彭水縣縣城設計暴雨雨型分析

代建君 豆俊川 余燃 張玉坤 左斌

摘 要：2015年彭水縣氣象局根據本地實際需要對彭水縣暴雨強度公式進行了推求，但在城市排水管網規劃設計中，設計暴雨雨型也起著至關重要的作用，設計總雨量確定后，根據不同的雨型可計算出完全不同的洪峰流量和洪水過程線，對城市排水管網管徑計算和調洪計算有重要影響。該文利用1961～2015年彭水縣國家地面氣象觀測站數據作為樣本，采用《室外排水設計規范》（GB50014-2006，2014 版）和《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》規定的方法取樣，對Pilgrim&Cordery法、芝加哥雨型法、同頻率分析法進行比較分析，得出了彭水縣城較為合理的設計暴雨雨型。

關鍵詞：暴雨雨型

雨型是描述降雨過程的概念，是指降雨強度在時間上的分配過程。設計雨型是指設計暴雨的降雨強度過程，它是大量實測暴雨雨型的綜合，能夠代表大多數暴雨雨型的平均情況。在城市排水管網規劃設計中，設計暴雨雨型和暴雨強度一樣起著至關重要的作用，在設計總雨量確定后，根據不同的雨型可計算出完全不同的洪峰流量和洪水過程線，對城市排水管網管徑計算和調洪計算有重要影響。根據實驗研究，在匯流歷時內平均雨強相同的條件下，雨峰在中部或后部的三角形雨型比均勻雨強的洪峰大 30%以上。暴雨雨型不僅在城市排水管網規劃設計和調洪管理中起到重要作用，而且對降雨誘發地質災害預警預報方面也具有重要意義，也可為室外排水設計規范標準制定提供參考意義。該文按相關規范要求，利用彭水氣象觀測數據資料對Pilgrim&Cordery法、芝加哥雨型法、同頻率分析法進行分析比較，得出合理的彭水縣城設計暴雨雨型分布。

1 設計暴雨雨型編制基礎

1.1 設計暴雨雨型編制依據

彭水縣縣城設計暴雨雨型分析的主要依據有：《室外排水設計規范》（GB50014-2006，2014 版）和《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》（住房城鄉建設部、中國氣象局2014年4月發布），以下簡稱規范和導則。

規范（GB50014-2006，2014 版）要求設計暴雨量可按城市暴雨強度公式計算，設計暴雨過程（即雨型）可按以下三種方法確定：1）設計暴雨統計模型。結合編制城市暴雨強度公式的采樣過程，收集降雨過程資料和雨峰位置，根據常用重現期部分的降雨資料，采用統計分析方法確定設計降雨過程。

2）芝加哥降雨模型。根據自記雨量資料統計分析城市暴雨強度公式，同時采集雨峰位置系數，雨峰位置系數取值為降雨雨峰位置除以降雨總歷時。

3）當地水利部門推薦的降雨模型。采用當地水利部門推薦的設計降雨雨型資料，必要時需做適當修正，并摒棄超過 24h 的長歷時降雨。

導則規定了暴雨強度公式編制和暴雨雨型確定的基本要求，適用于各地編制城市暴雨強度公式和確定設計暴雨雨型。導則指出：

1）短歷時暴雨雨型資料站點宜與暴雨強度公式站點一致。

2）短歷時暴雨雨型的確定可根據本地條件和需要，研究確定設計暴雨統計模型。暫推薦采用芝加哥法確定短歷時暴雨雨型。

1.2 數據基礎

彭水縣縣城設計暴雨雨型所使用樣本數據為1961～2015年彭水縣國家地面氣象觀測站數據。氣象觀測資料完整，年代較長，所用資料年限內無遷站記錄。降水量是常規觀測項目，儀器設備和資料整理等均符合國家規范。

2 設計暴雨過程推求

2.17種雨型

天然降雨過程千變萬化，前蘇聯包高馬佐娃（1956）通過對大量降雨過程的分析，將降雨歸納成 7 種雨型（圖 1）。7 種雨型中，第 1、2、3 種為單峰雨型，峰值分別在前、后和中部，第 4種為大致分布均勻雨型，第 5、6、7 種為雙峰雨型。

2.2 設計暴雨過程推求方法

推求設計暴雨過程的方法有很多，常用的方法有 Pilgrim 和 Cordery 法、同頻率分析法、芝加哥雨型法等。室外排水設計規范（GB50014-2006，2014 版）和導則推薦用芝加哥雨型法推求短歷時設計暴雨過程。芝加哥雨型是根據暴雨強度公式推導得出，是暴雨強度公式的再分布。下面對這三種方法的原理和具體推求步驟作簡介。

2.2.1 Pilgrim & Cordery 法原理

Pilgrim& Cordery 方法把雨峰時段放在出現可能性最大的位置上，而雨峰時段在總雨量中的比例取各場降雨雨峰所占比例的平均值，其它各時段的位置和比例也用同樣方法確定。具體步驟如下：

A. 選取一定歷時的大雨的樣本。選出降雨量最大的多場降雨事件，場次愈多統計意義愈明顯。

B. 將歷時分為若干時段，時段長短取決于所期望的時程分布時間步長，一般越小越好。如推求 5 分鐘時段 180 分鐘設計暴雨雨型，將步驟 1 中選取的歷時約 180 分鐘的降雨場次分為 36 段；

C. 選取的每場降雨，根據各時段雨量由大到小確定各時段序號，大雨量對應小號，將每個對應時段的序號取平均值，取值由小到大分別確定為雨強由大到小的順序（圖 2-1 中（8）-（11）列）；

D.計算每個時段各次降雨量與總雨量的百分比，取各時段平均百分數（圖中（12）-（15）列）；

E. 以第三步所確定的最大可能次序和第四步中確定的分配比例安排時段，構成雨量過程線。（數據來源：Pilgrim & Cordery 1975）。

2.2.2 同頻率分析法

同頻率分析法，又稱“長包短”，特點是在同一重現期水平下，按照出現次數最多的情況確定時間序位，以均值確定各時段雨量的比例。例如以 5 分鐘間隔推求 15 分鐘的降雨分配，其步驟如下：

A. 從年系列雨量資料中摘取出 5 分鐘、15 分鐘最大降雨過程，并統計 5 分鐘、15 分鐘的時段雨量；

B. 統計出的時段雨量進行排頻計算得出重現期下的 5 分鐘、15 分鐘時段雨量；

C. 將 15 分鐘暴雨過程分為 P1、P2、P3 三段，統計對應重現期下最大 15 分鐘暴雨中最大 5 分鐘暴雨出現頻率最多的位置（見圖 2-2），6 場 15 分鐘時段，最大 5 分鐘發生在 P1 段有 3 場 4、5、6 場；

D.剩余兩部分 P2、P3 按照多場實測典型降雨過程計算均值，以均值確定兩者分配比例（H15-H5）。

E.將對應重現期下的 15 分鐘和 5 分鐘降雨代入即得到對應重現期 15 分鐘雨型分配過程。

本文借鑒同頻率分析法的思路，峰值位置采用平均位置確定，峰值強度采用最大 5 分鐘平均強度替代，剩余時段按平均值確定分配比例。

2.2.3 芝加哥雨型法

芝加哥雨型推求是基于暴雨強度公式，雨峰的位置由暴雨統計資料確定。令雨型強度過程的總歷時為 t0 ，峰前的瞬時強度曲線為 I a ，相應的歷時為ta ，降雨累計量為H a，峰后的瞬時強度曲線為I b，相應的歷時為tb，降雨累計量為H b，總降雨量HT=Ha+Hb。令 t0=1，強度高峰點的位置為r（0-1 之間），則t0=ta[]r=tb[]1-r

H=rHT+∫TrTIbdt=HTr+（t[]T-r）1+t-T[]（1-r）（T+b）-n

3 設計暴雨過程

除設計暴雨量外，雨量隨時間的分配過程也是設計暴雨雨型的重要組成部分。以下采用三種常用方法分別對設計暴雨過程進行分析。

3.1 芝加哥雨型

芝加哥雨型是基于暴雨強度公式推求而來，鑒于暴雨強度公式編制時樣本僅包含 3 小時及以下短歷時，故這里僅分析 3 小時及以下短歷時芝加哥雨型。芝加哥雨型推求首先需要確定雨峰位置系數 r ，雨峰位置系數是指從降雨歷時開始至降雨峰值出現的時間段長度與降雨歷時的比值。計算雨型樣本各歷時雨峰位置系數的平均值表征該歷時的雨峰位置系數，結果顯示 1 小時歷時雨峰位置系數 r 為 0.48，2 小時歷時雨峰位置系數 r 為 0.48，3小時歷時雨峰位置系數r為0.50。設計暴雨過程分配如下（2、3小時歷時設計暴雨過程表3-1、3-2、3-3略）：

3.2 Pilgrim & Cordery 法

根據 Pilgrim & Cordery 法推求設計暴雨過程。結果如下（2、3小時歷時表1，）

3.3 同頻率分析法

本文借鑒同頻率分析法的思路：長歷時雨型包含短歷時雨型，即給定各短歷時峰值位置，從最長歷時（如 24 小時）雨型中可以依次提取出所需各短歷時雨型，保證了各歷時間的關聯性。同頻率分析法的具體步驟：首先需要確定峰值位置和 5 分鐘放大值。峰值位置采用所取樣本峰值的平均位置，5 分鐘的放大值為所取樣本 5 分鐘最大值的平均值，其余時段按比例分配。2 小時歷時將 1 小時雨型根據峰值位置對齊放入，其余時段按比例分配，其它時段依次類推，最終得到24 小時設計雨型。

24小時設計暴雨過程見（表3-8表略）。

1 小時設計暴雨過程提取：

（1）根據峰值對齊原則，從 24 小時歷時中提取 1 小時設計暴雨過程：

（2）在24 小時歷時設計暴雨過程表中（限于篇幅1-120和169-288略），130-141 共 12 個 5 分鐘時段累計降水百分比為 33.31%，100%除以 33.31%為3.00，將 130-141時段的百分比乘以3.00就得到 1 小時歷時的設計雨型。

3.4 雨型比較分析

經研究表明Pilgrim & Cordery 法不適合長歷時降水雨型的設計，因此長歷時雨型設計僅有同頻率分析法可選。此處僅對短歷時雨型通過峰值位置和峰值強度進行分析比較。

從峰值位置來看，不同方法推求的短歷時設計暴雨雨型（3 小時及以下）雨峰位置接近。從峰值強度來看，芝加哥雨型峰值強度較強，Pilgrim & Cordery 法和同頻率分析法推求的暴雨雨型峰值強度比較接近。在彭水縣城短歷時設計暴雨雨型中推薦使用芝加哥雨型法推求的設計暴雨過程。

4 結論

（1）彭水縣縣城設計暴雨雨型編制采用了1961～2015年彭水縣國家地面氣象觀測站數據作為樣本，經嚴格的信息化處理、校核和質量控制，數據準確可靠。在樣本處理中按照《室外排水設計規范》（GB50014-2006，2014 版）和《導則》推薦的樣方法進行取樣，所取樣本合理。

（2）經分析彭水縣各歷時雨型都以單峰型為主，且降水主要集中在中部。從峰值位置、峰值強度對比分析芝加哥雨型、Pilgrim & Cordery 雨型和同頻率雨型，結果表明，三種雨型短歷時（3 小時及以下）峰值位置接近，從峰值強度來看，芝加哥雨型峰值強度較強，Pilgrim & Cordery 法和同頻率分析法推求的暴雨雨型峰值強度比較接近，相對較弱。在彭水縣城短歷時設計暴雨雨型中推薦使用芝加哥雨型法，長歷時設計暴雨雨型按導則推薦的采用同頻率分析法推求的設計暴雨過程。

參考文獻：

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[4]GB50014-2006.室外排水設計規范[S].2014.

[5]市政設計院主編.給水排水設計手冊（第5分冊）[M]. 北京：中國建筑工業山版社，第二版，2004.

作者簡介：代建君（1972-），女，土家族，重慶人，本科，工程師，致力于本地氣候及應用氣象等方面研究。