不同降雨重现期暴雨强度及雨型分析

叶 彬,张晓影,王德维,薛 军

(1.江苏省水文水资源勘测局扬州分局,江苏 扬州 225009;2.江苏省水文水资源勘测局连云港分局,江苏 连云港 222000)

0 引言

近年来,为了确保城镇化进程中的环境污染及城市排水防涝安全,海绵城市的建设理念在缺水型城镇排水建设及更新设计中逐渐兴起[1]。海绵城市是指在城市建设过程中优化地面及给排水管道设计与建设,强化地面雨水的渗透与净化,进一步优化城市给排水管道,实现对雨水的利用[2-3]。较长历史下的暴雨强度公式及芝加哥雨型模型广泛被地应用于国内外海绵城市排水工程分析过程[4]。邓培德[5]等利用芝加哥雨型概念推导出三参数雨型,并据此提出同频率控制的模式雨型。谢东[6]等运用芝加哥雨型法对柳州市短历时雨型进行了模拟计算,研究结果表明:芝加哥法在柳州市雨型模拟中具有良好的精确性。

综上所述,本文结合某区内排水系统工程项目,对研究区域内的不同降雨重现期下的暴雨强度及雨型进行分析。研究结果对区域不同暴雨重现期下的降雨强度及雨型分布提供基础的理论指导。

1 理论研究

1.1 暴雨强度公式

根据研究地区不同重现期下的暴雨强度,合理规划排水系统的设计方式及设计规模,促进研究区域内的雨水利用效率,并进一步提高排水蓄水能力。气象部门联合当地住建部门颁布的暴雨强度公式,为海绵城市建设提供重要设计依据。的暴雨强度公式如下表所示:

(1)

式中:i为暴雨强度(mm/ha,mm/hm);t为降雨历时(min,min);P为重现期(a)。

1.2 芝加哥雨型模拟方法

目前,常见的雨型分析方法有:常数法、三角法、德波尔德法(Desbordes)、芝加哥法(Chicago)、西法尔达法(Sifalda)、水土保持服务水位图(Soil conservation service hyetograph),具体对比见表1。

表1 雨型分析方法统计表

根据表1可知,作为一种可以应用在大流域范围内的雨量雨型分析理论,芝加哥雨型计算法被广泛地应用于“海绵城市系统设计”及“排水系统设计”过程。具体来说,芝加哥雨型计算法中雨峰位置和研究区域的气候及区位情况相关。

2 降雨量模拟结果与分析

研究区位于资源型缺水城市,全年降水呈现明显的季节性变化趋势,主要降水过程集中于6-9月,年均降水量约为286.3～310.8mm,然而地面蒸发量高达300 mm,研究片区总面积约为14.2 km2。

表2 不同降雨重现期下降雨强度表 mm/ha

2.1 暴雨强度计算分析

本次计算降雨历时t取120 min,重现期P取1 a、2 a、3 a、5 a、10 a、20 a、30 a、50 a及100 a。计算结果见2表与图1所示。

图1 研究区域内暴雨强度

根据图1可以发现,在降雨历时区间内(0～120 min),暴雨强度随着重现期的增加而逐渐提高。具体来说,当降雨历时为5 min时,对应1 a、2 a、3 a、5 a、10 a、20 a、30 a、50 a及100 a重现期下的暴雨强度值分别为:55.79 mm/ha、74.65 mm/ha、85.68 mm/ha、99.58 mm/ha、118.44 mm/ha、137.31 mm/ha、148.34 mm/ha、162.24 mm/ha及181.10 mm/ha。降雨重现期100 a与1年的暴雨强度比值为3.24。进一步地,随着降雨历时的增加,乌鲁木齐市暴雨强度在60 min内快速下降,并于60 min后暴雨强度变化逐渐趋于缓和。具体来说,随着降雨重现期从1 a增加到100 a,在经历120min降雨历时内的暴雨强度分别从71.06 mm/ha、95.09 mm/ha、109.14 mm/ha、126.84 mm/ha、150.87 mm/ha、174.89 mm/ha、188.94 mm/ha、206.65 mm/ha及230.67 mm/ha,降低到11.20 mm/ha、14.98 mm/ha、17.20 mm/ha、19.99 mm/ha、23.77 mm/ha、27.56 mm/ha、29.77 mm/ha、32.56 mm/ha及36.35 mm/ha。降雨历时内的最大暴雨强度与最低暴雨强的比值均为6.34。

进一步地,对研究区域内降水量进行计算。如表3所示,在研究区域内的汇水量分别为:159.01 mm、212.76 mm、244.20 mm、283.81 mm、337.57 mm、391.32 mm、422.76 mm、462.38 mm及516.13 mm。根据项目所在地暴雨强度分析可知,随着降雨重现期增加,暴雨强度及研究区域的汇水量将出现明显上升。

2.2 芝加哥雨型分析

根据芝加哥雨型的计算,进一步通过积分计算项目所在地芝加哥综合暴雨过程线。如图2所示,在降雨历时内且降雨重现期为1 a、2 a、3 a、5 a、10 a、20 a、30 a、50 a及100 a的条件下,雨峰位置下的暴雨强度分别为:0.425 5 mm/ha、0.569 4 mm/ha、0.653 5 mm/ha、0.759 5 mm/ha、0.903 4 mm/ha、1.047 2 mm/ha、1.131 4 mm/ha、1.237 4 mm/ha及1.381 3 mm/ha。在该雨型条件下,暴雨强度最高值与最低值比值为3.24。在本研究条件下,研究区域内的雨型均表现出先增加后降低的趋势。

表3 降雨量统计表

图2 不同降雨重现期下的雨型 图3 不同雨峰位置下的雨型

进一步的,如图3所示,在降雨重现期为50 a的条件下,随着r从0.25提高到0.75,雨峰位置出现了明显的延后。具体来说,雨峰的出现时间从30.0 min增加到90.0 min。基于上述分析,在研究区内进行的雨水排水系统工程设计中,应合理选择降雨重现期及雨峰参数。

3 结语

作为一种可以应用在大流域范围内的雨量雨型分析理论,芝加哥雨型计算法被广泛地应用于“海绵城市系统设计”及“排水系统设计”过程。因此,本研究运用暴雨强度公式及芝加哥雨型分析方法,对不同降雨重现期及雨峰参数条件下研究区内的暴雨强度及雨型进行研究,结果表明降雨重现期的增加将明显地提高研究区域内的降雨强度,同时,随着降雨历时的增加暴雨强度之间的比值趋于稳定;研究区域内的雨型在不同重现期下均呈现先增加后降低的趋势,且雨峰参数将明显地改变雨型分布。研究结果可为区域防洪排涝规划提供参考。