城市設(shè)計暴雨雨型研究

1、城市設(shè)計暴雨雨型研究岑國平( 空軍工程學院 西安 710038)沈晉范榮生( 西安理工大學 西安 710048)摘 要 采用模糊模式識別方法對我國四個雨量站的雨型進行分類和統(tǒng)計, 獲得了短歷時暴雨雨型的分布特性; 經(jīng)過模擬分析和比較, 找出了一種較好地滿足城市排水設(shè)計要求的設(shè)計雨型。關(guān)鍵詞分類號城市 設(shè)計暴雨 雨型 模式識別tv 12211前言1設(shè)計暴雨包括它的平均雨強和時空變化。 平均雨強以往研究較多, 而對時空變化的研究較少。 暴雨的時空變化可用雨型表示, 根據(jù)試驗研究, 它對小流域的洪峰流量和流量過程有 很大影響1 , 在匯流歷時內(nèi)平均雨強相同的條件下, 雨峰在中部或后部的三角形雨型比均

2、勻雨 型的洪峰大 30% 以上。在小流域洪水計算的推理公式中, 常把雨強作均勻概化, 即采用均勻雨型, 這與絕大多 數(shù)實際降雨是不符的。早在 40 年代, 前蘇聯(lián)的包高馬佐娃等人就對烏克蘭等地的降雨資料進行統(tǒng)計分析, 劃分了七種雨型, 發(fā)現(xiàn)強度大致均勻的雨型很少2 。1957 年 k e ife r 和 c h u 根據(jù)強度- 歷時- 頻率關(guān)系得到一種不均勻的設(shè)計雨型,也稱芝加哥雨型。以后 h u ff, p ilg r im 和co rde ry, y en 和 c how 等都提出過各自的設(shè)計暴雨雨型3 。 在國內(nèi), 鄧培德等曾采用 k e ife r 和 c h u 雨型進行調(diào)蓄池容積計

3、算, 王敏等根據(jù)北京市的雨量資料提出過北京市的設(shè)計暴雨雨 型4 。各種雨型之間差異較大, 目前還沒有一種公認的雨型作為設(shè)計的依據(jù)。本文對我國四個 雨量站的短歷時暴雨資料進行統(tǒng)計, 對國內(nèi)外目前常用的幾種設(shè)計暴雨雨型進行比較和分析,從而找出一種合適的雨型作為設(shè)計暴雨雨型。短歷時暴雨雨型的統(tǒng)計分析2天然降雨過程千變?nèi)f化, 根據(jù)對大量降雨過程的分析, 可歸納成七種模式, 如圖 1。其中i 、 、 ? 類為單峰雨型, 雨峰分別在前、 后和中部, k 類為大致均勻的雨型,為雙峰雨型。雨型與所研究的降雨歷時有很大關(guān)系。 根據(jù)城市和機場等小區(qū)排水的特點,降雨歷時為 120 和 60m in。雨型模式和歷時確

4、定后, 對每一場暴雨過程進行分析,v 、 k 、 本文研究的判斷屬于哪 收稿日期: 19962222; 修改稿日期: 199627223。一種模式。 判斷方法有目估法和模糊模式識別法兩種, 目估法是用計算機繪制每場降雨的過程直方圖, 目估判斷屬于哪種模式。 此法原理簡單, 但由于降雨過程非常復雜, 不易準確判斷, 會出現(xiàn)人為誤差。 模糊模式識別法是用時段雨量占總雨量的比例作為該場降雨的雨型指標, 建立 7 種雨型的模式矩陣。再分別計算每場實際降雨與 7 種模式的貼近度,判斷該場降雨屬于哪種雨型。由擇近原則,圖 1 7 種雨型模式示意圖seven m o de s o f t im e d is

5、t r ibu t io n o f ra infa llf ig111將一場降雨劃分為 m 個相等的時段,x i = h i h z每個時段的雨量占總雨量的比例為:( i = 1, 2, , m )式中h i 為各時段雨量; h z 為總雨量。把這組 x i 作為該場降雨的雨型指標, 并用向量表示: x =(x 1 , x 2 , , x m )。同樣, 7 種模式雨型也用這種指標表示:v k = (k 1 , k 2 , , km )(k = 1, 2, , 7)(3)這里 k i 與 x i 的意義相同, 7 種模式也可寫成矩陣形式。模式確定后, 可計算出每場降雨與 7 種模式的貼近度:

6、m1 (k i - x i ) 2k = 1 -(k = 1, 2, , 7)(4)mi= 1由擇近原則, 若第 k 個貼近度 k 最大, 該場降雨就屬于第 k 種雨型。劃分工作由計算機自動完成, 避免了目估法存在的人為判斷誤差。 經(jīng)試用, 大部分降雨的劃分效果較好。 本文 在劃分時把兩種方法相結(jié)合, 使劃分結(jié)果盡量合理。采用上述雨型劃分方法, 對上海黃渡和洋涇、 北京盧溝橋、 西安馬渡王四個雨量站的短歷時暴雨資料進行雨型劃分和分析。四站都為自記雨量資料,場暴雨。 其中 120m in 的雨型劃分結(jié)果如表 1。 從上述劃分結(jié)果, 得出以下規(guī)律年數(shù)為 8 29a, 共計 75a ,282(1)

7、雨強大致均勻的降雨 (第k 類) 所占比例較小。 目前推理公式中假定雨強均勻, 與絕大部分降雨不符。431 期岑國平等: 城市設(shè)計暴雨雨型研究水, 對城市、 機場等小區(qū)排水的影響較大, 因此應重點考慮單峰雨型。(3) 在單峰降雨中, 雨峰在前部和中部的占絕大多數(shù), 而雨峰在后部的很少。(4) 當歷時減小時, 均勻雨型有所增加, 而雙峰雨型有所減少, 雨峰在后的降雨也略有 增加。表 1 120 m in 雨型劃分結(jié)果table 11 c la ss if ied re sults of t im e pa ttern s of ra in fa ll w ith dura t ion 120 m

8、 ini?kvk總計站 名 n p ( % ) n p ( % ) n p ( % ) n p ( % ) n p ( % ) n p ( % ) n p ( % ) n 黃 渡洋 徑 盧溝橋 馬渡王21610253113181826132619611791031121671516161217231950103116181311331916149147192014526177156121518181343456109141015514412361031151331267323893平 均2518516311013151119718414注: 1.2.表中 n 為各類雨型的場數(shù), p 為占總場數(shù)

9、的百分比。有 52 場暴雨的總歷時小于 90 m in , 只參加 60 m in 雨型的分析, 而沒有參加 120 m in 雨型的分析。對單峰雨型,雨峰位置是一個重要指標。 各站多場降雨的平均雨峰相對位置 r 值比較一致, 都在 0135 0145, 其中 t = 120 m in 時, r 在 01353 01406, 平均為 01373, t = 60 m in時, r 在 01404 01443, 平均為 01425。國內(nèi)外大量資料表明,015, 因此當缺乏當?shù)赜炅抠Y料時, 可取 014 左右的近似值。大部分地區(qū)的 r 值都在 0133 設(shè)計暴雨雨型的比較311設(shè)計雨型城市排水設(shè)計中

10、應用最廣、 最簡單的雨 型是均勻雨型, 但此雨型的計算結(jié)果常偏小。不均勻雨型中最簡單的是三角形雨型。 y en(顏本琦和周文德) 提出一種不對稱和 c how三角形雨型, 如圖 2。雨峰位置是根據(jù)三角形的無因次一階矩與當?shù)乇┯赀^程的平均無因 次一階矩相等的條件來確定 。由于均勻雨型和三角形雨型只考慮了歷 時為 t 的降雨核心部分, 而沒有考慮雨頭和雨尾部分, 因此徑流量計算將明顯偏小。 為此,s ifa lda 及 d e sbo rde s 分別在矩形和三角圖 2 幾種常用的設(shè)計雨型f ig121 seve ra l comm o n de sign sto rm p a t te rn s

11、形核心的基礎(chǔ)上, 增加了前后兩個部分5 。1957 年 k e ife r 和 c h u 根據(jù)雨強- 歷時關(guān)系提出了另一種雨型, 也稱芝加哥雨型。 該雨型中任何歷時內(nèi)的雨量等于設(shè)計雨量。 若暴雨公式為 a = s p ( t+ b) n ,則雨強過程為:s pn t1峰前(5)i =1 -( tr +b) nt1 + rbs pn t2峰后(6)i =1 -( t(1 -r) +b) nt2 + (1 -r) b式中a 為歷時 t 內(nèi)的平均雨強; i 為瞬時雨強; t1 為峰前歷時; t2 為峰后歷時; r 為雨峰相對位置; s p、 b、 n 為暴雨公式的參數(shù)。p ilg r im 和 c

12、o rde ry 也提出了一種雨型,該雨型把雨峰時段放在出現(xiàn)可能性最大的位置上, 而雨峰時段在總雨量中的比例取各場降雨雨峰所占比例的平均值。 其它各時段的位置和比例也用同樣方法確定。 這種雨型與實際降雨過程較為相似。h u ff 在研究美國伊里諾斯州的暴雨后, 把降雨按雨峰出現(xiàn)位置劃分成 4 類, 并得到各類 雨型的平均無量綱累積過程。在 il l u da s 模型中采用了第i 類作為設(shè)計雨型。此外, 英國環(huán) 境研究委員會、 美國土壤保持局等都提出過各自的雨型。312雨型比較利用雨量資料推求設(shè)計洪水有兩種方法。 一是頻率分析法, 根據(jù)多年雨量資料, 經(jīng)降雨 徑流模型轉(zhuǎn)換成多年流量過程, 再作

13、頻率分析得到設(shè)計洪峰流量或一定歷時的洪水總量。 二 是設(shè)計暴雨方法, 先對雨量資料作頻率分析, 得到一定歷時的設(shè)計雨量, 再確定一種設(shè)計雨 型, 得到設(shè)計暴雨過程, 并由降雨徑流模型轉(zhuǎn)換成設(shè)計流量過程。兩種方法中, 雨量資料、 降雨徑流模型及頻率分析方法是相同的, 所不同的是, 設(shè)計暴 雨法需確定設(shè)計雨型, 若設(shè)計雨型不合適, 會引起較大的誤差。 頻率分析法的精度比設(shè)計暴 雨法高, 但需模擬大量的降雨徑流過程, 工作量很大, 一般不可能在設(shè)計中應用, 但在研究 設(shè)計暴雨時, 可作為比較設(shè)計暴雨雨型優(yōu)劣的依據(jù)。 本文利用這一思想, 對幾種設(shè)計雨型進 行比較和評價。31211洪峰流量計算的設(shè)計雨型

14、比較城市、 機場的排水設(shè)計中, 關(guān)鍵是設(shè)計洪峰流量的計算。 不同雨型得出的洪峰流量可能 有較大差異。筆者曾用上海黃渡站雨量資料, 對 p ilg r im 和 co rde ry, h u ff, y en 和 c how , k e ife r和 c h u 4 種雨型作了比較。采用美國 il l u da s 模型, 模擬了黃渡 24a 共 91 場暴雨的徑流過程,經(jīng)頻率分析得到重現(xiàn)期 1、2、5、10a 的設(shè)計洪峰流量。同時,經(jīng)雨強- 歷時- 頻率關(guān)系分 析, 得到 4 種重現(xiàn)期下歷時為 30、60、90、120m in 的設(shè)計雨量, 并確定 4 種設(shè)計雨型, 由il l u da s

15、模型得出各自的設(shè)計洪峰流量, 計算與頻率分析法的誤差, 結(jié)果如表 2。表 2 4 種設(shè)計雨型的洪峰流量與頻率分析法的誤差table 21 eerror s be tween peak d ischarge f our t im e pa ttern s an d tha t of f requen cy ana ly s is m e thod雨 型p ilg r im 和 co rde ryyen 和 c howke ife r 和 c h uh uff系統(tǒng)偏差 ( % )平均誤差 ( % )- 12191510311819- 23102818012717結(jié)果表明,各種設(shè)計雨型所得的洪峰流量

16、差異較大,其中 h u ff 法及 y en 和 c ho u 法的洪峰受歷時影響非常顯著, 若歷時選取不當, 會造成較大誤差。而 p ilg r im 和 co rde ry 法及 k e ife r和 c h u 法受歷時影響較小, 特別是 k e ife r 和 c h u 法,雨峰部分與歷時無關(guān)。當歷時增大或減小時, 只增加或去掉雨頭雨尾部分, 因此計算的洪峰流量相當穩(wěn)定, 與頻率分析法的誤差最小。451 期岑國平等: 城市設(shè)計暴雨雨型研究大, 用 h u ff 法或 y en 和 c h u 法確定設(shè)計雨型時, 降雨歷時也要不斷變化, 才能減小誤差。因此每段管道的流量計算, 都需要重

17、新確定雨強過程, 從最上游管段開始重復模擬徑流過程, 工 作量很大。而 k e ife r 和 c h u 法的洪峰因不受歷時影響, 一次確定的降雨過程在各段管道計算 時都能適用, 流量計算時只需模擬一次就可得各段管道的設(shè)計流量, 非常方便。k e ife r 和 c h u 法的雨強過程容易確定, 我國各地都有暴雨公式, 雨峰相對位置 r 值統(tǒng)計也較方便, 且各地的 變化不大, 一般在 014 左右, 在缺乏當?shù)刭Y料時可用 014 的近似值。p ilg r im 和 co rde ry 法的 雨型更接近實際降雨過程, 但對當?shù)亟涤赀^程資料的依賴性很強, 必須有較多的資料, 使用 比 k e

18、ife r 和 c h u 法麻煩。 因此宜采用 k e ife r 和 c h u 法。31212調(diào)蓄池容積計算的設(shè)計雨型比較 雨洪調(diào)蓄池可以削減洪峰流量, 減小下游管渠的工程造價及洪災損失。 適合調(diào)蓄池 容積計算的設(shè)計雨型與洪峰流量計算的設(shè)計 雨型不一定相同, 因此作了專門研究6 。雨洪調(diào)蓄池容積計算中, 常用的有均勻 雨型和 k e irfe r 和 c h u 雨型。 均勻雨型的降雨 歷 時 等 于 匯 流 歷 時 或 大 于 匯 流 歷 時 ,k e ife r 和 c h u 雨型 r 等于 0 (開始最大) 或015 (對稱)。 四種雨型如圖 3 所示。 雨量資料 有 黃 渡 站

19、 24a 共 91 場 暴 雨 及 馬 渡 王 站 f ig13129a 共 106 場暴雨。比較的方法與前面相似,分別用頻率分析法和設(shè)計暴雨法計算調(diào)蓄池 的容積。圖 3 調(diào)蓄池容積計算的 4 種雨型fo u r t im e p a t te rn s o f ra infa ll fo r ca lcu la t ing th e vo lum e o f de ten t io n po nd ing降雨徑流計算的方法是等流時線法, 并假定共時徑流面積線性增長, 產(chǎn)流計算用徑流系數(shù)法, 流域面積 014km 2 , 徑流系數(shù)為 016, 匯流時間為 40m in。 調(diào)蓄池下游分別采用六種

20、限 制流量, 設(shè)計重現(xiàn)期為 1、 2、 5a。 4 種雨型計算的容積與頻率分析法的平均誤差如表 3。表 3 4 種雨型計算的容積與頻率分析法的平均誤差table 31 m ean error s be tween vo lum e de ten t ion pon d in g of f our t im e pa ttern s an d tha t of f requen cy ana ly s is m e thod均勻 ( t= r)均勻 ( t )k c ( r= 0)k c ( r= 015)雨 型黃渡站馬渡王站2310%2710%1810%1918%1110%1113%1415%

21、1410%計算結(jié)果表明, 兩種均勻雨型得到的調(diào)蓄池容積偏小很多, 特別是 t= 時, 平均偏小 25%左右, t 時, 也偏小近 20% , 所以均勻雨型不宜在設(shè)計中應用。k e ife r 和 c h u 雨型的誤差 較小, 但當 r= 0 時, 結(jié)果大多偏小, 而 r= 015 時大多偏大, 因此 r 宜在 0 與 015 之間, 從本例的結(jié)果看,r= 011 最好, 但與一般地區(qū) r= 014 左右的情況不符。 當采用 r= 014 左右的值時, 個別情況會偏大較多, 這發(fā)生在下游限制流量與洪峰流量之比大于 016 時。 實際應用中此比值多數(shù)在 016 以下, 所以 k e ife r

22、和 c h u 雨型一般能達到精度要求。4結(jié)論設(shè)計暴雨是雨水道系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ), 除了一定歷時內(nèi)的平均雨強外, 時程分布形式, 即雨型也是一個重要的因素。 實測資料和試驗研究都表明, 雨型對洪峰流量和流量過程線都有 較大影響。 本文根據(jù)四個雨量站 282 場短歷時暴雨資料, 用模糊模式識別方法對暴雨的雨型 進行了劃分和統(tǒng)計。結(jié)果表明, 短歷時降雨中單峰雨型是主要的, 雨峰多數(shù)在前部和中部, 而 后部較少, 均勻雨型也較少, 各站的雨峰相對位置在 0135 0145 之間, 這與國內(nèi)外大量資料 統(tǒng)計是基本一致的。目前確定設(shè)計雨型的方法很多, 除均勻雨型外, 其余多為單峰雨型, 雨峰多偏前, 這與

23、本文分析的結(jié)果是一致的, 但各種方法獲得的雨型差別較大, 由這些雨型計算出的洪峰流量 和調(diào)蓄池容積相差也很大。本文經(jīng)過大量模擬和比較, 認為 k e ife r 和 c h u 雨型效果較好, 一 般能滿足精度要求, 且比較容易確定雨強過程, 在國內(nèi)外均有廣泛應用, 建議采用此雨型作 為設(shè)計雨型。k e ife r 和 c h u 雨型的缺點是雨峰處過于尖瘦, 特別是暴雨公式中 b 值較小時, 尤為明顯。 為此可用一定時段 (5 10m in ) 的柱狀過程代替, 可以克服這一缺點。參考文獻吳彰春, 岑國平等. 坡面匯流的試驗研究. 水利學報. 1995, (7) : 84 89m . b.

24、莫洛可夫等著. 雨水道與合流水道. 北京: 建筑工程出版社, 1956, 17 19d f k ib le r, u rban s to rmw a te r h yd ro lo gy. a m e r ican geop h y sica l u n io ns w a te r r e so u rce sm o no g rap h 7, 1982, 48 60王敏, 譚向誠. 北京城市暴雨和雨型的研究, 水文. 1994, (3) : 1 6v a rne ll, p. h a r rem o e s e t a l. r ev iew o f ra infa ll da ta app lica t io n fo r de sign and ana ly sis. r a infa ll a s th e b a sis fo r u rban r uno ff d e sign and a na ly sis, w a te r sc ience and t ech no lo gy,1984, 16 (89)