片區(qū)暴雨強(qiáng)度及雨型分析

時(shí)間:2022-10-11 14:38:19

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片區(qū)暴雨強(qiáng)度及雨型分析

[摘要]不同降雨重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度及雨型分析對(duì)海綿城市規(guī)劃及城市片區(qū)排水工程設(shè)計(jì)具有重要意義?;诖?,本文利用暴雨強(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)期下的某片區(qū)暴雨強(qiáng)度及雨型變化進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明:(1)降雨重現(xiàn)期將顯著地影響研究區(qū)域內(nèi)的初期降雨量,降雨歷時(shí)末期的最大與最低暴雨強(qiáng)的比值為2.02。(2)研究片區(qū)內(nèi)的雨型呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),且雨峰出現(xiàn)在降雨歷時(shí)第48min時(shí)。研究結(jié)果對(duì)理解不同暴雨重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度的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)排水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的理論指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]暴雨強(qiáng)度;芝加哥雨型分析;雨峰;排水系統(tǒng)

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?;诖耍疚慕Y(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20km2,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℃以內(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)。城市曲線暴雨強(qiáng)度公式如下式所示:

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)。

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:H=qt=At(t+b)n(4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:1386.1mm、1806.94mm、2110.88mm、2411.48mm、2588.5mm、2712.08mm及2808.94mm。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。

3.3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2a、5a、10a、20a、30a、40a及50a重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度值,暴雨歷時(shí)為120min。結(jié)果如圖1所示。根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn),在降雨歷時(shí)區(qū)間為0~40min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10min時(shí),對(duì)應(yīng)2a、5a、10a、20a、30a、40a及50a重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度值分別為:1.557mm/min、2.017mm/min、2.337mm/min、2.655mm/min、2.841mm/min、2.973mm/min及3.075mm/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2a增加到50a,在經(jīng)歷120min降雨歷時(shí)內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強(qiáng)度分別從2.135mm/min、2.719mm/min、3.145mm/min、3.569mm/min、3.816mm/min、3.991mm/min及4.127mm/min,降低到0.415、0.541mm/min、0.632mm/min、0.722mm/min、0.775mm/min、0.812mm/min及0.841mm/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。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:1386.1mm、1806.94mm、2110.88mm、2411.48mm、2588.5mm、2712.08mm及2808.94mm。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)程線在降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨量,進(jìn)而得到在1~120min降雨歷時(shí)內(nèi),對(duì)應(yīng)降雨重現(xiàn)期為2a、5a、10a、20a、30a、40a及50a的芝加哥雨型。如圖2所示,在0~120min降雨歷時(shí)內(nèi),雨峰的位置出現(xiàn)在48min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:2.2785mm/min、2.7721mm/min、3.1455mm/min、3.5189mm/min、3.7373mm/min、3.8923mm/min及4.0128mm/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)。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)。

作者:李新泉 單位:河北省承德水文勘測(cè)研究中心