李新泉

(河北省承德水文勘測(cè)研究中心，河北 承德 067000)

0 引言

近年來(lái)，海綿城市的建設(shè)概念在全國(guó)城市建設(shè)及更新設(shè)計(jì)中逐漸推廣開(kāi)來(lái)。海綿城市是指在城市中建設(shè)防洪防澇并兼有生態(tài)環(huán)保功能的新型城市模型，即城市如同海綿一樣，降雨時(shí)城市可以“吸水”，而非降雨時(shí)期則可“擠”出蓄存的雨水[1]。暴雨強(qiáng)度公式是海綿城市設(shè)計(jì)中雨水排水設(shè)計(jì)流量計(jì)算、城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和片區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)等工作的重要基礎(chǔ)指標(biāo)。因此暴雨強(qiáng)度公式的利用必須客觀反映城市內(nèi)研究區(qū)域的降雨特征與規(guī)律[2]。作為海綿城市設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)，暴雨強(qiáng)度公式及雨型分析對(duì)海綿城市設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行具有顯著影響[3]。

暴雨強(qiáng)度公式是海綿城市排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[4]。芝加哥雨型計(jì)算法作為一種具有相對(duì)較高普適性的雨型分析手段，根據(jù)其合成的暴雨過(guò)程線(xiàn)被廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外海綿城市排水工程分析過(guò)程[5]。謝東[6]等運(yùn)用柳州國(guó)家氣象觀測(cè)站1975-2014年的降雨資料及芝加哥法模擬了柳州市區(qū)設(shè)計(jì)暴雨雨型，研究表明：各重現(xiàn)期下柳州相同降雨歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型的形態(tài)一致，降雨歷時(shí)內(nèi)雨型大體呈單峰型，且相同重現(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)。戴有學(xué)[7]等采用芝加哥雨型法，對(duì)臨汾市城區(qū)短歷時(shí)的暴雨雨型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明：1981-2013年山西臨汾短歷時(shí)最大降水量年際變化較大，且隨著降水歷時(shí)的延長(zhǎng)，臨汾市年最大降水量極值有增大趨勢(shì)。當(dāng)暴雨重現(xiàn)期取值相同時(shí)，雨峰處降雨強(qiáng)度隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)呈現(xiàn)處降低、增大、再降低的波動(dòng)趨勢(shì)，但峰值雨強(qiáng)差異較小。蘇海龍[8]等使用過(guò)芝加哥雨型計(jì)算法及SWMM模型對(duì)西安小寨區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)能力評(píng)估及積水點(diǎn)分析，研究結(jié)果表明：芝加哥法具有良好的通用性，可以高效準(zhǔn)確地分析西安小寨區(qū)域在降雨歷時(shí)內(nèi)的暴雨強(qiáng)度，并為后續(xù)海綿城市設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

然而尚未有利用暴雨強(qiáng)度公式及芝加哥雨型法分析降雨強(qiáng)度及雨型分析的報(bào)道?；诖?，本文結(jié)合某區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)工程項(xiàng)目，利用暴雨強(qiáng)度公式及芝加哥雨型分析法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的不同降雨重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度及雨型進(jìn)行分析。研究結(jié)果對(duì)理解不同暴雨重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度差異性及雨型變化具有一定的參考價(jià)值，為城市海綿城市規(guī)劃及城市片區(qū)排水工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域總面積為20 km2，該地區(qū)以地勢(shì)南高北低，中部為平原，東西部為淺丘。中部為平壩區(qū)，占總面積的36%。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。研究區(qū)域境內(nèi)海拔差異小，氣候變化不大，年溫差2.5℃以?xún)?nèi)。

2 研究地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式

暴雨強(qiáng)度公式在城市建設(shè)、城市建設(shè)及海綿城市規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。隨著近年來(lái)中國(guó)城市化進(jìn)程的加快以及全球氣溫持續(xù)變暖，國(guó)內(nèi)城市化區(qū)域降雨特性變化很大，許多地區(qū)的極端降雨特性發(fā)生了明顯的變化。氣象部門(mén)聯(lián)合住建部門(mén)修訂的暴雨強(qiáng)度公式，為城市規(guī)劃、控規(guī)編制、徑流控制、“海綿城市”建設(shè)等提供重要科學(xué)依據(jù)。城市曲線(xiàn)暴雨強(qiáng)度公式如下式所示：

(1)

(2)

式中：i為暴雨強(qiáng)度(mm/min，mm/min或mm/ha，mm/hm2)；t為降雨歷時(shí)(min，分鐘)；P為重現(xiàn)期(年)。

本次計(jì)算降雨歷時(shí)t取120min，重現(xiàn)期P取2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3 研究區(qū)域降雨量模擬

3.1 芝加哥雨型模擬方法

芝加哥雨型計(jì)算法因其相對(duì)較高的普適性，被廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)海綿城市降雨分析過(guò)程。我國(guó)國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及地方雨量分析規(guī)定等也廣泛地采用該方法。芝加哥雨型計(jì)算法是美國(guó)人Keifer與Chu研究出的一種應(yīng)用在排水管網(wǎng)系統(tǒng)的雨量分析理論，該理論把平均強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成瞬時(shí)強(qiáng)度，進(jìn)一步地，通過(guò)人工造峰即可求得，其中雨峰位置和研究區(qū)域的氣候及水系情況相關(guān)。

表1 降雨強(qiáng)度表 mm/min

3.2 芝加哥雨型計(jì)算法原理

芝加哥雨型計(jì)算法其計(jì)算公式如下式所示：

(3)

式中：t為降雨歷時(shí)；q為平均降雨強(qiáng)度；A，b，n等均為地方降雨參數(shù)。進(jìn)一步地，降雨歷時(shí)t地總降雨量：

(4)

式中：H為降雨總量，t時(shí)刻的降雨強(qiáng)度為：

(5)

t=ta+tb

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：r為雨峰相對(duì)位置參數(shù)，一般取值為0.3～0.5；tb表示峰后降雨歷時(shí)；ta表示峰前降雨歷時(shí)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，本研究模擬過(guò)程雨峰位置選取為0.4。

3.3 暴雨強(qiáng)度計(jì)算分析

基于暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算了2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度值，暴雨歷時(shí)為120 min。結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)暴雨強(qiáng)度

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在降雨歷時(shí)區(qū)間為0～40 min內(nèi)，重現(xiàn)期對(duì)暴雨強(qiáng)度強(qiáng)度地影響相對(duì)較大。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)降雨歷時(shí)為10 min時(shí)，對(duì)應(yīng)2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度值分別為：1.557 mm/min、2.017 mm/min、2.337 mm/min、2.655 mm/min、2.841 mm/min、2.973 mm/min及3.075 mm/min，最高值與最低值之間地比值為1.97。進(jìn)一步地，研究區(qū)域內(nèi)暴雨強(qiáng)度隨著降雨時(shí)長(zhǎng)地增加，其暴雨強(qiáng)度變化逐漸趨于緩和。隨著重現(xiàn)期從2 a增加到50 a，在經(jīng)歷120 min降雨歷時(shí)內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強(qiáng)度分別從2.135 mm/min、2.719 mm/min、3.145 mm/min、3.569 mm/min、3.816 mm/min、3.991 mm/min及4.127 mm/min，降低到0.415、0.541 mm/min、0.632 mm/min、0.722 mm/min、0.775 mm/min、0.812 mm/min及0.841 mm/min。與初期降雨量隨著重現(xiàn)期不同而劇烈震蕩相似，降雨歷時(shí)末期的最大暴雨強(qiáng)度與最低暴雨強(qiáng)的比值為2.02。

表2 降雨量統(tǒng)計(jì)表

進(jìn)一步地，如表2所示，其每公頃內(nèi)降水量在研究區(qū)域內(nèi)的匯水量分別為：1 386.1 mm、1 806.94 mm、2 110.88 mm、2 411.48 mm、2 588.5 mm、2 712.08 mm及2 808.94 mm。綜上所述，盡管隨著降雨歷時(shí)的增加暴雨強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。然而，暴雨重現(xiàn)期依然對(duì)暴雨強(qiáng)度的計(jì)算起到關(guān)鍵作用。

3.4 芝加哥雨型分析

以研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)，根據(jù)芝加哥雨型計(jì)算原理及公式，進(jìn)一步通過(guò)積分計(jì)算芝加哥合成暴雨過(guò)程線(xiàn)在降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨量，進(jìn)而得到在1～120 min降雨歷時(shí)內(nèi)，對(duì)應(yīng)降雨重現(xiàn)期為2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、40 a及50 a的芝加哥雨型。如圖2所示，在0～120 min降雨歷時(shí)內(nèi)，雨峰的位置出現(xiàn)在48 min時(shí)。進(jìn)一步地，在雨峰位置確定后，在雨峰位置所對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)下，其峰值分別為：2.2785 mm/min、2.7721 mm/min、3.1455 mm/min、3.5189 mm/min、3.7373 mm/min、3.8923 mm/min及4.0128 mm/min。其最高值與最低值比值為1.76。研究片區(qū)內(nèi)的雨型呈現(xiàn)先增加后降低的降雨趨勢(shì)。

圖2 不同降雨重現(xiàn)期下的雨型

綜上所述，在實(shí)際城市排水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理地計(jì)算暴雨重現(xiàn)期及雨峰位置參數(shù)下的暴雨強(qiáng)度，可以有效地提高研究區(qū)域內(nèi)的城市規(guī)劃、控規(guī)編制、徑流控制、“海綿城市”設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究利用暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式及芝加哥雨型分析方法，對(duì)不同降雨重現(xiàn)期下的成都市某片區(qū)暴雨強(qiáng)度及雨型變化進(jìn)行研究。得到了如下結(jié)論：

(1)降雨重現(xiàn)期的選取將顯著地影響研究區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度，且隨著降雨歷時(shí)的增加暴雨強(qiáng)度會(huì)趨于穩(wěn)定；

(2)不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)域內(nèi)的雨型呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，且降雨歷時(shí)內(nèi)的雨峰出現(xiàn)在第48分鐘時(shí)。