吉建家 翟衛(wèi)東 王昌平 陳紅衛(wèi) 杭慶豐

（1.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局 鹽城 224051 2.江蘇省鹽城市節(jié)約用水辦公室 鹽城 224001）

1 前言

暴雨強(qiáng)度公式僅表示歷時(shí)最大平均強(qiáng)度隨歷時(shí)遞減的規(guī)律，并不直接給出暴雨強(qiáng)度過程，而不同的暴雨強(qiáng)度過程即雨型，對(duì)地面徑流過程和調(diào)洪演算有重要影響。在城市排水除澇工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)暴雨是雨水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)以當(dāng)?shù)氐谋┯陱?qiáng)度公式和設(shè)計(jì)雨型作為設(shè)計(jì)依據(jù)，除了考慮一定歷時(shí)內(nèi)的平均雨強(qiáng)之外，設(shè)計(jì)雨型（時(shí)程分布形態(tài)）也是重要的因素之一，它直接影響排水工程的投資預(yù)算和安全。

2 雨型研究條件的確立

2.1 降雨歷時(shí)

降雨歷時(shí)是選擇雨型的關(guān)鍵之一。針對(duì)流域降雨徑流形成原理，場次洪水主要由流域匯流時(shí)間內(nèi)的降雨過程形成。因?yàn)樵O(shè)計(jì)雨型是為了確定具有調(diào)節(jié)作用的工程規(guī)模, 工程規(guī)模越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，就要涉及較長歷時(shí)的降雨雨型?？紤]到這兩方面因素及鹽城市區(qū)具體情況，選取120min 作為設(shè)計(jì)雨型研究的降雨歷時(shí)。

2.2 重現(xiàn)期

根據(jù)《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》：“年最大值法計(jì)算的降雨重現(xiàn)期按2年、3年、5年、10年、20年、30年、50年、100年8 個(gè)重現(xiàn)期計(jì)算。精度檢驗(yàn)重點(diǎn)為重現(xiàn)期2～20年區(qū)間”。

2.3 暴雨雨型統(tǒng)計(jì)樣本

選取鹽城站1982～2014年（33年）逐年歷時(shí)在120min 以內(nèi)的最大4～5 場次暴雨，作為設(shè)計(jì)雨型研究的基礎(chǔ)資料。每場短歷時(shí)降雨過程均按1min 進(jìn)行摘錄，計(jì)算機(jī)自動(dòng)滑動(dòng)挑選出場次降雨雨強(qiáng)最大部分，1982～2014年共摘錄了133 場短歷時(shí)暴雨降雨過程。

3 短歷時(shí)暴雨雨型統(tǒng)計(jì)分析

國內(nèi)外判斷暴雨過程屬于哪一種模式有兩種方法，分別為目估法和模糊模式識(shí)別法。目估法是用計(jì)算機(jī)繪制每場降雨的過程直方圖，目估判斷屬于哪種模式。此方法原理簡單，易于識(shí)別，但由于影響降雨過程的因素相當(dāng)復(fù)雜，不易準(zhǔn)確判斷，會(huì)出現(xiàn)人為的誤差。模糊模式識(shí)別法是用時(shí)段雨量占總雨量的比例作為該場降雨的雨型指標(biāo)，建立7 種雨型的模式矩陣。再分別計(jì)算每場實(shí)際降雨與7 種模式的貼近度，用擇近原則判斷每一場雨屬于哪種雨型。7種雨型模式示意圖見圖1，圖中縱坐標(biāo)為降雨強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為降雨歷時(shí)。

將一場降雨劃分為m 個(gè)相等的時(shí)段，每個(gè)時(shí)段的雨量占總雨量的比例為：

式中：△Hi為各時(shí)段雨量；Hz為總雨量。把這組xi作為該場降雨的雨型指標(biāo)，并用向量表示：X=（x1，x2，…，xm）。

同樣，7 種模式雨型也用這種指標(biāo)表示：

這里vki與xi的意義相同，7 種模式也可寫成矩陣形式。模式確定后，可計(jì)算出每場降雨與7 種模式的貼近度：

由擇近原則，若第k 個(gè)貼近度σk最大，該場降雨就屬于第k 種雨型。劃分工作由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，避免了目估法存在的人為判斷誤差。

鹽城市區(qū)短歷時(shí)暴雨過程的雨型模式按照目估法和模糊模式識(shí)別法兩種方法進(jìn)行分析。經(jīng)過對(duì)鹽城站1982～2014年共33年的133 場短歷時(shí)暴雨過程分析，絕大部分降雨過程模式的劃分效果較好。對(duì)少數(shù)目估法與模糊模式識(shí)別法存在差異的暴雨過程，在劃分時(shí)把兩種方法相結(jié)合，使劃分結(jié)果盡量合理，見表1。

圖1 7 種降雨過程雨型模式示意圖

從鹽城站133 場降雨過程的雨型模式可見有以下一些規(guī)律：

（1）133 場暴雨中雨強(qiáng)大致均勻的降雨（第Ⅳ類）有6 場，占總場數(shù)的比例較小，僅為4.5%。因此，若假定均勻的降雨強(qiáng)度推求暴雨雨型，顯然與大部分降雨不符。

（2）133 場暴雨中，單峰雨型的共有108 場（第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類），占總場數(shù)的次數(shù)較多，比例為81.2%。

（3）在108 場單峰降雨中，雨峰在中部和后部的有82場，占單峰降雨總場次的75.9%，雨峰在前部的相對(duì)較少，占單峰降雨總場次的24.1%。

（4）降雨歷時(shí)小于60 min 的21 場次暴雨均為單峰型。

由于單峰型降雨雨量集中，易引起較大洪水，對(duì)城市防洪排澇影響較大，因此在雨型研究中重點(diǎn)考慮單峰雨型，同時(shí)將雙峰、多峰以及均勻降雨的場次加入單峰的降雨場次進(jìn)行綜合分析。

4 設(shè)計(jì)暴雨雨型分析

設(shè)計(jì)暴雨的降雨過程（降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的分配）稱為設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配雨型。

4.1 雨型研究方法

此次鹽城市區(qū)暴雨雨型研究按同頻率不同歷時(shí)平均雨強(qiáng)擬定設(shè)計(jì)暴雨雨型，即芝加哥法確定鹽城市區(qū)短歷時(shí)暴雨雨型。

由芝加哥法得到的設(shè)計(jì)雨型即為同頻率設(shè)計(jì)雨型，由一定重現(xiàn)期下不同歷時(shí)最大雨強(qiáng)復(fù)合而成，雨型的確定基于特定重現(xiàn)期下的IDF 關(guān)系曲線（降雨強(qiáng)度～歷時(shí)～頻率曲線）。

4.2 雨峰位置系數(shù)r 求解

芝加哥法雨型以暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)典型降雨過程。通過引入雨峰位置系數(shù)r 來描述暴雨峰值發(fā)生的時(shí)刻，將降雨歷時(shí)時(shí)間序列分為峰前和峰后兩個(gè)部分。

令峰前的瞬時(shí)強(qiáng)度為i（tb），相應(yīng)的歷時(shí)為tb，峰后的瞬時(shí)強(qiáng)度為i（ta），相應(yīng)歷時(shí)為ta。取一定重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度公式形式為雨峰前、后瞬時(shí)降雨強(qiáng)度可由下式計(jì)算：

式（4）、（5）中：A=A1（1+clgP），A1、b、n 為 暴 雨強(qiáng)度公式中的參數(shù)；P 為重現(xiàn)期；r 為綜合雨峰位置系數(shù)。根據(jù)每場降雨不同歷時(shí)峰值時(shí)刻與整個(gè)歷時(shí)的比值而加權(quán)平均確定，r 在0～1 之間。

表1歷時(shí)在120min 以內(nèi)的暴雨過程雨型模式劃分結(jié)果表

在求出綜合雨峰位置系數(shù)r 之后，利用公式（4）、（5）計(jì)算芝加哥合成暴雨過程線各時(shí)段（以1min 計(jì)）的累積降雨量及各時(shí)段的平均降雨量，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，最終確定出對(duì)應(yīng)一定重現(xiàn)期及降雨歷時(shí)的芝加哥法雨型。

根據(jù)《鹽城市暴雨強(qiáng)度公式修訂報(bào)告》，在P—Ⅲ型頻率曲線分布下，用1min 滑動(dòng)摘錄雨量修訂得暴雨強(qiáng)度公式為：

選取鹽城站1982～2014年共33年自記雨量資料，每年選取4～5 場降雨，共計(jì)133 場，以5min 為間隔進(jìn)行分段，計(jì)算每場降雨的峰值時(shí)刻與整個(gè)歷時(shí)的比值確定每場降雨過程的雨峰位置系數(shù)：

式中：r i為雨峰位置系數(shù) ，ti為降雨峰值時(shí)刻 ，T i為降雨歷時(shí)。

取全部場次暴雨雨峰位置系數(shù)的均值。經(jīng)計(jì)算，133場降雨雨峰位置系數(shù)的算術(shù)平均值ri=0.439。

4.3 設(shè)計(jì)雨型計(jì)算公式

將鹽城市暴雨公式及雨峰位置系數(shù)分別代入式（4）、（5）得到重現(xiàn)期P 為2a、3a、5a、10a、20a 設(shè)計(jì)雨型計(jì)算公式，若雨峰位置系數(shù)取133 場暴雨的均值，則有：

按式（8）、（9）計(jì)算得到鹽城市市區(qū)重現(xiàn)期P 為2年的設(shè)計(jì)暴雨雨型見圖2，其他重現(xiàn)期P 為3a、5a、10a、20a 設(shè)計(jì)雨型圖依次類推。

不同重現(xiàn)期的最大5min、10min、……120min 的平均暴雨強(qiáng)度可由兩種計(jì)算方法分別確定，即按降雨雨型公式和暴雨強(qiáng)度公式分別計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，兩種計(jì)算公式得到的雨強(qiáng)計(jì)算結(jié)果一致，表明芝加哥方法求得的設(shè)計(jì)雨型即為同頻率設(shè)計(jì)雨型。

5 結(jié)論與建議

圖2 重現(xiàn)期2年設(shè)計(jì)暴雨雨型圖

（1）設(shè)計(jì)暴雨雨型研究的資料年限并非越長越好，一般宜選用近期30～40年為佳。根據(jù)鹽城市的實(shí)例分析，改革開放后，鹽城于1983年建立地級(jí)市，城市規(guī)模逐步發(fā)展和擴(kuò)大，使城區(qū)不透水面積比例大增，城市暴雨產(chǎn)生的徑流量隨之增加。因此，取用位于城區(qū)中心的鹽城站1982～2014年計(jì)33年降雨量數(shù)據(jù)，可以滿足暴雨雨型研究的需要。

（2）在33年共計(jì)133 場降雨中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類單峰型雨型占全部降雨場次的81.2%，Ⅳ類均勻型僅占4.5%，單峰型雨型占絕大多數(shù)。在單峰雨型中，雨峰偏中、后部的有82 場次，占總場次的比例為75.9%。雨峰發(fā)生在降雨過程中、后部的占大多數(shù)。

（3）由133 場暴雨求得雨峰峰前位置系數(shù)算術(shù)平均值為0.439，最大降雨強(qiáng)度發(fā)生在第53min。

（4）根據(jù)鹽城市區(qū)設(shè)計(jì)雨型公式和暴雨強(qiáng)度公式得到的最大5min、10min……120min 的平均暴雨強(qiáng)度一致，表明芝加哥方法得到的設(shè)計(jì)雨型是同頻率設(shè)計(jì)雨型。

（5）鹽城市市區(qū)暴雨雨型研究報(bào)告是在1982～2014年鹽城站自記降雨量資料基礎(chǔ)上分析的成果，未來隨著城市建設(shè)進(jìn)展，地面硬質(zhì)化程度將會(huì)不斷增大，城市暴雨形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，建議每隔5～8年對(duì)暴雨雨型進(jìn)行修訂。

（6）隨著“海綿城市”建設(shè)工作持續(xù)推進(jìn)，城市建設(shè)應(yīng)當(dāng)考慮減少硬化面積比例，增加綠地比例，增大透水磚的鋪裝等，以期達(dá)到兼收并蓄和暴雨期間的排水暢通■