謝東,蘇小玲，劉蕾，梁春榮，劉洲榮，李煜，藍(lán)求，任樂

（柳州市氣象局,廣西 柳州545001）

1 前言

近年來，受全球氣候變化影響，極端降水事件頻發(fā)，諸多城市頻繁出現(xiàn)了嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害。引起城市雨澇災(zāi)害的原因是多方面的，其中一個(gè)重要方面是雨水排水的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)問題，而城市暴雨強(qiáng)度公式和設(shè)計(jì)暴雨雨型是排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要方面，是科學(xué)、合理地規(guī)劃設(shè)計(jì)城市排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠給市政建設(shè)、水務(wù)及規(guī)劃部門提供科學(xué)的理論依據(jù)和準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)[1-2]。柳州市屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫暖、多雨，歷史上多洪澇災(zāi)害[3-9]，防洪排澇工作尤其重要。本文以最新柳州市區(qū)暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)，采用芝加哥法分析研究柳州市設(shè)計(jì)暴雨雨型。

2 資料和方法

2.1 基本概念

暴雨雨型是指不同降雨歷時(shí)內(nèi)的暴雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化的特征，以不同降雨歷時(shí)的降雨過程線型表達(dá)。

2.2 降雨資料

本文降雨原始資料采用柳州國家氣象觀測(cè)站1975～2014 年共40a 的逐分鐘降雨過程資料。本次降雨資料滿足可靠性、一致性和代表性的要求。

2.3 選樣方法

根據(jù)《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》中的推薦，本文采用年最大值法選取短歷時(shí)暴雨雨型分析降雨樣本。選取降雨資料樣本中各降雨歷時(shí)雨量的逐年最大值的降雨場(chǎng)次，記錄選定降雨場(chǎng)次過程開始時(shí)間及逐分鐘降雨量，作為芝加哥法雨型統(tǒng)計(jì)的有效暴雨資料樣本。

2.4 暴雨雨型推求方法和原理

根據(jù)《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》中的推薦，本文采用芝加哥雨型分析法來分別推求柳州市區(qū)重現(xiàn)期2、3、5、10、20、30、50、100a 歷時(shí)30、60、90、120、150 和180min 間 隔5min的短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型。

芝加哥法雨型確定包括綜合雨峰位置系數(shù)確定及芝加哥降雨過程線模型確定，具體流程如圖1。

圖1 流程圖

式（1）、（2）中，A、b、n為一定重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度公式中的參數(shù)，r 為綜合雨峰位置系數(shù)，是根據(jù)每場(chǎng)降雨不同歷時(shí)峰值時(shí)刻與整個(gè)歷時(shí)的比值而加權(quán)平均確定的，r位于0～1之間。在求出綜合雨峰位置系數(shù)r之后，可利用公式（1）、（2）計(jì)算芝加哥合成暴雨過程線各時(shí)段（以5min 計(jì)）的累積降雨量及各時(shí)段的平均降雨量，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，最終確定出對(duì)應(yīng)一定重現(xiàn)期及降雨歷時(shí)的芝加哥法雨型[10-11]。

3 主要研究結(jié)果

3.1 短歷時(shí)暴雨雨型分析降雨樣本確定

統(tǒng)計(jì)柳州1975～2014年共40a降雨資料樣本中各降雨歷時(shí)雨量的逐年最大值的降雨場(chǎng)次，將30、60、90、120、150、180min 的最大降雨過程樣本，以5min 為間隔進(jìn)行分段，統(tǒng)計(jì)降雨過程的降雨量、5min雨量、峰形和雨峰系數(shù)。

經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)，柳州1975～2014年逐年各歷時(shí)最大降雨過程中單峰降雨次數(shù)占50%～82.5%降雨峰值在降雨過程前、中部的場(chǎng)次占77.5%～95%。可見，單峰雨型所占比例最大，雙峰雨型所占比例較小，其中歷時(shí)30min 尤為顯著，比例達(dá)到82.5%。說明在短歷時(shí)的最大降雨過程樣本中，大部分降雨場(chǎng)次為單峰型降雨，雨峰位于整場(chǎng)降雨過程的前、中部。

3.2 芝加哥法推求設(shè)計(jì)短歷時(shí)暴雨雨型

《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》所推薦的芝加哥法是已假定短歷時(shí)雨型為單峰型而后根據(jù)綜合雨峰位置系數(shù)和暴雨強(qiáng)度公式來確定最終形態(tài)。根據(jù)這一條件，本文將使用芝加哥法來推求柳州市區(qū)各重現(xiàn)期短歷時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨雨型。

3.2.1 綜合雨峰位置系數(shù)確定

經(jīng)以上的統(tǒng)計(jì)分析，得出各短歷時(shí)降雨過程的雨峰位置系數(shù)，根據(jù)各歷時(shí)的雨峰位置系數(shù)按照各歷時(shí)的長度進(jìn)行加權(quán)平均，求出綜合雨峰位置系數(shù)r，具體信息如表1。

表1 綜合雨峰位置系數(shù)r

3.2.2 雨型分配結(jié)果

以柳州市暴雨強(qiáng)度公式[12-15]為基礎(chǔ)，根據(jù)本文2.4節(jié)所介紹的芝加哥法原理，通過積分計(jì)算芝加哥合成暴雨過程線各時(shí)段（以5min 計(jì)）的累計(jì)降雨量及各時(shí)段的平均降雨量，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，最終確定出重現(xiàn)期2、3、5、10、20、30、50、100a 歷時(shí)30、60、90、120、150、180min 的芝加哥法雨型。柳州市區(qū)重現(xiàn)期2a 短歷時(shí)5min間隔的設(shè)計(jì)暴雨雨型分布圖如圖1。

從利用芝加哥法針推求柳州市區(qū)重現(xiàn)期2a 短歷時(shí)5min 間隔的設(shè)計(jì)暴雨雨型分布圖（見圖2）可以發(fā)現(xiàn)，歷時(shí)30～180min的峰值分別發(fā)生在第2、5、7、9、11、13 時(shí)段，雨峰處降雨強(qiáng)度值隨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)“減小—增大—減小”的波動(dòng)趨勢(shì)，其中雨峰最大峰值出現(xiàn)在歷時(shí)120min的雨峰時(shí)段。總觀通過芝加哥法推求的柳州市區(qū)各重現(xiàn)期短歷時(shí)的峰值、雨峰時(shí)段（見表2），相同重現(xiàn)期下雨峰處降雨強(qiáng)度值隨歷時(shí)的變化與2a 重現(xiàn)期一致，其中各重現(xiàn)期歷時(shí)120min 雨峰所處第9 時(shí)段降雨強(qiáng)度分別為2.91、3.23、3.64、4.19、4.81、5.14、5.53、6.07mm/min。經(jīng)分析對(duì)比，可以得出通過芝加哥法推求的柳州市區(qū)重現(xiàn)期3、5、10、20、30、50、100a 短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型與重現(xiàn)期2a的形態(tài)一致，且各歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型雨峰位置基本處于整場(chǎng)降雨過程的1/3分位，但是各歷時(shí)的降雨強(qiáng)度隨著重現(xiàn)期的延長而增大[16]。

圖2 芝加哥法推求柳州市區(qū)重現(xiàn)期2a短歷時(shí)5min間隔的設(shè)計(jì)暴雨雨型分布圖

4 結(jié)論

本文采用芝加哥法推求柳州市區(qū)短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型，為今后柳州市城市排水防洪規(guī)劃、建立城市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論有：

各重現(xiàn)期下相同降雨歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型的形態(tài)一致，各短歷時(shí)雨型大體呈單峰型；各短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型雨峰位置基本處于整場(chǎng)降雨過程的1/3分位，降雨強(qiáng)度隨著重現(xiàn)期的延長而增大；相同重現(xiàn)期下雨峰處降雨強(qiáng)度值隨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)“減小—增大—減小”的波動(dòng)趨勢(shì)且歷時(shí)120min的雨峰峰值最大。

表2 芝加哥法推求柳州市區(qū)各重現(xiàn)期短歷時(shí)（min）的峰值（mm）、雨峰時(shí)段（時(shí)段長：5min）