城市設計暴雨雨型的推求及應用

許超峰　荊燕燕　陳文蛟

摘 要：雨型是一定降雨歷時和間隔下的設計降雨總量和分布規律，不同雨型得出的洪峰流量可能有較大差異，科學的雨型是使用水力模型進行排水防澇規劃的基礎。本研究介紹了幾種國內外常用的雨型推求方法，并以深圳市為例，分別采用芝加哥雨型和同頻率分析法，來推求2h短歷時雨型和24h長歷時雨型，為深圳市排水防澇規劃編制提供理論支持。

關鍵詞：雨型；降雨歷時；芝加哥雨型；同頻率分析法

中圖分類號：P333 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0159-02

The Ascertain and Application on Urban Design Rainfall Pattern

XU Chaofeng1 JING Yanyan2 CHEN Wenjiao3

（1.College of Water Conservancy， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045；2.Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou Henan 450008；3.Pingdingshan Hydrology and Water Resources Survey Bureau ，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The rainfall pattern is the total amount and distribution law of the design rainfall in a certain period of rainfall and interval. The flood peak flow of different rainfall pattern may have great difference. The scientific rainfall pattern is the basis of water drainage and waterlogging prevention planning by using hydraulic model.This paper introduced the rainfall pattern calculation method commonly used at home and abroad， taking Shenzhen city as an example， used the Chicagorain type and same frequency analysis method， to enqure 2h short duration rainfall pattern and 24h long duration rainfall pattern ， to provide theoretical support for the preparation of the planning of drainage waterlogging in Shenzhen city.

Keywords： rainfall pattern；rainfall duration；Chicago rainfall pattern；same frequency analysis method

1 設計暴雨雨型概述

設計暴雨雨型是指設計暴雨的降雨過程，即降雨強度隨時間的分配。隨著城市內澇的增加，很多城市開始對當前的排水能力進行評估，主要采用的是水力模型進行城市排水方案的比選和優化，建立模型的基礎之一就是設計暴雨雨型，不同雨型通過水力模型有可能得出差異較大的洪峰流量，因此，對當地雨型的分析研究是科學開展排水防澇規劃的前提之一[1]。

2 雨型推求

2.1 設計暴雨歷時

雨型推求方法的一個重要參數就是降雨歷時。對于城市管道排水系統，一般通過暴雨強度公式來推求設計雨強[2]。設計歷時指的是設計雨強在匯水面積上的匯流時間，即匯水面積最遠點的雨水流到設計斷面所需的時間。由于城市中心區域小，匯流時間短，一般不超過2h。對于城市排澇河道，坡度較大的單一河道流速較大，河道長度除以河道平均流速得到的就是匯流時間。對于坡度較小的平原河網，河道匯流時間與河道長度、水閘和泵站調度方式、河網調蓄庫容、河道泵站的排水能力、匯水區域的產流量及產流過程均有密切關系。對于城市區域，一般不會超過24h。

在設計城市雨水排除系統時，不同區域選用不同降雨設計歷時更為合適。一般情況下，短歷時設計暴雨歷時采用2h，長歷時設計暴雨歷時采用24h。

2.2 設計暴雨雨型

排水管道系統在進行計算機建模時，需要用雨型對雨水調蓄系統進行設計校核，因此短歷時暴雨雨型是建模的必須條件。短歷時暴雨雨型常采用芝加哥雨型推求，這也是《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》推薦的方法。芝加哥法雨型是在暴雨強度公式的基礎上，統計綜合雨峰位置系數，最終確定設計暴雨的時間變化過程。國內在進行長歷時暴雨雨型研究時，常采用王家祁提出的同頻率分析法。這種方法是在同一重現期條件下選擇多場降雨，按照出現次數最多的情況確定各段雨量的比例，因為選擇的降雨場次較多，相比傳統的采用典型暴雨進行頻率放大得出的雨型，避免了偶然性較大的不足。

因此，本研究主要介紹芝加哥雨型和同頻率分析法，分別進行短歷時和長歷時雨型的推求。

3 深圳市雨型推求實例

3.1 深圳市2h設計暴雨雨型

此次研究深圳市2h設計暴雨雨型采用芝加哥雨型。芝加哥雨型是在一定重現期下不同歷時最大雨強復合而成，與復合雨型相似，雨型的確定同樣基于特定重現期下的IDF關系曲線。芝加哥法雨型計算包括綜合雨峰位置系數確定及降雨過程雨量分配比例的確定。

收集深圳市1963—2013年50年的降雨資料，分場次之后每年選出一個最大2h的降雨量，分析這50場2h降雨過程對應的雨峰位置。經過計算，深圳市2h的雨峰位置系數為0.35，即最大值雨量發生在第42min，再通過暴雨強度公式推求雨峰前后時段的降雨比例，最終2h5min間隔雨型的雨量分配見圖1。

3.2 深圳市24h設計暴雨雨型

深圳市24h設計暴雨雨型采用同頻率分析法。該方法是在同一重現期水平下，按照峰值出現次數最多的情況確定時間序位，利用多場降雨雨量均值確定各時段雨量的比例。該方法主要用于洪水、暴雨的時程分配。

具體步驟如下。

①確定H720的位置。根據統計的多場歷時1 440min的降雨，統計每場降雨雨量最大的720min所在的位置，利用“眾值定位”即出現次數最多的位置確定最大720min雨量H720發生的位置。

②確定H720以外時間的降雨比例。根據統計的多場歷時為720min典型降雨樣本，利用主峰對齊疊加求平均值，得出H1 440-H720雨型分配比例。

③重復以上步驟，以“出現次數最多的情況（眾值）確定時間序位，以平均情況（均值）確定各時段雨量的比例”的原則，從最大720min降雨過程H720中找出包含的最大360min降雨過程H360，根據主峰對齊確定最大360min的起始時段，得到H720-H360的分配比例。

④分別求出360、240、180、150、120、90、60、45、30、15min對應的最大240、180、150、120、90、60、45、30、15、5min發生的位置，以及H360-H240、H240-H180、H180-H150、H150-H120、H120-H90、H90-H60、H60-H45、H45-H30、H30-H15、H15-H5的分配比例（最大5min雨量值的比例為1）。

⑤根據以上步驟，最終得到深圳市1 440min設計暴雨雨型分配結果。

4 結論

雨型是通過水力模型進行城市防水排澇規劃的基礎數據之一。我國《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》推薦短歷時暴雨雨型的推求采用芝加哥雨型，實際應用中，長歷時雨型推求方法采用的比較多的是同頻率分析法。本研究以深圳基本氣象站1963—2013年50年的逐分鐘降雨數據為基礎，通過場次劃分，分別采用芝加哥雨型和同頻率分析法推求出2h短歷時和24h長歷時設計暴雨雨型，最終形成2h歷時5min間隔和24h歷時5min間隔的降雨分配結果，為城市排澇規劃提供理論支撐。

參考文獻：

[1]俞露，荊燕燕.輔助排水防澇規劃編制的設計降雨雨型研究[J].中國給水排水，2015（19）：141-145.

[2]牟金磊.北京市設計暴雨雨型分析[D].蘭州：蘭州交通大學，2011.