俏 娃，謝悅波

（1. 中工武大設(shè)計研究有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

基于數(shù)據(jù)庫的可能最大暴雨估算系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

俏 娃1，謝悅波2

（1. 中工武大設(shè)計研究有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

傳統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)通常以年鑒的形式刊印、存儲，因此在推求可能最大暴雨（PMP）時需要的水文氣象數(shù)據(jù)難獲得且不易查詢。數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)共享性，將數(shù)據(jù)庫技術(shù)與 PMP 估算相結(jié)合，建立基于數(shù)據(jù)庫的可能最大暴雨估算系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)計算，并對結(jié)果進行合理性分析，得出小于世界不同歷時的最大雨量記錄的外包線值的結(jié)果合理。采用數(shù)據(jù)庫進行標(biāo)準(zhǔn)化計算可以避免人為因素的誤差，也簡化計算過程。

可能最大暴雨（PMP）；數(shù)據(jù)庫；當(dāng)?shù)乇┯攴糯?；估算系統(tǒng)；暴雨移置

由于美國暴雨資料多，時間序列較長，而且地形條件相對比較簡單，因此水文氣象法是美國計算可能最大暴雨（PMP）最主要的方法。這種方法估算 PMP 結(jié)果以數(shù)據(jù)庫的形式存儲［1］，為用戶提供便捷，使眾多用戶共享數(shù)據(jù)。而中國由于暴雨資料系列較短，地形復(fù)雜，這種存儲形式不適用，因此，建立基于數(shù)據(jù)庫的可能最大暴雨估算系統(tǒng)，PMP估算軟件系統(tǒng)并不是將計算結(jié)果直接存儲到數(shù)據(jù)庫中，而是將計算所需數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，再輸入其他計算所需數(shù)據(jù)，最后得到所需要的 PMP 估算值。利用數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)計算，避免在計算過程中由于人為原因造成誤差，計算得到的結(jié)果經(jīng)過合理性檢驗后，由決策者根據(jù)實際情況的需要選取合適的結(jié)果。

1　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用 C# 編程語言，C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)，SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫，操作系統(tǒng)為Windows XP。

1.2數(shù)據(jù)來源及質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)主要包括約 500 臺站 1951—2011 年的日平均風(fēng)速、露點溫度和逐日雨量等資料，這些資料均是 NOAA 網(wǎng)站提供的氣象資料，同時還包含各個站點的高程資料。

數(shù)據(jù)質(zhì)量是數(shù)據(jù)庫建設(shè)中最為關(guān)鍵的因素，因此對錄入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)需進行質(zhì)量控制［2］。由于NOAA 網(wǎng)和氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)均提供部分相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，因此將二者提供的逐日雨量和風(fēng)速等資料各摘錄一部分進行“互交”，以達到質(zhì)量控制的目的，檢驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［3］。

2　數(shù)據(jù)庫推求 PMP 采用方法

2.1當(dāng)?shù)乇┯攴糯?/p>

2.1.1水汽效率放大

當(dāng)設(shè)計流域及鄰近地區(qū)缺乏特大暴雨資料，而有較大的實測或特大歷史暴雨洪水資料時，可采用水汽效率放大的方法［4］131推求 PMP，公式如下：

式中：Pm和 P 分別為 PMP 及典型暴雨量；ηm和 η 分別為可能最大效率及典型暴雨效率；Wm和 W 分別為可能最大和典型暴雨可降水量；t 為暴雨歷時；I為降雨強度。

2.1.2水汽風(fēng)速放大

對于風(fēng)速或入流指標(biāo)與相應(yīng)的流域平均雨量有正相關(guān)的趨勢，而且暴雨期間入流風(fēng)向和風(fēng)速比較穩(wěn)定的流域，可以考慮采用水汽風(fēng)速放大法［4］139，公式如下：

式中：υm和υ分別為可能最大和典型暴雨的風(fēng)速；

各場次典型暴雨合成風(fēng)速由下式得到：

數(shù)據(jù)庫中水汽效率和風(fēng)速放大在同一張表中輸出，當(dāng)?shù)乇┯攴糯笥嬎憬缑嫒鐖D 1 所示。

圖1　當(dāng)?shù)乇┯攴糯笥嬎憬缑?/p>

在利用數(shù)據(jù)庫進行當(dāng)?shù)乇┯攴糯笥嬎銜r，從界面中省份和臺站選項中選取典型暴雨的代表站，所選取的代表站會在已選站點中列舉出來。若在選擇代表站時出現(xiàn)錯誤，則只需選中錯誤的代表站，單擊“刪除所選站點”即可；需要重新計算則單擊“清空所有站點”按鈕，就會做出相應(yīng)操作。在日期選項中選取典型暴雨發(fā)生的時間，在選擇日期時可以直接手動輸入，也可以在下拉的時間表中選擇。高程是指設(shè)計流域的高程，雨量為典型暴雨雨量，歷時為所求 PMP 的歷時，這些數(shù)據(jù)直接輸入即可。由于數(shù)據(jù)庫中沒有歷年暴雨效率資料，因此 ηm默認為 0.1，但該值并不是固定值，可以根據(jù)實際情況填寫。最后單擊“開始計算”，當(dāng)?shù)乇┯攴糯蟪晒碇芯蜁@示水汽效率和風(fēng)速放大成果。

2.2暴雨移置

若設(shè)計流域缺少時空分布較惡劣的特大暴雨資料，則可以將氣象一致區(qū)的實測特大暴雨搬移過來，加以必要的改正，作為暴雨模式，然后再進行適當(dāng)?shù)姆糯?，以求?PMP［4］ 163。放大公式如下：

式中：WBm和 WB分別為設(shè)計區(qū)最大和典型暴雨可降水量；Z（足標(biāo)）為移置區(qū)的地面高程。

利用 PMP 估算數(shù)據(jù)庫進行暴雨移置放大，如圖2 所示。

界面中包含典型暴雨和設(shè)計流域，典型暴雨部分需要輸入的信息是所選取的移置對象所在區(qū)域的信息。在使用數(shù)據(jù)庫進行暴雨移置計算時，先選取典型暴雨的代表站，日期選項中選暴雨發(fā)生日期，典型暴雨所在流域高程填入高程項中，雨量為典型暴雨雨量。在設(shè)計流域中選取移置區(qū)的代表站，及設(shè)計流域的高程，單擊“開始計算”即可獲得移置暴雨放大成果。

2.3PMP 估算成果的合理性分析

在我國，推求 PMP 一般都要算幾種方案，最后通過綜合分析確定采用成果。但是，由于資料不足，某些氣象因子變化較大，往往難以準(zhǔn)確確定，各種方法計算的成果可能會有較大差距，因此要對成果進行合理性分析。通常采用以下幾種方法進行合理性分析：1）從基本資料和計算過程上檢查；2）與本流域歷史暴雨資料比較；3）與鄰近流域比較；4）與國內(nèi)外最大暴雨記錄比較；5）與國內(nèi)外已有 PMP 估算成果比較。

圖2　暴雨移置放大計算

在本數(shù)據(jù)庫中采用第 4 種方法，即用國內(nèi)外最大暴雨記錄進行比較。稀遇的特大暴雨，在某一固定的較小區(qū)域出現(xiàn)的幾率是較小的，但從大范圍來看，出現(xiàn)的幾率則較大。因此，可以把設(shè)計流域的PMP 與國內(nèi)外最大暴雨記錄作比較。這種比較應(yīng)考慮地理、地形及氣候等條件的差異。

世界不同歷時的最大雨量記錄的外包線，可以認為已接近于降水的物理上限，故所求得的 PMP一般不能超過它。世界氣象組織的 PMP 估算手冊中，已經(jīng)給出世界暴雨記錄的經(jīng)驗公式（WMO， 1973）［4］ 171，此式可作為 PMP 計算的上限，公式如下：

式中：Hw為雨深；t 為降雨歷時，有 3 種歷時單位，即 min，h，d。

在本數(shù)據(jù)庫中進行合理性檢驗采用的是將結(jié)果與國內(nèi)外最大暴雨記錄進行比較的方法，即將得到的結(jié)果與世界不同歷時的最大雨量記錄的外包線進行比較，超過該外包線的為不合理，在外包線以內(nèi)的為合理，最后的選值需要決策者根據(jù)實際情況進行選擇，中國和世界最大實測與調(diào)查點雨量歷時關(guān)系如圖 3 所示。

圖3　中國和世界最大實測與調(diào)查點雨量歷時關(guān)系

3　數(shù)據(jù)庫實際應(yīng)用

以安徽蕪湖核電站廠址 PMP 估算為例，運用本數(shù)據(jù)庫進行估算，對估算結(jié)果與原結(jié)果進行比較，驗證數(shù)據(jù)庫估算 PMP 的可靠性。

3.1當(dāng)?shù)乇┯攴糯?/p>

在推求設(shè)計流域 PMP 時，以安慶、南昌和杭州站為代表站，選擇暴雨資料完整、代表性較好、離蕪湖核電站廠址較近的蕪湖站作為控制站，選取蕪湖站從 1961—2005 年 45 場大暴雨進行水汽效率和風(fēng)速放大。將 45 場暴雨的日期、高程、雨量、歷時和 ηm等數(shù)據(jù)信息輸入相應(yīng)位置，每輸入 1 場暴雨，單擊“開始計算”后，該場次暴雨的放大成果就會列在當(dāng)?shù)乇┯攴糯蟪晒碇?，由此得到最后?PMP估算值，利用 PMP 估算數(shù)據(jù)庫計算得到的成果如圖 4所示。系統(tǒng)選取的 2 種方法計算得到的 PMP 值列在表的最下方，水汽效率放大的結(jié)果為 368.01 mm，水汽風(fēng)速放大的結(jié)果為 2 583.47 mm。

圖4　當(dāng)?shù)乇┯攴糯蟪晒?/p>

3.2暴雨移置

由于本數(shù)據(jù)庫只能進行定量計算，無法進行定性分析，因此暴雨移置的可能性分析要在計算之前進行，計算過程在數(shù)據(jù)庫中進行。將河南林莊“75.8”大暴雨［5］ 36和 1960 年江蘇潮橋 2 場暴雨［5］ 40移置到設(shè)計流域，這 2 個地區(qū)相距蕪湖核電廠芭茅山廠址較近，屬于同一氣候區(qū)，暴雨主要是由臺風(fēng)雨形成的，水汽均來源于東南方向太平洋?！?5.8”河南林莊暴雨 24 h 雨量達到 1 060.3 mm，1960 年江蘇潮橋暴雨 24 h 雨量達到 822.0 mm，暴雨中心完全可以直接移置到廠址中心。將 2 場典型暴雨選取的代表站、暴雨時間、高程和雨量值輸入到相應(yīng)位置，設(shè)計流域代表為蕪湖站，輸入高程和歷時值，單擊“開始計算”，在成果表中就會輸出暴雨移置后的成果。移置結(jié)果如圖 5 所示，最終得到的 PMP 估算值為 1 495.02 mm。

3.3PMP 估算合理性分析

此次利用數(shù)據(jù)庫推求 PMP 采用水汽效率放大、風(fēng)速放大和暴雨移置 3 種方法，利用數(shù)據(jù)庫對 3 種估算方法進行合理性檢驗，世界不同歷時的最大雨量記錄的外包線的值為 1 909.47 mm，其中水汽風(fēng)速放大方法的結(jié)果由于超過了世界不同歷時的最大雨量記錄的外包線，結(jié)果偏大不合理，不予考慮，當(dāng)?shù)乇┯晁史糯蟪晒鸵浦梅糯蟪晒咏詈蠼Y(jié)果可以根據(jù)實際情況從兩者中選 1 個。

圖5　2場暴雨移置成果

將原始 PMP 估算的結(jié)果與利用數(shù)據(jù)庫估算的結(jié)果進行比較，結(jié)果如表 1 所示，從表中可以看出水汽效率放大法的誤差最小，暴雨移置法的結(jié)果較為合理，而水汽風(fēng)速放大法誤差最大不能作為參考值，水汽效率的結(jié)果較為可信，可以作為參考值。

表1　2種計算結(jié)果比較

4　結(jié)語

本次建立的估算 PMP 的數(shù)據(jù)庫避免了因傳統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)難獲得且不易查詢的困難，將 PMP 估算與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，極大簡化了推求 PMP 的方式，縮短了推求 PMP 的時間，為今后的計算提供了便利。

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)主要是露點溫度和風(fēng)速資料，其中露點溫度為日平均露點溫度，這與常規(guī)計算方法中采用的持續(xù) 12 h 露點溫度不同，因此在計算結(jié)果中會有一些誤差，由于風(fēng)速資料并不是高空的風(fēng)速資料，故水汽風(fēng)速放大方法的誤差較大，一般不予采用。

重新分析計算安徽蕪湖核電廠的 PMP，并將原有的結(jié)果與數(shù)據(jù)庫計算的結(jié)果進行比較分析。經(jīng)過分析比較后，水汽效率放大法和暴雨移置法與原先結(jié)果較為接近，誤差較小，而水汽風(fēng)速放大法結(jié)果不合理，在世界外包線之外而無法使用。

PMP 估算數(shù)據(jù)庫現(xiàn)階段還有不足之處，還需要在實踐中不斷完善，補充數(shù)據(jù)，希望能在以后的研究中提高它的準(zhǔn)確性。

［1］ 章樹安，馬湛. 水文數(shù)據(jù)庫簡介［J］. 水利水文自動化，2000 （4）: 5-9.

［2］ 李志敏. 水文數(shù)據(jù)錄入的質(zhì)量控制［J］. 廣東水利水電，1999 （3）: 26-27.

［3］ 俏娃，謝悅波. 中國暴雨數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用［J］. 中國農(nóng)村水利水電，2013 （7）: 78-80.

［4］ 王國安. 可能最大暴雨和洪水計算原理與方法［M］. 北京：中國水利水電出版社，1999.

［5］ 王家祁. 中國暴雨［M］. 北京：中國水利水電出版社，2002.

Application of Probable Maxmum Precipitation Estimate System based on Database

QIAO Wa1， XIE Yuebo2
（1. Xinjiang Branch of CAMCE WHU Design & Research CO.， LTD.， Urumqi 830000， China；2. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China）

The traditional hydrological data are usually printed and stored in the form of yearbook. So it’s difficult to get and query hydrological and meteorological data when they are needed to calculate probable maxmum precipitation（PMP）. Database has the function of data sharing. Combining database technology with PMP estimate，it establishes probable maxmum precipitation estimate system based on database. Using the database doing unified standard the system calculates， and analyzes the results， gets that less than the world different maximum rainfall records of outsourcing line is reasonable. Using database to standardized calculation can avoid the error of the artificial factor，and simplify the calculation process.

Probable Maximum Precipitation； database； local rainstorm amplification； estimation system； storm relocat

P338；TV122+.1

A

1674-9405（2016）04-0020-06

10.19364/j.1674-9405.2016.04.005

2016-03-25

俏 娃（1986- ），女，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利規(guī)劃工作。