孫瑞　房磊（江蘇省水文水資源勘測局徐州分局　徐州　221006）

徐州市暴雨強度公式修訂研究

孫瑞房磊
（江蘇省水文水資源勘測局徐州分局徐州221006）

暴雨強度公式是城市雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃設計的基本依據(jù)。本文收集了徐州站、藺家壩站、解臺閘站1980～2011年共計31年的雨量資料，采用年最大值選樣法構建各種指定歷時雨量系列，分析出符合徐州市新一代暴雨強度公式，并與徐州市新舊暴雨強度公式進行比較，為城市排水系統(tǒng)的優(yōu)化設計、排水管網(wǎng)建設與改造提供了新的理論參考。

暴雨強度公式修訂降雨歷時重現(xiàn)期

1　研究背景

徐州市屬暖溫帶季風氣候區(qū)，暴雨主要集中在7～8月。造成徐州市暴雨的天氣系統(tǒng)主要為黃淮氣旋、南北切變線、低渦及臺風等。一般7月中旬前后，江淮梅雨期結束，隨著副高的第二次北調，暴雨區(qū)主要在沂沭泗流域，長歷時降雨多數(shù)由切變線和低渦接連出現(xiàn)造成，暴雨移動方向由西向東較多。臺風暴雨影響徐州市主要在8月份，雨區(qū)一般在沂沭河及南四湖湖東區(qū)。

近年來徐州市城市化進程很快，而目前采用的城市暴雨強度公式建立于20世紀70年代末，所使用的暴雨資料年限較短且陳舊，囿于當時暴雨資料整理、選樣方法采用手工方法，不易獲得理想的精度。另一方面，由于沒有納入近30年的資料，已無法反映20世紀80年代以來氣候與城市環(huán)境變化對降水的影響。因此，采用新的暴雨資料整理、選樣方法與先進的公式求參手段，重新編制適應當前城市暴雨現(xiàn)狀的暴雨公式刻不容緩。

2　研究方法及成果

此次徐州市暴雨強度公式主要依據(jù)《室外排水設計規(guī)范（GB50014-2006）》（2011年修訂版）中提出的新一代城市暴雨強度公式的創(chuàng)新技術進行開發(fā)，同時參照了《給水排水設計手冊》第5冊中的相關內(nèi)容。具體方法如下：

首先，選取徐州市區(qū)及周邊3個雨量站點，應用年最大值選樣法構建各指定歷時的雨量系列；然后，選用短歷時暴雨常用的兩種頻率分布線型 （即皮爾遜-Ⅲ型分布和耿貝爾分布），選擇水文頻率分析智能分析系統(tǒng)，采用智能優(yōu)化適線法對所選三組樣本進行擬合，通過擬合誤差的評定，選定誤差較小的分布曲線擬合結果編制i-t-T表；第三，通過高級語言Matlab編程，用先進的4參數(shù)一步求解法（高斯-牛頓法）擬合出3個暴雨公式；最后，從城市防洪安全的角度出發(fā)，選定合適的公式作為徐州市的暴雨強度公式。

此次研究區(qū)域共1016.7km2，代表性雨量站為位于老城區(qū)的徐州雨量站，以及分別位于老城區(qū)東、北方向的解臺閘和藺家壩閘雨量站。上述選取的代表性雨量站均具有30年以上自記雨量資料。采用年最大值選樣法構建各種指定歷時雨量系列，分析出3組暴雨樣本求得的暴雨強度公式，見公式（1）、（2）、（3）。

式中：i—暴雨強度，mm/min；

t—降雨歷時（5≤t≤120時精度較高），min；

T—為重現(xiàn)期，a。

將3個暴雨公式在不同重現(xiàn)期下求得的暴雨強度進行比較，各重現(xiàn)期采用徐州站暴雨樣本擬合的公式計算，求得徐州站的暴雨強度較其余兩站偏高。

為城市防洪排澇安全計，且從站點所處位置上看，藺家壩與解臺閘兩站均偏離徐州市主城區(qū)較遠且位于農(nóng)村，考慮與主城區(qū)距離、與主城區(qū)城市下墊面及氣象條件等因素，都是徐州站更能代表主城區(qū)面雨量情況。綜合統(tǒng)計分析結果與距離、下墊面、氣象等方面，此次徐州市暴雨強度公式選用徐州站暴雨樣本擬合的暴雨公式，即公式（1）。

為方便城建部門使用，特將暴雨強度公式轉換如下：

3　新老公式的比較

徐州市現(xiàn)行的暴雨強度公式為：

新公式采用1980～2010年共31年的資料，運用了一系列新的統(tǒng)計、計算技術，例如：選樣時采用了年最大值法這一新方法，曲線擬合時從3種頻率曲線中優(yōu)選，暴雨公式則采用了新的、統(tǒng)一的4參數(shù)形式，求參數(shù)時用高斯—牛頓法直接求解等，使得暴雨公式的精度大大提高。而暴雨公式應用于城市排水設計最終反映在設計雨量或強度上。為此選擇了3種重現(xiàn)期，將新編公式與現(xiàn)行公式的i-t-T曲線進行對比，以反映城區(qū)降雨的現(xiàn)狀以及新編公式的意義，比較結果見表1。

表1　新舊公式各重現(xiàn)期各時段暴雨強度比較表（mm/min）

由對比結果可以看出，采用新編公式計算求得的暴雨強度較現(xiàn)行公式偏大，而這將會使得排水管網(wǎng)的設計標準提高很多。分析設計雨強提高的原因，應是近年來城市化使城區(qū)地表熱容量、地表粗糙度加大，城區(qū)空氣冷凝核增多，各地的暴雨強度均有不同程度的增大趨勢，而徐州近些年也有很多關于大暴雨造成城市嚴重內(nèi)澇的報告。因此認為新公式計算得出的設計雨強偏大是合理的。

4　暴雨強度公式的使用范圍

此次暴雨公式修編系采用位于或接近徐州市主城區(qū)的3個雨量站的暴雨樣本分別擬合暴雨公式，在所得3個暴雨公式求得的暴雨強度相差無幾的前提下，為城市防洪排澇安全計，從中選取了根據(jù)站點位置最接近中心城區(qū)的徐州站所擬合的且偏安全的暴雨公式作為最終成果，該暴雨強度公式使用范圍為徐州市主城區(qū)（包括泉山區(qū)、云龍區(qū)和鼓樓區(qū)），周邊地區(qū)也可參照使用。

5　結論與思考

暴雨強度公式是設計城市排水管渠的重要基礎公式，是計算暴雨地面徑流和確定工程設計流量的重要依據(jù)，它的正確性直接關系到城市基礎設施建設的科學性。此次利用徐州城區(qū)31年的暴雨資料，研究開發(fā)徐州市短歷時暴雨強度公式，獲得以下結論：

（1）城市暴雨資料的選樣方法：雨樣的選擇方法非常重要，直接關系到所選雨樣能否客觀地反映現(xiàn)代城市排水設計重現(xiàn)期范圍內(nèi)的暴雨雨樣的統(tǒng)計規(guī)律，從而為精確編制或修改暴雨強度公式提供具有代表性和可靠性的統(tǒng)計基礎資料。若資料年限較長（20年以上）且城市排水設計重現(xiàn)期在1年以上的，建議采用年最大值選樣。該法不僅選樣簡單，資料易得，而且精度也有所保證。

（2）頻率分布線型的選擇：頻率分布線型的選擇是修訂暴雨公式的重要環(huán)節(jié)，原則上對頻率分布線型的選擇，既要與資料配合良好，又要方法簡易。通過各種線型對所選徐州市的暴雨樣本的擬合比較，此次修訂研究選用皮爾遜-Ⅲ型分布曲線作為徐州市暴雨頻率分布線型。

（3）根據(jù)徐州站31年雨量資料，采用年最大值選樣法構建各種指定歷時雨量系列，并建立了符合徐州市的新一代暴雨強度公式。對新舊暴雨強度公式進行比較，發(fā)現(xiàn)新暴雨強度公式計算所得不同重現(xiàn)期各歷時的降雨強度均大于舊暴雨強度公式，表明這一成果吻合降水周期的變化趨勢，完全符合徐州市實際情況。

（4）近年來強降雨和持續(xù)降雨等極端天氣增多，全國許多城市經(jīng)常上演“城市觀海”的景象，造成這種現(xiàn)象的主要原因是城市雨水排水規(guī)劃設計標準偏低、短歷時高強度的暴雨無法及時排除。為減少城市積水現(xiàn)象，保障城市安全，規(guī)劃設計城區(qū)排水管網(wǎng)時，應采用新修訂的暴雨強度公式，并按照2011年修訂的《室外排水設計規(guī)范》適當提高設計重現(xiàn)期標準。

（5）目前編制城市暴雨強度公式的方法基本是：先對暴雨資料進行頻率分析，求出各歷時指定重現(xiàn)期的暴雨強度值，即制作i-t-T表；再對i-t-T表中的暴雨強度通過各種方法進行擬合求出暴雨強度公式的各參數(shù)。能否跳過頻率分布曲線擬合，直接通過對已知的實測暴雨強度值進行擬合來求城市暴雨強度公式參數(shù)，仍需進一步研究■