彭水县县城设计暴雨雨型分析

代建君 豆俊川 余燃 张玉坤 左斌

摘 要：2015年彭水县气象局根据本地实际需要对彭水县暴雨强度公式进行了推求，但在城市排水管网规划设计中，设计暴雨雨型也起着至关重要的作用，设计总雨量确定后，根据不同的雨型可计算出完全不同的洪峰流量和洪水过程线，对城市排水管网管径计算和调洪计算有重要影响。该文利用1961～2015年彭水县国家地面气象观测站数据作为样本，采用《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2014 版）和《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》规定的方法取样，对Pilgrim&Cordery法、芝加哥雨型法、同频率分析法进行比较分析，得出了彭水县城较为合理的设计暴雨雨型。

关键词：暴雨雨型

雨型是描述降雨过程的概念，是指降雨强度在时间上的分配过程。设计雨型是指设计暴雨的降雨强度过程，它是大量实测暴雨雨型的综合，能够代表大多数暴雨雨型的平均情况。在城市排水管网规划设计中，设计暴雨雨型和暴雨强度一样起着至关重要的作用，在设计总雨量确定后，根据不同的雨型可计算出完全不同的洪峰流量和洪水过程线，对城市排水管网管径计算和调洪计算有重要影响。根据实验研究，在汇流历时内平均雨强相同的条件下，雨峰在中部或后部的三角形雨型比均匀雨强的洪峰大 30%以上。暴雨雨型不仅在城市排水管网规划设计和调洪管理中起到重要作用，而且对降雨诱发地质灾害预警预报方面也具有重要意义，也可为室外排水设计规范标准制定提供参考意义。该文按相关规范要求，利用彭水气象观测数据资料对Pilgrim&Cordery法、芝加哥雨型法、同频率分析法进行分析比较，得出合理的彭水县城设计暴雨雨型分布。

1 设计暴雨雨型编制基础

1.1 设计暴雨雨型编制依据

彭水县县城设计暴雨雨型分析的主要依据有：《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2014 版）和《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》（住房城乡建设部、中国气象局2014年4月发布），以下简称规范和导则。

规范（GB50014-2006，2014 版）要求设计暴雨量可按城市暴雨强度公式计算，设计暴雨过程（即雨型）可按以下三种方法确定：1）设计暴雨统计模型。结合编制城市暴雨强度公式的采样过程，收集降雨过程资料和雨峰位置，根据常用重现期部分的降雨资料，采用统计分析方法确定设计降雨过程。

2）芝加哥降雨模型。根据自记雨量资料统计分析城市暴雨强度公式，同时采集雨峰位置系数，雨峰位置系数取值为降雨雨峰位置除以降雨总历时。

3）当地水利部门推荐的降雨模型。采用当地水利部门推荐的设计降雨雨型资料，必要时需做适当修正，并摒弃超过 24h 的长历时降雨。

导则规定了暴雨强度公式编制和暴雨雨型确定的基本要求，适用于各地编制城市暴雨强度公式和确定设计暴雨雨型。导则指出：

1）短历时暴雨雨型资料站点宜与暴雨强度公式站点一致。

2）短历时暴雨雨型的确定可根据本地条件和需要，研究确定设计暴雨统计模型。暂推荐采用芝加哥法确定短历时暴雨雨型。

1.2 数据基础

彭水县县城设计暴雨雨型所使用样本数据为1961～2015年彭水县国家地面气象观测站数据。气象观测资料完整，年代较长，所用资料年限内无迁站记录。降水量是常规观测项目，仪器设备和资料整理等均符合国家规范。

2 设计暴雨过程推求

2.17种雨型

天然降雨过程千变万化，前苏联包高马佐娃（1956）通过对大量降雨过程的分析，将降雨归纳成 7 种雨型（图 1）。7 种雨型中，第 1、2、3 种为单峰雨型，峰值分别在前、后和中部，第 4种为大致分布均匀雨型，第 5、6、7 种为双峰雨型。

2.2 设计暴雨过程推求方法

推求设计暴雨过程的方法有很多，常用的方法有 Pilgrim 和 Cordery 法、同频率分析法、芝加哥雨型法等。室外排水设计规范（GB50014-2006，2014 版）和导则推荐用芝加哥雨型法推求短历时设计暴雨过程。芝加哥雨型是根据暴雨强度公式推导得出，是暴雨强度公式的再分布。下面对这三种方法的原理和具体推求步骤作简介。

2.2.1 Pilgrim & Cordery 法原理

Pilgrim& Cordery 方法把雨峰时段放在出现可能性最大的位置上，而雨峰时段在总雨量中的比例取各场降雨雨峰所占比例的平均值，其它各时段的位置和比例也用同样方法确定。具体步骤如下：

A. 选取一定历时的大雨的样本。选出降雨量最大的多场降雨事件，场次愈多统计意义愈明显。

B. 将历时分为若干时段，时段长短取决于所期望的时程分布时间步长，一般越小越好。如推求 5 分钟时段 180 分钟设计暴雨雨型，将步骤 1 中选取的历时约 180 分钟的降雨场次分为 36 段；

C. 选取的每场降雨，根据各时段雨量由大到小确定各时段序号，大雨量对应小号，将每个对应时段的序号取平均值，取值由小到大分别确定为雨强由大到小的顺序（图 2-1 中（8）-（11）列）；

D.计算每个时段各次降雨量与总雨量的百分比，取各时段平均百分数（图中（12）-（15）列）；

E. 以第三步所确定的最大可能次序和第四步中确定的分配比例安排时段，构成雨量过程线。（数据来源：Pilgrim & Cordery 1975）。

2.2.2 同频率分析法

同频率分析法，又称“长包短”，特点是在同一重现期水平下，按照出现次数最多的情况确定时间序位，以均值确定各时段雨量的比例。例如以 5 分钟间隔推求 15 分钟的降雨分配，其步骤如下：

A. 从年系列雨量资料中摘取出 5 分钟、15 分钟最大降雨過程，并统计 5 分钟、15 分钟的时段雨量；

B. 统计出的时段雨量进行排频计算得出重现期下的 5 分钟、15 分钟时段雨量；

C. 将 15 分钟暴雨过程分为 P1、P2、P3 三段，统计对应重现期下最大 15 分钟暴雨中最大 5 分钟暴雨出现频率最多的位置（见图 2-2），6 场 15 分钟时段，最大 5 分钟发生在 P1 段有 3 场 4、5、6 场；

D.剩余两部分 P2、P3 按照多场实测典型降雨过程计算均值，以均值确定两者分配比例（H15-H5）。

E.将对应重现期下的 15 分钟和 5 分钟降雨代入即得到对应重现期 15 分钟雨型分配过程。

本文借鉴同频率分析法的思路，峰值位置采用平均位置确定，峰值强度采用最大 5 分钟平均强度替代，剩余时段按平均值确定分配比例。

2.2.3 芝加哥雨型法

芝加哥雨型推求是基于暴雨強度公式，雨峰的位置由暴雨统计资料确定。令雨型强度过程的总历时为 t0 ，峰前的瞬时强度曲线为 I a ，相应的历时为ta ，降雨累计量为H a，峰后的瞬时强度曲线为I b，相应的历时为tb，降雨累计量为H b，总降雨量HT=Ha+Hb。令 t0=1，强度高峰点的位置为r（0-1 之间），则t0=ta[]r=tb[]1-r

H=rHT+∫TrTIbdt=HTr+（t[]T-r）1+t-T[]（1-r）（T+b）-n

3 设计暴雨过程

除设计暴雨量外，雨量随时间的分配过程也是设计暴雨雨型的重要组成部分。以下采用三种常用方法分别对设计暴雨过程进行分析。

3.1 芝加哥雨型

芝加哥雨型是基于暴雨强度公式推求而来，鉴于暴雨强度公式编制时样本仅包含 3 小时及以下短历时，故这里仅分析 3 小时及以下短历时芝加哥雨型。芝加哥雨型推求首先需要确定雨峰位置系数 r ，雨峰位置系数是指从降雨历时开始至降雨峰值出现的时间段长度与降雨历时的比值。计算雨型样本各历时雨峰位置系数的平均值表征该历时的雨峰位置系数，结果显示 1 小时历时雨峰位置系数 r 为 0.48，2 小时历时雨峰位置系数 r 为 0.48，3小时历时雨峰位置系数r为0.50。设计暴雨过程分配如下（2、3小时历时设计暴雨过程表3-1、3-2、3-3略）：

3.2 Pilgrim & Cordery 法

根据 Pilgrim & Cordery 法推求设计暴雨过程。结果如下（2、3小时历时表1，）

3.3 同频率分析法

本文借鉴同频率分析法的思路：长历时雨型包含短历时雨型，即给定各短历时峰值位置，从最长历时（如 24 小时）雨型中可以依次提取出所需各短历时雨型，保证了各历时间的关联性。同频率分析法的具体步骤：首先需要确定峰值位置和 5 分钟放大值。峰值位置采用所取样本峰值的平均位置，5 分钟的放大值为所取样本 5 分钟最大值的平均值，其余时段按比例分配。2 小时历时将 1 小时雨型根据峰值位置对齐放入，其余时段按比例分配，其它时段依次类推，最终得到24 小时设计雨型。

24小时设计暴雨过程见（表3-8表略）。

1 小时设计暴雨过程提取：

（1）根据峰值对齐原则，从 24 小时历时中提取 1 小时设计暴雨过程：

（2）在24 小时历时设计暴雨过程表中（限于篇幅1-120和169-288略），130-141 共 12 个 5 分钟时段累计降水百分比为 33.31%，100%除以 33.31%为3.00，将 130-141时段的百分比乘以3.00就得到 1 小时历时的设计雨型。

3.4 雨型比较分析

经研究表明Pilgrim & Cordery 法不适合长历时降水雨型的设计，因此长历时雨型设计仅有同频率分析法可选。此处仅对短历时雨型通过峰值位置和峰值强度进行分析比较。

从峰值位置来看，不同方法推求的短历时设计暴雨雨型（3 小时及以下）雨峰位置接近。从峰值强度来看，芝加哥雨型峰值强度较强，Pilgrim & Cordery 法和同频率分析法推求的暴雨雨型峰值强度比较接近。在彭水县城短历时设计暴雨雨型中推荐使用芝加哥雨型法推求的设计暴雨过程。

4 结论

（1）彭水县县城设计暴雨雨型编制采用了1961～2015年彭水县国家地面气象观测站数据作为样本，经严格的信息化处理、校核和质量控制，数据准确可靠。在样本处理中按照《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2014 版）和《导则》推荐的样方法进行取样，所取样本合理。

（2）经分析彭水县各历时雨型都以单峰型为主，且降水主要集中在中部。从峰值位置、峰值强度对比分析芝加哥雨型、Pilgrim & Cordery 雨型和同频率雨型，结果表明，三种雨型短历时（3 小时及以下）峰值位置接近，从峰值强度来看，芝加哥雨型峰值强度较强，Pilgrim & Cordery 法和同频率分析法推求的暴雨雨型峰值强度比较接近，相对较弱。在彭水县城短历时设计暴雨雨型中推荐使用芝加哥雨型法，长历时设计暴雨雨型按导则推荐的采用同频率分析法推求的设计暴雨过程。

参考文献：

[1]M.B.莫洛可夫等著.雨水道与台流水道.北京：建筑工程出版社，1956，17-1 9.

[2]邓培德.暴雨选样与频率分布模型及其应用.城市给排水，1996，22（2）：5-9.

[3]杨智硕.暴雨选样间的频率转换问题探讨[J].福州大学学报（自然科学版），2005（02）.

[4]GB50014-2006.室外排水设计规范[S].2014.

[5]市政设计院主编.给水排水设计手册（第5分册）[M]. 北京：中国建筑工业山版社，第二版，2004.

作者简介：代建君（1972-），女，土家族，重庆人，本科，工程师，致力于本地气候及应用气象等方面研究。