吳艷鳴，周 榮，田 立，黃智勇，楊 逸，郁 昱

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局，江蘇 南通 226000）

1 概述

近年來(lái)，城市暴雨內(nèi)澇事件頻發(fā)，暴雨總量、強(qiáng)度、時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)，給城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)乃至全社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。南通市位于長(zhǎng)江入?？诒眰?cè)，東抵黃海，南瀕長(zhǎng)江，三面環(huán)水，地勢(shì)低平，河網(wǎng)密布，暴雨災(zāi)害是南通市多發(fā)的氣象災(zāi)害之一。

在城市排水除澇工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)暴雨是雨水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，直接影響排水工程的投資預(yù)算和安全。為對(duì)南通市城市暴雨雨型研究，對(duì)城市排水、排澇設(shè)計(jì)提供可靠資料和技術(shù)支撐，2011年南通市編制了暴雨強(qiáng)度公式，采用主城區(qū)營(yíng)船港閘站1990—2011年共計(jì)22 a的年最大暴雨樣本，降雨歷時(shí)5～120 min，重現(xiàn)期2～20 a。隨著近年來(lái)氣候變化，城市熱島效應(yīng)日益增加，2011年編制的暴雨公式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前南通市的城市排水設(shè)計(jì)需求，因此本次取用相同站點(diǎn)1990—2020年共31 a的場(chǎng)次暴雨資料對(duì)南通市暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行重新修編，并對(duì)新編暴雨強(qiáng)度公式和2011年暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步分析氣候變化對(duì)南通市短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度的影響。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

南通市區(qū)水文基本站點(diǎn)從西北到東南依次有九圩港、南通閘、營(yíng)船港、新江海河等4個(gè)站點(diǎn)，九圩港和新江海河處于兩端位置，南通閘和營(yíng)船港閘站相對(duì)居中。營(yíng)船港閘雨量站設(shè)于1961年，為省級(jí)水文基本站網(wǎng)，位于南通市新城區(qū)與開(kāi)發(fā)區(qū)之間，其資料系列較長(zhǎng)，觀測(cè)場(chǎng)地及周邊地貌穩(wěn)定，其雨量資料能夠代表該區(qū)域歷年的降雨情況，且該觀測(cè)站采用人工、自記同步觀測(cè)，原始記錄資料完整，經(jīng)過(guò)真實(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性檢查與整編審核，資料可靠性較強(qiáng)。

2011年編制暴雨公式時(shí)間采用該站1981—2010年分鐘降雨數(shù)據(jù)。1981—2004年分鐘降雨數(shù)據(jù)為降雨自記紙信息化處理數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)降雨自記紙圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換處理獲得逐分鐘降雨資料；2004—2020年降雨資料為逐分鐘自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

此次編制最新暴雨公式取用該站1990—2020年分鐘降雨資料，采用1 min滑動(dòng)法摘錄每年5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min共11個(gè)時(shí)段的降水量年最大值。

2.2 暴雨公式推求方法

推求暴雨公式時(shí)，首先對(duì)降雨資料進(jìn)行選樣，再利用暴雨頻率分布曲線擬合適線建立i-t-lgTM關(guān)系，在此基礎(chǔ)上采用優(yōu)化算法求解暴雨公式參數(shù)，最后通過(guò)誤差檢驗(yàn)，得到暴雨強(qiáng)度公式。

2.2.1 降雨資料選樣

對(duì)暴雨資料進(jìn)行選樣是暴雨雨型分析的基礎(chǔ)和前提，主要有年最大值法、年超大值選樣法、超定量選樣法、年多個(gè)樣法等［1-2］。本次研究根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦使用的年最大值法，即從營(yíng)船港閘雨量站每年不同歷時(shí)各挑選1個(gè)最大值，各歷時(shí)年最大雨量除以歷時(shí)，得到逐年各歷時(shí)最大時(shí)段平均降雨強(qiáng)度。

2.2.2 理論分布線型選擇

目前，P-Ⅲ型、耿貝爾型、指數(shù)型等3種分布線型在城市暴雨強(qiáng)度公式的統(tǒng)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛［3-4］。根據(jù)區(qū)域水文統(tǒng)計(jì)規(guī)律，本次主要采用P-Ⅲ型分布曲線進(jìn)行暴雨強(qiáng)度頻率分析。

2.2.3 暴雨強(qiáng)度公式率定

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式為

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；t為降雨歷時(shí)，min；TM為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；A1、C、b、n為待定參數(shù)。

當(dāng)取式（1）中q的單位為mm/min時(shí)，暴雨強(qiáng)度公式變?yōu)?/p>

式中：i為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min；其他符號(hào)含義同前。

采用“高斯—牛頓法”求解式（2）中的待解參數(shù)。其中，樣本采用P-Ⅲ型分布得出的不同歷時(shí)的暴雨頻率計(jì)算成果，率定得到營(yíng)船港閘雨量站的暴雨公式參數(shù)。

考慮到目前南通市排水管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以低于20年居多，按照規(guī)范要求，在率定重現(xiàn)期2～100 a范圍的暴雨強(qiáng)度公式時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注重現(xiàn)期2～20 a點(diǎn)據(jù)的擬合精度。

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》（2014年），采用絕對(duì)均方根誤差（暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算得到的雨強(qiáng)與頻率計(jì)算得到的雨強(qiáng)的誤差平方和的平均數(shù)的開(kāi)方）來(lái)衡量暴雨強(qiáng)度公式的擬合精度。

3 新舊暴雨公式計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

利用營(yíng)船港閘站數(shù)據(jù)資料，優(yōu)選方法和結(jié)果，分別采用年最大值法和P-Ⅲ型分布曲線擬合出新暴雨強(qiáng)度公式，即：

經(jīng)檢驗(yàn)，對(duì)于短歷時(shí)下2～20 a共5種重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度，計(jì)算得到的新暴雨公式擬合絕對(duì)均方根誤差為0.042 mm/min，符合《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》的要求。

2011年編制的舊暴雨公式為

將營(yíng)船港閘站本次短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算的歷時(shí)5、10、15、20、30、45、60、90、120、180 min，重現(xiàn)期2、3、5、10、20 a的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度與2011年編制的暴雨強(qiáng)度公式的相應(yīng)成果進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 新編暴雨強(qiáng)度公式與舊暴雨強(qiáng)度公式的雨強(qiáng)差值比率

可見(jiàn)，新編暴雨強(qiáng)度公式與2011年暴雨強(qiáng)度公式相比，總體上比2011年公式雨強(qiáng)偏大19.5%，其中5～120 min雨強(qiáng)偏大17.6%，5～180 min雨強(qiáng)偏大從8.6%依次遞增到29.2%，150～180 min雨強(qiáng)偏大接近30%。

4 短歷時(shí)最大降水量年際變化

城市內(nèi)澇與暴雨情況息息相關(guān)，而極端降水的變化情況決定著城市排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)南通市營(yíng)船港閘站1981—2020年30、60、90、120 min逐年各歷時(shí)下的降水量變化情況進(jìn)行分析可知，隨年份推移各歷時(shí)降水量均呈增大趨勢(shì)，其中各歷時(shí)降水量極值均出現(xiàn)在2015年后，尤其是2016年以及2018年達(dá)到歷史降水量最大值。其中，1981—2020年各歷時(shí)年最大降水量的氣候傾向率為每10 a 0.55～1.19 mm，變化趨勢(shì)不明顯；1981—2011年各歷時(shí)年最大降水量的氣候傾向率為每10 a 2.53～3.03 mm，其中90 min歷時(shí)下的年最大降水量氣候傾向率最小；而1990—2020年各歷時(shí)年最大降水量的氣候傾向率為每10 a 5.81～8.37 mm，在所有年份區(qū)間中區(qū)間值最大，這說(shuō)明1990—2020年各歷時(shí)年最大降水量增加趨勢(shì)最為顯著，且隨著降雨歷時(shí)的增大越來(lái)越明顯。

為進(jìn)一步分析近年來(lái)南通市短歷時(shí)降水量的變化，由各歷時(shí)下降水量均值的對(duì)比（表2）可知，1990—2020年各歷時(shí)的降水量對(duì)比1981—2011年均呈明顯增大趨勢(shì)，歷時(shí)30、60、90、120 min前者比后者分別偏大20.15%、24.64%、25.67%、26.55%，1990—2020年120 min歷時(shí)的平均降水量達(dá)到了62.65 mm。

表2 各短歷時(shí)下多年平均降水量

5 結(jié)論

為適應(yīng)當(dāng)前南通市的城市排水設(shè)計(jì)需求，利用南通市代表雨量站營(yíng)船港閘站1990—2020年的數(shù)據(jù)資料，優(yōu)選方法和結(jié)果，采用年最大值法和P-Ⅲ型分布曲線擬合得到最新的暴雨強(qiáng)度公式，精度滿足導(dǎo)則要求，公式貼近近年來(lái)南通市降水量的實(shí)際情況。

將新暴雨強(qiáng)度公式與2011年采用相同站點(diǎn)1981—2011年數(shù)據(jù)資料編制的公式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)新編公式總體上比2011年公式雨強(qiáng)偏大19.5%，且隨著降雨歷時(shí)的增加差值呈增大趨勢(shì)，其中5～120 min雨強(qiáng)偏大17.6%，150～180 min雨強(qiáng)偏大接近30%。1990—2020年各歷時(shí)年最大降水量增加趨勢(shì)最為顯著，且隨著降雨歷時(shí)的增大越來(lái)越明顯。資料年限同樣為30年的情況下，1990—2020年各歷時(shí)的降水量對(duì)比1981—2011年均呈明顯增大趨勢(shì)，歷時(shí)120 min前者比后者偏大26.55%。