基于城市下垫面产汇流视角的盱眙县极值雨型和最大径流关系分析

刘 松, 侯钧宇, 戴 晶, 徐 昕, 徐 顺

(1.淮安市水利工程建设管理服务中心, 江苏 淮安 223005; 2.淮阴师范学院 地埋科学与规划学院, 江苏 淮安 223300)

0 引言

我国近70%的陆地面积存在着不同程度的洪水灾害[1],由于西高东低的地形有利于洪水向下游地区快速汇集,加之东部地区地形平坦,城市化水平较高,人口密集,经济发达,因而受到的洪水危害较为严重[2-3]．然而,快速的城市化扰乱和破坏了自然水循环和天然下垫面,严重影响了流域的产汇流规律,导致了一系列城市水问题的出现,城市水管理面临前所未有的挑战[4-5]．城市化进程改变了区域小气候和城市下垫面,导致降水、蒸发和径流等水文循环过程的变化[6]．诸多学者主要利用水文气象观测、历史观测和小型城市集水区的分布式水文模型,研究因快速城市化进程而导致的降水、蒸发和径流等的变化．城市化对降水的影响,主要表现在城市极值降水发生的频次增多,且降水呈现出季节性和区域性分布的特征．城市化进程改变了区域小气候和城市下垫面状况从而引起了蒸发量发生了改变[7-9]．城市化对径流的影响,主要是由于城市排水系统、地表渗透系数、地表粗糙度系数和地下水位变化导致的集水区路径的变化,从而导致城市径流过程的重大变化[10-12]．

城市化改变了流域内的产流和汇流过程,有学者认为,传统的土地利用产品不能有效地识别不透水表面,进而导致低产流量[13-19]．有学者将城市下垫面细化为6种单元,不同的水文响应单元对应特定的水文反应过程,然后再运用相应的理论和方法来描述降水的形成和汇流过程[20]．城市的产汇流机制对于研究城市极值降雨雨型和最大径流关系具有重要参考价值．

本文基于理论分析、数据分析和模型模拟方法,对盱眙县极值雨型和最大径流关系的关键性问题进行深入分析,借助数据分析对盱眙县降水和蒸发的年际与年内变化、盱眙县最大日降水量的年际变化、逐小时及逐分钟的降水变化规律、年径流总量控制率对应的设计降水量之间的关系进行了研究,提高对城市复杂的下垫面条件及极值降雨雨型与最大径流关系的认识,对于促进我国海绵城市建设及城市给排水管网的规划建设具有一定的参考价值．

1 研究概况

盱眙县位于长江三角洲地区,位于江苏省淮安市西南部,地处32°N和118°E．东北部地势较低,有许多平原分布,西南部地势较高,有低山和丘陵分布.地势呈现出阶梯状倾斜,海拔高度相差约为223 m(如图1所示)．盱眙县地形种类多样,包括低山、丘陵和平原．盱眙县的河流和湖泊的分布也较多,淮河流经盱眙县,县城北部与洪泽湖接壤．盱眙县水路纵横,有流域性河道:淮河和入江水道以及多条区域性河道．盱眙县还分布有许多湖泊,如:洪泽湖、七里湖、猫耳湖、四山湖等．全县水域面积约为428 km2,其中全县河湖面积约295 km2,水库和池塘面积约133 km2,水域面积共占全县总面积的5.43%．

图1 研究区概况

盱眙县位于北亚热带和暖温带的过渡地带,属于湿润季风气候．盱眙四季分明,夏季天气炎热,最高温度可达39℃,冬季较为寒冷,最低气温可低至-12℃,自然降水量丰富,降水主要集中在7-9月．盱眙县由于受到季风气候的影响,降水量在年内的分配不均匀,极易发生洪涝灾害,是人口密集的防汛核心区域．

由于城市产汇流机理的研究必须要对确定的区域进行模拟实验并通过实例研究后再进行多尺度的推广应用．考虑到雨水资源管理的区域特性,为了与海绵城市的规划建设形成高精度的匹配,因此将自然和特定的行政区域结合起来,促使研究成果进一步落地和转化．所以,本文选择盱眙县作为案例区进行研究(如图2所示)．境内气象站为国家气象局的基本站(编号:58138),地处32.98°N,118.52°E,海拔为40.8 m．

图2 1957-2020年盱眙县逐年降水量变化曲线

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究数据主要为地形雨降水蒸发等数据,淮安市DEM高程数据:来源于地理空间数据云(www.gscloud.cn);1957-2020年共64年的盱眙气象观测站的日降水数据; 2011-2021年共11年的盱眙气象观测站1-12月的逐时降水数据;2011-2021年共11年的盱眙气象观测站逐分钟降水数据．

2.2 研究方法

2.2.1 极值降水资料选样方法

根据2011-2021年共11年的盱眙气象观测站逐小时和逐分钟降水数据,选取极值降水数据样本．具体步骤为: 1) 根据每个降水事件的持续时间,选取盱眙县不同降水时段下,符合极值降水量对应的所有降水场次; 2) 将挑选出来的所有降水场次,按照降水总量进行降序排列．按照气象部门的标准,规定1 h降水总量≥16 mm、12h降水总量≥30 mm 或 24h降水总量≥50 mm称为极值降水．因此,本文将日降水量≥50 mm记为一个极值降水日．根据规定,有降水发生的定义是,1h的降水量要>0.1 mm．在分析极值降水的日变化时,若某一场降水中最大1h降水量≥16 mm则将这场降水记为一场极值降水．

2.2.2 利用Excel软件统计分析数据

采用Excel软件,计算盱眙县年径流总量控制率对应的设计降水量．具体步骤如下: 1) 将盱眙县1957-2020年共64年的日降水量数据,按关键字“降水量”列数值的大小,进行升序排列．在删除无效降水量数据(降水量≤2 mm)后,得到了共1349行的有效日值降水量数据集; 2) 将得到的有效日降水量数据集在A列中进行升序排序,在B列中填入序号系列,从1-1349;3) 在C列中编辑公式“=(SUM(＄A＄1:A1)+(1349-B1)*A1)/(SUM(＄A＄1:＄A＄1349))”,将C列单元格格式设置为百分比,保留小数位2位; 4) 选择A列(设计降水量)和C列(年径流总量控制率)两列,删除两列中的重复数据后,即可得到最终结果．

2.2.3 芝加哥雨型法

采用芝加哥雨型法确定盱眙县的雨型,主要包括以下几个步骤: 1) 推求综合雨峰位置系数．先将所有极值降水过程数据样本,以5 min为间隔进行划分;然后,按照公式:“降水峰值时刻/降水历时”,计算出所有极值降水样本的雨峰位置系数;接着,计算相同历时的降水样本的平均雨峰位置系数;最后,对不同降水历时的雨峰位置系数求加权平均数,得到一个最终的r值． 2) 推求极值降水强度公式．极值降水选样方法为年最大值法,再采用皮尔逊Ⅲ型分布对频率进行拟合分析,最后使用高斯-牛顿法计算极值降水强度公式中的参数．3) 利用极值降水强度公式推求芝加哥法雨型公式． 4) 根据芝加哥法雨型公式,得到不同降水时段的累计降水量和平均降水量,最后得到不同的降水历时和相应重现期的芝加哥法雨型．

3 结果与分析

3.1 降水量年际和年内变化

3.1.1 降水年际变化

盱眙气象观测站1957-2020年降水量变化如图2所示. 盱眙县的年平均降水量约为1 015 mm,降水主要集中在6-9月,其6-9月的降水量约占盱眙县全年总降水量的63%．盱眙县降水量的年际变化相差很大,其中最大年降水量出现在1991年,1991年降水量达到1 757.1 mm;最小年降水量出现在1978年,1978年的降水量仅有497.0 mm,即最大和最小降水量之间相差近3.5倍,由此可见盱眙县降水量的年际变化相差之大．此外,从1957-2020年盱眙县逐年降水量变化曲线图中还可以看出,盱眙县2011-2021年的年降水量呈现出增长的趋势．

3.1.2 降水量年内变化

从盱眙县64年的逐月降水量变化可以看出(图3),盱眙县发生极值降水的月份为5-10月,主要集中在7-8月,其中7月最为突出,8月次之．7月是降水量最大的月,其降水量为238.3 mm,7月的平均降水量约占全年总降水量的24%．8月次之,为167.7 mm,其平均降水量约占全年总降水量的17%．7月和8月合计降水量约占全年总降水量的40%．盱眙县最低的降水量出现在冬季,其中12月的降水量在一年中达到最小,12月的降水总量仅为22.9 mm(图3)．从图3中还可以发现,7月和8月的降水量大于蒸发量,其中以7月降水量与蒸发量的差额最为突出;剩余的月份均为蒸发量大于降水量．

图3 1957-2020年盱眙县逐月降水量与蒸发量变化曲线

3.2 最大日降水量年际变化分析

盱眙县1957-2020年的最大日降水量的平均值约为45 mm,其中1970年7月27日的最大日降水量达到了64年中的最大值,其降水量为233.2 mm;1978年6月16日的最大日降水量为64年中的最小值,其最大日降水量仅有40.4 mm(图4)．

图4 1957-2020年盱眙县逐年最大日降水量变化曲线

图5 盱眙县120 min模式雨型

3.3 逐小时与逐分钟降水雨型分析

3.3.1 逐分钟降水变化分析

降水雨型反映了降水强度在一段时间内的分布．一般来说,一场降水在时间上的分布并不均匀,降水强度会随时间而变化．在一场极值降水过程中,降水强度随时间变化的过程就是雨型．极值降水强度公式反映了一个地区的降水规律,是城市排水和防洪工程设计与建设的重要依据．

盱眙县的极值降水强度公式采用:

q=19.205(1+0.665lgP)/(t+19)0.758

(1)

式中:q为暴雨强度(m3/s);p为设计降雨的重现期(a);t为汇流时间(min).

国内外许多学者对降水雨型进行过研究,并提出了不同的方法来确定短历时降水雨型,如:芝加哥雨型法、Huff雨型法、不对称三角形雨型法、SCS雨型法等．芝加哥雨型是住建部和中国气象局联合编制的导则中推荐的一种推算短历时极值降水雨型的方法,该方法推算简便,效率高,应用基础较好．因此,本文采用芝加哥雨型法,设计盱眙县短历时极值降水雨型．

由芝加哥雨型法的技术流程可知,确定该雨型首先需要推求出极值降水强度公式和综合雨峰位置系数r值,然后再根据极值降水强度公式和r值,得出盱眙县的设计雨型．基于前述盱眙县极值降水强度公式,需要确定综合雨峰位置系数r值．本文根据2011-2021年共11年的逐分钟降水数据,以5 min为间隔,统计出盱眙县极值降水过程的综合雨峰位置系数为0.4．确定r值之后,则可利用公式计算合成出盱眙县对应一定重现期120 min模式雨型(表1)．

表1 盱眙县120 min模式雨型(mm/min)

历史资料的统计结果显示,盱眙县一年一遇最大120 min设计降水量为 54.9 mm,两年一遇最大120 min设计降水量为65.8 mm,三年一遇最大120 min设计降水量为72.1 mm,五年一遇最大120 min设计降水量为80.1 mm,十年一遇最大120 min设计降水量为90.9 mm．根据芝加哥雨型法(r=0.4),对盱眙县不同重现期120 min短历时雨型进行分析.研究结果如表1和图6所示．

图6 盱眙站2011-2021年最大1、3、6、24 min雨量统计图

3.3.2 逐小时极值降水变化分析

采用盱眙站2011-2021年共11年的极值降水统计资料,分析得到盱眙县逐年最大1、3、6、24 min的降水量统计,如图6和表2所示．可见,逐年最大1、3、6、24 min的降水量具有较图6 盱眙站2011-2021年最大1、3、6、24 min雨量统计图

表2 盱眙站2011-2021年最大1、3、6、24 min雨量统计表

大的变幅特征,总体为时长越短,最大时长降水量变幅与波动越小,如1 min的醉倒降水量,而3、6、24 min的最大降水量总体变幅与波动皆偏大．

3.4 年径流总量与设计降水量关系分析

年径流总量控制率是海绵城市规划与建设的一个重要设计参数．年径流总量控制率是指通过自然和人工等措施,加强雨水的渗透、蒸发、蒸腾和储存,得到的控制降水量占全年总降水量的百分比,以确保城市排水安全,避免洪涝灾害,实现全年的雨水无需再向外排放[21-22]．根据《海绵城市建设技术指南:低影响开发雨水系统构建(试行)》中的分析方法,对盱眙县1957-2020年共64年的日降水数据进行分析处理,得到盱眙县年径流总量控制率与设计降水量之间的关系(图7)．由图7可以看到,与8个年径流总量控制率(60、65、70、75、80、85、90和95%)相对应的设计降水量大小(表3)．

表3 盱眙县年径流总量控制率分别对应的设计降水量

图7 盱眙县年径流总量控制率对应的设计降水量散点图

由表3可知,与60、65、70、75、80、85、90和95%这8个控制率分别对应16.3、18.9、22.7、27.4、32.4、40.6、51.7和71.5 mm的设计降水量．由此可以得出结论:随着盱眙县年径流总量控制率的提高(由60%提高至95%),当控制率每提高5%时,相应的设计降水量的增加值分别为:2.6、3.8、4.7、5、8.2、11.1和19.8 mm．这表明,年径流总量控制率的增高,其对应的设计降水量也在增高,且增速越来越快．可以看出并非年径流总量控制率越大,城市的雨水管理就越好,应从经济角度选择一个适中的控制率,有效减少城市的雨水径流,同时避免因设施规模过大而降低投资效益．

4 结论

选取江苏省淮安市盱眙县作为研究区域,运用文献研究法、芝加哥雨型法及利用Excel软件统计分析水文数据,对盱眙县的降水时间变化规律及极值降水雨型进行研究．主要结论如下:

1) 1957-2020年,盱眙县的年均降水量为1 015 mm,且呈波浪上升趋势,降水主要集中在7-8月,占比40%;年均蒸发量为1 335 mm,其中6月的蒸发量为全年最大值,占比12.7%;

2) 1957-2020年,盱眙县逐年的最大日降水量的平均值约为45 mm,其中1970年7月27日的降水量达到了64年中的最大值,其降水量为233.2 mm;1978年6月16日的降水量为64年中的最小值,其降水量仅有40.4 mm;

3) 本文采用芝加哥雨型法研究盱眙县短历时降水雨型,确定综合雨峰位置系数为0.4,在120 min降水过程中,降水强度呈现出“单峰型”分布的特征;

4) 随着盱眙县年径流总量控制率从60%提高到95%,对应的设计降水量从16.3 mm提高到71.5 mm,且设计降水量的增加速度趋快．