余姚新一代暴雨强度公式应用的思考

邵丹娜,傅佩君

(1.杭州智慧给排水工程有限公司,浙江 杭州 310012;2.浙江绿城东方建筑设计有限公司,浙江 余姚 315400)

1 问题的提出

暴雨强度公式是城市防洪、排涝及排水规划和工程设计极其重要的设计参数,其精确度直接影响工程安全、经济和合理性。目前 《给水排水设计手册》发布的城市暴雨强度公式大多都是20世纪80年代以前编制的,公式中所采用的数据多在20世纪50年代至70年代之间,这些雨强公式大多建立在系列年份较短、代表性不足,精度较低的资料基础上,有相当一部分雨强公式的资料年数还不足10 a。而余姚城乡工程技术研究所于1997完成了宁波地区暴雨强度公式,其中余姚市暴雨强度公式分别采用年最大值法和年多个样法,经过十余年的推广使用,经验不断积累,随着城市化、现代化的加速推进,城市下垫面发生了很大的变化,改变了原有的雨洪径流模式,近几年来,在余姚发生的城市型水灾害也显现出了一些新的特点,暴雨公式的更新不是根据更新周期就可以确定的,而是需要在原始样本中,比较分析任一时段内大于全部历史资料的最大值,宜进行复核修订。浙江省建设厅于2008年4月18日发文公布各城市暴雨强度公式,本次研究通过对更多系列降雨气象资料的收集和分析,在根据对降雨资料进一步的分析和研究后,在原公式的基础上作进一步完善,采用了更精确反映短降雨历时暴雨强度、降雨历时及重现期之间的关系和规律,计算成果相对而言更加符合客观实际。本文根据多年城市雨水排水工程设计、平时的观察及工作实践,就如何正确使用新暴雨强度公式,充发挥它的作用,提出几点体会。

2 套用公式成果分析比较

余姚中心城大部分市政设施是20世纪90年代初期所建设的,余姚市当时尚无暴雨强度公式,所以在做城市室外排水规划设计和工程建设时,参考依据不足,大多数的设计院只能参照邻近地区杭州或者宁波的暴雨强度公式计算,由于设计人员往往受主观因素影响,选用结果因人而异,在规划、设计中经常发生同一城市计算结果差异较大,基础设施的投资规模不一致。对借用不同城市的暴雨强度公式,以2 a一遇各历时设计流量进行分析比较:

2.1 杭州暴雨强度公式

杭州暴雨强度公式如下:

2.2 宁波暴雨强度公式

宁波暴雨强度公式如下:

其中TE表示年多个样法的重现期,i表示暴雨强度。

通过上述公式分别计算2 a一遇各历时暴雨强度成果(见表1)。按2 a重现期20 min及120 min降雨强度考虑,A设计院用的杭州公式,2 a重现期20 min和120 min暴雨流量分别为196.45 L/(s◦hm2)和58.32L/(s◦hm2);而B设计院采用宁波公式,2 a重现期 20 min及 120 min暴雨流量 243.18 L/(s◦hm2)和82.60 L/(s◦hm2)。两设计院提供的排涝、蓄洪设计水量分别相差23.78%、41.65%。可是建设行政管理部门在审批中也难以鉴别哪个是准确的,当地又无暴雨强度公式,无疑给管理工作者带来困难,有部分工程省外设计院无任何根据套用了院所在地区的暴雨公式,导致排水管渠太大,造成浪费,或排水管渠偏小,产生积水或内涝现象,而采用符合当地客观实际的城市暴雨强度公式,为更好的解决城市排水管渠经济合理、技术可靠、排水设施安全提供科学依据。

表1 2 a一遇各历时设计暴雨强度成果分析表 mm

3 地域差异分析

杭州市规划建设新技术研究推广中心和杭州智慧给排水工程有限公司在收集了浙江省700余个雨量站的自动雨量观测资料的基础上,采用年最大值进行暴雨选样配合耿贝尔频率分布模型,科学推求了浙江省各城市新暴雨强度公式,浙江省建设厅于2008年4月18日以建设发[2008]89号“关于公布浙江省各城市暴雨强度公式的通知” 文件,经过对相关文件的认真学习和研讨,余姚市的暴雨强度公式与周边地区的暴雨强度公式进行了地域性差异分析。

3.1 杭州新一代暴雨强度公式

杭州新一代暴雨强度公式如下:

3.2 宁波新一代暴雨强度公式

宁波新一代暴雨强度公式如下:

3.3 余姚新一代暴雨强度公式

余姚新一代暴雨强度公式如下:

其中TM表示年最大值法的重现期,i表示暴雨强度。

浙江新一代暴雨强度公式具有原理相同,统一采用了年最大值法配合耿贝尔分布模型推求公式分别计算2 a一遇各历时暴雨强度成果,余姚与杭州、宁波的比较见表2。

表2 2 a一遇各历时新一代暴雨强度公式计算成果表 mm

由于余姚与杭州的气候及地貌特征比较相近,故从表2可知,二者在30 min中设计暴雨量只相差3.89%。另外,宁波市地处北半球中纬地带,东濒东海,常因南北气流和海洋性气候的共同影响,特别是台风时节受到东风波等热带天气系统影响出现大的降水过程,计算成果相差12.85%。

经地域性差异分析,结合城区排水管网和排涝泵站的运行管理中发现,90年代初期建设的一些雨水排水设施是邻近地区或省外设计院引用所在地的暴雨强度公式,导致泵站和排水管网的建成标准和规模与实际需要的标准和规模并不十分匹配。如果余姚采用宁波暴雨强度公式计算当地的雨量,势必会造成排水设施建设规模偏大,以至造成工程投资增大,运营管理费用提高等后果。

4 新一代暴雨强度公式的特点

近十几年来余姚市的经济快速发展,城市化的快速推进,城市建成区的范围不断扩大。同时,气候条件的不断变化,部分极端气象条件的显现,原有以地级城市为区域的暴雨强度公式已不能准确的设计室外排水管渠,因此,推广应用新一代暴雨强度公式势在必行。我们在从事余姚市规划设计、建设管理中,通过推广应用及近几年来实际暴雨的验证,新一代暴雨强度公式特点:

(1)新一代暴雨强度公式在城市暴雨排水的规划设计中所采用的设计参数更加符合当地的实际情况,使工程设计人员使用起来更加快捷、合理,避免了借用邻近地区雨强公式造成的设计不合理使城市水浸街现象时有发生或投资浪费的情况;

(2)年最值选样方法物理意义明确,每年只选取各时段的最大值,样本具有独立性、代表性、一致性、系列的完整性,能客观反映暴雨年变化趋势,公式具有合理性、保证性、适用性和精确性;

(3)公式具有通用性,所需水文气象资料的整编要求,与水文、气象部门的整编要求基本相同,重现期的概念与水利、气象、交通等部门得到高度统一,致使3部门水文成果、城市排水设计重现期和设计暴雨强度等技术标准完全协调一致;

(4)设计暴雨重现期分析范围应扩大到TM=2～100 a,即:2,3,5,10,20,30,50,100 a 8个重现期,重点放在TM≤20 a的重现期雨强的分析上,设计重现期提高到2 a一遇是合理的。

5 结 语

自然环境与人文环境的不断变化要求我们用更科学的手段改善我们的生活环境。因此,就该项成果来看,在这种情况下建立符合当地客观实际的新一代暴雨强度公式,则为优化城市排水系统的规划设计、提高城市防洪减灾能力等方面提供了科学的指导性依据,计算过程简单实用,研究成果易于普及。为了让该项成果应用更广泛,产生更为良好的经济效益、社会效益,应当立足不断更新的技术和研发能力,在城区排水规划设计中,结合排水水力计算,充分发挥余姚新暴雨强度公式的作用,使规划设计成果更加安全、可靠、经济合理。