參考價值．

本文基于理論分析、數據分析和模型模擬方法,對盱眙縣極值雨型和最大徑流關系的關鍵性問題進行深入分析,借助數據分析對盱眙縣降水和蒸發(fā)的年際與年內變化、盱眙縣最大日降水量的年際變化、逐小時及逐分鐘的降水變化規(guī)律、年徑流總量控制率對應的設計降水量之間的關系進行了研究,提高對城市復雜的下墊面條件及極值降雨雨型與最大徑流關系的認識,對于促進我國海綿城市建設及城市給排水管網的規(guī)劃建設具有一定的參考價值．

1 研究概況

盱眙縣位于長江三角洲地區(qū),位于江蘇省淮安市西南部,地處32°N和118°E．東北部地勢較低,有許多平原分布,西南部地勢較高,有低山和丘陵分布.地勢呈現出階梯狀傾斜,海拔高度相差約為223 m(如圖1所示)．盱眙縣地形種類多樣,包括低山、丘陵和平原．盱眙縣的河流和湖泊的分布也較多,淮河流經盱眙縣,縣城北部與洪澤湖接壤．盱眙縣水路縱橫,有流域性河道:淮河和入江水道以及多條區(qū)域性河道．盱眙縣還分布有許多湖泊,如:洪澤湖、七里湖、貓耳湖、四山湖等．全縣水域面積約為428 km2,其中全縣河湖面積約295 km2,水庫和池塘面積約133 km2,水域面積共占全縣總面積的5.43%．

圖1 研究區(qū)概況

盱眙縣位于北亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶,屬于濕潤季風氣候．盱眙四季分明,夏季天氣炎熱,最高溫度可達39℃,冬季較為寒冷,最低氣溫可低至-12℃,自然降水量豐富,降水主要集中在7-9月．盱眙縣由于受到季風氣候的影響,降水量在年內的分配不均勻,極易發(fā)生洪澇災害,是人口密集的防汛核心區(qū)域．

由于城市產匯流機理的研究必須要對確定的區(qū)域進行模擬實驗并通過實例研究后再進行多尺度的推廣應用．考慮到雨水資源管理的區(qū)域特性,為了與海綿城市的規(guī)劃建設形成高精度的匹配,因此將自然和特定的行政區(qū)域結合起來,促使研究成果進一步落地和轉化．所以,本文選擇盱眙縣作為案例區(qū)進行研究(如圖2所示)．境內氣象站為國家氣象局的基本站(編號:58138),地處32.98°N,118.52°E,海拔為40.8 m．

圖2 1957-2020年盱眙縣逐年降水量變化曲線

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究數據主要為地形雨降水蒸發(fā)等數據,淮安市DEM高程數據:來源于地理空間數據云(www.gscloud.cn);1957-2020年共64年的盱眙氣象觀測站的日降水數據; 2011-2021年共11年的盱眙氣象觀測站1-12月的逐時降水數據;2011-2021年共11年的盱眙氣象觀測站逐分鐘降水數據．

2.2 研究方法

2.2.1 極值降水資料選樣方法

根據2011-2021年共11年的盱眙氣象觀測站逐小時和逐分鐘降水數據,選取極值降水數據樣本．具體步驟為: 1) 根據每個降水事件的持續(xù)時間,選取盱眙縣不同降水時段下,符合極值降水量對應的所有降水場次; 2) 將挑選出來的所有降水場次,按照降水總量進行降序排列．按照氣象部門的標準,規(guī)定1 h降水總量≥16 mm、12h降水總量≥30 mm 或 24h降水總量≥50 mm稱為極值降水．因此,本文將日降水量≥50 mm記為一個極值降水日．根據規(guī)定,有降水發(fā)生的定義是,1h的降水量要>0.1 mm．在分析極值降水的日變化時,若某一場降水中最大1h降水量≥16 mm則將這場降水記為一場極值降水．

2.2.2 利用Excel軟件統(tǒng)計分析數據

采用Excel軟件,計算盱眙縣年徑流總量控制率對應的設計降水量．具體步驟如下: 1) 將盱眙縣1957-2020年共64年的日降水量數據,按關鍵字“降水量”列數值的大小,進行升序排列．在刪除無效降水量數據(降水量≤2 mm)后,得到了共1349行的有效日值降水量數據集; 2) 將得到的有效日降水量數據集在A列中進行升序排序,在B列中填入序號系列,從1-1349;3) 在C列中編輯公式“=(SUM(＄A＄1:A1)+(1349-B1)*A1)/(SUM(＄A＄1:＄A＄1349))”,將C列單元格格式設置為百分比,保留小數位2位; 4) 選擇A列(設計降水量)和C列(年徑流總量控制率)兩列,刪除兩列中的重復數據后,即可得到最終結果．

2.2.3 芝加哥雨型法

采用芝加哥雨型法確定盱眙縣的雨型,主要包括以下幾個步驟: 1) 推求綜合雨峰位置系數．先將所有極值降水過程數據樣本,以5 min為間隔進行劃分;然后,按照公式:“降水峰值時刻/降水歷時”,計算出所有極值降水樣本的雨峰位置系數;接著,計算相同歷時的降水樣本的平均雨峰位置系數;最后,對不同降水歷時的雨峰位置系數求加權平均數,得到一個最終的r值． 2) 推求極值降水強度公式．極值降水選樣方法為年最大值法,再采用皮爾遜Ⅲ型分布對頻率進行擬合分析,最后使用高斯-牛頓法計算極值降水強度公式中的參數．3) 利用極值降水強度公式推求芝加哥法雨型公式． 4) 根據芝加哥法雨型公式,得到不同降水時段的累計降水量和平均降水量,最后得到不同的降水歷時和相應重現期的芝加哥法雨型．

3 結果與分析

3.1 降水量年際和年內變化

3.1.1 降水年際變化

盱眙氣象觀測站1957-2020年降水量變化如圖2所示. 盱眙縣的年平均降水量約為1 015 mm,降水主要集中在6-9月,其6-9月的降水量約占盱眙縣全年總降水量的63%．盱眙縣降水量的年際變化相差很大,其中最大年降水量出現在1991年,1991年降水量達到1 757.1 mm;最小年降水量出現在1978年,1978年的降水量僅有497.0 mm,即最大和最小降水量之間相差近3.5倍,由此可見盱眙縣降水量的年際變化相差之大．此外,從1957-2020年盱眙縣逐年降水量變化曲線圖中還可以看出,盱眙縣2011-2021年的年降水量呈現出增長的趨勢．

3.1.2 降水量年內變化

從盱眙縣64年的逐月降水量變化可以看出(圖3),盱眙縣發(fā)生極值降水的月份為5-10月,主要集中在7-8月,其中7月最為突出,8月次之．7月是降水量最大的月,其降水量為238.3 mm,7月的平均降水量約占全年總降水量的24%．8月次之,為167.7 mm,其平均降水量約占全年總降水量的17%．7月和8月合計降水量約占全年總降水量的40%．盱眙縣最低的降水量出現在冬季,其中12月的降水量在一年中達到最小,12月的降水總量僅為22.9 mm(圖3)．從圖3中還可以發(fā)現,7月和8月的降水量大于蒸發(fā)量,其中以7月降水量與蒸發(fā)量的差額最為突出;剩余的月份均為蒸發(fā)量大于降水量．

圖3 1957-2020年盱眙縣逐月降水量與蒸發(fā)量變化曲線

3.2 最大日降水量年際變化分析

盱眙縣1957-2020年的最大日降水量的平均值約為45 mm,其中1970年7月27日的最大日降水量達到了64年中的最大值,其降水量為233.2 mm;1978年6月16日的最大日降水量為64年中的最小值,其最大日降水量僅有40.4 mm(圖4)．

圖4 1957-2020年盱眙縣逐年最大日降水量變化曲線

圖5 盱眙縣120 min模式雨型

3.3 逐小時與逐分鐘降水雨型分析

3.3.1 逐分鐘降水變化分析

降水雨型反映了降水強度在一段時間內的分布．一般來說,一場降水在時間上的分布并不均勻,降水強度會隨時間而變化．在一場極值降水過程中,降水強度隨時間變化的過程就是雨型．極值降水強度公式反映了一個地區(qū)的降水規(guī)律,是城市排水和防洪工程設計與建設的重要依據．

盱眙縣的極值降水強度公式采用:

q=19.205(1+0.665lgP)/(t+19)0.758

(1)

式中:q為暴雨強度(m3/s);p為設計降雨的重現期(a);t為匯流時間(min).

國內外許多學者對降水雨型進行過研究,并提出了不同的方法來確定短歷時降水雨型,如:芝加哥雨型法、Huff雨型法、不對稱三角形雨型法、SCS雨型法等．芝加哥雨型是住建部和中國氣象局聯(lián)合編制的導則中推薦的一種推算短歷時極值降水雨型的方法,該方法推算簡便,效率高,應用基礎較好．因此,本文采用芝加哥雨型法,設計盱眙縣短歷時極值降水雨型．

由芝加哥雨型法的技術流程可知,確定該雨型首先需要推求出極值降水強度公式和綜合雨峰位置系數r值,然后再根據極值降水強度公式和r值,得出盱眙縣的設計雨型．基于前述盱眙縣極值降水強度公式,需要確定綜合雨峰位置系數r值．本文根據2011-2021年共11年的逐分鐘降水數據,以5 min為間隔,統(tǒng)計出盱眙縣極值降水過程的綜合雨峰位置系數為0.4．確定r值之后,則可利用公式計算合成出盱眙縣對應一定重現期120 min模式雨型(表1)．

表1 盱眙縣120 min模式雨型(mm/min)

歷史資料的統(tǒng)計結果顯示,盱眙縣一年一遇最大120 min設計降水量為 54.9 mm,兩年一遇最大120 min設計降水量為65.8 mm,三年一遇最大120 min設計降水量為72.1 mm,五年一遇最大120 min設計降水量為80.1 mm,十年一遇最大120 min設計降水量為90.9 mm．根據芝加哥雨型法(r=0.4),對盱眙縣不同重現期120 min短歷時雨型進行分析.研究結果如表1和圖6所示．

圖6 盱眙站2011-2021年最大1、3、6、24 min雨量統(tǒng)計圖

3.3.2 逐小時極值降水變化分析

采用盱眙站2011-2021年共11年的極值降水統(tǒng)計資料,分析得到盱眙縣逐年最大1、3、6、24 min的降水量統(tǒng)計,如圖6和表2所示．可見,逐年最大1、3、6、24 min的降水量具有較圖6 盱眙站2011-2021年最大1、3、6、24 min雨量統(tǒng)計圖

表2 盱眙站2011-2021年最大1、3、6、24 min雨量統(tǒng)計表

大的變幅特征,總體為時長越短,最大時長降水量變幅與波動越小,如1 min的醉倒降水量,而3、6、24 min的最大降水量總體變幅與波動皆偏大．

3.4 年徑流總量與設計降水量關系分析

年徑流總量控制率是海綿城市規(guī)劃與建設的一個重要設計參數．年徑流總量控制率是指通過自然和人工等措施,加強雨水的滲透、蒸發(fā)、蒸騰和儲存,得到的控制降水量占全年總降水量的百分比,以確保城市排水安全,避免洪澇災害,實現全年的雨水無需再向外排放[21-22]．根據《海綿城市建設技術指南:低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》中的分析方法,對盱眙縣1957-2020年共64年的日降水數據進行分析處理,得到盱眙縣年徑流總量控制率與設計降水量之間的關系(圖7)．由圖7可以看到,與8個年徑流總量控制率(60、65、70、75、80、85、90和95%)相對應的設計降水量大小(表3)．

表3 盱眙縣年徑流總量控制率分別對應的設計降水量

圖7 盱眙縣年徑流總量控制率對應的設計降水量散點圖

由表3可知,與60、65、70、75、80、85、90和95%這8個控制率分別對應16.3、18.9、22.7、27.4、32.4、40.6、51.7和71.5 mm的設計降水量．由此可以得出結論:隨著盱眙縣年徑流總量控制率的提高(由60%提高至95%),當控制率每提高5%時,相應的設計降水量的增加值分別為:2.6、3.8、4.7、5、8.2、11.1和19.8 mm．這表明,年徑流總量控制率的增高,其對應的設計降水量也在增高,且增速越來越快．可以看出并非年徑流總量控制率越大,城市的雨水管理就越好,應從經濟角度選擇一個適中的控制率,有效減少城市的雨水徑流,同時避免因設施規(guī)模過大而降低投資效益．

4 結論

選取江蘇省淮安市盱眙縣作為研究區(qū)域,運用文獻研究法、芝加哥雨型法及利用Excel軟件統(tǒng)計分析水文數據,對盱眙縣的降水時間變化規(guī)律及極值降水雨型進行研究．主要結論如下:

1) 1957-2020年,盱眙縣的年均降水量為1 015 mm,且呈波浪上升趨勢,降水主要集中在7-8月,占比40%;年均蒸發(fā)量為1 335 mm,其中6月的蒸發(fā)量為全年最大值,占比12.7%;

2) 1957-2020年,盱眙縣逐年的最大日降水量的平均值約為45 mm,其中1970年7月27日的降水量達到了64年中的最大值,其降水量為233.2 mm;1978年6月16日的降水量為64年中的最小值,其降水量僅有40.4 mm;

3) 本文采用芝加哥雨型法研究盱眙縣短歷時降水雨型,確定綜合雨峰位置系數為0.4,在120 min降水過程中,降水強度呈現出“單峰型”分布的特征;

4) 隨著盱眙縣年徑流總量控制率從60%提高到95%,對應的設計降水量從16.3 mm提高到71.5 mm,且設計降水量的增加速度趨快．