江苏盐城市设计暴雨雨型研究

吉建家 翟卫东 王昌平 陈红卫 杭庆丰

（1.江苏省水文水资源勘测局盐城分局 盐城 224051 2.江苏省盐城市节约用水办公室 盐城 224001）

1 前言

暴雨强度公式仅表示历时最大平均强度随历时递减的规律，并不直接给出暴雨强度过程，而不同的暴雨强度过程即雨型，对地面径流过程和调洪演算有重要影响。在城市排水除涝工程的规划设计中，设计暴雨是雨水管道系统设计的基础，应以当地的暴雨强度公式和设计雨型作为设计依据，除了考虑一定历时内的平均雨强之外，设计雨型（时程分布形态）也是重要的因素之一，它直接影响排水工程的投资预算和安全。

2 雨型研究条件的确立

2.1 降雨历时

降雨历时是选择雨型的关键之一。针对流域降雨径流形成原理，场次洪水主要由流域汇流时间内的降雨过程形成。因为设计雨型是为了确定具有调节作用的工程规模, 工程规模越大，调节作用越强，就要涉及较长历时的降雨雨型。考虑到这两方面因素及盐城市区具体情况，选取120min 作为设计雨型研究的降雨历时。

2.2 重现期

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》：“年最大值法计算的降雨重现期按2年、3年、5年、10年、20年、30年、50年、100年8 个重现期计算。精度检验重点为重现期2～20年区间”。

2.3 暴雨雨型统计样本

选取盐城站1982～2014年（33年）逐年历时在120min 以内的最大4～5 场次暴雨，作为设计雨型研究的基础资料。每场短历时降雨过程均按1min 进行摘录，计算机自动滑动挑选出场次降雨雨强最大部分，1982～2014年共摘录了133 场短历时暴雨降雨过程。

3 短历时暴雨雨型统计分析

国内外判断暴雨过程属于哪一种模式有两种方法，分别为目估法和模糊模式识别法。目估法是用计算机绘制每场降雨的过程直方图，目估判断属于哪种模式。此方法原理简单，易于识别，但由于影响降雨过程的因素相当复杂，不易准确判断，会出现人为的误差。模糊模式识别法是用时段雨量占总雨量的比例作为该场降雨的雨型指标，建立7 种雨型的模式矩阵。再分别计算每场实际降雨与7 种模式的贴近度，用择近原则判断每一场雨属于哪种雨型。7种雨型模式示意图见图1，图中纵坐标为降雨强度，横坐标为降雨历时。

将一场降雨划分为m 个相等的时段，每个时段的雨量占总雨量的比例为：

式中：△Hi为各时段雨量；Hz为总雨量。把这组xi作为该场降雨的雨型指标，并用向量表示：X=（x1，x2，…，xm）。

同样，7 种模式雨型也用这种指标表示：

这里vki与xi的意义相同，7 种模式也可写成矩阵形式。模式确定后，可计算出每场降雨与7 种模式的贴近度：

由择近原则，若第k 个贴近度σk最大，该场降雨就属于第k 种雨型。划分工作由计算机自动完成，避免了目估法存在的人为判断误差。

盐城市区短历时暴雨过程的雨型模式按照目估法和模糊模式识别法两种方法进行分析。经过对盐城站1982～2014年共33年的133 场短历时暴雨过程分析，绝大部分降雨过程模式的划分效果较好。对少数目估法与模糊模式识别法存在差异的暴雨过程，在划分时把两种方法相结合，使划分结果尽量合理，见表1。

图1 7 种降雨过程雨型模式示意图

从盐城站133 场降雨过程的雨型模式可见有以下一些规律：

（1）133 场暴雨中雨强大致均匀的降雨（第Ⅳ类）有6 场，占总场数的比例较小，仅为4.5%。因此，若假定均匀的降雨强度推求暴雨雨型，显然与大部分降雨不符。

（2）133 场暴雨中，单峰雨型的共有108 场（第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类），占总场数的次数较多，比例为81.2%。

（3）在108 场单峰降雨中，雨峰在中部和后部的有82场，占单峰降雨总场次的75.9%，雨峰在前部的相对较少，占单峰降雨总场次的24.1%。

（4）降雨历时小于60 min 的21 场次暴雨均为单峰型。

由于单峰型降雨雨量集中，易引起较大洪水，对城市防洪排涝影响较大，因此在雨型研究中重点考虑单峰雨型，同时将双峰、多峰以及均匀降雨的场次加入单峰的降雨场次进行综合分析。

4 设计暴雨雨型分析

设计暴雨的降雨过程（降雨强度随时间的分配）称为设计暴雨时程分配雨型。

4.1 雨型研究方法

此次盐城市区暴雨雨型研究按同频率不同历时平均雨强拟定设计暴雨雨型，即芝加哥法确定盐城市区短历时暴雨雨型。

由芝加哥法得到的设计雨型即为同频率设计雨型，由一定重现期下不同历时最大雨强复合而成，雨型的确定基于特定重现期下的IDF 关系曲线（降雨强度～历时～频率曲线）。

4.2 雨峰位置系数r 求解

芝加哥法雨型以暴雨强度公式为基础设计典型降雨过程。通过引入雨峰位置系数r 来描述暴雨峰值发生的时刻，将降雨历时时间序列分为峰前和峰后两个部分。

令峰前的瞬时强度为i（tb），相应的历时为tb，峰后的瞬时强度为i（ta），相应历时为ta。取一定重现期下暴雨强度公式形式为雨峰前、后瞬时降雨强度可由下式计算：

式（4）、（5）中：A=A1（1+clgP），A1、b、n 为 暴 雨强度公式中的参数；P 为重现期；r 为综合雨峰位置系数。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，r 在0～1 之间。

表1历时在120min 以内的暴雨过程雨型模式划分结果表

在求出综合雨峰位置系数r 之后，利用公式（4）、（5）计算芝加哥合成暴雨过程线各时段（以1min 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。

根据《盐城市暴雨强度公式修订报告》，在P—Ⅲ型频率曲线分布下，用1min 滑动摘录雨量修订得暴雨强度公式为：

选取盐城站1982～2014年共33年自记雨量资料，每年选取4～5 场降雨，共计133 场，以5min 为间隔进行分段，计算每场降雨的峰值时刻与整个历时的比值确定每场降雨过程的雨峰位置系数：

式中：r i为雨峰位置系数 ，ti为降雨峰值时刻 ，T i为降雨历时。

取全部场次暴雨雨峰位置系数的均值。经计算，133场降雨雨峰位置系数的算术平均值ri=0.439。

4.3 设计雨型计算公式

将盐城市暴雨公式及雨峰位置系数分别代入式（4）、（5）得到重现期P 为2a、3a、5a、10a、20a 设计雨型计算公式，若雨峰位置系数取133 场暴雨的均值，则有：

按式（8）、（9）计算得到盐城市市区重现期P 为2年的设计暴雨雨型见图2，其他重现期P 为3a、5a、10a、20a 设计雨型图依次类推。

不同重现期的最大5min、10min、……120min 的平均暴雨强度可由两种计算方法分别确定，即按降雨雨型公式和暴雨强度公式分别计算。经计算分析，两种计算公式得到的雨强计算结果一致，表明芝加哥方法求得的设计雨型即为同频率设计雨型。

5 结论与建议

图2 重现期2年设计暴雨雨型图

（1）设计暴雨雨型研究的资料年限并非越长越好，一般宜选用近期30～40年为佳。根据盐城市的实例分析，改革开放后，盐城于1983年建立地级市，城市规模逐步发展和扩大，使城区不透水面积比例大增，城市暴雨产生的径流量随之增加。因此，取用位于城区中心的盐城站1982～2014年计33年降雨量数据，可以满足暴雨雨型研究的需要。

（2）在33年共计133 场降雨中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类单峰型雨型占全部降雨场次的81.2%，Ⅳ类均匀型仅占4.5%，单峰型雨型占绝大多数。在单峰雨型中，雨峰偏中、后部的有82 场次，占总场次的比例为75.9%。雨峰发生在降雨过程中、后部的占大多数。

（3）由133 场暴雨求得雨峰峰前位置系数算术平均值为0.439，最大降雨强度发生在第53min。

（4）根据盐城市区设计雨型公式和暴雨强度公式得到的最大5min、10min……120min 的平均暴雨强度一致，表明芝加哥方法得到的设计雨型是同频率设计雨型。

（5）盐城市市区暴雨雨型研究报告是在1982～2014年盐城站自记降雨量资料基础上分析的成果，未来随着城市建设进展，地面硬质化程度将会不断增大，城市暴雨形态也会发生变化，建议每隔5～8年对暴雨雨型进行修订。

（6）随着“海绵城市”建设工作持续推进，城市建设应当考虑减少硬化面积比例，增加绿地比例，增大透水砖的铺装等，以期达到兼收并蓄和暴雨期间的排水畅通■