基于排水防澇規劃的短歷時暴雨雨型分析

陳 青 李 明

(湖北省城市規劃設計研究院，湖北 武漢 430071)

基于排水防澇規劃的短歷時暴雨雨型分析

陳 青 李 明

(湖北省城市規劃設計研究院，湖北 武漢 430071)

基于歷史降雨記錄資料，采用數理分析方法，科學表達城市暴雨特征，是建立完善的城市排水防澇系統的關鍵基礎性工作。針對湖北省宜都市城市排水防澇系統的規劃設計，統計每場降雨過程的雨峰位置系數，加權平均得到綜合雨峰位置系數，采用P&C分析法及芝加哥法確定短歷時暴雨雨型，為城市排水防澇系統的規劃、設計提供了有力支撐，可為城市雨水徑流控制與資源化利用提供參考。

暴雨雨型； P&C雨型分析； 雨峰位置系數； 芝加哥雨型

由于全球氣候變化的不斷加劇，加之受城市化效應影響，城市市區中心短歷時高強度局地性暴雨的發生概率和降雨強度大大增加，極端洪澇災害頻發，影響范圍也逐漸擴大，城市內澇災害已經成為制約城市發展的主要障礙之一[1]。因此，設計典型的能夠有效反映地區降雨特征的短歷時暴雨雨型在城市排水防澇系統的規劃、設計中顯得尤為重要[2]。

市政雨水管渠一般采用恒定均勻流推理公式計算雨水設計流量。《室外排水設計規范》中提出，當匯水面積超過2 km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，采用數學模型法計算雨水設計流量[3]。設計暴雨過程即雨型，是科學、合理地規劃設計城市排水防澇系統的基礎。

本文以湖北省宜都市城區排水(雨水)防澇專項規劃編制為例，收集降雨過程資料，統計降雨特性參數，采用P&C(Pilgrim&Cordery)統計分析法和芝加哥降雨模型法確定宜都市城區短歷時暴雨雨型，為采用DHI MIKE軟件進行城市現狀排水防澇系統能力評估、內澇風險評估與區劃提供技術支撐，以期為排水防澇系統的規劃、低影響開發雨水系統的設計等提供參考。

1 降雨資料

采用宜都市國家基本氣象站1959～2012年共54 a的逐分鐘雨量數據為降雨原始資料，其中，2001～2012年降雨資料為現代自動氣象站自動記錄的逐分鐘雨量數據[4]。從逐年雨量資料中每年挑選5，10，15，20，30，45，60，90，120，150 min和180 min共11個降雨歷時的最大值作為原始數據，采用“年最大值法”推求暴雨強度公式。

2 短歷時暴雨雨型分析

2.1 P&C法推求雨型

P&C法是一種無級序平均法推求設計暴雨雨型，把雨峰時段定位在出現可能性最大的位置上，而雨峰時段在總雨量中的比例取各場降雨雨峰所占比例的平均值，其他各時段的位置和比例用同樣方法確定[5]。該項目采用將參與某一歷時降雨過程分析的降雨過程因子進行歸一化處理的方法，即將參與分析的降雨過程因子的自身過程進行歸一，根據降雨過程分析的需要，將每個降雨過程因子按照自身的降雨歷時均勻的進行n等分。這種做法保證了每個參與分析的降雨過程因子自身的完整性，不會破壞降雨過程因子的結構。具體流程如圖1所示。

圖1 P&C法雨型的確定流程

采用30，60，90，120，150 min和180 min共6個降雨歷時的降雨資料為樣本。針對已選的每場降雨，將各時段雨量按從大到小的順序來確定各時段的序號，大雨量對應小序號，將每個對應時段的序號取平均值，取值按從小到大分別確定為雨強由大到小的順序。依據每一時段的各場次降雨量與總雨量的比值，取每個對應時段的比值的平均值，作為最終的分配比例[6]。該項目采用“年最大值法”確定短歷時暴雨雨型，同時也采用“年多個樣法”進行對比分析。利用P&C法推求的短歷時設計暴雨雨型各時段級序分配比例見圖2～3。

在得到短歷時的雨型分配比例之后，只要給定相應重現期下各降雨歷時的降雨量，即可得到相應重現期下降雨時程分配[7]。

2.2 芝加哥法推求雨型

芝加哥法雨型的確定基于特定重現期下的IDF關系曲線。包括綜合雨峰位置系數及芝加哥降雨過程線模型的確定[8]。

2.2.1 雨峰位置系數

采用各降雨歷時的逐年最大降雨過程為樣本，以5 min為間隔進行分段，統計降雨過程的雨峰位置系數。將歷時相同的逐年最大降雨樣本的雨峰位置系數進行算術平均，再將各歷時的雨峰位置系數按照各歷時的長度進行加權平均，求出綜合雨峰位置系數r，見表1。

ri=ti/Ti

(1)

式中，ri為雨峰位置系數；ti為降雨峰值時刻，min；Ti為降雨歷時，min。

圖2 P&C法推求短歷時暴雨雨型分配(“年最大值法”)

表1 綜合雨峰位置系數r的確立

圖3 P&C法推求短歷時暴雨雨型分配(“年多個樣法”)

2.2.2 芝加哥降雨過程線

芝加哥法雨型以統計的暴雨強度公式為基礎設計典型降雨過程[8]，暴雨強度是排水規劃、排水管道大小設計的主要依據，合理制定某地區雨強公式，可使設計工程安全可靠、節約投資，社會經濟效益明顯。設計暴雨強度公式一般采用下式

(2)

式中，q為平均暴雨強度，mm/min；A1是重現期為1 a時的設計降雨量，mm；C為雨量變動參數；P為設計降雨重現期，a；t為暴雨歷時，min；b、n為常數。

令i=167A1(1+ClgP),則得到單一重現期公式

(3)

式中，i為雨力參數，mm/min；即不同重現期下1 min的設計降雨量，mm。

引入雨峰位置系數r來描述暴雨峰值發生的時刻，將降雨歷時時間序列分為峰前和峰后兩個部分。令峰前的瞬時強度為i(tb)，相應的歷時為tb，峰后的瞬時強度為i(ta)，相應歷時為ta，則雨峰前后瞬時降雨強度可計算如下：

(4)

(5)

式中，i(tb)、i(ta)為瞬時降雨強度，mm/min;tb為峰前歷時，min;ta為峰后歷時，min;r為綜合雨峰位置系數；A、b、n為一定重現期下暴雨強度公式中的參數，均為常數。

采用“年最大值法”推導的暴雨強度公式見表2。

表2 暴雨強度公式參數

圖4 芝加哥法推求短歷時暴雨雨型分配(2 a重現期)

利用式(4)、(5)計算芝加哥合成暴雨過程線各時段(以5 min計)的累積降雨量及各時段的平均降雨量，進而得到每個時段內的平均降雨強度，最終確定出對應一定重現期及降雨歷時的芝加哥法雨型。圖4是采用芝加哥雨型得到的2 a重現期下短歷時設計暴雨雨型分配圖。

3 結 論

(1) P&C法短歷時暴雨雨型基本呈單峰形，雨強過程通常呈現由小及大轉而又小的形式，與芝加哥法雨型基本一致，符合當地的暴雨實際，希望工程設計者具體使用時，根據實際情況綜合考慮兩種方法的計算結果。

(2) P&C法及芝加哥法短歷時暴雨雨型雨峰位置系數均靠前，基本處于各降雨歷時的1/3位置，短歷時暴雨發生后將很快出現雨峰，降雨強度會達到最大，在低影響開發雨水系統設計中，要綜合考慮徑流峰值流量控制。

(3) “年多個樣法”短歷時暴雨雨型及雨峰位置同“年最大值法”基本一致，建議采用降雨資料短缺城市短歷時暴雨雨型的推求。

[1] 張冬冬，嚴登華，王義成，等．城市內澇災害風險評估及綜合應對研究進展[J]．災害學，2014，29(1):144-149．

[2] 張大偉，趙冬泉，陳吉，等．芝加哥降雨過程線模型在排水系統模擬中的應用[J]．給水排水，2008,34(S1)：354-357.

[3] GB50014-2006室外排水設計規范(2014年版)[S].

[4] 王伯民,呂勇平,張強.降水自記紙彩色掃描數字化處理系統[J].應用氣象學報,2004，15(6):737-744.

[5] Pilgrim D H，Cordery I.Rainfall temporal patterns for design floods[J].Journal of the Hydraulics Division,ASCE,1975,101(1):81-95.

[6] 牟金磊．北京市設計暴雨雨型分析[D]．蘭州:蘭州交通大學，2011．

[7] 李晶，劉志生，薛喜，等.長春市降雨特征及雨型分析研究[J]．中國給水排水，2015，31(5)：100-104.

[8] 城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則[S].

(編輯：唐湘茜)

2017-03-20

陳青，男，湖北省城市規劃設計研究院，工程師，碩士.

1006-0081(2017)05-0038-03

P333.2

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