徐州市暴雨强度公式修订研究

孙瑞　房磊（江苏省水文水资源勘测局徐州分局　徐州　221006）

徐州市暴雨强度公式修订研究

孙瑞房磊
（江苏省水文水资源勘测局徐州分局徐州221006）

暴雨强度公式是城市雨水排水系统规划设计的基本依据。本文收集了徐州站、蔺家坝站、解台闸站1980～2011年共计31年的雨量资料，采用年最大值选样法构建各种指定历时雨量系列，分析出符合徐州市新一代暴雨强度公式，并与徐州市新旧暴雨强度公式进行比较，为城市排水系统的优化设计、排水管网建设与改造提供了新的理论参考。

暴雨强度公式修订降雨历时重现期

1　研究背景

徐州市属暖温带季风气候区，暴雨主要集中在7～8月。造成徐州市暴雨的天气系统主要为黄淮气旋、南北切变线、低涡及台风等。一般7月中旬前后，江淮梅雨期结束，随着副高的第二次北调，暴雨区主要在沂沭泗流域，长历时降雨多数由切变线和低涡接连出现造成，暴雨移动方向由西向东较多。台风暴雨影响徐州市主要在8月份，雨区一般在沂沭河及南四湖湖东区。

近年来徐州市城市化进程很快，而目前采用的城市暴雨强度公式建立于20世纪70年代末，所使用的暴雨资料年限较短且陈旧，囿于当时暴雨资料整理、选样方法采用手工方法，不易获得理想的精度。另一方面，由于没有纳入近30年的资料，已无法反映20世纪80年代以来气候与城市环境变化对降水的影响。因此，采用新的暴雨资料整理、选样方法与先进的公式求参手段，重新编制适应当前城市暴雨现状的暴雨公式刻不容缓。

2　研究方法及成果

此次徐州市暴雨强度公式主要依据《室外排水设计规范（GB50014-2006）》（2011年修订版）中提出的新一代城市暴雨强度公式的创新技术进行开发，同时参照了《给水排水设计手册》第5册中的相关内容。具体方法如下：

首先，选取徐州市区及周边3个雨量站点，应用年最大值选样法构建各指定历时的雨量系列；然后，选用短历时暴雨常用的两种频率分布线型 （即皮尔逊-Ⅲ型分布和耿贝尔分布），选择水文频率分析智能分析系统，采用智能优化适线法对所选三组样本进行拟合，通过拟合误差的评定，选定误差较小的分布曲线拟合结果编制i-t-T表；第三，通过高级语言Matlab编程，用先进的4参数一步求解法（高斯-牛顿法）拟合出3个暴雨公式；最后，从城市防洪安全的角度出发，选定合适的公式作为徐州市的暴雨强度公式。

此次研究区域共1016.7km2，代表性雨量站为位于老城区的徐州雨量站，以及分别位于老城区东、北方向的解台闸和蔺家坝闸雨量站。上述选取的代表性雨量站均具有30年以上自记雨量资料。采用年最大值选样法构建各种指定历时雨量系列，分析出3组暴雨样本求得的暴雨强度公式，见公式（1）、（2）、（3）。

式中：i—暴雨强度，mm/min；

t—降雨历时（5≤t≤120时精度较高），min；

T—为重现期，a。

将3个暴雨公式在不同重现期下求得的暴雨强度进行比较，各重现期采用徐州站暴雨样本拟合的公式计算，求得徐州站的暴雨强度较其余两站偏高。

为城市防洪排涝安全计，且从站点所处位置上看，蔺家坝与解台闸两站均偏离徐州市主城区较远且位于农村，考虑与主城区距离、与主城区城市下垫面及气象条件等因素，都是徐州站更能代表主城区面雨量情况。综合统计分析结果与距离、下垫面、气象等方面，此次徐州市暴雨强度公式选用徐州站暴雨样本拟合的暴雨公式，即公式（1）。

为方便城建部门使用，特将暴雨强度公式转换如下：

3　新老公式的比较

徐州市现行的暴雨强度公式为：

新公式采用1980～2010年共31年的资料，运用了一系列新的统计、计算技术，例如：选样时采用了年最大值法这一新方法，曲线拟合时从3种频率曲线中优选，暴雨公式则采用了新的、统一的4参数形式，求参数时用高斯—牛顿法直接求解等，使得暴雨公式的精度大大提高。而暴雨公式应用于城市排水设计最终反映在设计雨量或强度上。为此选择了3种重现期，将新编公式与现行公式的i-t-T曲线进行对比，以反映城区降雨的现状以及新编公式的意义，比较结果见表1。

表1　新旧公式各重现期各时段暴雨强度比较表（mm/min）

由对比结果可以看出，采用新编公式计算求得的暴雨强度较现行公式偏大，而这将会使得排水管网的设计标准提高很多。分析设计雨强提高的原因，应是近年来城市化使城区地表热容量、地表粗糙度加大，城区空气冷凝核增多，各地的暴雨强度均有不同程度的增大趋势，而徐州近些年也有很多关于大暴雨造成城市严重内涝的报告。因此认为新公式计算得出的设计雨强偏大是合理的。

4　暴雨强度公式的使用范围

此次暴雨公式修编系采用位于或接近徐州市主城区的3个雨量站的暴雨样本分别拟合暴雨公式，在所得3个暴雨公式求得的暴雨强度相差无几的前提下，为城市防洪排涝安全计，从中选取了根据站点位置最接近中心城区的徐州站所拟合的且偏安全的暴雨公式作为最终成果，该暴雨强度公式使用范围为徐州市主城区（包括泉山区、云龙区和鼓楼区），周边地区也可参照使用。

5　结论与思考

暴雨强度公式是设计城市排水管渠的重要基础公式，是计算暴雨地面径流和确定工程设计流量的重要依据，它的正确性直接关系到城市基础设施建设的科学性。此次利用徐州城区31年的暴雨资料，研究开发徐州市短历时暴雨强度公式，获得以下结论：

（1）城市暴雨资料的选样方法：雨样的选择方法非常重要，直接关系到所选雨样能否客观地反映现代城市排水设计重现期范围内的暴雨雨样的统计规律，从而为精确编制或修改暴雨强度公式提供具有代表性和可靠性的统计基础资料。若资料年限较长（20年以上）且城市排水设计重现期在1年以上的，建议采用年最大值选样。该法不仅选样简单，资料易得，而且精度也有所保证。

（2）频率分布线型的选择：频率分布线型的选择是修订暴雨公式的重要环节，原则上对频率分布线型的选择，既要与资料配合良好，又要方法简易。通过各种线型对所选徐州市的暴雨样本的拟合比较，此次修订研究选用皮尔逊-Ⅲ型分布曲线作为徐州市暴雨频率分布线型。

（3）根据徐州站31年雨量资料，采用年最大值选样法构建各种指定历时雨量系列，并建立了符合徐州市的新一代暴雨强度公式。对新旧暴雨强度公式进行比较，发现新暴雨强度公式计算所得不同重现期各历时的降雨强度均大于旧暴雨强度公式，表明这一成果吻合降水周期的变化趋势，完全符合徐州市实际情况。

（4）近年来强降雨和持续降雨等极端天气增多，全国许多城市经常上演“城市观海”的景象，造成这种现象的主要原因是城市雨水排水规划设计标准偏低、短历时高强度的暴雨无法及时排除。为减少城市积水现象，保障城市安全，规划设计城区排水管网时，应采用新修订的暴雨强度公式，并按照2011年修订的《室外排水设计规范》适当提高设计重现期标准。

（5）目前编制城市暴雨强度公式的方法基本是：先对暴雨资料进行频率分析，求出各历时指定重现期的暴雨强度值，即制作i-t-T表；再对i-t-T表中的暴雨强度通过各种方法进行拟合求出暴雨强度公式的各参数。能否跳过频率分布曲线拟合，直接通过对已知的实测暴雨强度值进行拟合来求城市暴雨强度公式参数，仍需进一步研究■