基于芝加哥法的柳州市设计暴雨雨型研究

谢东,苏小玲，刘蕾，梁春荣，刘洲荣，李煜，蓝求，任乐

（柳州市气象局,广西 柳州545001）

1 前言

近年来，受全球气候变化影响，极端降水事件频发，诸多城市频繁出现了严重的暴雨内涝灾害。引起城市雨涝灾害的原因是多方面的，其中一个重要方面是雨水排水的设计标准问题，而城市暴雨强度公式和设计暴雨雨型是排水设计标准的一个重要方面，是科学、合理地规划设计城市排水系统的基础，能够给市政建设、水务及规划部门提供科学的理论依据和准确的设计参数[1-2]。柳州市属中亚热带季风气候，气候温暖、多雨，历史上多洪涝灾害[3-9]，防洪排涝工作尤其重要。本文以最新柳州市区暴雨强度公式为基础，采用芝加哥法分析研究柳州市设计暴雨雨型。

2 资料和方法

2.1 基本概念

暴雨雨型是指不同降雨历时内的暴雨强度随时间变化的特征，以不同降雨历时的降雨过程线型表达。

2.2 降雨资料

本文降雨原始资料采用柳州国家气象观测站1975～2014 年共40a 的逐分钟降雨过程资料。本次降雨资料满足可靠性、一致性和代表性的要求。

2.3 选样方法

根据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》中的推荐，本文采用年最大值法选取短历时暴雨雨型分析降雨样本。选取降雨资料样本中各降雨历时雨量的逐年最大值的降雨场次，记录选定降雨场次过程开始时间及逐分钟降雨量，作为芝加哥法雨型统计的有效暴雨资料样本。

2.4 暴雨雨型推求方法和原理

根据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》中的推荐，本文采用芝加哥雨型分析法来分别推求柳州市区重现期2、3、5、10、20、30、50、100a 历时30、60、90、120、150 和180min 间 隔5min的短历时设计暴雨雨型。

芝加哥法雨型确定包括综合雨峰位置系数确定及芝加哥降雨过程线模型确定，具体流程如图1。

图1 流程图

式（1）、（2）中，A、b、n为一定重现期下暴雨强度公式中的参数，r 为综合雨峰位置系数，是根据每场降雨不同历时峰值时刻与整个历时的比值而加权平均确定的，r位于0～1之间。在求出综合雨峰位置系数r之后，可利用公式（1）、（2）计算芝加哥合成暴雨过程线各时段（以5min 计）的累积降雨量及各时段的平均降雨量，进而得到每个时段内的平均降雨强度，最终确定出对应一定重现期及降雨历时的芝加哥法雨型[10-11]。

3 主要研究结果

3.1 短历时暴雨雨型分析降雨样本确定

统计柳州1975～2014年共40a降雨资料样本中各降雨历时雨量的逐年最大值的降雨场次，将30、60、90、120、150、180min 的最大降雨过程样本，以5min 为间隔进行分段，统计降雨过程的降雨量、5min雨量、峰形和雨峰系数。

经分析统计，柳州1975～2014年逐年各历时最大降雨过程中单峰降雨次数占50%～82.5%降雨峰值在降雨过程前、中部的场次占77.5%～95%。可见，单峰雨型所占比例最大，双峰雨型所占比例较小，其中历时30min 尤为显著，比例达到82.5%。说明在短历时的最大降雨过程样本中，大部分降雨场次为单峰型降雨，雨峰位于整场降雨过程的前、中部。

3.2 芝加哥法推求设计短历时暴雨雨型

《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》所推荐的芝加哥法是已假定短历时雨型为单峰型而后根据综合雨峰位置系数和暴雨强度公式来确定最终形态。根据这一条件，本文将使用芝加哥法来推求柳州市区各重现期短历时的设计暴雨雨型。

3.2.1 综合雨峰位置系数确定

经以上的统计分析，得出各短历时降雨过程的雨峰位置系数，根据各历时的雨峰位置系数按照各历时的长度进行加权平均，求出综合雨峰位置系数r，具体信息如表1。

表1 综合雨峰位置系数r

3.2.2 雨型分配结果

以柳州市暴雨强度公式[12-15]为基础，根据本文2.4节所介绍的芝加哥法原理，通过积分计算芝加哥合成暴雨过程线各时段（以5min 计）的累计降雨量及各时段的平均降雨量，进而得到每个时段内的平均降雨强度，最终确定出重现期2、3、5、10、20、30、50、100a 历时30、60、90、120、150、180min 的芝加哥法雨型。柳州市区重现期2a 短历时5min间隔的设计暴雨雨型分布图如图1。

从利用芝加哥法针推求柳州市区重现期2a 短历时5min 间隔的设计暴雨雨型分布图（见图2）可以发现，历时30～180min的峰值分别发生在第2、5、7、9、11、13 时段，雨峰处降雨强度值随历时的增加呈现“减小—增大—减小”的波动趋势，其中雨峰最大峰值出现在历时120min的雨峰时段。总观通过芝加哥法推求的柳州市区各重现期短历时的峰值、雨峰时段（见表2），相同重现期下雨峰处降雨强度值随历时的变化与2a 重现期一致，其中各重现期历时120min 雨峰所处第9 时段降雨强度分别为2.91、3.23、3.64、4.19、4.81、5.14、5.53、6.07mm/min。经分析对比，可以得出通过芝加哥法推求的柳州市区重现期3、5、10、20、30、50、100a 短历时设计暴雨雨型与重现期2a的形态一致，且各历时设计暴雨雨型雨峰位置基本处于整场降雨过程的1/3分位，但是各历时的降雨强度随着重现期的延长而增大[16]。

图2 芝加哥法推求柳州市区重现期2a短历时5min间隔的设计暴雨雨型分布图

4 结论

本文采用芝加哥法推求柳州市区短历时设计暴雨雨型，为今后柳州市城市排水防洪规划、建立城市防洪排涝标准提供技术支撑。主要结论有：

各重现期下相同降雨历时设计暴雨雨型的形态一致，各短历时雨型大体呈单峰型；各短历时设计暴雨雨型雨峰位置基本处于整场降雨过程的1/3分位，降雨强度随着重现期的延长而增大；相同重现期下雨峰处降雨强度值随历时的增加呈现“减小—增大—减小”的波动趋势且历时120min的雨峰峰值最大。

表2 芝加哥法推求柳州市区各重现期短历时（min）的峰值（mm）、雨峰时段（时段长：5min）