中小流域时雨型计算方法研究

许文涛,胡嗣望,何胜杰

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

1 概况

在五位一体总体布局建设进程中，洪水灾害依然是造成人口伤亡最多、经济损失最严重的自然灾害之一，防止洪水灾害一直都是我国水利工作的重要任务。我国中小流域除少数河流外，绝大多数河流都缺少流量资料，很难直接通过频率计算得到设计洪水，常通过设计暴雨推求设计洪峰流量[1,2]。为推求设计洪水过程线，需计算暴雨深随时间的变化过程，即时程分布雨型，简称为时雨型。我国水利部门习惯采用单位时段雨量△H随时间t的柱状图△H—t来描述时雨型[3]。

由于气候、下垫面等条件的变化、基础资料的累积及工程设计的实际需要等原因，需要对现有雨型进行分析研究。该文为方便中小流域规划设计工作，满足现有工程设计的需要，研究中小流域设计暴雨时雨型的计算方法。

2 典型区域暴雨特性分析

江苏省沂南地区位于新沂河以南、废黄河以北、西至中运河、东临黄海，涉及连云港、宿迁、淮安、盐城4个市的7个县。该地区处于暖温带向亚热带过渡区，降雨集中，汛期6—9月。下面以沂南地区为例，说明中小流域设计暴雨时雨型的计算方法。

2.1 基本资料的收集

雨量资料包括沂南地区嶂山闸站、穿城站、刘集站等25个雨量站，1960—2012年逐时雨量资料及史集、新店、小窑等13个雨量站1979—2012年逐时雨量资料。

2.2 频率计算

采用皮尔逊III型曲线描述雨量—频率—历时曲线。各重现期对应的设计雨量值见表1。

表1 历时—频率—雨量关系表mm

2.3 暴雨统计分析

在雨型分析中，首先对大暴雨逐一进行研究，分析暴雨特性。时雨型特征主要包括降雨量、最大雨强、雨峰位置、雨峰雨量占总雨量的比值、降雨历时等[4]。

为满足水利工程规划设计的要求，分别选取重现期大于5年的1 d暴雨（91.5 mm）、3 d暴雨（148.8 mm）作为样本进行分析。对样本分别按2—5年、5—10年、10—20年及20年以上4个等级标准，逐站对各次暴雨的降雨量、降雨时段数、最大雨强、主雨峰位置等降雨要素进行统计分析。各级标准的暴雨统计见表2。

表2 沂南地区暴雨特性统计表

结合表2，沂南地区1 d、3 d暴雨主雨峰均主要位于降雨中、后期，合计约占暴雨总数的89.6%。

在进行设计雨型计算时，样本选择的好坏直接影响着设计雨型的准确性。对于同一场暴雨，在同一分区内，如果各雨量站降雨的雨峰位置等暴雨特性基本相似，则只选择其中某一站降雨量最大者作为该分区的典型暴雨过程[5]。对于同一场暴雨，各分区选用的资料过多，则会造成某一次暴雨雨型权重过大，影响雨型的代表性。对于江苏省沂南地区，在对暴雨特性的分析过程中发现，相近雨量站的地形、气候等因素相似，各分区（以淮沭河、盐河为界分淮西、盐西、盐东三大区域）的各站降雨具有较强的一致性。

3 设计时雨型分析

研究一个地区暴雨的设计雨型，需要对暴雨资料进行整理，划分次暴雨过程。为将一场连续的降雨过程划分为独立的降雨场次，以进行暴雨雨型分析，采用最小时间间隔和规定的雨量值作为次暴雨划分标准[6]。研究区域性暴雨的时雨型，划分次暴雨过程最小时间间隔取为24 h。分区挑选典型大暴雨，通过定位分析和定量计算进行沂南地区暴雨时程分布雨型的研究。

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3.1 设计时雨型定位分析

设计时雨型定位分析采用典型暴雨概化法，以雨量重现期大于5年的暴雨作为总体，对于同一场暴雨，在分区内只选择其中某一站雨量最大者作为样本。共选出最大3 d暴雨样本33个、最大24 h暴雨样本24个，进行设计雨型的定位分析。

该文按时段统计各时段雨量所占总雨量的比例，最大3 d设计雨型取6 h为统计时段，最大24 h设计雨型取2 h为统计时段。按“短推长”方式选出最大3 d降雨过程及最大24 h降雨过程[7]。统计的内容包括主、次雨峰的个数及相对位置，主、次雨峰的连续降雨历时，主、次雨峰之间的时间间隔和停雨时段数，其他雨峰的时段数及位置等。统计结果见表3。

经统计分析。3 d时雨型采用双峰，降雨时段数9段：其中，雨量最大时段位于12时段中的第10段，雨量最大时段位于最大四时段中的第三段，主雨峰部分降雨时段数为5段；次雨峰位于主雨峰之前，12时段中的第4段，次雨峰部分降雨时段数为3段；主次雨峰相隔5段，停雨时段数为0。

24 h雨型采用三峰，降雨时段数10段：其中，雨量最大时段位于12时段中的第8段，主雨峰部分降雨时段数为3段；次雨峰位于主雨峰之前，12时段中的第3段；主次雨峰相隔4段，停雨时段数为0；其余降雨时段2段，雨峰位于第11段。

3.2 设计时雨型定量计算

时雨型的定量分配，主雨峰雨量所占比例由频率计算结果推算；其他时段雨量所占比例，以同一类型的定位统计样本为依据，将各场降雨的最大四时段（3 d雨型）或最大三时段（24 h雨型）对齐，其他时段雨量相应向前或向后整个移动，迭加平均；最后将计算结果根据定位分析结果进行概化。

按照上述方法，虽然将最大四时段（3 d雨型）或最大三时段（24 h雨型）对齐后迭加平均，但由于降雨雨量主要集中在主雨峰部分，两端雨量较小，故对时雨型定量分配的影响较小。

3.2.1 定量计算

定量计算采用固定时段同频率放大法，以固定时段同频率控制，以保持实测降雨的特性。最大3 d雨型固定时段取6，24，72 h，最大24 h固定时段取2，6，24 h。

最大3 d雨型时段分配结果列于表4，最大24 h雨型时段分配结果列于表5。

表3 沂南地区雨型定位统计表

表4 最大3 d雨型时段分配%

3.2.2 降雨历时调整

对迭加平均后所求得的雨量分配数，应根据定位分析所确定采用的雨峰数、时段数和停雨间隔等进行调整。雨型的最低点可以调整为0，位置可以前后移动。最后将调整后的概化雨型作为沂南地区设计雨型。

表5 最大24 h雨型时段分配%

经调整，最大3 d设计雨型、最大24 h设计雨型时段分配列于表6。

表6 设计暴雨雨型时段分配%

4 结语

以沂南地区为典型区域，研究中小流域设计暴雨时雨型计算方法，得到主要结论如下：

1）利用数理统计法研究沂南地区的暴雨特性，在分析暴雨特性的基础上利用典型暴雨概化法，通过定位分析、定量计算得到沂南地区最大3 d设计雨型和最大1 d设计雨型。期望该设计暴雨时雨型的研究过程为今后的中小流域设计暴雨时雨型研究提供思路。

2）运用数理统计方法与实测典型暴雨相结合的方法，充分考虑本地区已经发生过常见大暴雨的特性，计算得到的设计雨型具有一定的代表性和可靠性，在充分考虑各地区气候、地形等因素的基础上，可反映该区域的整体平均情况。