氣候變化條件下遼寧省無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨新雨型分配計(jì)算研究

溫笑寒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

受氣候變化影響，遼寧省從1990年開(kāi)始，暴雨特征發(fā)生明顯變化，主要表征在暴雨量級(jí)、暴雨中心位置以及暴雨發(fā)生的頻率[1- 3]。對(duì)于無(wú)資料地區(qū)涉水工程洪水計(jì)算而言，采用設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水是最為主要的一種方式，特別是對(duì)于流域面積300km2以上的計(jì)算區(qū)域[4]。而受到氣候變化影響，原暴雨雨型分配已不能滿足新環(huán)境下設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的需求，需要結(jié)合暴雨數(shù)據(jù)，對(duì)不同區(qū)域設(shè)計(jì)雨型進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到氣候變化下區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨的新雨型[5- 7]。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)設(shè)計(jì)暴雨雨型分配進(jìn)行相關(guān)研究[8- 15]，這些成果中基本都基于實(shí)測(cè)暴雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而確定適合于不同區(qū)域暴雨特征的設(shè)計(jì)雨型。為此本文以遼寧地區(qū)為例，結(jié)合區(qū)域544個(gè)雨量站點(diǎn)的暴雨特征數(shù)據(jù)，對(duì)其暴雨特征進(jìn)行分析，從而確定遼寧省無(wú)資料地區(qū)受氣候變化影響下新的設(shè)計(jì)雨型。

1 設(shè)計(jì)暴雨雨型計(jì)算方法

由多次實(shí)際暴雨，分析出暴雨時(shí)程特征，根據(jù)暴雨時(shí)程特征分配設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程雨量，得到設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配雨型。資料選樣時(shí)，用于分析暴雨的測(cè)站應(yīng)分布在暴雨特性較為一致的各個(gè)分區(qū)，且能代表分區(qū)分布情況。對(duì)于一次暴雨應(yīng)避免重復(fù)選用多站，因?yàn)橥淮伪┯甑母饔炅空居^測(cè)的雨量過(guò)程可能一致。多暴雨年份可選用多次暴雨，以增加分析場(chǎng)次。如果暴雨有明顯季節(jié)變化，還需分析暴雨的成因天氣，可以考慮暴雨天氣成因分開(kāi)處理。在雨型分析選樣中，應(yīng)注意反映各種歷時(shí)大暴雨的典型，既要包括長(zhǎng)歷時(shí)雨量特大暴雨，也要包括短歷時(shí)大暴雨。

暴雨雨型分配的主要特征為降雨的時(shí)段數(shù)目、降雨之間間隔、暴雨持續(xù)時(shí)間、最大暴雨統(tǒng)計(jì)特征值出現(xiàn)的時(shí)間以及不同時(shí)段暴雨的量級(jí)指標(biāo)。此外，還需要對(duì)暴雨開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)間進(jìn)行分析，一般采用外包和內(nèi)包兩種方式進(jìn)行暴雨樣本特征值的選樣分析，外包統(tǒng)計(jì)是按照暴雨最大歷時(shí)進(jìn)行特征時(shí)段內(nèi)最大雨量進(jìn)行分析，然后從外到內(nèi)依次選取歷時(shí)較短的暴雨特征系列。內(nèi)包就是從最短暴雨特征時(shí)段內(nèi)的暴雨量級(jí)，從內(nèi)向外進(jìn)行延伸進(jìn)行暴雨量級(jí)的依次選取。

雨型分區(qū)綜合時(shí)，經(jīng)多次暴雨分析對(duì)每次暴雨按時(shí)序排位采用眾值法，按時(shí)段雨量出現(xiàn)次數(shù)最多序位確定各時(shí)段雨量排位。再按時(shí)段序位，計(jì)算同一序位時(shí)段雨量比例的均值，作為該序位時(shí)段雨量的比例。例如，分析30場(chǎng)暴雨，有15場(chǎng)最大1h雨量出現(xiàn)在第12序位，出現(xiàn)頻次大于其它序位，可以確定第12序位為最大1h雨量的序位。同時(shí)計(jì)算這15場(chǎng)最大1h比例的均值，作為最大1h雨量的比例。同理，給出其它時(shí)段雨量的序位和比例，得到分區(qū)的時(shí)程分配雨型。

2 設(shè)計(jì)暴雨雨型計(jì)算

2.1 研究站點(diǎn)概況

以遼寧省水文基礎(chǔ)信息庫(kù)為基礎(chǔ)，選取資料系列完整、可靠的544個(gè)站點(diǎn)建立暴雨資料集。站點(diǎn)分布如圖1所示，收集全省雨量站歷年雨量摘錄數(shù)據(jù)，從中選取場(chǎng)次暴雨。選取原則：暴雨中心站場(chǎng)次暴雨量大于200mm、連續(xù)陣雨停雨間隔小于6h的場(chǎng)次暴雨，覆蓋范圍是與暴雨中心站場(chǎng)次暴雨歷時(shí)同步的、且雨量大于30mm周邊雨量站所包括的范圍，共挑選162場(chǎng)暴雨。收集雨量站歷年10min、30min、60min、1h、3h、6h、12h、24h、3d最大雨量，水文年鑒有這些時(shí)段的站，直接采用；沒(méi)有這些時(shí)段的站，利用雨摘資料(作者核對(duì))，滑動(dòng)計(jì)算選最大值。

圖1 544個(gè)選用站點(diǎn)分布

2.2 暴雨年內(nèi)分布特征

根據(jù)氣象部門對(duì)暴雨的分類，24h降雨量在50～99.9mm為暴雨，在100～249.9mm為大暴雨，大于250mm為特大暴雨。對(duì)162場(chǎng)暴雨進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)每場(chǎng)暴雨發(fā)生時(shí)間、24h降雨量級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同月份各類暴雨分布 單位:次

從暴雨量級(jí)看，162場(chǎng)暴雨中，發(fā)生大暴雨60場(chǎng)、特大暴雨102場(chǎng)。暴雨集中在7、8月份的有143場(chǎng)，占總暴雨場(chǎng)次的90%。

2.3 歷時(shí)、雨量分配特征

對(duì)162場(chǎng)暴雨降雨歷時(shí)T進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表2。并對(duì)典型場(chǎng)次暴雨時(shí)段進(jìn)行了雨量分配，分配結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 暴雨歷時(shí)統(tǒng)計(jì) 單位:次

表3 場(chǎng)次暴雨時(shí)段雨量分配

有3場(chǎng)小于24h，其它均大于24h，表明遼寧暴雨持續(xù)時(shí)間(包括陣雨的間隙時(shí)間)普遍超過(guò)24h降雨過(guò)程。同時(shí)，分析了162場(chǎng)暴雨各時(shí)段雨量占總雨量百分比，取均值，從表3結(jié)果可看出，典型場(chǎng)次暴雨12h降雨量占總雨量的72%。

2.4 暴雨極值

從實(shí)測(cè)資料中分析各時(shí)段10min、30min、60min、1h、3h、6h、12h、24h、3d最大值出現(xiàn)時(shí)間、地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表4。

表4 時(shí)段雨量極值統(tǒng)計(jì)

從表中可看出，不同時(shí)段暴雨極值主要分布在遼寧東部區(qū)域。遼寧東部屬于暴雨多發(fā)地區(qū)，其10min暴雨量可達(dá)63.9mm，最大3d暴雨值可達(dá)到806.3mm，且從其發(fā)生的時(shí)間可看出，除1971年外，主要發(fā)生在7月下旬和8月上旬。

2.5 暴雨中心分布

有283個(gè)雨量站24h雨量大于200mm，在各分區(qū)的分布情況見(jiàn)表5。

表5 24h雨量大于200mm的雨量站分布

對(duì)遼寧省場(chǎng)次暴雨中心及大暴雨日數(shù)的空間分布進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2所示。

從表5中可看出，遼寧東部地區(qū)(III、IV區(qū))、中部地區(qū)(I區(qū))和西部地區(qū)(II、V、VI區(qū))雨量大于200mm的站點(diǎn)數(shù)占全省站點(diǎn)數(shù)分別為64%、16%和20%，由此可知遼寧東部屬于全省暴雨中心較為集中的區(qū)域。從圖2中可看出，發(fā)生暴雨次數(shù)在35次以上的區(qū)域基本集中在遼寧東部及南部區(qū)域，主要覆蓋的城市為本溪、丹東地區(qū)，與暴雨中心空間分布較為一致。

2.6 設(shè)計(jì)暴雨雨型分布結(jié)果

對(duì)遼寧東部、中部以及西部地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨雨型進(jìn)行了分配，結(jié)果見(jiàn)表6—8。

圖2 暴雨特征空間分析結(jié)果

表6 遼寧東部地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨雨型分配結(jié)果

表8 遼寧西部地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨雨型分配結(jié)果

從設(shè)計(jì)雨型來(lái)看，不同區(qū)域設(shè)計(jì)雨型不同，遼寧東區(qū)域主要雨量分布在前21h，21h雨量占總場(chǎng)次雨量的60%，場(chǎng)次降水主要分布在48h以內(nèi)。遼寧中部地區(qū)主要分布前30h以內(nèi)，場(chǎng)次降水主要分布在56h以內(nèi)。遼寧西部地區(qū)屬于暴雨歷時(shí)較短的區(qū)域，從表8中可看出，其70%的降水分布在前15以內(nèi)，95%以上的降水在24h之內(nèi)結(jié)束。表明不同地區(qū)、不同雨型下的雨量分配，對(duì)于遼寧省無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算具有重要應(yīng)用價(jià)值。

3 主要結(jié)論

(1)相比于遼寧省早期設(shè)計(jì)雨型，新的雨型綜合考慮了氣候變化影響，并按不同分區(qū)設(shè)計(jì)雨型。與早期采用一種雨型進(jìn)行暴雨分配相比，新雨型更為合理，可用于在無(wú)資料中等流域(流域面積1000km2以上)。

(2)受氣候變化影響，遼寧省東部區(qū)域暴雨次數(shù)及頻率都明顯增加。應(yīng)重點(diǎn)考慮這部分區(qū)域防洪安全，對(duì)于暴雨中心較為集中的區(qū)域加大防洪治理的力度，提高其防洪標(biāo)準(zhǔn)。

(3)本文未分析暴雨雨型變化的主因，在以后研究中還應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)氣候變化對(duì)暴雨特征影響的主因進(jìn)行探討和分析。