片區暴雨強度及雨型分析

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［摘要］不同降雨重現期下的暴雨強度及雨型分析對海綿城市規劃及城市片區排水工程設計具有重要意義。基于此，本文利用暴雨強度計算公式及芝加哥雨型分析方法，對不同降雨重現期下的某片區暴雨強度及雨型變化進行研究。研究結果表明：（１）降雨重現期將顯著地影響研究區域內的初期降雨量，降雨歷時末期的最大與最低暴雨強的比值為２．０２。（２）研究片區內的雨型呈現先增加后降低的趨勢，且雨峰出現在降雨歷時第４８ｍｉｎ時。研究結果對理解不同暴雨重現期下暴雨強度的差異性及雨型變化具有一定的參考價值，為城市海綿城市規劃及城市片區排水系統工程設計提供基礎的理論指導。

［關鍵詞］暴雨強度；芝加哥雨型分析；雨峰；排水系統

近年來，海綿城市的建設概念在全國城市建設及更新設計中逐漸推廣開來。海綿城市是指在城市中建設防洪防澇并兼有生態環保功能的新型城市模型，即城市如同海綿一樣，降雨時城市可以“吸水”，而非降雨時期則可“擠”出蓄存的雨水［１］。暴雨強度公式是海綿城市設計中雨水排水設計流量計算、城市排水管網設計和片區規劃設計等工作的重要基礎指標。因此暴雨強度公式的利用必須客觀反映城市內研究區域的降雨特征與規律［２］。作為海綿城市設計的基礎參數，暴雨強度公式及雨型分析對海綿城市設計及系統運行具有顯著影響［３］。暴雨強度公式是海綿城市排水系統規劃、設計的重要依據［４］。芝加哥雨型計算法作為一種具有相對較高普適性的雨型分析手段，根據其合成的暴雨過程線被廣泛地應用于國內外海綿城市排水工程分析過程［５］。謝東［６］等運用柳州國家氣象觀測站１９７５－２０１４年的降雨資料及芝加哥法模擬了柳州市區設計暴雨雨型，研究表明：各重現期下柳州相同降雨歷時設計暴雨雨型的形態一致，降雨歷時內雨型大體呈單峰型，且相同重現期下雨峰處降雨強度值隨歷時的增加呈現“減小—增大—減小”的波動趨勢。戴有學［７］等采用芝加哥雨型法，對臨汾市城區短歷時的暴雨雨型設計進行分析研究。研究結果表明：１９８１－２０１３年山西臨汾短歷時最大降水量年際變化較大，且隨著降水歷時的延長，臨汾市年最大降水量極值有增大趨勢。當暴雨重現期取值相同時，雨峰處降雨強度隨著降雨歷時的延長呈現處降低、增大、再降低的波動趨勢，但峰值雨強差異較小。蘇海龍［８］等使用過芝加哥雨型計算法及ＳＷＭＭ模型對西安小寨區域現狀管網能力評估及積水點分析，研究結果表明：芝加哥法具有良好的通用性，可以高效準確地分析西安小寨區域在降雨歷時內的暴雨強度，并為后續海綿城市設計提供基礎數據。然而尚未有利用暴雨強度公式及芝加哥雨型法分析降雨強度及雨型分析的報道。基于此，本文結合某區內排水系統工程項目，利用暴雨強度公式及芝加哥雨型分析法對研究區域內的不同降雨重現期下的暴雨強度及雨型進行分析。研究結果對理解不同暴雨重現期下的暴雨強度差異性及雨型變化具有一定的參考價值，為城市海綿城市規劃及城市片區排水工程設計提供基礎的理論指導。

１研究區域概況

研究區域總面積為２０ｋｍ２，該地區以地勢南高北低，中部為平原，東西部為淺丘。中部為平壩區，占總面積的３６％。該地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候。研究區域境內海拔差異小，氣候變化不大，年溫差２．５℃以內。

２研究地區暴雨強度公式

暴雨強度公式在城市建設、城市建設及海綿城市規劃等各個領域都發揮了重要作用。隨著近年來中國城市化進程的加快以及全球氣溫持續變暖，國內城市化區域降雨特性變化很大，許多地區的極端降雨特性發生了明顯的變化。氣象部門聯合住建部門修訂的暴雨強度公式，為城市規劃、控規編制、徑流控制、“海綿城市”建設等提供重要科學依據。城市曲線暴雨強度公式如下式所示：

３研究區域降雨量模擬

３．１芝加哥雨型模擬方法

芝加哥雨型計算法因其相對較高的普適性，被廣泛地應用于國內海綿城市降雨分析過程。我國國內行業標準及地方雨量分析規定等也廣泛地采用該方法。芝加哥雨型計算法是美國人Ｋｅｉｆｅｒ與Ｃｈｕ研究出的一種應用在排水管網系統的雨量分析理論，該理論把平均強度轉化成瞬時強度，進一步地，通過人工造峰即可求得，其中雨峰位置和研究區域的氣候及水系情況相關。

３．２芝加哥雨型計算法原理

芝加哥雨型計算法其計算公式如下式所示：（３）式中：ｔ為降雨歷時；ｑ為平均降雨強度；Ａ，ｂ，ｎ等均為地方降雨參數。進一步地，降雨歷時ｔ地總降雨量：Ｈ＝ｑｔ＝Ａｔ（ｔ＋ｂ）ｎ（４進一步地，如表２所示，其每公頃內降水量在研究區域內的匯水量分別為：１３８６．１ｍｍ、１８０６．９４ｍｍ、２１１０．８８ｍｍ、２４１１．４８ｍｍ、２５８８．５ｍｍ、２７１２．０８ｍｍ及２８０８．９４ｍｍ。綜上所述，盡管隨著降雨歷時的增加暴雨強度會進一步降低，并逐漸趨于穩定。然而，暴雨重現期依然對暴雨強度的計算起到關鍵作用。

３．３暴雨強度計算分析

基于暴雨強度計算公式，計算了２ａ、５ａ、１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ及５０ａ重現期下的暴雨強度值，暴雨歷時為１２０ｍｉｎ。結果如圖１所示。根據圖２可以發現，在降雨歷時區間為０～４０ｍｉｎ內，重現期對暴雨強度強度地影響相對較大。具體來說，當降雨歷時為１０ｍｉｎ時，對應２ａ、５ａ、１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ及５０ａ重現期下的暴雨強度值分別為：１．５５７ｍｍ／ｍｉｎ、２．０１７ｍｍ／ｍｉｎ、２．３３７ｍｍ／ｍｉｎ、２．６５５ｍｍ／ｍｉｎ、２．８４１ｍｍ／ｍｉｎ、２．９７３ｍｍ／ｍｉｎ及３．０７５ｍｍ／ｍｉｎ，最高值與最低值之間地比值為１．９７。進一步地，研究區域內暴雨強度隨著降雨時長地增加，其暴雨強度變化逐漸趨于緩和。隨著重現期從２ａ增加到５０ａ，在經歷１２０ｍｉｎ降雨歷時內研究區域內的暴雨強度分別從２．１３５ｍｍ／ｍｉｎ、２．７１９ｍｍ／ｍｉｎ、３．１４５ｍｍ／ｍｉｎ、３．５６９ｍｍ／ｍｉｎ、３．８１６ｍｍ／ｍｉｎ、３．９９１ｍｍ／ｍｉｎ及４．１２７ｍｍ／ｍｉｎ，降低到０．４１５、０．５４１ｍｍ／ｍｉｎ、０．６３２ｍｍ／ｍｉｎ、０．７２２ｍｍ／ｍｉｎ、０．７７５ｍｍ／ｍｉｎ、０．８１２ｍｍ／ｍｉｎ及０．８４１ｍｍ／ｍｉｎ。與初期降雨量隨著重現期不同而劇烈震蕩相似，降雨歷時末期的最大暴雨強度與最低暴雨強的比值為２．０２。進一步地，如表２所示，其每公頃內降水量在研究區域內的匯水量分別為：１３８６．１ｍｍ、１８０６．９４ｍｍ、２１１０．８８ｍｍ、２４１１．４８ｍｍ、２５８８．５ｍｍ、２７１２．０８ｍｍ及２８０８．９４ｍｍ。綜上所述，盡管隨著降雨歷時的增加暴雨強度會進一步降低，并逐漸趨于穩定。然而，暴雨重現期依然對暴雨強度的計算起到關鍵作用。

３．４芝加哥雨型分析

以研究區域內的暴雨強度公式為基礎，根據芝加哥雨型計算原理及公式，進一步通過積分計算芝加哥合成暴雨過程線在降雨歷時內的平均降雨量，進而得到在１～１２０ｍｉｎ降雨歷時內，對應降雨重現期為２ａ、５ａ、１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ及５０ａ的芝加哥雨型。如圖２所示，在０～１２０ｍｉｎ降雨歷時內，雨峰的位置出現在４８ｍｉｎ時。進一步地，在雨峰位置確定后，在雨峰位置所對應的降雨歷時下，其峰值分別為：２．２７８５ｍｍ／ｍｉｎ、２．７７２１ｍｍ／ｍｉｎ、３．１４５５ｍｍ／ｍｉｎ、３．５１８９ｍｍ／ｍｉｎ、３．７３７３ｍｍ／ｍｉｎ、３．８９２３ｍｍ／ｍｉｎ及４．０１２８ｍｍ／ｍｉｎ。其最高值與最低值比值為１．７６。研究片區內的雨型呈現先增加后降低的降雨趨勢。綜上所述，在實際城市排水系統工程設計中，通過合理地計算暴雨重現期及雨峰位置參數下的暴雨強度，可以有效地提高研究區域內的城市規劃、控規編制、徑流控制、“海綿城市”設計的準確性及合理性。

４結語

本研究利用暴雨強度計算公式及芝加哥雨型分析方法，對不同降雨重現期下的成都市某片區暴雨強度及雨型變化進行研究。得到了如下結論：（１）降雨重現期的選取將顯著地影響研究區域內的降雨強度，且隨著降雨歷時的增加暴雨強度會趨于穩定；（２）不同降雨重現期下研究區域內的雨型呈現先增加后降低的趨勢，且降雨歷時內的雨峰出現在第４８分鐘時。

作者：李新泉 單位：河北省承德水文勘測研究中心