廊坊市某片區暴雨強度及雨型分析

劉 杰

(河北省廊坊水文勘測研究中心，河北 廊坊 065000)

1 概 述

為了顯著改善城市排水工程規劃的預見性，暴雨強度公式及芝加哥雨型模型被廣泛應用于國內外海綿城市排水工程分析過程[1]。梅平等[2]根據暴雨強度公式，提出降雨衰減指數的概念，并建立區域暴雨過程致災強度的綜合評估模型。研究結果顯示，暴雨強度分析結果與歷史災情記錄在時間和影響范圍上吻合較好。鄧培德等[3]利用芝加哥雨型概念，推導出三維參數雨型，并據此提出同頻率控制的模式雨型。WANG A等[4]利用現有上海市的降雨資料及芝加哥雨型法，對不同重現期的設計暴雨強度進行模擬。研究結果表明，將單峰和雙峰暴雨分開推導的水位線在實際應用過程中更加合理。蘇海龍[5]等利用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不同降雨重現期下廊坊市暴雨強度及雨型分析的報道。綜上所述，本文結合廊坊市某區內排水系統工程項目，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。研究結果可為廊坊市不同暴雨重現期下的暴雨強度及雨型分布提供基礎的理論指導，并為廊坊市片區排水系統設計提供可靠的理論依據。

2 研究區域概況

廊坊市位于河北省中部偏東，地理坐標為N38°30′-N40°05′、E116°07′-E117°15′，地處華北平原東北部位置。廊坊市地處華北平原中東部，北起燕山南麓丘陵地區，南抵黑龍港流域，大部分為凹陷地區。廊坊市地處中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥、春季溫暖多風、秋季涼爽適宜，雨熱同季。研究區域位于河北省廊坊市東北部地區，總面積約為22.3km2，海拔在5～20.5m之間。研究區域位置見圖1。

圖1 研究區域位置

3 研究地區暴雨強度公式

廊坊市坐落于華北平原東北部，地處京津之間，是河北省唯一沒有調蓄水庫的設區市，水資源十分匱乏。全市年平均降水量554.9mm，降水季節分布不均，多集中在夏季。研究區域6-8月份3個月降水量一般達到年總降水量的70%～80%[6]。因此，根據研究區域不同重現期的暴雨強度，合理規劃排水系統的設計方法和設計規模，提升研究區域雨水利用效率，進一步提高廊坊市排水蓄水能力。廊坊市氣象部門聯合當地住建部門頒布的暴雨強度公式，為廊坊市海綿城市建設提供重要設計依據。廊坊市的暴雨強度公式如下：

(1)

(2)

其中：i為暴雨強度，mm/hm2；t為降雨歷時,min；P為重現期，年。

本次計算降雨歷時t取120min，重現期P取1、2、3、5、10及20年。計算結果見表1。

表1 廊坊市不同降雨重現期下降雨強度表 /mm·(hm2)-1

4 研究區域降雨量模擬

4.1 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，因此該方法被廣泛應用于國內外海綿城市降雨分析過程[7]。芝加哥雨型計算法是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，進一步通過人工造峰即可求得降雨過程中的降雨瞬時強度，其中雨峰位置和研究區域的氣候及水系情況相關。目前，常見的雨型分析方法有常數法、三角法、德波爾德法(Desbordes)、芝加哥法(Chicago)、西法爾達法(Sifalda)、水土保持服務水位圖(Soil conservation service hyetograph)。作為一種可以應用在大流域范圍內的雨量雨型分析理論，芝加哥雨型計算法被廣泛應用于“海綿城市系統設計”及“排水系統設計”過程。具體來說，芝加哥雨型計算法中雨峰位置和研究區域的氣候及區位情況相關。

4.2 芝加哥雨型計算法原理

芝加哥雨型計算法公式如下：

(3)

其中：t為降雨歷時；A、b、n為地方降雨參數；Q為平均降雨強度。

研究中數據處理工具為SPSS 19.0，按照百分數對計數數據表示以x2測定，P＜0.05差異具備統計學意義。

降雨歷時t的總降雨量：

(4)

式中：H為降雨總量；t時刻的降雨強度為：

(5)

t=ta+tb

(6)

(7)

(8)

(9)

其中：r為雨峰相對位置參數，一般取值為0.3～0.5；tb為峰后降雨歷時；ta為峰前降雨歷時。

根據相關文獻報道[7-8]，考慮到研究區域實際降雨情況，故本研究模擬過程雨峰位置選取為0.45。

4.3 暴雨強度計算分析

基于廊坊市暴雨強度計算公式，計算1、2、3、5、10及20年重現期下的暴雨強度值，暴雨歷時為120min。結果見圖2。

根據圖2可以發現，在降雨歷時區間內(0～120min)，暴雨強度隨著重現期的增加而逐漸提高。具體來說，當降雨歷時為20 min時，對應1、2、3、5、10及20年重現期下的暴雨強度值分別為173.50 、214.03、237.74、267.61、308.14及348.67mm/hm2。降雨重現期20年與1年的暴雨強度比值為2.01。隨著降雨歷時的增加，廊坊市暴雨強度在80min內快速下降，并于80min后暴雨強度變化逐漸趨于緩和。具體來說，隨著降雨重現期從20年降低到1年，經歷120min降雨歷時的暴雨強度從135.95mm/hm2降低到67.65mm/hm2。120min降雨歷時下的最大暴雨強度與最低暴雨強度的比值依然保持為2.01。降雨量統計見表2。

圖2 研究區域內暴雨強度

表2 降雨量統計表

再進一步對研究區域內降水量進行計算。在研究區域內的匯水量分別為1 508.57、1 860.98、2 067.12、2 326.83、2 679.23及3031.63mm。根據項目所在地暴雨強度分析可知，隨著降雨重現期增加，暴雨強度及研究區域的徑流匯水量將出現明顯上升。

4.4 芝加哥雨型分析

根據芝加哥雨型的分析公式，進一步通過積分計算研究區域芝加哥綜合暴雨過程線。由圖3可知，在降雨歷時內且降雨重現期為1、2、3、5、10及20年的條件下，雨峰位置下(54min)的暴雨強度分別為0.014 8、0.018 2、0.020 2、0.022 8、0.026 2及0.029 7mm/min。在該雨型條件下，暴雨強度最高值與最低值比值為2.00。在本研究條件下，研究區域內雨峰位置下暴雨強度均表現出先增加后降低的趨勢。

圖3 不同降雨重現期下的雨型

由圖4可知，在降雨重現期為10年的條件下，隨著r從0.25提高至0.75，芝加哥雨型下雨峰位置的出現時間明顯滯后。具體來說，芝加哥雨型下雨峰位置的出現時間從30.0min增加至90.0min。基于上述分析，在廊坊市研究區域內進行的雨水排水系統工程設計中，應合理選擇降雨重現期及雨峰參數。

圖4 不同雨峰位置下的雨型

5 結 論

本文運用廊坊市暴雨強度公式及芝加哥雨型分析方法，對不同降雨重現期及雨峰參數條件下研究區域內的暴雨強度及芝加哥雨型進行研究，結論如下：

1)在本研究中，降雨重現期的增加明顯提高了研究區域內的暴雨強度。同時，隨著降雨歷時的增加，暴雨強度之間的比值穩定于2.01。

2)研究區域內的芝加哥雨型呈現出先增加后降低的趨勢，且隨著雨峰參數的提高，降雨歷時內暴雨強度分布發生了明顯變化。