許文濤,胡嗣望,何勝杰

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春130021）

1 概況

在五位一體總體布局建設(shè)進(jìn)程中，洪水災(zāi)害依然是造成人口傷亡最多、經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，防止洪水災(zāi)害一直都是我國水利工作的重要任務(wù)。我國中小流域除少數(shù)河流外，絕大多數(shù)河流都缺少流量資料，很難直接通過頻率計算得到設(shè)計洪水，常通過設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪峰流量[1,2]。為推求設(shè)計洪水過程線，需計算暴雨深隨時間的變化過程，即時程分布雨型，簡稱為時雨型。我國水利部門習(xí)慣采用單位時段雨量△H隨時間t的柱狀圖△H—t來描述時雨型[3]。

由于氣候、下墊面等條件的變化、基礎(chǔ)資料的累積及工程設(shè)計的實際需要等原因，需要對現(xiàn)有雨型進(jìn)行分析研究。該文為方便中小流域規(guī)劃設(shè)計工作，滿足現(xiàn)有工程設(shè)計的需要，研究中小流域設(shè)計暴雨時雨型的計算方法。

2 典型區(qū)域暴雨特性分析

江蘇省沂南地區(qū)位于新沂河以南、廢黃河以北、西至中運河、東臨黃海，涉及連云港、宿遷、淮安、鹽城4個市的7個縣。該地區(qū)處于暖溫帶向亞熱帶過渡區(qū)，降雨集中，汛期6—9月。下面以沂南地區(qū)為例，說明中小流域設(shè)計暴雨時雨型的計算方法。

2.1 基本資料的收集

雨量資料包括沂南地區(qū)嶂山閘站、穿城站、劉集站等25個雨量站，1960—2012年逐時雨量資料及史集、新店、小窯等13個雨量站1979—2012年逐時雨量資料。

2.2 頻率計算

采用皮爾遜III型曲線描述雨量—頻率—歷時曲線。各重現(xiàn)期對應(yīng)的設(shè)計雨量值見表1。

表1 歷時—頻率—雨量關(guān)系表mm

2.3 暴雨統(tǒng)計分析

在雨型分析中，首先對大暴雨逐一進(jìn)行研究，分析暴雨特性。時雨型特征主要包括降雨量、最大雨強(qiáng)、雨峰位置、雨峰雨量占總雨量的比值、降雨歷時等[4]。

為滿足水利工程規(guī)劃設(shè)計的要求，分別選取重現(xiàn)期大于5年的1 d暴雨（91.5 mm）、3 d暴雨（148.8 mm）作為樣本進(jìn)行分析。對樣本分別按2—5年、5—10年、10—20年及20年以上4個等級標(biāo)準(zhǔn)，逐站對各次暴雨的降雨量、降雨時段數(shù)、最大雨強(qiáng)、主雨峰位置等降雨要素進(jìn)行統(tǒng)計分析。各級標(biāo)準(zhǔn)的暴雨統(tǒng)計見表2。

表2 沂南地區(qū)暴雨特性統(tǒng)計表

結(jié)合表2，沂南地區(qū)1 d、3 d暴雨主雨峰均主要位于降雨中、后期，合計約占暴雨總數(shù)的89.6%。

在進(jìn)行設(shè)計雨型計算時，樣本選擇的好壞直接影響著設(shè)計雨型的準(zhǔn)確性。對于同一場暴雨，在同一分區(qū)內(nèi)，如果各雨量站降雨的雨峰位置等暴雨特性基本相似，則只選擇其中某一站降雨量最大者作為該分區(qū)的典型暴雨過程[5]。對于同一場暴雨，各分區(qū)選用的資料過多，則會造成某一次暴雨雨型權(quán)重過大，影響雨型的代表性。對于江蘇省沂南地區(qū)，在對暴雨特性的分析過程中發(fā)現(xiàn)，相近雨量站的地形、氣候等因素相似，各分區(qū)（以淮沭河、鹽河為界分淮西、鹽西、鹽東三大區(qū)域）的各站降雨具有較強(qiáng)的一致性。

3 設(shè)計時雨型分析

研究一個地區(qū)暴雨的設(shè)計雨型，需要對暴雨資料進(jìn)行整理，劃分次暴雨過程。為將一場連續(xù)的降雨過程劃分為獨立的降雨場次，以進(jìn)行暴雨雨型分析，采用最小時間間隔和規(guī)定的雨量值作為次暴雨劃分標(biāo)準(zhǔn)[6]。研究區(qū)域性暴雨的時雨型，劃分次暴雨過程最小時間間隔取為24 h。分區(qū)挑選典型大暴雨，通過定位分析和定量計算進(jìn)行沂南地區(qū)暴雨時程分布雨型的研究。

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3.1 設(shè)計時雨型定位分析

設(shè)計時雨型定位分析采用典型暴雨概化法，以雨量重現(xiàn)期大于5年的暴雨作為總體，對于同一場暴雨，在分區(qū)內(nèi)只選擇其中某一站雨量最大者作為樣本。共選出最大3 d暴雨樣本33個、最大24 h暴雨樣本24個，進(jìn)行設(shè)計雨型的定位分析。

該文按時段統(tǒng)計各時段雨量所占總雨量的比例，最大3 d設(shè)計雨型取6 h為統(tǒng)計時段，最大24 h設(shè)計雨型取2 h為統(tǒng)計時段。按“短推長”方式選出最大3 d降雨過程及最大24 h降雨過程[7]。統(tǒng)計的內(nèi)容包括主、次雨峰的個數(shù)及相對位置，主、次雨峰的連續(xù)降雨歷時，主、次雨峰之間的時間間隔和停雨時段數(shù)，其他雨峰的時段數(shù)及位置等。統(tǒng)計結(jié)果見表3。

經(jīng)統(tǒng)計分析。3 d時雨型采用雙峰，降雨時段數(shù)9段：其中，雨量最大時段位于12時段中的第10段，雨量最大時段位于最大四時段中的第三段，主雨峰部分降雨時段數(shù)為5段；次雨峰位于主雨峰之前，12時段中的第4段，次雨峰部分降雨時段數(shù)為3段；主次雨峰相隔5段，停雨時段數(shù)為0。

24 h雨型采用三峰，降雨時段數(shù)10段：其中，雨量最大時段位于12時段中的第8段，主雨峰部分降雨時段數(shù)為3段；次雨峰位于主雨峰之前，12時段中的第3段；主次雨峰相隔4段，停雨時段數(shù)為0；其余降雨時段2段，雨峰位于第11段。

3.2 設(shè)計時雨型定量計算

時雨型的定量分配，主雨峰雨量所占比例由頻率計算結(jié)果推算；其他時段雨量所占比例，以同一類型的定位統(tǒng)計樣本為依據(jù)，將各場降雨的最大四時段（3 d雨型）或最大三時段（24 h雨型）對齊，其他時段雨量相應(yīng)向前或向后整個移動，迭加平均；最后將計算結(jié)果根據(jù)定位分析結(jié)果進(jìn)行概化。

按照上述方法，雖然將最大四時段（3 d雨型）或最大三時段（24 h雨型）對齊后迭加平均，但由于降雨雨量主要集中在主雨峰部分，兩端雨量較小，故對時雨型定量分配的影響較小。

3.2.1 定量計算

定量計算采用固定時段同頻率放大法，以固定時段同頻率控制，以保持實測降雨的特性。最大3 d雨型固定時段取6，24，72 h，最大24 h固定時段取2，6，24 h。

最大3 d雨型時段分配結(jié)果列于表4，最大24 h雨型時段分配結(jié)果列于表5。

表3 沂南地區(qū)雨型定位統(tǒng)計表

表4 最大3 d雨型時段分配%

3.2.2 降雨歷時調(diào)整

對迭加平均后所求得的雨量分配數(shù)，應(yīng)根據(jù)定位分析所確定采用的雨峰數(shù)、時段數(shù)和停雨間隔等進(jìn)行調(diào)整。雨型的最低點可以調(diào)整為0，位置可以前后移動。最后將調(diào)整后的概化雨型作為沂南地區(qū)設(shè)計雨型。

表5 最大24 h雨型時段分配%

經(jīng)調(diào)整，最大3 d設(shè)計雨型、最大24 h設(shè)計雨型時段分配列于表6。

表6 設(shè)計暴雨雨型時段分配%

4 結(jié)語

以沂南地區(qū)為典型區(qū)域，研究中小流域設(shè)計暴雨時雨型計算方法，得到主要結(jié)論如下：

1）利用數(shù)理統(tǒng)計法研究沂南地區(qū)的暴雨特性，在分析暴雨特性的基礎(chǔ)上利用典型暴雨概化法，通過定位分析、定量計算得到沂南地區(qū)最大3 d設(shè)計雨型和最大1 d設(shè)計雨型。期望該設(shè)計暴雨時雨型的研究過程為今后的中小流域設(shè)計暴雨時雨型研究提供思路。

2）運用數(shù)理統(tǒng)計方法與實測典型暴雨相結(jié)合的方法，充分考慮本地區(qū)已經(jīng)發(fā)生過常見大暴雨的特性，計算得到的設(shè)計雨型具有一定的代表性和可靠性，在充分考慮各地區(qū)氣候、地形等因素的基礎(chǔ)上，可反映該區(qū)域的整體平均情況。