堯俊輝 鐘艷亭 周柏艷 余敏琳

南昌市水文局，江西南昌 330038

城市內(nèi)澇是指由于強(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過(guò)城市排水能力致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象[1]。而在現(xiàn)實(shí)生活中，往往會(huì)出現(xiàn)城區(qū)道路、小區(qū)內(nèi)積水嚴(yán)重，而河道內(nèi)湖的排澇泵站運(yùn)行時(shí)間較短無(wú)澇可排的現(xiàn)象，也會(huì)有城市道路等無(wú)積水，但城市內(nèi)湖、河道等水系出現(xiàn)澇水的情況，這就是排水與排澇設(shè)計(jì)銜接的問(wèn)題。

市政排水和水利排澇均與洪水流量直接相關(guān)，制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)本應(yīng)以設(shè)計(jì)洪水流量出現(xiàn)可能性的大小為依據(jù)，但由于排水和排澇涉及面積較小，一般無(wú)流量資料可直接利用，故間接由暴雨推求洪水以滿足設(shè)計(jì)要求。在這種情況下，洪水流量出現(xiàn)可能性的大小就體現(xiàn)在短歷時(shí)暴雨出現(xiàn)可能性的大小。在通常只考慮常態(tài)的產(chǎn)流和匯流，并期望暴雨發(fā)生的可能性和相應(yīng)洪水發(fā)生可能性一樣的前提下，把暴雨發(fā)生的可能性來(lái)衡量排澇與排水標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)是相適的。概率是表征事件出現(xiàn)的可能性的定量指標(biāo)，而在業(yè)界，相關(guān)主體往往會(huì)把直觀指標(biāo)重現(xiàn)期對(duì)事件出現(xiàn)的可能性進(jìn)行表述。所以當(dāng)前用設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期作為排澇與排水標(biāo)準(zhǔn)，是科學(xué)合理而又習(xí)慣的做法。

在水利系統(tǒng)與市政系統(tǒng)內(nèi)部，暴雨統(tǒng)計(jì)取樣有所不同，前者多用年最大值法，后者則是年多個(gè)樣法。也正因?yàn)槿绱?，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算之后得到的重現(xiàn)期有一定區(qū)別（本文用T1、T2分別代表市政和水利系統(tǒng)的重現(xiàn)期），二者的不一致帶來(lái)了一些工程設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，因此業(yè)界一直在探討二者的銜接問(wèn)題，也取得許多研究成果[2-10]。

本文將闡述T1和T2存異的根源，深入剖析統(tǒng)一的基礎(chǔ)，提出使上述兩個(gè)系統(tǒng)的重現(xiàn)期相統(tǒng)一的建議，以期為排澇與排水的科學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)造便利條件。

1 風(fēng)險(xiǎn)理念和選樣方法

1.1 風(fēng)險(xiǎn)理念

為形象地描述風(fēng)險(xiǎn)理念，舉一例說(shuō)明。假定為保護(hù)一排水區(qū)內(nèi)防護(hù)對(duì)象免遭水淹影響而受損，擬在該排水區(qū)出口處建一座排水設(shè)施。通過(guò)分析，該設(shè)施的設(shè)計(jì)暴雨采用30min短歷時(shí)降雨量，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是5年一遇。由當(dāng)?shù)刭Y料計(jì)算得出：5年重現(xiàn)期的30min短歷時(shí)降雨為42mm，以i0表示。暴雨發(fā)生后，30min降雨i大于i0的情況下，保護(hù)對(duì)象將面臨受損的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上一年內(nèi)出現(xiàn)暴雨的場(chǎng)次不止一次，取一年中列前兩位的暴雨場(chǎng)次，統(tǒng)計(jì)30min短歷時(shí)降雨量為i1和i2，分別表示年最大值和次大值。根據(jù)i1、i2以及i0之間的關(guān)系，可討論排水狀況及其防護(hù)對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)如下：

（1）i0＜i2＜i1；年次大30min短歷時(shí)暴雨比設(shè)計(jì)值大，說(shuō)明發(fā)生年最大和年次大短歷時(shí)降雨時(shí)，防護(hù)對(duì)象陷入水淹風(fēng)險(xiǎn)，即此年度防護(hù)對(duì)象至少遭受了兩次風(fēng)險(xiǎn)。

（2）i2＜i0＜i1；30min短歷時(shí)次大暴雨小于設(shè)計(jì)值，年最大超出設(shè)計(jì)值。在年最大值出現(xiàn)的時(shí)候，超出了排水設(shè)計(jì)能力，防護(hù)對(duì)象受損。然而在次大值發(fā)生的時(shí)候，并無(wú)風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)，即該年度內(nèi)防護(hù)對(duì)象經(jīng)歷一次破壞風(fēng)險(xiǎn)。

（3）i0＞i1＞i2；兩次都比設(shè)計(jì)值要小，很明顯排水系統(tǒng)運(yùn)行順暢，防護(hù)對(duì)象不存在風(fēng)險(xiǎn)。

上文僅僅是將一年內(nèi)兩場(chǎng)次暴雨為例予以說(shuō)明，年度內(nèi)多場(chǎng)次暴雨情況以此類推，意在為引出如下兩類風(fēng)險(xiǎn)理念。第一類稱年風(fēng)險(xiǎn)理念：一年中出現(xiàn)數(shù)次暴雨必有最大者imax，若imax＞i0，會(huì)引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)且僅當(dāng)最大者引起的風(fēng)險(xiǎn)才被確定為設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，而次大者引起的風(fēng)險(xiǎn)則不能計(jì)入（不管是否引發(fā)事實(shí)上的破壞風(fēng)險(xiǎn)）。第二類為次風(fēng)險(xiǎn)理念：當(dāng)發(fā)生了短歷時(shí)降雨超過(guò)設(shè)計(jì)值的降雨時(shí)就引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。如一年中出現(xiàn)n次此類暴雨，則意味著此年度出現(xiàn)了n次風(fēng)險(xiǎn)，都?xì)w屬于設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 選樣方法

風(fēng)險(xiǎn)理念不同，其相應(yīng)的選樣方法也存在差別，年風(fēng)險(xiǎn)理念強(qiáng)調(diào)，唯有被判定成年最大值的暴雨所衍生出的風(fēng)險(xiǎn)，才可歸入到設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)范疇。因此在分析的過(guò)程中，僅需把年最大值作為研究樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，年最大值選樣法由此產(chǎn)生和形成。次風(fēng)險(xiǎn)理念則強(qiáng)調(diào)，由于次暴雨值引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)歸入到設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)范疇。為準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)將次暴雨等諸多信息納入，因而在計(jì)算以及統(tǒng)計(jì)分析的樣本中須涵蓋次大暴雨等數(shù)據(jù)，也即采取年多個(gè)樣法進(jìn)行選樣。

2 選樣法和重現(xiàn)期

2.1 選樣法相應(yīng)的重現(xiàn)期

(i＞ i0)屬于隨機(jī)事件，用代表其可能性，它的倒數(shù)表示重現(xiàn)間隔長(zhǎng)度T，用次數(shù)進(jìn)行度量。比如的值為20%，其含義是指平均100次關(guān)于i的統(tǒng)計(jì)中發(fā)事件的次數(shù)是20，則表明事件重現(xiàn)的間隔長(zhǎng)度是5次，相當(dāng)平均間隔5次會(huì)重現(xiàn)1次，因?yàn)檫@時(shí)不存在任何時(shí)間概念，無(wú)法對(duì)事件的統(tǒng)計(jì)特征予以全面展現(xiàn)。如果要用時(shí)間度量重現(xiàn)間隔的長(zhǎng)度，必須認(rèn)真地研究分析時(shí)年重現(xiàn)期與次重現(xiàn)期二者的關(guān)系，當(dāng)前已有一些二者轉(zhuǎn)化方法的相關(guān)研究成果[5-10]，本文闡述如下：（1）年多個(gè)樣法。假設(shè)一年選K次（含年最大），那么各次間的時(shí)間平均長(zhǎng)度是1/K年，次與年之間的關(guān)系則為K與。如K的值為5，那么每次之間的時(shí)間長(zhǎng)度就是0.2年。由此可見(jiàn)，要想把以次度量的重現(xiàn)期間隔長(zhǎng)度轉(zhuǎn)變成以年度量的重現(xiàn)期，就一定要乘。那么基于年多個(gè)選樣法進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后得到的重現(xiàn)期T1（也稱市政系統(tǒng)的重現(xiàn)期）可用公示表示為：

（2）年最大值法。一年選一次最大者，次與次間隔平均為一年時(shí)間，此時(shí)對(duì)于重現(xiàn)間隔長(zhǎng)度不論是用年度量還是用次數(shù)度量所得的結(jié)果一致。比如，間隔4次重現(xiàn)1次，也即間隔4年才有1年重現(xiàn)。在每年選一次的樣本中，用表示年頻率，因此水利系統(tǒng)重現(xiàn)期T2可用如下公式表示：

對(duì)比上述兩個(gè)公式，若K的取值為1，即每年僅選一個(gè)樣，將次頻率轉(zhuǎn)換成年頻率即P次=P年，公式（1）轉(zhuǎn)化為：

式（2）和式（3）相同，說(shuō)明當(dāng)采取年最大值選樣時(shí)，T1與T2是相統(tǒng)一的。

2.2 不同選樣法重現(xiàn)期之間的關(guān)系

為便于說(shuō)明T1與T2之間的定量關(guān)系，本文采用南昌市城區(qū)外洲水文站1988～2017年30年的30min短歷時(shí)降雨資料，用上述兩種方法分別選樣（令K值為3），部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)下表1。利用下文所述方法估算T1與T2，并對(duì)二者的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的闡釋。

表1 兩類選樣法的選樣數(shù)據(jù)

關(guān)于P次和P年的計(jì)算有很多公式[11]。為清晰而簡(jiǎn)單明了地描述和說(shuō)明問(wèn)題，遂引用基于概率的古典定義出發(fā)的概率計(jì)算式[12]，即：

上式中N年、N次分別代表的是總年數(shù)和總次數(shù)，m年、m次為年最大選樣、年多個(gè)樣本法下的樣本各項(xiàng)從大及小的序號(hào)。把上面兩個(gè)公式分別代入到式（3）和式（4）得：

本例中N次為90，N年為30，m年由1～30，m次由1～90，根據(jù)上述推導(dǎo)公式不難計(jì)算T1和T2，并列于表1相應(yīng)格。從表1可知：序號(hào)30之后的僅列有年多個(gè)樣法的結(jié)果；在序號(hào)不超過(guò)5的情形時(shí)，兩類方法得到的數(shù)值都是一樣的；從序號(hào)6～30，重現(xiàn)期雖然是相同的，但短歷時(shí)雨量不同。

何序號(hào)5之后兩種方法的成果存在差異呢？由表1不難分析出是因?yàn)榇伺R界點(diǎn)后的年最大值的排序由于次雨量值的加入而后退——原本基于年最大法下位列第6的43.4mm，其在年多個(gè)樣法中將位列第9，因此30min短歷時(shí)降雨43.4mm在兩種樣本中的重現(xiàn)期分別為3.8a和5a。

雖然此處T1、T2都叫作以年計(jì)的重現(xiàn)期，然而從定義上看二者具有區(qū)別。前者T1的重現(xiàn)形式可加入次大值，也可僅是年最大值的形式，因此是多種形式的重現(xiàn)；而后者T2的重現(xiàn)形式屬于單一形式重現(xiàn)，僅是年最大值。所以針對(duì)同事件，究其原因是多形式重現(xiàn)的可能性要比單一形式重現(xiàn)大。

3 重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

從定義和數(shù)值上看，T1與T2都存在差異。為了深入分析二者優(yōu)劣，首要問(wèn)題就是要明白二者的目的。第2節(jié)案例中排水設(shè)施的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)用重現(xiàn)期表示，重現(xiàn)期越大，意味著風(fēng)險(xiǎn)減小但排水設(shè)施的工程造價(jià)越高，反之則意味著造價(jià)增加但防護(hù)對(duì)象面臨著更高的破壞風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)度與重現(xiàn)期存在著密切的聯(lián)系，增大重現(xiàn)期就能降低風(fēng)險(xiǎn)。

總之，T1所表征的風(fēng)險(xiǎn)不僅是特大值還包括多個(gè)次大值引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，T2則只是年最大值衍生出的風(fēng)險(xiǎn)。兩者存在著顯著差異，T1、T2的取舍是由設(shè)計(jì)目的也就是風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量的要求所決定的，所以排水和排澇的設(shè)計(jì)目的不同也導(dǎo)致其分別采用了T1和T2。

4 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的化異求同

筆者在上文中闡述了T1與T2之間的差異，要想做到化異求同，就要追溯源頭從理念、目的和基礎(chǔ)條件等處著手分析。

排澇設(shè)計(jì)與排水設(shè)計(jì)旨在科學(xué)地平衡好投資與風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，由于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，人民生活幸福指數(shù)日益提高，安全意識(shí)不斷增強(qiáng)，一年多次風(fēng)險(xiǎn)已不為社會(huì)公眾容忍，與此同時(shí)國(guó)力日趨強(qiáng)盛，在增加投資適當(dāng)提高工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)方面也具備了一定的條件?；诖吮尘?，應(yīng)盡量規(guī)避和減少各類風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)最終體現(xiàn)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上，降低風(fēng)險(xiǎn)就意味著要提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)從以下四方面闡述提高標(biāo)準(zhǔn)、降低風(fēng)險(xiǎn)的要求和途徑，與此同時(shí)，分析歸納現(xiàn)階段兩個(gè)并存標(biāo)準(zhǔn)化異求同的基礎(chǔ)。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)類型

上文談到了實(shí)體破壞風(fēng)險(xiǎn)與功能破壞風(fēng)險(xiǎn)，要降低風(fēng)險(xiǎn)就必須降低這兩種風(fēng)險(xiǎn)，即要降低包括水利系統(tǒng)和市政系統(tǒng)在內(nèi)的所涉風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量

前文談到了風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量的年風(fēng)險(xiǎn)與次風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于何種計(jì)量風(fēng)險(xiǎn)要降低，究竟是年風(fēng)險(xiǎn)？還是次風(fēng)險(xiǎn)？對(duì)此，要比照“降低風(fēng)險(xiǎn)”的最終目的是盡可能地規(guī)避或降低各種風(fēng)險(xiǎn)。為此，需要避免一年內(nèi)多次頻發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)并將其減少到多年發(fā)生一次，如此就要求在風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量時(shí)不統(tǒng)計(jì)年內(nèi)出現(xiàn)的多次風(fēng)險(xiǎn)而只將年中的一次風(fēng)險(xiǎn)計(jì)入。年中的一次風(fēng)險(xiǎn)是依據(jù)年最大值所決定的，所以，當(dāng)需要降低風(fēng)險(xiǎn)到多年一次時(shí)，須用年風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 重現(xiàn)期選擇

如果用年風(fēng)險(xiǎn)求算風(fēng)險(xiǎn)的話，那么和其匹配的重現(xiàn)期是T2——基于年最大值法選樣的重現(xiàn)期。

4.4 增大T2

由上文可推，提高標(biāo)準(zhǔn)、降低風(fēng)險(xiǎn)最終反映在增大T2上?，F(xiàn)階段日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都是用T2表示設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中，日本認(rèn)為T2的值處于5～10a的范圍內(nèi)，而美國(guó)的則處于10～15a的范圍內(nèi)。目前，我國(guó)在建設(shè)城市防洪排澇體系方面暴露出一些問(wèn)題[13-14]，迫切需要在制定科學(xué)的T2上下功夫。

總而言之，提高標(biāo)準(zhǔn)降低風(fēng)險(xiǎn)是當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公眾的客觀需求，為此需要細(xì)致地研究和找到化異求同的基礎(chǔ)。此處包括風(fēng)險(xiǎn)是指廣義層面上的風(fēng)險(xiǎn)，采用年風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)量，與之匹配的重現(xiàn)期是T2，增大T2則是提高標(biāo)準(zhǔn)的最終體現(xiàn)。因此，大家應(yīng)接受年風(fēng)險(xiǎn)理念，可以把年最大值選樣法納入到相關(guān)規(guī)范中，如水利系統(tǒng)的設(shè)計(jì)洪水規(guī)范明文規(guī)定暴雨和洪水系列由年最大值組成[15]，如此市政水利兩系統(tǒng)的排水和排澇設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)便統(tǒng)一了，化異求同也能實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前文的闡述分析，結(jié)論如下：

（1）用設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期的方式表示排水與排澇標(biāo)準(zhǔn)是合理可行的。

（2）從根本上看，基于年最大值法的重現(xiàn)期與基于年多個(gè)樣法的重現(xiàn)期之間存在差異，這主要?dú)w咎于二者源自的風(fēng)險(xiǎn)理念不同。

（3）在我國(guó)當(dāng)前狀況下，要提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加大設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期。對(duì)年風(fēng)險(xiǎn)理念和年最大值選樣法要加以肯定和逐步推廣。

（4）統(tǒng)一風(fēng)險(xiǎn)理念采取年最大值選樣法可實(shí)現(xiàn)兩種重現(xiàn)期的化異求同。