基于排水防涝规划的短历时暴雨雨型分析

陈 青 李 明

(湖北省城市规划设计研究院，湖北 武汉 430071)

基于排水防涝规划的短历时暴雨雨型分析

陈 青 李 明

(湖北省城市规划设计研究院，湖北 武汉 430071)

基于历史降雨记录资料，采用数理分析方法，科学表达城市暴雨特征，是建立完善的城市排水防涝系统的关键基础性工作。针对湖北省宜都市城市排水防涝系统的规划设计，统计每场降雨过程的雨峰位置系数，加权平均得到综合雨峰位置系数，采用P&C分析法及芝加哥法确定短历时暴雨雨型，为城市排水防涝系统的规划、设计提供了有力支撑，可为城市雨水径流控制与资源化利用提供参考。

暴雨雨型； P&C雨型分析； 雨峰位置系数； 芝加哥雨型

由于全球气候变化的不断加剧，加之受城市化效应影响，城市市区中心短历时高强度局地性暴雨的发生概率和降雨强度大大增加，极端洪涝灾害频发，影响范围也逐渐扩大，城市内涝灾害已经成为制约城市发展的主要障碍之一[1]。因此，设计典型的能够有效反映地区降雨特征的短历时暴雨雨型在城市排水防涝系统的规划、设计中显得尤为重要[2]。

市政雨水管渠一般采用恒定均匀流推理公式计算雨水设计流量。《室外排水设计规范》中提出，当汇水面积超过2 km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量[3]。设计暴雨过程即雨型，是科学、合理地规划设计城市排水防涝系统的基础。

本文以湖北省宜都市城区排水(雨水)防涝专项规划编制为例，收集降雨过程资料，统计降雨特性参数，采用P&C(Pilgrim&Cordery)统计分析法和芝加哥降雨模型法确定宜都市城区短历时暴雨雨型，为采用DHI MIKE软件进行城市现状排水防涝系统能力评估、内涝风险评估与区划提供技术支撑，以期为排水防涝系统的规划、低影响开发雨水系统的设计等提供参考。

1 降雨资料

采用宜都市国家基本气象站1959～2012年共54 a的逐分钟雨量数据为降雨原始资料，其中，2001～2012年降雨资料为现代自动气象站自动记录的逐分钟雨量数据[4]。从逐年雨量资料中每年挑选5，10，15，20，30，45，60，90，120，150 min和180 min共11个降雨历时的最大值作为原始数据，采用“年最大值法”推求暴雨强度公式。

2 短历时暴雨雨型分析

2.1 P&C法推求雨型

P&C法是一种无级序平均法推求设计暴雨雨型，把雨峰时段定位在出现可能性最大的位置上，而雨峰时段在总雨量中的比例取各场降雨雨峰所占比例的平均值，其他各时段的位置和比例用同样方法确定[5]。该项目采用将参与某一历时降雨过程分析的降雨过程因子进行归一化处理的方法，即将参与分析的降雨过程因子的自身过程进行归一，根据降雨过程分析的需要，将每个降雨过程因子按照自身的降雨历时均匀的进行n等分。这种做法保证了每个参与分析的降雨过程因子自身的完整性，不会破坏降雨过程因子的结构。具体流程如图1所示。

图1 P&C法雨型的确定流程

采用30，60，90，120，150 min和180 min共6个降雨历时的降雨资料为样本。针对已选的每场降雨，将各时段雨量按从大到小的顺序来确定各时段的序号，大雨量对应小序号，将每个对应时段的序号取平均值，取值按从小到大分别确定为雨强由大到小的顺序。依据每一时段的各场次降雨量与总雨量的比值，取每个对应时段的比值的平均值，作为最终的分配比例[6]。该项目采用“年最大值法”确定短历时暴雨雨型，同时也采用“年多个样法”进行对比分析。利用P&C法推求的短历时设计暴雨雨型各时段级序分配比例见图2～3。

在得到短历时的雨型分配比例之后，只要给定相应重现期下各降雨历时的降雨量，即可得到相应重现期下降雨时程分配[7]。

2.2 芝加哥法推求雨型

芝加哥法雨型的确定基于特定重现期下的IDF关系曲线。包括综合雨峰位置系数及芝加哥降雨过程线模型的确定[8]。

2.2.1 雨峰位置系数

采用各降雨历时的逐年最大降雨过程为样本，以5 min为间隔进行分段，统计降雨过程的雨峰位置系数。将历时相同的逐年最大降雨样本的雨峰位置系数进行算术平均，再将各历时的雨峰位置系数按照各历时的长度进行加权平均，求出综合雨峰位置系数r，见表1。

ri=ti/Ti

(1)

式中，ri为雨峰位置系数；ti为降雨峰值时刻，min；Ti为降雨历时，min。

图2 P&C法推求短历时暴雨雨型分配(“年最大值法”)

表1 综合雨峰位置系数r的确立

图3 P&C法推求短历时暴雨雨型分配(“年多个样法”)

2.2.2 芝加哥降雨过程线

芝加哥法雨型以统计的暴雨强度公式为基础设计典型降雨过程[8]，暴雨强度是排水规划、排水管道大小设计的主要依据，合理制定某地区雨强公式，可使设计工程安全可靠、节约投资，社会经济效益明显。设计暴雨强度公式一般采用下式

(2)

式中，q为平均暴雨强度，mm/min；A1是重现期为1 a时的设计降雨量，mm；C为雨量变动参数；P为设计降雨重现期，a；t为暴雨历时，min；b、n为常数。

令i=167A1(1+ClgP),则得到单一重现期公式

(3)

式中，i为雨力参数，mm/min；即不同重现期下1 min的设计降雨量，mm。

引入雨峰位置系数r来描述暴雨峰值发生的时刻，将降雨历时时间序列分为峰前和峰后两个部分。令峰前的瞬时强度为i(tb)，相应的历时为tb，峰后的瞬时强度为i(ta)，相应历时为ta，则雨峰前后瞬时降雨强度可计算如下：

(4)

(5)

式中，i(tb)、i(ta)为瞬时降雨强度，mm/min;tb为峰前历时，min;ta为峰后历时，min;r为综合雨峰位置系数；A、b、n为一定重现期下暴雨强度公式中的参数，均为常数。

采用“年最大值法”推导的暴雨强度公式见表2。

表2 暴雨强度公式参数

图4 芝加哥法推求短历时暴雨雨型分配(2 a重现期)

利用式(4)、(5)计算芝加哥合成暴雨过程线各时段(以5 min计)的累积降雨量及各时段的平均降雨量，进而得到每个时段内的平均降雨强度，最终确定出对应一定重现期及降雨历时的芝加哥法雨型。图4是采用芝加哥雨型得到的2 a重现期下短历时设计暴雨雨型分配图。

3 结 论

(1) P&C法短历时暴雨雨型基本呈单峰形，雨强过程通常呈现由小及大转而又小的形式，与芝加哥法雨型基本一致，符合当地的暴雨实际，希望工程设计者具体使用时，根据实际情况综合考虑两种方法的计算结果。

(2) P&C法及芝加哥法短历时暴雨雨型雨峰位置系数均靠前，基本处于各降雨历时的1/3位置，短历时暴雨发生后将很快出现雨峰，降雨强度会达到最大，在低影响开发雨水系统设计中，要综合考虑径流峰值流量控制。

(3) “年多个样法”短历时暴雨雨型及雨峰位置同“年最大值法”基本一致，建议采用降雨资料短缺城市短历时暴雨雨型的推求。

[1] 张冬冬，严登华，王义成，等．城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展[J]．灾害学，2014，29(1):144-149．

[2] 张大伟，赵冬泉，陈吉，等．芝加哥降雨过程线模型在排水系统模拟中的应用[J]．给水排水，2008,34(S1)：354-357.

[3] GB50014-2006室外排水设计规范(2014年版)[S].

[4] 王伯民,吕勇平,张强.降水自记纸彩色扫描数字化处理系统[J].应用气象学报,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．北京市设计暴雨雨型分析[D]．兰州:兰州交通大学，2011．

[7] 李晶，刘志生，薛喜，等.长春市降雨特征及雨型分析研究[J]．中国给水排水，2015，31(5)：100-104.

[8] 城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则[S].

(编辑：唐湘茜)

2017-03-20

陈青，男，湖北省城市规划设计研究院，工程师，硕士.

1006-0081(2017)05-0038-03

P333.2

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