特大暴雨遞減指數的研究分析

連明濤 朱文升

（河南省平頂山水文水資源勘測局 河南平頂山 467001）

特大暴雨遞減指數的研究分析

連明濤 朱文升

（河南省平頂山水文水資源勘測局 河南平頂山 467001）

通過對河南省多年不同場次特大暴雨和其它部分省份發生的特大暴雨資料分析研究，發現特大暴雨和一般暴雨的遞減指數是不同的。在實際應用中采用不同的暴雨遞減指數計算稀有頻率短歷時暴雨洪水可產生嚴重后果。在進行了長短歷時暴雨遞減指數n值及其轉折點的分析研究后，得出特大暴雨遞減指數之己見，和大家共饗。

特大暴雨 遞減指數 研究

前言

目前我國對于中小流域的洪水計算，一直采用指數型暴雨公式，即

式中：

i—暴雨強度，mm/h；

Ht—歷時為t的暴雨量，mm；

Sp—暴雨參數，或稱雨力，mm/h；

n—暴雨遞減指數；

t—降雨時段。

當t0＝1h：

當t0≠1h：

由上式可知，在已知n（n1和n2）及t0的情況下，根據某一頻率的最大24小時雨量H24p，即可求出Sp及Htp。暴雨衰減指數n反映地區暴雨集中的程度，隨地形條件和氣候條件不同，在地區上的變化是有規律的。在平原地區多陣雨，暴雨歷時短，其n值較山區要大一些。

在實際應用中，暴雨遞減指數n值對短歷時（1～6h）的設計暴雨和洪峰流量影響較大。如n值偏大0.1，則1小時的設計暴雨可偏大37%，因一般峰量的倍比指數為1.3次方，致使求得的設計洪峰可偏大50%以上。由此可見能否正確的根據稀有頻率24小時暴雨量去推求相應的設計洪水，關鍵是對稀有頻率（100年～千年一遇）24小時暴雨遞減指數n值大小及其轉折點位置的確定問題。

目前我國多根據以前較小量級的暴雨資料（P24<300mm）去計算分析暴雨遞減指數，用以推求短歷時稀有頻率的暴雨洪水，可造成成果偏大30%以上的后果，對流域面積小于300km2的中小型水庫的設計洪水計算是很重要的。

針對此問題，筆者根據河南省多年不同場次特大暴雨分析研究，同時還收集了國內部分省份發生的特大暴雨資料，進行了長短歷時暴雨遞減指數n值及其轉折點的分析研究，得出特大暴雨遞減指數之己見，和大家共饗。

1 資料的選取

在進行特大暴雨長短歷時的遞減指數n及其轉折點分析時，其對象必須是暴雨中心或暴雨中心附近的自記暴雨資料。因為只有暴雨中心或附近的降水量～歷時關系，才能反映各個中小尺度的降水系統同時匯集在暴雨地點上空的時空變化。這些資料均來源于水文年鑒或有關文獻。

2 不同時段最大降水量訂正系數的推求6

采用不同固定觀測時段如24、12、8段制觀測的降水資料，整編時所統計出的最大1、3、6、9、12、24小時的暴雨量實際只能代表固定時段內觀測到的最大值，而不是降水過程中真正60、120、180、360、720、1440分鐘歷時內的最大值，它對Sp、n1和n2值的分析確定影響是較大的，故對不同固定觀測時段在水文年鑒中所統計挑選出的最大降水量必須先進行訂正后方可應用。

訂正系數的推求方法，可根據大暴雨的自記記錄分別統計按固定時段選取1、3、6、9、12、24小時內的最大降水量與60、180、360、540、720、1440分鐘內的最大降水量。這樣將許多自記站分別統計出不同量級的兩種統計時段的最大降水量值，在厘米格紙上作相關曲線，一般呈直線關系，這樣便可根據幾種常采用的固定觀測時段求出不同降水歷時內最大降水量的訂正系數。經過分析計算，得出幾種固定不同觀測時段之降水量極值訂正系數，其成果表如表1所示。

表1 幾種固定不同觀測時段降水量極值訂正系數表

利用表1中成果，便可將不同固定時段觀測資料中選取的最大降水量乘上相應時段的訂正系數后，即為相應真正各時段歷時內最大降水量值。

3 國內歷次實測大暴雨特性要素分析

實測大暴雨特性要素，主要是指大暴雨的天氣成因，最大1h、6h、24h的暴雨量。在雙對數紙上點繪降水量～歷時關系線,便可求得轉折點位置及利用暴雨遞減指數公式i=Sp/tn推求n1和n2等要素。根據收集到的歷次大暴雨資料，主要是發生在河南沙潁河水系75.8、2000.7、2004.7特大暴雨，廣東、廣西、山西、福建部分特大暴雨。對各次暴雨在對數紙上拐點的歷時長短進行了點繪分析，結果是各種天氣成因的大暴雨都在3～12小時處轉折，其中在6小時處轉折的暴雨次數最多，占總數的75%以上，這與有關專家得出的結論基本相符。即一場大的暴雨大都是由若干個中小尺度強對流降水系統組成，而這類中小尺度降水系統大約30～250km，其存在只有幾個小時至12小時。也就是說大暴雨轉折點的歷時就是形成大暴雨多個中尺度降水系統同時在一空間活動的生命史，它似乎與地區及天氣成因的關系不大。針對由暴雨推算洪水而言，相同量級24小時的暴雨在6小時轉折遠比在12小時轉折計算的洪峰大。故無論從暴雨拐點出現的機率最多考慮，還是從產生較大洪峰角度上分析，對暴雨～歷時關系線的轉折點筆者認為采用6小時較為合適。對于10～60分鐘短歷時暴雨～歷時關系是否在1小時處還有拐點，經計算分析，多數暴雨在1小時處未呈現轉折點。在對數紙上多數大暴雨場次是從10～360分鐘處止計算出遞減指數n1，在6小時轉折后6～24小時呈現為直線關系，可算出n2。

4 推求暴雨特性要素（Sp、n1、n2）的經驗公式探討

4.1 暴雨中心或附近最大24小時暴雨量P24～短歷時暴雨遞減指數n1關系的推求

在對數紙上點繪24小時最大暴雨量P24～短歷時（0.17～6小時）暴雨遞減指數n1關系圖，可看出n1與P24的0.41次方成反比，通過點群中心繪出關系線，可分析計算出經驗公式：

由公式（5）、（6）、（7）得知不同量級的P24其n1值是不同的，它與P24的0.41次方成反比，這也說明了用實測的較低量級的P24去分析求得的n1，只能在24小時暴雨較低量級（小于300mm）的情況下適用。如根據相當P.M.P量級的P24應用較低量級求得的n值去推求最大1、3小時等相應暴雨量進行小面積可能最大洪水或稀有頻率洪水的計算，結果會使計算出的短歷時的暴雨或洪峰可偏大40%以上。河南省發生的75.8特大暴雨洪水，造成兩座大型水庫漫壩潰決，而處于暴雨中心10座中小型水庫卻安然無恙，原因就在于中小型水庫用的暴雨遞減指數n值偏大，計算出的200年一遇的洪水，實為5000年一遇的洪峰所造成。這也說明了正確使用特大暴雨遞減指數n值，對流域面積較小的中小型水庫和跨河工程的洪水計算及由工程量帶來的投資，均有著十分重要的意義。

4.2 大量級24小時暴雨量P24與遞減指數n2的關系分析

在用24小時可能最大降水量計算洪水過程中，除了要首先推求短歷時的逐時暴雨量外，還要推求（6～24）小時的逐時降水量，才能計算出相應24小時暴雨所產生的洪峰流量過程線。基于此，對歷次實測24小時最大暴雨量與6～24小時歷時內n2的關系進行了分析研究。根據統計結果，較多場次暴雨其歷時不到24小時，或其降水量和歷時實為兩場雨，所以在點繪P24～n2的關系時，要求其歷時為24小時或接近24小時。通過點群中心可繪出關系線，從而可求得以下公式：

由公式（8）、（9）、（10）和P24～n2的關系線，便可根據已知任意頻率24小時暴雨量推求6～24小時段內最大暴雨量。

4.3 最大24小時暴雨量P24～Sp關系的分析

現在我們常用的雨強經驗公式

式中t為降水歷時，it為降水歷時t的雨強。S

p為最大1小時暴雨量（mm/小時)。

根據實測暴雨資料和計算it的公式，可求出Sp,在對數紙上點繪不同量級的P24～Sp關系。

通過點群中心可繪出關系線，從而推求相應Sp的公式：

由公式（11）可知，不同天氣成因類型的暴雨，其Sp與相應P24成正比，利用公式便可推求任意24小時暴雨量的Sp。

5 上述經驗公式的應用

5.1 任意時段內的最大降水量

由已知的可能最大24小時暴雨量或稀有頻率的24小時暴雨，應用文中總結的公式，便可求出任意時段內的最大降水量。

5.2 24小時暴雨逐時時程分配

應用文中的經驗公式（11），求出最大各時段的暴雨量后，推算洪水的過程還要解決暴雨的逐時時程分配問題，而暴雨的時程分配亦是由暴雨推求洪水過程中一個較難解決的問題。根據既可能發生，又對產生最大洪峰有利的原則，經過對歷次實測大暴雨逐時段的雨量統計分析結果，基本上符合長包短的情況與原則。對流域面積較小的中小型水庫的洪水計算，當有了最大6小時暴雨時程分配，問題就已解決了。對流域面積較大的大型水庫的洪水計算，還有將最大6小時暴雨放在24小時暴雨前后部的問題。歷史上發生的河南省75.8暴雨就是最大6小時暴雨出現在最大24小時的尾部，最大1小時暴雨出現在最大3小時暴雨的中間。因此，大型水庫設計暴雨應按最不利的情況進行設計。

6 結語

6.1 原始資料的觀測

加強原始資料的觀測，提高雨量測驗精度近年來，隨著我國經濟的發展，越來越多設在農村的委托觀測人員因觀測費偏低遠離家鄉外出打工，委托雨量站面臨后繼無人的窘態。建議國家增加投入，提高委托雨量站觀測人員待遇，穩定隊伍?，F在大量的雨量自動監測站已投入使用，該儀器分辨率與自記雨量計有所不同。這種先進儀器的使用解放了人力，實現了自動監測、存儲、統計計算，其形成的成果應納入水文年鑒?，F在應及時修改降水測驗規范，以便積累更多的降水資料。

6.2 遞減指數的不同

特大暴雨和一般暴雨的遞減指數是不同的目前河南省水文圖集中所附暴雨遞減指數n1、n2在某地是固定不變的，且把n1、n2的轉折點確定在1小時處。根據實測的暴雨資料統計分析，n1、n2在某地固定不變和轉折點在1小時處是不恰當的，n1、n2是隨24小時暴雨量的大小而改變，即當歷時10分鐘～6小時為n1，是隨24小時暴雨量的增大而減小，當歷時6～24小時為n2，是隨24小時暴雨量的增多而增大，n1、n2的轉折點75%以上的場次是在6小時處轉折。至于有的專家認為1小時內是n1，1～6小時是n2，6～24小時是n3值得商榷。

6.3 可能產生的后果

采用不同的暴雨遞減指數計算稀有頻率短歷時暴雨洪水可產生嚴重后果。以前由于我們缺乏實測大暴雨的自記觀測資料，依此分析計算暴雨遞減指數n值及勾繪等值線圖，用以推求短歷時暴雨洪水?，F在，隨著實測特大暴雨資料的累積，應及時分析研究各地暴雨遞減指數，形成新的成果，并運用于實際，以便推求科學合理的稀有頻率短歷時暴雨洪水。因為，用不合理的暴雨遞減指數推求稀有頻率短歷時暴雨洪峰可偏大40%以上。如發生在河南省的75.8特大暴雨洪水，造成兩座大型水庫漫壩潰決，而處于暴雨中心十座中小型水庫卻安然無恙，原因就在于中小型水庫用的暴雨遞減指數n值偏大。

1. 蔡文祥，許大明. 水文計算 河海大學出版社 1988.6

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.11.006

TV122

A

1672-2469（2014）11-0014-03

連明濤（1965年—），男，高級工程師。