基于海绵城市建设需求的深圳分区设计降雨量研究

陈申鹏，丁钰林，胡媛媛

（深圳市国家气候观象台，广东深圳 518040）

海绵城市是低冲击开发（low impact development，LID）中国化的产物，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市建设是我国在新的历史条件下节约水资源，保护和改善城市生态环境，促进生态文明建设的一项重要举措。深圳于2016年入选国家海绵城市建设试点，在全市多个片区开展海绵城市建设，并确立了到2030年建成区80%以上的面积达到海绵城市要求的远大目标。然而深圳地处华南沿海，地域狭长，地势东南高，西北低，大部分为低丘陵地，间以平缓的台地，西部为滨海平原，降雨东、西分布差异大，深圳国家基本气象站单站资料无法反映这种差异。针对这种情况，利用区域气象站降雨量数据，围绕深圳海绵城市建设需求开展了深圳分区降雨规律的相关研究。

关于华南降雨规律，相关研究主要集中在两方面，一是围绕降雨多年气候特点和变化规律，主要基于长时间序列的国家站降雨数据［1-4］，二是利用区域气象站数据，围绕降雨空间分布特征进行［5-7］。比较一致的结论是华南多年降雨量年际波动大，一般无显著变化趋势，空间分布差异大，受地形影响明显。年径流总量控制率是海绵城市建设的一个重要参数，随着海绵城市建设的深入推进，国内相关学者围绕年径流总量控制率相关概念辨析、推求方法和影响因素等开展了诸多探索［8-10］，各地也围绕海绵城市相关的降雨规律和年径流总量控制率相关参数推求进行了研究［11-12］，但未见利用区域气象站针对单个城市年径流总量控制率和设计降雨量地域差异开展的研究。

1 数据和方法

1.1 数据说明

本研究主要采用深圳国家基本气象站1976—2018年共43年的降雨日数据，以及近10年（2009—2018年，下同）数据完整性高、质量好的90个区域气象站的降雨量数据，包括日雨量和分钟雨量数据。选取的区域气象站日雨量数据逐年完整率最低为94.5%，总体则高达99.9%。

日降雨量在经过严格质控的小时降雨量基础上统计得到的数据，小时降雨量质控处理包括：（1）气候极值检验。以0～180 mm作为小时降雨量的合理范围，则认为该站的雨量非法并剔除；（2）空间一致性检验。选定站点周边临近且环境条件相近的数站到十数站为参考站，若某站降雨量超过30 mm（或40 mm），但参考站的平均降雨量为0（或＜1 mm），或降雨量与参考站的平均降雨量之差超过50 mm，但参考站的平均降雨量＜5 mm，则认为该站的雨量非法并剔除。

分钟降雨量的质控主要是阈值控制，以6 mm作为分钟雨量的合理上限，超过6 mm则认为是非法值并剔除。

1.2 方法说明

滑动雨量极值求取：利用分钟降雨量，以不同降雨历时为累计时长，以1 min为步长滑动求取累计雨量并挑选极值，每年得到一个该历时条件下的滑动雨量年极值。2009—2018年多年滑动雨量年极值求平均，得到不同历时滑动雨量年极值平均。

强降雨频次统计：利用分钟降雨量，以不同降雨历时为累计时长，以1 min为步长滑动求取累计雨量，并判断其是否超过指定阈值，超过则统计一次该阈值强降雨，然后跳过该强降雨时段并继续滑动求取累计雨量，超过阈值则增加一次该强降雨频次……如此重复得到各站不同历时强降雨频次。

年径流总量控制率与设计降雨量关系推求方法：对日降雨量资料扣除≤2 mm的降雨事件的降雨量，按雨量由小到大进行排序，统计小于某一个降雨量的降雨总量（小于该降雨量的按真实雨量计算出降雨总量，大于该降雨量的按该降雨量计算出降雨总量，两者累计总和）在总降雨量中的比率，此比率（即年径流总量控制率）对应的降雨量（日值）即为设计降雨量［16］。假设升序处理后的日雨量数据集为｛X1、X2…Xi、Xi+1…Xn-1、Xn｝，则Xi对应的年径流总量控制率P＝，Xi即为设计降雨量（mm），n为数据集样本数，由此即可得出年径流总量控制率（P）和设计降雨量（Xi）的关系。

2 深圳降雨区域差异

2.1 降雨量和暴雨日空间分布

图1为深圳近10年年均降雨量和暴雨日数分布。从图1可以看出，深圳降雨量呈现“东多西少”分布，年均降雨量大致在1 400～2 200 mm之间，其中罗湖区及其以东各区（包括罗湖区、盐田区、龙岗区、坪山区和大鹏新区）普遍在1 900 mm以上，降雨量大值中心位于罗湖区东部、盐田区西部和龙岗区南部的3区交界区域，以及罗湖区以北的龙岗区布吉街道、大鹏新区北部的葵涌街道等区域，罗湖区以西各区（包括福田区、南山区、宝安区、龙华区和光明区）普遍不足1 900 mm，降雨量最小出现在西南部的蛇口半岛及珠江口岛屿。暴雨日数分布类似，普遍在6～11 d之间，其中罗湖区及其以东各区（新区）普遍超过9 d，暴雨日最多的区域与降雨量大值中心几乎重合，罗湖区以西的5个区普遍不足9 d，暴雨日最少的区域也主要是西南部的蛇口半岛和珠江口岛屿。

图1 深圳近10年年均降雨量（单位：mm）（a）及暴雨日数（单位：d）（b）分布

出现这种差异，主要与地形有关，深圳东部多山，受地形抬升作用容易形成强降雨，导致降雨量和暴雨日数偏多。其中罗湖、盐田和龙岗交界区域正好是深圳最高峰大梧桐山所在区域，布吉街道则位于梧桐山和银湖山所形成的喇叭口，葵涌街道则为三面环山地形，西南部开口朝向大鹏湾，特殊的地形使这些区域成为深圳降雨量和雨日的大值中心。

2.2 强降雨极值和频次空间分布

由深圳不同历时滑动雨量年极值平均图（图略）可见，深圳2 h以内短历时降雨极值大值区较分散，东、西部均有分布；随着降雨历时的加长，3～6 h历时降雨量极值大值区主要分布在东部，特别是大鹏半岛；降雨历时继续加长，12～24 h历时降雨量极值中心有向中部扩展的趋势，在罗湖、盐田交界的梧桐山等区域出现了一个大值中心；到48～72 h历时，降雨量极值的大值中心主要是罗湖和盐田交界的梧桐山区，东部的大值中心相对较弱。

从区域平均值也能清楚看到这种变化，如图2所示，在3 h以内的短历时条件下，深圳各区降雨量年极值平均的区域平均值差异不大，30 min历时下在41.5～45.6 mm之间，1 h历时下在57.1～63.8 mm之间，2 h历时下在72.9～87.7 mm之间，相差在20%以内，但随着降雨历时增加逐步出现分化，在12 h以上长历时条件下，东部各区（包括罗湖、盐田、龙岗、坪山和大鹏）降雨量极值平均值明显大于西部各区，12 h历时各区降雨量年极值平均的区域平均值，最小的光明区为119.2 mm，最大的大鹏新区达到175.1 mm，相差46.9%，6、24、48和72 h历时下最小和最大相差都在33%以上，东、西差异明显较短历时条件下增大。

图2 深圳各站各历时降雨量年极值平均值分区平均分布图

深圳不同历时强降雨频次也存在类似的变化规律（图略），即随着降雨历时增加，东、西差异显著增大。这种变化反映了深圳不同季节的降雨特点：春季强对流自西向东影响，容易在西部出现短历时强降水，后汛期的午后热对流降水主要受城市热岛和地形影响，在中、东部出现短历时强降水，全年来看短历时强降水东、西差异不大；龙舟水和台风是长历时强降雨的主要来源，降雨分布的主要决定因素是地形，东部的山地喇叭口、迎风坡地形引起的上升运动使对流发展，也可能成为中小尺度对流系统的触发机制，从而出现明显的降水增幅［13］，导致长历时强降水极值、频次都出现明显的东、西差异。

3 分区年径流总量控制率和设计降雨量关系

综合分析可知，深圳降雨的东、西差异较大，而城市年径流总量控制率对应的设计降雨量值的确定，需要用中国地面国际交换站至少近30年日降雨（不包括降雪）资料来统计计算，以反映长期的降雨规律和近年气候的变化［14］，深圳境内符合条件的站点仅有深圳国家基本气象站。首先分析用近10年区域气象站降雨量数据进行分区年径流总量控制率的研究的可行性和必要性。

3.1 可行性和必要性分析

由于城市发展导致的探测环境变化等原因，深圳国家基本气象站于2006年由罗湖区蔡屋围迁至现在的福田区竹子林。两站址虽满足迁站要求，但年均降雨量却相差15%左右（图3）。

图3 深圳国家基本气象站迁站前后位置及深圳2009—2018年10年年均降雨量示意图

图4展示了深圳国家基本气象站和蔡屋围基地站不同年限数据统计的年径流总量控制率和设计降雨量的对应关系。由图4a可知，用深圳国家基本气象站最近20和30年降雨量资料统计的年径流总量控制率与设计降雨量的关系十分接近，用最近10年资料统计的结果有较大差异，相同年径流总量控制率下设计降雨量总体较20和30年偏小。而用原站址的区域气象站（蔡屋围基地站）近10年数据所得的设计降雨量就很接近（图4b），这说明上述结果的差异主要来自迁站，因为深圳国家基本气象站近10年数据全部来自降雨量更小的福田区竹子林站址。进一步排除迁站因素，比较深圳国家基本气象站迁站前的10、20和30年数据计算的年径流总量控制率与设计降雨量的关系（图4c），就可以发现，同站址条件下，深圳国家基本气象站10年数据的结果与30年数据结果几乎重合，差异微乎其微。

图4 不同站点和年限降雨量数据计算的年径流总量控制率与设计降雨量的关系

由此可以推断，在深圳近几十年来大的气候背景下，用10年以上日降雨量数据统计计算年径流总量控制率与设计降雨量的关系，其结果受所用数据年限长度影响不大，反而地域的差异更需要考虑。因此，在缺乏30年以上分区气象观测数据的情况下，用近10年区域气象站数据作分区年径流总量控制率和设计降雨量的关系是可行的，也是必要性的。

3.2 结果分析

根据《海绵城市建设技术指南》，深圳年径流总量控制率分区属于V区，年径流总量控制率需在60%到85%之间。利用深圳90个区域气象站近10年日降雨量数据，分别计算了各站60%、65%、70%、75%、80%和85%年径流总量控制率下的设计降雨量，发现各个年径流总量控制率下设计量降雨量差异随年径流总量控制率增大而增大，相对极差（最大值与最小值之差相对于平均值的比例）60%和65%年径流总量控制率下最小，为0.45，85%年径流总量控制率下最大，达到0.54。即同一年径流总量控制率下，深圳最大与最小设计降雨量的差值可达到全市平均设计降雨量的50%左右。图5给出了不同年径流总量控制率下的深圳全市设计降雨量分布。

图5 深圳不同年径流总量控制率下的设计降雨量分布图（单位：mm）

由图5可见，深圳设计降雨量区域差异较大，与年降雨量分布类似，呈现“东大西小”分布，且不同年径流总量控制率下设计降雨量分布高度相似，大值中心主要是3个区域，罗湖区东部、盐田区西部和龙岗区南部的3区交界区域，大鹏新区葵冲街道，这与2.1节中降雨量和暴雨日数大值中心的2个基本重合，第3个大值中心是大鹏新区南部的南澳半岛，设计降雨量较小的区域主要是西南部的蛇口半岛，以及光明区和龙华区北部等区域。图5中给出的具体数值范围可作为各区域海绵城市建设的参考。

统计深圳各区不同年径流总量控制率下设计降雨量的最大、最小和平均值（表略），可以看出，60%～85%各年径流总量控制率下，平均设计降雨量最大值都出现在大鹏新区，平均设计降雨量最小值所在区有所变化，60%和65%年径流总量控制率下，在光明区，70%和75%年径流总量控制率下，在光明区和南山区，80%和85%年径流总量控制率下，在南山区，最大的区和最小的区相差在25.4%～31.2%之间。此外，除了80%和85%年径流总量控制率下东部盐田区最小设计降雨量略小于福田区外，东部罗湖、盐田、龙岗、坪山和大鹏5区各年径流总量控制率下的设计降雨量各统计值均大于西部福田、南山、宝安、龙华和光明5区。这进一步说明了分区研究和适用不同设计降雨量的必要性。

4 结论

1）受地形影响，深圳年均降雨量和暴雨日数均呈现“东多西少”分布，东部5区（罗湖、盐田、龙岗、坪山和大鹏）年均降雨量普遍在过1 900 mm以上，暴雨日超过9 d，降雨量和暴雨日大值中心均主要位于梧桐山区、龙岗区布吉街道和大鹏新区葵冲街道，西部5区（福田、南山、宝安、龙华和光明）年均降雨量普遍不足1 900 mm，暴雨日普遍不到9 d，西南部蛇口半岛和珠江口岛屿降雨量和暴雨日均最少。

2）深圳短历时（2 h以内）降雨量极值空间差异较小，随着降雨历时的增加，东、西部差异显著增大，特别是在12 h以上历时条件下，东部罗湖、盐田及其以东区域成为全市雨量极值的中心。强降雨频次也存在随着历时增加东、西差异增大的情况，这些差异是深圳不同季节降雨特点的具体反映。

3）在深圳利用近10年区域气象站数据统计计算分区年径流总量控制率和设计降雨量的关系具有可行性和必要性。结果表明，深圳不同年径流总量控制率下设计降雨量分布高度相似，均呈“东大西小”分布，同一年径流总量控制率下，深圳最大与最小设计降雨量的差值可达到全市平均设计降雨量的50%左右，各区平均设计降雨量均是大鹏新区最大，光明区或南山区最小，最大和最小相差在25%以上。

本研究所得结果可供深圳各区海绵城市建设参考应用，这源于深圳独特的降雨气候特征：（1）降水丰富，10年数据便包含了足够多有代表性的日雨量数据样本；（2）降水空间差异较大；（3）降水气候变化不明显，同站址条件下10年数据所得年径流总量控制率与设计降雨量关系与20、30年数据所得结果几乎重合。其它城市在开展类似工作时，应进行相应的必要性和可行性评估，考虑当地降雨空间差异和气候变化哪个更为主要，若当地降雨区域差异较小，而降雨气候变化较明显，则不宜进行此类尝试。