基于数据库的可能最大暴雨估算系统的开发应用

俏 娃，谢悦波

（1. 中工武大设计研究有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）

基于数据库的可能最大暴雨估算系统的开发应用

俏 娃1，谢悦波2

（1. 中工武大设计研究有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）

传统的水文数据通常以年鉴的形式刊印、存储，因此在推求可能最大暴雨（PMP）时需要的水文气象数据难获得且不易查询。数据库具有数据共享性，将数据库技术与 PMP 估算相结合，建立基于数据库的可能最大暴雨估算系统。利用数据库进行统一的标准计算，并对结果进行合理性分析，得出小于世界不同历时的最大雨量记录的外包线值的结果合理。采用数据库进行标准化计算可以避免人为因素的误差，也简化计算过程。

可能最大暴雨（PMP）；数据库；当地暴雨放大；估算系统；暴雨移置

由于美国暴雨资料多，时间序列较长，而且地形条件相对比较简单，因此水文气象法是美国计算可能最大暴雨（PMP）最主要的方法。这种方法估算 PMP 结果以数据库的形式存储［1］，为用户提供便捷，使众多用户共享数据。而中国由于暴雨资料系列较短，地形复杂，这种存储形式不适用，因此，建立基于数据库的可能最大暴雨估算系统，PMP估算软件系统并不是将计算结果直接存储到数据库中，而是将计算所需数据存储在数据库中，再输入其他计算所需数据，最后得到所需要的 PMP 估算值。利用数据库采用统一的标准计算，避免在计算过程中由于人为原因造成误差，计算得到的结果经过合理性检验后，由决策者根据实际情况的需要选取合适的结果。

1　数据库系统

1.1数据库系统

数据库系统采用 C# 编程语言，C/S（客户端/服务器）架构，SQL Server 2005 数据库，操作系统为Windows XP。

1.2数据来源及质量控制

数据库中的数据主要包括约 500 台站 1951—2011 年的日平均风速、露点温度和逐日雨量等资料，这些资料均是 NOAA 网站提供的气象资料，同时还包含各个站点的高程资料。

数据质量是数据库建设中最为关键的因素，因此对录入数据库中的数据需进行质量控制［2］。由于NOAA 网和气象数据共享网均提供部分相关气象数据，因此将二者提供的逐日雨量和风速等资料各摘录一部分进行“互交”，以达到质量控制的目的，检验数据的准确性［3］。

2　数据库推求 PMP 采用方法

2.1当地暴雨放大

2.1.1水汽效率放大

当设计流域及邻近地区缺乏特大暴雨资料，而有较大的实测或特大历史暴雨洪水资料时，可采用水汽效率放大的方法［4］131推求 PMP，公式如下：

式中：Pm和 P 分别为 PMP 及典型暴雨量；ηm和 η 分别为可能最大效率及典型暴雨效率；Wm和 W 分别为可能最大和典型暴雨可降水量；t 为暴雨历时；I为降雨强度。

2.1.2水汽风速放大

对于风速或入流指标与相应的流域平均雨量有正相关的趋势，而且暴雨期间入流风向和风速比较稳定的流域，可以考虑采用水汽风速放大法［4］139，公式如下：

式中：υm和υ分别为可能最大和典型暴雨的风速；

各场次典型暴雨合成风速由下式得到：

数据库中水汽效率和风速放大在同一张表中输出，当地暴雨放大计算界面如图 1 所示。

图1　当地暴雨放大计算界面

在利用数据库进行当地暴雨放大计算时，从界面中省份和台站选项中选取典型暴雨的代表站，所选取的代表站会在已选站点中列举出来。若在选择代表站时出现错误，则只需选中错误的代表站，单击“删除所选站点”即可；需要重新计算则单击“清空所有站点”按钮，就会做出相应操作。在日期选项中选取典型暴雨发生的时间，在选择日期时可以直接手动输入，也可以在下拉的时间表中选择。高程是指设计流域的高程，雨量为典型暴雨雨量，历时为所求 PMP 的历时，这些数据直接输入即可。由于数据库中没有历年暴雨效率资料，因此 ηm默认为 0.1，但该值并不是固定值，可以根据实际情况填写。最后单击“开始计算”，当地暴雨放大成果表中就会显示水汽效率和风速放大成果。

2.2暴雨移置

若设计流域缺少时空分布较恶劣的特大暴雨资料，则可以将气象一致区的实测特大暴雨搬移过来，加以必要的改正，作为暴雨模式，然后再进行适当的放大，以求得 PMP［4］ 163。放大公式如下：

式中：WBm和 WB分别为设计区最大和典型暴雨可降水量；Z（足标）为移置区的地面高程。

利用 PMP 估算数据库进行暴雨移置放大，如图2 所示。

界面中包含典型暴雨和设计流域，典型暴雨部分需要输入的信息是所选取的移置对象所在区域的信息。在使用数据库进行暴雨移置计算时，先选取典型暴雨的代表站，日期选项中选暴雨发生日期，典型暴雨所在流域高程填入高程项中，雨量为典型暴雨雨量。在设计流域中选取移置区的代表站，及设计流域的高程，单击“开始计算”即可获得移置暴雨放大成果。

2.3PMP 估算成果的合理性分析

在我国，推求 PMP 一般都要算几种方案，最后通过综合分析确定采用成果。但是，由于资料不足，某些气象因子变化较大，往往难以准确确定，各种方法计算的成果可能会有较大差距，因此要对成果进行合理性分析。通常采用以下几种方法进行合理性分析：1）从基本资料和计算过程上检查；2）与本流域历史暴雨资料比较；3）与邻近流域比较；4）与国内外最大暴雨记录比较；5）与国内外已有 PMP 估算成果比较。

图2　暴雨移置放大计算

在本数据库中采用第 4 种方法，即用国内外最大暴雨记录进行比较。稀遇的特大暴雨，在某一固定的较小区域出现的几率是较小的，但从大范围来看，出现的几率则较大。因此，可以把设计流域的PMP 与国内外最大暴雨记录作比较。这种比较应考虑地理、地形及气候等条件的差异。

世界不同历时的最大雨量记录的外包线，可以认为已接近于降水的物理上限，故所求得的 PMP一般不能超过它。世界气象组织的 PMP 估算手册中，已经给出世界暴雨记录的经验公式（WMO， 1973）［4］ 171，此式可作为 PMP 计算的上限，公式如下：

式中：Hw为雨深；t 为降雨历时，有 3 种历时单位，即 min，h，d。

在本数据库中进行合理性检验采用的是将结果与国内外最大暴雨记录进行比较的方法，即将得到的结果与世界不同历时的最大雨量记录的外包线进行比较，超过该外包线的为不合理，在外包线以内的为合理，最后的选值需要决策者根据实际情况进行选择，中国和世界最大实测与调查点雨量历时关系如图 3 所示。

图3　中国和世界最大实测与调查点雨量历时关系

3　数据库实际应用

以安徽芜湖核电站厂址 PMP 估算为例，运用本数据库进行估算，对估算结果与原结果进行比较，验证数据库估算 PMP 的可靠性。

3.1当地暴雨放大

在推求设计流域 PMP 时，以安庆、南昌和杭州站为代表站，选择暴雨资料完整、代表性较好、离芜湖核电站厂址较近的芜湖站作为控制站，选取芜湖站从 1961—2005 年 45 场大暴雨进行水汽效率和风速放大。将 45 场暴雨的日期、高程、雨量、历时和 ηm等数据信息输入相应位置，每输入 1 场暴雨，单击“开始计算”后，该场次暴雨的放大成果就会列在当地暴雨放大成果表中，由此得到最后的 PMP估算值，利用 PMP 估算数据库计算得到的成果如图 4所示。系统选取的 2 种方法计算得到的 PMP 值列在表的最下方，水汽效率放大的结果为 368.01 mm，水汽风速放大的结果为 2 583.47 mm。

图4　当地暴雨放大成果

3.2暴雨移置

由于本数据库只能进行定量计算，无法进行定性分析，因此暴雨移置的可能性分析要在计算之前进行，计算过程在数据库中进行。将河南林庄“75.8”大暴雨［5］ 36和 1960 年江苏潮桥 2 场暴雨［5］ 40移置到设计流域，这 2 个地区相距芜湖核电厂芭茅山厂址较近，属于同一气候区，暴雨主要是由台风雨形成的，水汽均来源于东南方向太平洋。“75.8”河南林庄暴雨 24 h 雨量达到 1 060.3 mm，1960 年江苏潮桥暴雨 24 h 雨量达到 822.0 mm，暴雨中心完全可以直接移置到厂址中心。将 2 场典型暴雨选取的代表站、暴雨时间、高程和雨量值输入到相应位置，设计流域代表为芜湖站，输入高程和历时值，单击“开始计算”，在成果表中就会输出暴雨移置后的成果。移置结果如图 5 所示，最终得到的 PMP 估算值为 1 495.02 mm。

3.3PMP 估算合理性分析

此次利用数据库推求 PMP 采用水汽效率放大、风速放大和暴雨移置 3 种方法，利用数据库对 3 种估算方法进行合理性检验，世界不同历时的最大雨量记录的外包线的值为 1 909.47 mm，其中水汽风速放大方法的结果由于超过了世界不同历时的最大雨量记录的外包线，结果偏大不合理，不予考虑，当地暴雨水汽效率放大成果和移置放大成果接近，最后结果可以根据实际情况从两者中选 1 个。

图5　2场暴雨移置成果

将原始 PMP 估算的结果与利用数据库估算的结果进行比较，结果如表 1 所示，从表中可以看出水汽效率放大法的误差最小，暴雨移置法的结果较为合理，而水汽风速放大法误差最大不能作为参考值，水汽效率的结果较为可信，可以作为参考值。

表1　2种计算结果比较

4　结语

本次建立的估算 PMP 的数据库避免了因传统的水文数据难获得且不易查询的困难，将 PMP 估算与数据库技术相结合，极大简化了推求 PMP 的方式，缩短了推求 PMP 的时间，为今后的计算提供了便利。

数据库中的数据主要是露点温度和风速资料，其中露点温度为日平均露点温度，这与常规计算方法中采用的持续 12 h 露点温度不同，因此在计算结果中会有一些误差，由于风速资料并不是高空的风速资料，故水汽风速放大方法的误差较大，一般不予采用。

重新分析计算安徽芜湖核电厂的 PMP，并将原有的结果与数据库计算的结果进行比较分析。经过分析比较后，水汽效率放大法和暴雨移置法与原先结果较为接近，误差较小，而水汽风速放大法结果不合理，在世界外包线之外而无法使用。

PMP 估算数据库现阶段还有不足之处，还需要在实践中不断完善，补充数据，希望能在以后的研究中提高它的准确性。

［1］ 章树安，马湛. 水文数据库简介［J］. 水利水文自动化，2000 （4）: 5-9.

［2］ 李志敏. 水文数据录入的质量控制［J］. 广东水利水电，1999 （3）: 26-27.

［3］ 俏娃，谢悦波. 中国暴雨数据查询数据库的建立与应用［J］. 中国农村水利水电，2013 （7）: 78-80.

［4］ 王国安. 可能最大暴雨和洪水计算原理与方法［M］. 北京：中国水利水电出版社，1999.

［5］ 王家祁. 中国暴雨［M］. 北京：中国水利水电出版社，2002.

Application of Probable Maxmum Precipitation Estimate System based on Database

QIAO Wa1， XIE Yuebo2
（1. Xinjiang Branch of CAMCE WHU Design & Research CO.， LTD.， Urumqi 830000， China；2. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China）

The traditional hydrological data are usually printed and stored in the form of yearbook. So it’s difficult to get and query hydrological and meteorological data when they are needed to calculate probable maxmum precipitation（PMP）. Database has the function of data sharing. Combining database technology with PMP estimate，it establishes probable maxmum precipitation estimate system based on database. Using the database doing unified standard the system calculates， and analyzes the results， gets that less than the world different maximum rainfall records of outsourcing line is reasonable. Using database to standardized calculation can avoid the error of the artificial factor，and simplify the calculation process.

Probable Maximum Precipitation； database； local rainstorm amplification； estimation system； storm relocat

P338；TV122+.1

A

1674-9405（2016）04-0020-06

10.19364/j.1674-9405.2016.04.005

2016-03-25

俏 娃（1986- ），女，新疆乌鲁木齐人，工程师，从事水利规划工作。