基于芝加哥法的柳州市設計暴雨雨型研究

謝東,蘇小玲，劉蕾，梁春榮，劉洲榮，李煜，藍求，任樂

（柳州市氣象局,廣西 柳州545001）

1 前言

近年來，受全球氣候變化影響，極端降水事件頻發，諸多城市頻繁出現了嚴重的暴雨內澇災害。引起城市雨澇災害的原因是多方面的，其中一個重要方面是雨水排水的設計標準問題，而城市暴雨強度公式和設計暴雨雨型是排水設計標準的一個重要方面，是科學、合理地規劃設計城市排水系統的基礎，能夠給市政建設、水務及規劃部門提供科學的理論依據和準確的設計參數[1-2]。柳州市屬中亞熱帶季風氣候，氣候溫暖、多雨，歷史上多洪澇災害[3-9]，防洪排澇工作尤其重要。本文以最新柳州市區暴雨強度公式為基礎，采用芝加哥法分析研究柳州市設計暴雨雨型。

2 資料和方法

2.1 基本概念

暴雨雨型是指不同降雨歷時內的暴雨強度隨時間變化的特征，以不同降雨歷時的降雨過程線型表達。

2.2 降雨資料

本文降雨原始資料采用柳州國家氣象觀測站1975～2014 年共40a 的逐分鐘降雨過程資料。本次降雨資料滿足可靠性、一致性和代表性的要求。

2.3 選樣方法

根據《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》中的推薦，本文采用年最大值法選取短歷時暴雨雨型分析降雨樣本。選取降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值的降雨場次，記錄選定降雨場次過程開始時間及逐分鐘降雨量，作為芝加哥法雨型統計的有效暴雨資料樣本。

2.4 暴雨雨型推求方法和原理

根據《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》中的推薦，本文采用芝加哥雨型分析法來分別推求柳州市區重現期2、3、5、10、20、30、50、100a 歷時30、60、90、120、150 和180min 間 隔5min的短歷時設計暴雨雨型。

芝加哥法雨型確定包括綜合雨峰位置系數確定及芝加哥降雨過程線模型確定，具體流程如圖1。

圖1 流程圖

式（1）、（2）中，A、b、n為一定重現期下暴雨強度公式中的參數，r 為綜合雨峰位置系數，是根據每場降雨不同歷時峰值時刻與整個歷時的比值而加權平均確定的，r位于0～1之間。在求出綜合雨峰位置系數r之后，可利用公式（1）、（2）計算芝加哥合成暴雨過程線各時段（以5min 計）的累積降雨量及各時段的平均降雨量，進而得到每個時段內的平均降雨強度，最終確定出對應一定重現期及降雨歷時的芝加哥法雨型[10-11]。

3 主要研究結果

3.1 短歷時暴雨雨型分析降雨樣本確定

統計柳州1975～2014年共40a降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值的降雨場次，將30、60、90、120、150、180min 的最大降雨過程樣本，以5min 為間隔進行分段，統計降雨過程的降雨量、5min雨量、峰形和雨峰系數。

經分析統計，柳州1975～2014年逐年各歷時最大降雨過程中單峰降雨次數占50%～82.5%降雨峰值在降雨過程前、中部的場次占77.5%～95%。可見，單峰雨型所占比例最大，雙峰雨型所占比例較小，其中歷時30min 尤為顯著，比例達到82.5%。說明在短歷時的最大降雨過程樣本中，大部分降雨場次為單峰型降雨，雨峰位于整場降雨過程的前、中部。

3.2 芝加哥法推求設計短歷時暴雨雨型

《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》所推薦的芝加哥法是已假定短歷時雨型為單峰型而后根據綜合雨峰位置系數和暴雨強度公式來確定最終形態。根據這一條件，本文將使用芝加哥法來推求柳州市區各重現期短歷時的設計暴雨雨型。

3.2.1 綜合雨峰位置系數確定

經以上的統計分析，得出各短歷時降雨過程的雨峰位置系數，根據各歷時的雨峰位置系數按照各歷時的長度進行加權平均，求出綜合雨峰位置系數r，具體信息如表1。

表1 綜合雨峰位置系數r

3.2.2 雨型分配結果

以柳州市暴雨強度公式[12-15]為基礎，根據本文2.4節所介紹的芝加哥法原理，通過積分計算芝加哥合成暴雨過程線各時段（以5min 計）的累計降雨量及各時段的平均降雨量，進而得到每個時段內的平均降雨強度，最終確定出重現期2、3、5、10、20、30、50、100a 歷時30、60、90、120、150、180min 的芝加哥法雨型。柳州市區重現期2a 短歷時5min間隔的設計暴雨雨型分布圖如圖1。

從利用芝加哥法針推求柳州市區重現期2a 短歷時5min 間隔的設計暴雨雨型分布圖（見圖2）可以發現，歷時30～180min的峰值分別發生在第2、5、7、9、11、13 時段，雨峰處降雨強度值隨歷時的增加呈現“減小—增大—減小”的波動趨勢，其中雨峰最大峰值出現在歷時120min的雨峰時段。總觀通過芝加哥法推求的柳州市區各重現期短歷時的峰值、雨峰時段（見表2），相同重現期下雨峰處降雨強度值隨歷時的變化與2a 重現期一致，其中各重現期歷時120min 雨峰所處第9 時段降雨強度分別為2.91、3.23、3.64、4.19、4.81、5.14、5.53、6.07mm/min。經分析對比，可以得出通過芝加哥法推求的柳州市區重現期3、5、10、20、30、50、100a 短歷時設計暴雨雨型與重現期2a的形態一致，且各歷時設計暴雨雨型雨峰位置基本處于整場降雨過程的1/3分位，但是各歷時的降雨強度隨著重現期的延長而增大[16]。

圖2 芝加哥法推求柳州市區重現期2a短歷時5min間隔的設計暴雨雨型分布圖

4 結論

本文采用芝加哥法推求柳州市區短歷時設計暴雨雨型，為今后柳州市城市排水防洪規劃、建立城市防洪排澇標準提供技術支撐。主要結論有：

各重現期下相同降雨歷時設計暴雨雨型的形態一致，各短歷時雨型大體呈單峰型；各短歷時設計暴雨雨型雨峰位置基本處于整場降雨過程的1/3分位，降雨強度隨著重現期的延長而增大；相同重現期下雨峰處降雨強度值隨歷時的增加呈現“減小—增大—減小”的波動趨勢且歷時120min的雨峰峰值最大。

表2 芝加哥法推求柳州市區各重現期短歷時（min）的峰值（mm）、雨峰時段（時段長：5min）