不同取样法设计暴雨标准关系初探

张彦平，封春华，李 娜，刘连梅

（1.石家庄市城乡规划设计院，石家庄050011；2.石家庄水文水资源勘测局，石家庄050000；3.石家庄市水务局，石家庄050057；4.河北天和咨询有限公司，石家庄050021）

1 问题的提出

近年来，随着城市的快速发展及极端天气的逐步增多，城市内涝时常发生。2012年汛期，包括北京在内的华北地区多座城市发生严重内涝，市民的生命财产遭受巨大损失，提高城市排水标准迫在眉睫。城市排水标准的提高不仅涉及城市雨水管网、泵站规模的加大，还包括行洪（排涝）河道标准的相应提高，由此不可避免地遇到城市沥水与行洪（排涝）河道标准的组合问题。由于我国城市排水工程长期由建设部门主管，无论从管理还是排水工程规划设计均与水利部门管辖的防洪排涝体系有所脱节，这给城市防洪排涝体系的统一规划带来一定的困扰，标准即是其中的关键问题之一。

2 年最大值法和年多个样法概述

对无实测流量资料的中小流域而言，通常近似认为雨洪同频并采用暴雨途径计算设计洪水。在依据实测暴雨资料系列采用数理统计法计算设计暴雨强度这一环节，水利部门与建设部门的处理方法是不同的。

2.1 年最大值法

水利部门一般采用该法，即每年每个时段仅选取最大的一个数据，组成不同历时暴雨系列，然后采用P-Ⅲ曲线进行频率分析计算，得到不同历时设计暴雨及暴雨强度。

2.2 年多个样法

建设部门一般采用年多个样法，即每年每个时段选取6～8场最大暴雨，并计算暴雨强度。首先根据公式计算经验频率Pn：

式中 m为序号数，即等于或大于某暴雨强度的次数；NM值为参与统计的暴雨强度序号总数。

将历年各时段暴雨强度按大小排序，并不论年次选择年数3～4倍（M）的最大值作为统计的基础资料。年多个样法重现期P为：

采用P-Ⅲ曲线拟合调整，得到重现期P、降雨强度i与降雨历时t三者的关系。而后采用高斯—牛顿法和图解法相结合求得暴雨强度公式中的各个参数，从而求得暴雨强度公式［1-2］。

有学者对运用年最大值法和年多个样法推求暴雨强度的关系进行了有意义的探讨，本文在总结国内相关文献及相关设计标准的基础上，针对石家庄市进行了运用不同数理统计方法推求设计暴雨强度关系的初探［3-4］。

3 不同取样法设计暴雨标准的相互关系

以石家庄市暴雨强度公式为例，石家庄市区原暴雨强度公式为1978年采用1956～1975年20年的暴雨资料编制而成。根据有关部门的要求，石家庄市规划设计院和气象局选用1961～2012年52年的自记雨量资料对暴雨强度公式进行了修编，2013年9月编制《石家庄市城区暴雨强度公式技术报告》。本文将报告中的最新成果作为分析不同取样法设计暴雨标准的相互关系的依据。

3.1 石家庄市暴雨强度公式

根据石家庄市国家基本气象站近52年的降雨资料，分别采用年多个样法和年最大值法推算暴雨强度公式，其中年多个样法每年一般选取8场最大暴雨，丰水年取9～10场暴雨，统计样本总数取年数的4倍。分析降雨时段包括5，10，15，20，30，45，60，90，120，150，180min共11个。年多个样法重现期包括0.25，0.33，0.5，1，2，3，5，10，20，30，50，100年一遇12个标准，年最大值法重现期包括1，2，3，5，10，20，30，50，100年一遇9个标准。石家庄市暴雨强度公式如表1［5］。

表1 石家庄市暴雨强度公式

3.2 两种方法暴雨强度成果对比分析

根据年最大值法和年多个样法暴雨强度计算公式，假定降雨历时分别为5，30，60，120，180min5个时段，分别计算不同重现期设计暴雨强度，成果如表2。

通过对比分析可知：

（1）年最大值法只能计算1年及以上标准暴雨强度，而年多个样法可以计算低于1年一遇标准的暴雨强度，本次统计样本总数取年数的4倍，因此最低标准为0.25年一遇。

表2 石家庄市城区暴雨强度i两种取样法成果对比 单位：mm/min

（2）对5年一遇以下标准，年多个样法计算成果均大于年最大值法，1年一遇偏大最多，偏大幅度为55.0%～78.0%；随着标准提高，两种成果逐步接近，2年一遇偏大幅度为10.8%～13.6%；3年一遇偏大幅度为4.7%～5.7%。5年一遇及以上标准，两种成果均比较接近，且互有大小，最多相差3.1%。

（3）两种成果相差幅度与降雨时段存在一定关系，除50年一遇标准外，其他标准两种成果相差幅度均随降雨时段的加长而增大，但变幅不大。

3.3 新旧暴雨强度成果分析

石家庄市区原暴雨强度公式 ［q=1689 （1+0.898lgP）/（t+7）0.729］为1978年采用1956～1975年20年的暴雨资料编制而成［1］，取样方法为年多个样法，降雨历时采用5，10，15，20，30，45，60，90，120min共9个时段。利用新旧暴雨强度计算公式（新暴雨强度公式采用年多个样法），分别计算不同重现期设计暴雨强度，新编制的的暴雨强度公式计算的暴雨强度值在较短历时比1978年版的值偏小，较长历时比1978年版的值要偏大，且随着降雨历时的增长，偏大的幅度呈增加的趋势，这与近30多年来极端降水事件呈增加的趋势相符。

4 结语

（1）采用年最大值法和年多个样法计算设计暴雨强度，同重现期标准成果存在差异，年多个样法计算成果较大，标准越低相差越大。依据石家庄市暴雨强度公式，年多个样法1年一遇约相当于年最大值法2年一遇成果；年多个样法2年一遇约相当于年最大值法3年一遇成果；两种方法5年一遇及以上标准成果差别已不明显，可以认为基本一致。

（2）工程规划设计中，采用城建部门的暴雨强度公式与水利部门常用方法计算结果相差较大，一般前者流量模数远大于后者，往往认为取样方法的不同是主要原因。通过本文分析可知，取样方法对成果的影响主要为5年一遇以下低标准，5年一遇及以上标准成果与取样方法已经没有多大关系。

（3）城建部门的洪峰流量与水利部门常用方法的差别除暴雨强度公式取样法不同外，还有其他两方面的原因：一是城区地面硬化导致径流系数的明显加大；二是排水管网与河道汇流方式的不同。

（4）受基础工作成果的限制，本文仅以石家庄市为例，对不同取样法设计暴雨标准的相互关系进行了初步分析，是否具有足够的代表性，还需今后根据其他城市暴雨强度公式的修编成果做进一步研究。

［1］北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册（第5册城镇排水）［M］.北京: 中国建筑工业出版社，2004

［2］GB50014—2006，室外排水设计规范［S］.

［3］周玉文，翁窈瑶，张晓昕，等.应用年最大值法推求城市暴雨强度公式的研究［J］.给水排水，2011，37（10）:40-44

［4］邵尧明.城市暴雨强度公式应用中存在问题及处理方法［J］.给水排水，2008，34（2）：39-41

［5］石家庄市城乡规划设计院，石家庄市气象局.石家庄市城区暴雨强度公式技术报告［R］.2013.