鎮(zhèn)江市中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

嚴(yán)方家，李瓊芳，2，王 燕，周正模，杜 堯，和鵬飛

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210098； 3.鎮(zhèn)江新鴻智慧水務(wù)技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

近年來(lái)，受全球氣候變化與快速城鎮(zhèn)化的影響，城市地區(qū)極端暴雨頻發(fā)，再加上城市現(xiàn)有防洪排澇設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，城市洪澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重，在一定程度上制約了中國(guó)城市的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。利用最新的長(zhǎng)系列暴雨資料科學(xué)合理地推求設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程對(duì)制定防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要[4]，為此，眾多學(xué)者針對(duì)不同城市開展了設(shè)計(jì)暴雨的研究。朱勇年[5]采用同頻率法推求得到杭州市24 h的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，并建議優(yōu)先使用同頻率法推求中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨；沈紅霞等[6]選擇最優(yōu)擬合分布函數(shù)，采用同倍比法和同頻率法由設(shè)計(jì)面雨量推求得到南京市主城區(qū)歷時(shí)12 h的不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程；袁婷婷等[7]對(duì)常州16種歷時(shí)年最大暴雨進(jìn)行了頻率分析，采用綜合典型暴雨同頻率放大推求 24 h 的設(shè)計(jì)雨型，但未與P&C(Pilgrim & Cordery)法等進(jìn)行比較；王安琪等[8]在雨型判別的基礎(chǔ)上采用P&C法分別對(duì)單峰型和雙峰型中長(zhǎng)歷時(shí)暴雨進(jìn)行雨型設(shè)計(jì)，得到具有代表性的上海市設(shè)計(jì)暴雨雨型；黃津輝等[9]采用Huff雨型法研究了天津市設(shè)計(jì)暴雨雨型及其年代變化；莊智福等[10]基于鎮(zhèn)江市1980—2013年的降水資料推求了其短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨，但關(guān)于鎮(zhèn)江市中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨的研究較少。

本文在明晰鎮(zhèn)江市雨型特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合多場(chǎng)實(shí)測(cè)典型暴雨過(guò)程，采用同頻率法分別推求重現(xiàn)期為10 a、20 a和50 a的中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨，并與P&C法推求的設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行對(duì)比分析，以期為鎮(zhèn)江市防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施改造與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的確定提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

鎮(zhèn)江市地處長(zhǎng)江下游南岸，江蘇省西南部，轄區(qū)總面積3 843 km2，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，常年平均降水量1 063.1 mm，降雨主要集中在7、8、9月。城市化進(jìn)程的推進(jìn)和高強(qiáng)度開發(fā)，造成城區(qū)不透水面積快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致降雨后徑流量增大。主城區(qū)部分管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，排水能力小于1年一遇的管道占比48.07%。鎮(zhèn)江市主城區(qū)面積相對(duì)較小，以點(diǎn)代面的方法誤差較小[11]，因此本文采用丹徒站1981—2016年的逐分鐘實(shí)測(cè)降雨資料計(jì)算得到的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量代表鎮(zhèn)江市的設(shè)計(jì)面雨量。

參照GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，選取3 h、6 h、12 h、24 h的暴雨作為中長(zhǎng)歷時(shí)暴雨。基于鎮(zhèn)江市丹徒站1981—2016年逐分鐘降雨數(shù)據(jù)，按照兩場(chǎng)降雨之間的時(shí)間間隔為2 h進(jìn)行降雨場(chǎng)次劃分，以吳濱等[12]建議的各歷時(shí)暴雨的臨界值作為不同歷時(shí)的暴雨標(biāo)準(zhǔn)，滑動(dòng)選取對(duì)應(yīng)歷時(shí)的暴雨過(guò)程。采用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)[13]分析鎮(zhèn)江市不同中長(zhǎng)歷時(shí)年最大降水量的變化規(guī)律，采用模糊識(shí)別法[13]識(shí)別鎮(zhèn)江市中長(zhǎng)歷時(shí)暴雨的雨型特征。利用年最大值法選取得到年最大3 h、6 h、12 h 和24 h的降水量統(tǒng)計(jì)樣本，在P-Ⅲ型、耿貝爾型和指數(shù)型3種分布函數(shù)中優(yōu)選與實(shí)測(cè)資料擬合最佳的分布函數(shù)進(jìn)行頻率分析，求得重現(xiàn)期分別為 10 a、20 a和50 a的年最大3 h、6 h、12 h和24 h設(shè)計(jì)暴雨量。最后結(jié)合統(tǒng)計(jì)得到的暴雨雨型特征，依據(jù)“可能”和“不利”的原則從實(shí)測(cè)降雨資料中選取5場(chǎng)6 h和5場(chǎng)12 h的典型暴雨過(guò)程，分別采用同頻率法和P&C法推求不同除澇標(biāo)準(zhǔn)下的不同中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程。

2 中長(zhǎng)歷時(shí)暴雨特征變化規(guī)律

2.1 不同中長(zhǎng)歷時(shí)年最大降水量變化趨勢(shì)

丹徒站1981—2016年歷年最大3 h、6 h、12 h和24 h降水量距平百分率的變化趨勢(shì)如圖1所示?？傮w來(lái)看，4種歷時(shí)的年最大降水量變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，在1992年和2003年出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這與鎮(zhèn)江短歷時(shí)暴雨從20世紀(jì)90年代后期開始至21世紀(jì)前10年的中期轉(zhuǎn)為增強(qiáng)的趨勢(shì)基本吻合[10]。

1981—2016年鎮(zhèn)江市4種歷時(shí)年最大降水量的M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明，年最大3 h、6 h、12 h和24 h降水量均呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢(shì)，其中年最大3 h降水量和年最大24 h降水量的M-K統(tǒng)計(jì)量均為0.99，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，而年最大6 h降水量和年最大12 h降水量的增加趨勢(shì)相對(duì)明顯，M-K統(tǒng)計(jì)量分別為1.62和1.40，通過(guò)了置信度90%的顯著性檢驗(yàn)?？梢婃?zhèn)江市1981—2016年中長(zhǎng)歷時(shí)年最大降水量未發(fā)生明顯的趨勢(shì)性變化。

2.2 不同中長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型特征

莫洛可夫[14]通過(guò)800多場(chǎng)降雨過(guò)程的時(shí)程分配，歸納得到7種典型雨型，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類分別為雨峰位置在前、后、中的單峰型，Ⅳ類為均勻型，Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ為雨峰處于不同位置的雙峰型。為避免人工判斷產(chǎn)生的誤差，本文采用模糊識(shí)別法進(jìn)行雨型判斷，將每場(chǎng)實(shí)際降雨過(guò)程分為6個(gè)時(shí)段，根據(jù)每段時(shí)間內(nèi)雨量占總雨量的比例建立該場(chǎng)降雨過(guò)程的模式矩陣，并用每一場(chǎng)降雨過(guò)程的實(shí)際指標(biāo)分別與模式矩陣進(jìn)行比較，然后根據(jù)均方誤差最小原則確定雨型。

4種中長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，鎮(zhèn)江市中長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型以單峰型為主，占71.50%，雙峰型次之，占21.37%，而僅有7.13%為均勻型。在單峰型中，雨峰在前部所占的比例最大，高達(dá)39.09%，其次是雨峰居中的雨型(Ⅲ型)，占16.77%，雨峰偏后的雨型(Ⅱ型)占15.64%。

表1 鎮(zhèn)江市不同歷時(shí)暴雨雨型統(tǒng)計(jì)

單峰型暴雨和雙峰型暴雨在模式上差別較大，單峰型暴雨雨量更為集中，尤其是長(zhǎng)歷時(shí)的單峰型暴雨對(duì)城市地區(qū)除澇構(gòu)成嚴(yán)重威脅，并且越來(lái)越多的研究表明雨峰偏前的單峰型暴雨更為常見。

3 中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程推求

3.1 不同中長(zhǎng)歷時(shí)年最大暴雨量頻率

常用的城市暴雨資料選樣方法有年最大值法、年多個(gè)樣法、年超大值法和超定量法等[12]。因鎮(zhèn)江市暴雨資料系列足夠長(zhǎng)，采用年最大值法進(jìn)行不同歷時(shí)點(diǎn)暴雨選樣，得到年最大3 h、6 h、12 h和24 h暴雨量統(tǒng)計(jì)樣本。

采用我國(guó)常用的暴雨理論頻率分布線型——P-Ⅲ型、耿貝爾型和指數(shù)型3種分布函數(shù)進(jìn)行擬合，并采用均方根誤差(RMSE)進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。表2給出了不同歷時(shí)暴雨的3種分布函數(shù)擬合結(jié)果，可以看出，4種歷時(shí)中，P-Ⅲ型分布函數(shù)計(jì)算得到的RMSE值始終是最小的，因此優(yōu)選P-Ⅲ型分布函數(shù)推求鎮(zhèn)江市中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)面雨量。

表2 不同歷時(shí)暴雨不同分布函數(shù)擬合結(jié)果

基于優(yōu)選得到的P-Ⅲ型分布函數(shù)推求4種中長(zhǎng)歷時(shí)不同重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)面雨量，結(jié)果如表3所示。

3.2 典型暴雨的選擇

根據(jù)上文分析的4種歷時(shí)暴雨的雨型特征，依照“可能”和“不利”的要求選擇單峰型典型暴雨過(guò)程。由表1可見，對(duì)于出現(xiàn)頻次較高且對(duì)城市防洪排澇最為不利的6 h和12 h兩種歷時(shí)暴雨，單峰偏前的暴雨最多，占比分別達(dá)到了37.50%和31.70%，因此，選取鎮(zhèn)江市致災(zāi)較嚴(yán)重的6 h和12 h兩種歷時(shí)各5場(chǎng)單峰偏前的典型暴雨過(guò)程(表4)來(lái)推求不同除澇標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程。

表3 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算結(jié)果

表4 典型場(chǎng)次暴雨過(guò)程

3.3 設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程推求

以除澇標(biāo)準(zhǔn)10年一遇、20年一遇和50年一遇為例，對(duì)6 h和12 h兩種歷時(shí)各5場(chǎng)典型暴雨過(guò)程取均值，采用同頻率法對(duì)綜合典型暴雨各時(shí)段雨量進(jìn)行放大，并與P&C法得到的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖2和圖3(圖中以1 h為一個(gè)時(shí)段)。

圖2 6 h設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程

從圖2和圖3可以看出，兩種歷時(shí)在不同除澇標(biāo)準(zhǔn)下采用同頻率法得到的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程近似，且峰值占比較高，其中6 h的雨峰雨量占比均為60%左右，12 h的雨峰雨量占比也均超過(guò)了40%。

與同頻率法相比，兩種歷時(shí)的情況下，P&C法得到的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程更接近實(shí)際降雨過(guò)程,但同頻率法得到的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程峰值更高，對(duì)城市防洪排澇設(shè)計(jì)更有利，這與朱勇年[5]建議優(yōu)先選用同頻率法進(jìn)行長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的想法一致。因此，本文推薦鎮(zhèn)江市采用同頻率法計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨。

圖3 12 h設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程

4 結(jié) 論

a. 1981—2016年鎮(zhèn)江市3 h、6 h、12 h、24 h等4種歷時(shí)的年最大降水量雖然均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)，但僅6 h和12 h的年最大降水量通過(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn)。

b. 鎮(zhèn)江市3 h、6 h、12 h、24 h等4種歷時(shí)暴雨雨型均以單峰型為主，暴雨雨量集中，且雨峰偏前的居多。

c. 與耿貝爾型和指數(shù)型分布函數(shù)相比，P-Ⅲ型分布函數(shù)在降雨頻率分析中擬合最優(yōu)。

d. 與P&C法相比，同頻率法推求得到的鎮(zhèn)江市中長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨偏安全，推薦采用。