某片区暴雨强度及雨型分析

2022-10-18李新泉

地下水 2022年5期

李新泉

(河北省承德水文勘测研究中心，河北承德 067000)

0 引言

近年来，海绵城市的建设概念在全国城市建设及更新设计中逐渐推广开来。海绵城市是指在城市中建设防洪防涝并兼有生态环保功能的新型城市模型，即城市如同海绵一样，降雨时城市可以“吸水”，而非降雨时期则可“挤”出蓄存的雨水[1]。暴雨强度公式是海绵城市设计中雨水排水设计流量计算、城市排水管网设计和片区规划设计等工作的重要基础指标。因此暴雨强度公式的利用必须客观反映城市内研究区域的降雨特征与规律[2]。作为海绵城市设计的基础参数，暴雨强度公式及雨型分析对海绵城市设计及系统运行具有显著影响[3]。

暴雨强度公式是海绵城市排水系统规划、设计的重要依据[4]。芝加哥雨型计算法作为一种具有相对较高普适性的雨型分析手段，根据其合成的暴雨过程线被广泛地应用于国内外海绵城市排水工程分析过程[5]。谢东[6]等运用柳州国家气象观测站1975-2014年的降雨资料及芝加哥法模拟了柳州市区设计暴雨雨型，研究表明：各重现期下柳州相同降雨历时设计暴雨雨型的形态一致，降雨历时内雨型大体呈单峰型，且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。戴有学[7]等采用芝加哥雨型法，对临汾市城区短历时的暴雨雨型设计进行分析研究。研究结果表明：1981-2013年山西临汾短历时最大降水量年际变化较大，且随着降水历时的延长，临汾市年最大降水量极值有增大趋势。当暴雨重现期取值相同时，雨峰处降雨强度随着降雨历时的延长呈现处降低、增大、再降低的波动趋势，但峰值雨强差异较小。苏海龙[8]等使用过芝加哥雨型计算法及SWMM模型对西安小寨区域现状管网能力评估及积水点分析，研究结果表明：芝加哥法具有良好的通用性，可以高效准确地分析西安小寨区域在降雨历时内的暴雨强度，并为后续海绵城市设计提供基础数据。

然而尚未有利用暴雨强度公式及芝加哥雨型法分析降雨强度及雨型分析的报道。基于此，本文结合某区内排水系统工程项目，利用暴雨强度公式及芝加哥雨型分析法对研究区域内的不同降雨重现期下的暴雨强度及雨型进行分析。研究结果对理解不同暴雨重现期下的暴雨强度差异性及雨型变化具有一定的参考价值，为城市海绵城市规划及城市片区排水工程设计提供基础的理论指导。

1 研究区域概况

研究区域总面积为20 km2，该地区以地势南高北低，中部为平原，东西部为浅丘。中部为平坝区，占总面积的36%。该地区属亚热带季风性湿润气候。研究区域境内海拔差异小，气候变化不大，年温差2.5℃以内。

2 研究地区暴雨强度公式

暴雨强度公式在城市建设、城市建设及海绵城市规划等各个领域都发挥了重要作用。随着近年来中国城市化进程的加快以及全球气温持续变暖，国内城市化区域降雨特性变化很大，许多地区的极端降雨特性发生了明显的变化。气象部门联合住建部门修订的暴雨强度公式，为城市规划、控规编制、径流控制、“海绵城市”建设等提供重要科学依据。城市曲线暴雨强度公式如下式所示：

(1)

(2)

式中：i为暴雨强度(mm/min，mm/min或mm/ha，mm/hm2)；t为降雨历时(min，分钟)；P为重现期(年)。

本次计算降雨历时t取120min，重现期P取2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a。计算结果如表1所示。

3 研究区域降雨量模拟

3.1 芝加哥雨型模拟方法

芝加哥雨型计算法因其相对较高的普适性，被广泛地应用于国内海绵城市降雨分析过程。我国国内行业标准及地方雨量分析规定等也广泛地采用该方法。芝加哥雨型计算法是美国人Keifer与Chu研究出的一种应用在排水管网系统的雨量分析理论，该理论把平均强度转化成瞬时强度，进一步地，通过人工造峰即可求得，其中雨峰位置和研究区域的气候及水系情况相关。

表1 降雨强度表 mm/min

3.2 芝加哥雨型计算法原理

芝加哥雨型计算法其计算公式如下式所示：

(3)

式中：t为降雨历时；q为平均降雨强度；A，b，n等均为地方降雨参数。进一步地，降雨历时t地总降雨量：

(4)

式中：H为降雨总量，t时刻的降雨强度为：

(5)

t=ta+tb

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：r为雨峰相对位置参数，一般取值为0.3～0.5；tb表示峰后降雨历时；ta表示峰前降雨历时。根据相关文献报道，本研究模拟过程雨峰位置选取为0.4。

3.3 暴雨强度计算分析

基于暴雨强度计算公式，计算了2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a重现期下的暴雨强度值，暴雨历时为120 min。结果如图1所示。

图1 研究区域内暴雨强度

根据图2可以发现，在降雨历时区间为0～40 min内，重现期对暴雨强度强度地影响相对较大。具体来说，当降雨历时为10 min时，对应2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a重现期下的暴雨强度值分别为：1.557 mm/min、2.017 mm/min、2.337 mm/min、2.655 mm/min、2.841 mm/min、2.973 mm/min及3.075 mm/min，最高值与最低值之间地比值为1.97。进一步地，研究区域内暴雨强度随着降雨时长地增加，其暴雨强度变化逐渐趋于缓和。随着重现期从2 a增加到50 a，在经历120 min降雨历时内研究区域内的暴雨强度分别从2.135 mm/min、2.719 mm/min、3.145 mm/min、3.569 mm/min、3.816 mm/min、3.991 mm/min及4.127 mm/min，降低到0.415、0.541 mm/min、0.632 mm/min、0.722 mm/min、0.775 mm/min、0.812 mm/min及0.841 mm/min。与初期降雨量随着重现期不同而剧烈震荡相似，降雨历时末期的最大暴雨强度与最低暴雨强的比值为2.02。

表2 降雨量统计表

进一步地，如表2所示，其每公顷内降水量在研究区域内的汇水量分别为：1 386.1 mm、1 806.94 mm、2 110.88 mm、2 411.48 mm、2 588.5 mm、2 712.08 mm及2 808.94 mm。综上所述，尽管随着降雨历时的增加暴雨强度会进一步降低，并逐渐趋于稳定。然而，暴雨重现期依然对暴雨强度的计算起到关键作用。

3.4 芝加哥雨型分析

以研究区域内的暴雨强度公式为基础，根据芝加哥雨型计算原理及公式，进一步通过积分计算芝加哥合成暴雨过程线在降雨历时内的平均降雨量，进而得到在1～120 min降雨历时内，对应降雨重现期为2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a的芝加哥雨型。如图2所示，在0～120 min降雨历时内，雨峰的位置出现在48 min时。进一步地，在雨峰位置确定后，在雨峰位置所对应的降雨历时下，其峰值分别为：2.2785 mm/min、2.7721 mm/min、3.1455 mm/min、3.5189 mm/min、3.7373 mm/min、3.8923 mm/min及4.0128 mm/min。其最高值与最低值比值为1.76。研究片区内的雨型呈现先增加后降低的降雨趋势。