內澇防治設計重現期下設計暴雨雨型研究

張 格

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海）

雨型體現了暴雨強度在時間尺度上的分配過程，是內澇防治設計的重要影響因子，對內澇積水的范圍和深度有直接影響。隨著內澇防治工作的不斷完善，城市設計暴雨雨型已被列為城市內澇防治設施規劃的基礎專題進行研究[1]，當前我國部分城市如北京、南京、鄭州等地發布了城鎮內澇防治設計長歷時雨型以指導城市排水防澇體系的建設。然而，尚有許多城市和地區受限于有限的長歷時降雨資料條件，尚未建立設計雨型。

1 設計暴雨雨型關鍵因素研究

內澇防治設計暴雨雨型包含降雨時長、時間間隔、雨強分配等關鍵因素。城市內澇防治系統包括城市小排水系統（市政雨水管渠等）和大排水系統（河湖水系等），分別屬于市政、水利兩個系統。兩個系統在風險理念、暴雨頻率計算選樣、計算方法上均有顯著的差異[2]，目前尚未形成統一的設計雨型。小排水系統涉及的匯水分區面積較小，設計暴雨歷時較短，一般在180 min 以內，在設計時一般假定在一定降雨歷時范圍內暴雨強度保持恒定，不考慮雨型，但在進行內澇防治設計重現期校核時，需要考慮降雨歷程，即雨型的影響。大排水系統需要計算滲透、調蓄等設施對雨水的滯蓄作用，需采用較長歷時降雨，我國內澇防治設計暴雨歷時一般選用3 h～24 h，城區常以24 h控制。

《城鎮內澇防治技術規范》GB51222-2017 規定：當匯水面積大于2 km2時，應采用數學模型法確定雨水設計流量，并校核內澇防治設計重現期下地面的積水深度等要素。內澇防治設計暴雨應兼顧大、小排水系統的設計要求，設計降雨時長應取兩者較大值，而設計降雨時間間隔取兩者較小值。《城鎮內澇防治系統數學模型構建和應用規程》T/CECS 647-2019 提出：城鎮內澇防治系統規劃設計中，設計暴雨用于確定內澇防治設施的尺寸，降雨輸入步長一般為5 min。因此，城鎮內澇防治設計暴雨時長宜為24 h，暴雨間隔宜為5 min。

2 研究方法

獲得符合模型運算要求的內澇防治設計暴雨主要有兩種做法，一種是同頻率分析法，以出現次數最多的情況（即眾值）確定時間序位，以平均情況（即均值）確定各時段雨量比例[3]，該方法推導的雨型代表性好，但對長歷時降雨資料樣本數量要求高；另一種是典型暴雨放大法，即選取典型暴雨過程，按照設計重現期的要求，進行同倍比或同頻率放大后作為內澇防治重現期下的設計暴雨[4]，該方法雖然對降雨樣本數量要求較低，但單一降雨樣本偶然性大，可能會造成較大誤差。在此，提出一種在既有條件下的內澇防治設計暴雨計算方法，該方法基于暴雨圖集和短歷時暴雨強度公式，既能克服長歷時暴雨資料樣本不足的問題，又能彌補典型暴雨代表性不足的問題，同時還能兼顧大、小排水系統的設計需求，得出的設計暴雨也能滿足模型計算的精度要求，為后續開展城市內澇防治提供必要的工作基礎。

3 實例研究

暴雨參數圖集是各省應水利部要求編制的，用以指導省內水利工程規劃、設計和建設的重要參考資料，其內容一般包含10 min、60 min、6 h、24 h、3 d等不同歷時的暴雨統計參數。

短歷時暴雨強度公式是應國家住建部要求編制的，用以指導市政小排水系統規劃設計的重要依據，當前大部分省市均已形成成果。通過暴雨強度公式可獲得180 min 降雨過程以內任意時段降雨數據，但受選樣資料歷時所限，暴雨強度公式不能延伸到24 h，否則將引起重大誤差。

綜合暴雨參數圖集和暴雨強度公式，可推算內澇防治設計暴雨各控制時段雨量和時程分配。本文以推求江蘇省N 市內澇防治設計雨型為例加以說明。

3.1 設計暴雨強度

查《江蘇省暴雨參數圖集》（以下簡稱“圖集”）可得各歷時的均值H、Cv 值，根據Cv、Cs 查《水文頻率計算查算表》的皮爾遜Ⅲ型曲線KP表（Cs=3.5Cv），再按公式計算得到不同頻率設計點暴雨量，需注意，當內澇防治區域面積較大時，需要根據設計點暴雨按時～面～深關系查算折減系數計算城市內澇防治面暴雨量。本文只說明設計雨型計算方法，未有特定內澇研究區域，因此不乘折減系數，而暫以點暴雨量代替面暴雨量，計算得到N 市24 h 內各時段設計暴雨量見表1。

表1 N 市“圖集”設計暴雨量（單位：mm）

表2 N 市暴雨強度公式設計暴雨量（單位：mm）

對比表1 和表2 中相同重現期下10 min 和1 h設計歷時的降雨量可知，10 min 降雨歷時下兩種計算方法的設計暴雨成果比較接近，但暴雨重現期越高，暴雨強度公式計算的結果較“圖集”計算結果越大；1 h 暴雨歷時的設計暴雨成果與10 min 降雨歷時的規律正好相反，暴雨重現期越高，“圖集”計算結果較暴雨強度公式計算的結果越大。兩種方法均采用了年最大值法進行選樣，選樣方法相同，導致出現計算結果不同的原因，一是“圖集”在編制過程中考慮了降雨的地區分布規律，與鄰近省市進行過協調，整體上存在“均化”效應[5]，而暴雨強度公式選用各城市降雨觀測數據進行編制，城市之間差異性明顯；二是兩種方法所選資料序列不一，資料樣本不同。值得說明的是，不論是哪種方法的計算結果，都是合理的，但是需要對差異進行處理，使結果統一合理。

綜合“圖集”和暴雨強度公式計算成果，從工程安全角度出發，采用“長包短”、“大包小”[6]的型式統一1 h 及1 h 以內設計暴雨，3 h 降雨量采用暴雨強度公式計算成果，6 h 和24 h 降雨量采用“圖集”計算成果，見表3。處理以后，市政小排水系統和水利大排水系統的設計暴雨都得到了兼顧，為后續內澇防治體系合理構建提供有利條件。

表3 N 市設計暴雨量（單位：mm）

3.2 設計暴雨過程

“圖集”已根據實測暴雨統計數據明確了1 h 時間間隔的設計雨型，根據“圖集”，24 h 設計暴雨雨峰位置位于第18 h，最大6 h 降雨時間為第14 h～第19 h，在此基礎上補充最大3 h 降雨占比，最終24 h設計暴雨量分1 h、3 h、6 h 和24 h 四段控制。

“圖集”將設計暴雨時程分配到了逐小時，為了獲得逐5 min 降雨數據，還需進一步處理。短歷時降雨過程分布參考雨型模式矩陣分為7 種模式，如圖1 所示。在降雨樣本充分的情況下，通過分析樣本數據可得出具有當地代表性的設計暴雨雨型，然而在缺少樣本統計數據的情況下，可酌情選擇7 種模式雨型中的一種或幾種對逐小時內降雨進行分配細化。一般情況下，時程分配不均的降雨較均勻降雨經地表匯流產生的峰值流量更大，對市政小排水系統的影響更不利，而不均勻降雨中，以芝加哥雨型為代表的單峰降雨對市政小排水系統的影響最為不利，因此，可考慮采用芝加哥雨型對逐小時雨量進行分配細化，其中最大3 h降雨過程直接采用180 min 短歷時芝加哥雨型代替。

圖1 7 種模式雨型示意

按照N 市短歷時設計暴雨雨型（芝加哥雨型）對逐小時降雨過程進行計算，計算公式為：

式中：i 表示瞬時雨強（mm/min）；t1表示峰前時間（min）；t2表示峰后時間（min）；r 表示雨峰位置系數；暴雨強度公式的參數：A=9.972，c=1.004，b=12.000，n=0.657，r=0.43。最終計算得到內澇防治重現期下24 h 逐5 min 降雨過程，N 市內澇防治重現期為50 年，24 h逐5 min 降雨過程如圖2 所示。

圖2 50 年一遇內澇防治設計暴雨過程

3.3 合理性分析

分析計算得到的24 h 暴雨過程，其中H3時段內降雨與180 min 短歷時芝加哥雨型降雨過程相吻合，而H6-H3時段內每小時的降雨量為13.1 mm，H24-H6時段內最大小時降雨量為8.6 mm，這些數值已遠低于N 市市政小排水系統規劃設計標準對應的雨量，理論上該時段內無論雨型如何分配，均不會對市政小排水系統造成影響。此外，該設計雨型的1 h、3 h、6 h和24 h 分時段雨量均達到了水利大排水系統的設計標準，同時180 min 以內雨量分配也能對市政小排水系統起到校核作用，因此該雨型很好地兼顧了內澇防治體系的大、小排水系統。

結束語

本文以各省市均具備的“圖集”和暴雨強度公式為基礎，采用“長包短”、“大包小”的分析方法得出不同頻率、不同時段的設計暴雨量，在“圖集”的長歷時時程分配的指導下，合理地將芝加哥雨型“嵌入”其中得到逐5 min 內澇防治設計暴雨雨型，為數學模型運算提供必要條件。值得注意的是，部分城市“圖集”和暴雨強度公式編制時間較早，城市的暴雨分布和統計特征可能發生較大變化，在收集到的樣本資料足夠的情況下，有條件的地區還是應該抓緊開展內澇防治設計暴雨雨型專題研究，為后續的內澇防治工作提供有力支撐。