城市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究

1、城市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究岑國(guó)平( 空軍工程學(xué)院 西安 710038)沈晉范榮生( 西安理工大學(xué) 西安 710048)摘 要 采用模糊模式識(shí)別方法對(duì)我國(guó)四個(gè)雨量站的雨型進(jìn)行分類(lèi)和統(tǒng)計(jì), 獲得了短歷時(shí)暴雨雨型的分布特性; 經(jīng)過(guò)模擬分析和比較, 找出了一種較好地滿(mǎn)足城市排水設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)雨型。關(guān)鍵詞分類(lèi)號(hào)城市 設(shè)計(jì)暴雨 雨型 模式識(shí)別tv 12211前言1設(shè)計(jì)暴雨包括它的平均雨強(qiáng)和時(shí)空變化。 平均雨強(qiáng)以往研究較多, 而對(duì)時(shí)空變化的研究較少。 暴雨的時(shí)空變化可用雨型表示, 根據(jù)試驗(yàn)研究, 它對(duì)小流域的洪峰流量和流量過(guò)程有 很大影響1 , 在匯流歷時(shí)內(nèi)平均雨強(qiáng)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(jì)算的推理公式中, 常把雨強(qiáng)作均勻概化, 即采用均勻雨型, 這與絕大多 數(shù)實(shí)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(duì)烏克蘭等地的降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 劃分了七種雨型, 發(fā)現(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)度- 歷時(shí)- 頻率關(guān)系得到一種不均勻的設(shè)計(jì)雨型,也稱(chēng)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(guò)各自的設(shè)計(jì)暴雨雨型3 。 在國(guó)內(nèi), 鄧培德等曾采用 k e ife r 和 c h u 雨型進(jìn)行調(diào)蓄池容積計(jì)

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

4、定后, 對(duì)每一場(chǎng)暴雨過(guò)程進(jìn)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(shí)別法兩種, 目估法是用計(jì)算機(jī)繪制每場(chǎng)降雨的過(guò)程直方圖, 目估判斷屬于哪種模式。 此法原理簡(jiǎn)單, 但由于降雨過(guò)程非常復(fù)雜, 不易準(zhǔn)確判斷, 會(huì)出現(xiàn)人為誤差。 模糊模式識(shí)別法是用時(shí)段雨量占總雨量的比例作為該場(chǎng)降雨的雨型指標(biāo), 建立 7 種雨型的模式矩陣。再分別計(jì)算每場(chǎng)實(shí)際降雨與 7 種模式的貼近度,判斷該場(chǎng)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(chǎng)降雨劃分為 m 個(gè)相等的時(shí)段,x i = h i h z每個(gè)時(shí)段的雨量占總雨量的比例為:( i = 1, 2, , m )式中h i 為各時(shí)段雨量; h z 為總雨量。把這組 x i 作為該場(chǎng)降雨的雨型指標(biāo), 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(biāo)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(xiě)成矩陣形式。模式確定后, 可計(jì)算出每場(chǎng)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(gè)貼近度 k 最大, 該場(chǎng)降雨就屬于第 k 種雨型。劃分工作由計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shí)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(duì)上海黃渡和洋涇、 北京盧溝橋、 西安馬渡王四個(gè)雨量站的短歷時(shí)暴雨資料進(jìn)行雨型劃分和分析。四站都為自記雨量資料,場(chǎng)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(jì) 75a ,282(1)

7、雨強(qiáng)大致均勻的降雨 (第k 類(lèi)) 所占比例較小。 目前推理公式中假定雨強(qiáng)均勻, 與絕大部分降雨不符。431 期岑國(guó)平等: 城市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究水, 對(duì)城市、 機(jī)場(chǎng)等小區(qū)排水的影響較大, 因此應(yīng)重點(diǎn)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(dāng)歷時(shí)減小時(shí), 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(jì)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(lèi)雨型的場(chǎng)數(shù), p 為占總場(chǎng)數(shù)

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

10、應(yīng)用最廣、 最簡(jiǎn)單的雨 型是均勻雨型, 但此雨型的計(jì)算結(jié)果常偏小。不均勻雨型中最簡(jiǎn)單的是三角形雨型。 y en(顏本琦和周文德) 提出一種不對(duì)稱(chēng)和 c how三角形雨型, 如圖 2。雨峰位置是根據(jù)三角形的無(wú)因次一階矩與當(dāng)?shù)乇┯赀^(guò)程的平均無(wú)因 次一階矩相等的條件來(lái)確定 。由于均勻雨型和三角形雨型只考慮了歷 時(shí)為 t 的降雨核心部分, 而沒(méi)有考慮雨頭和雨尾部分, 因此徑流量計(jì)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(jì)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(gè)部分5 。1957 年 k e ife r 和 c h u 根據(jù)雨強(qiáng)- 歷時(shí)關(guān)系提出了另一種雨型, 也稱(chēng)芝加哥雨型。 該雨型中任何歷時(shí)內(nèi)的雨量等于設(shè)計(jì)雨量。 若暴雨公式為 a = s p ( t+ b) n ,則雨強(qiáng)過(guò)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(shí) t 內(nèi)的平均雨強(qiáng); i 為瞬時(shí)雨強(qiáng); t1 為峰前歷時(shí); t2 為峰后歷時(shí); r 為雨峰相對(duì)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(shí)段放在出現(xiàn)可能性最大的位置上, 而雨峰時(shí)段在總雨量中的比例取各場(chǎng)降雨雨峰所占比例的平均值。 其它各時(shí)段的位置和比例也用同樣方法確定。 這種雨型與實(shí)際降雨過(guò)程較為相似。h u ff 在研究美國(guó)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(lèi), 并得到各類(lèi) 雨型的平均無(wú)量綱累積過(guò)程。在 il l u da s 模型中采用了第i 類(lèi)作為設(shè)計(jì)雨型。此外, 英國(guó)環(huán) 境研究委員會(huì)、 美國(guó)土壤保持局等都提出過(guò)各自的雨型。312雨型比較利用雨量資料推求設(shè)計(jì)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(guò)程, 再作

13、頻率分析得到設(shè)計(jì)洪峰流量或一定歷時(shí)的洪水總量。 二 是設(shè)計(jì)暴雨方法, 先對(duì)雨量資料作頻率分析, 得到一定歷時(shí)的設(shè)計(jì)雨量, 再確定一種設(shè)計(jì)雨 型, 得到設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程, 并由降雨徑流模型轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)流量過(guò)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(jì)暴 雨法需確定設(shè)計(jì)雨型, 若設(shè)計(jì)雨型不合適, 會(huì)引起較大的誤差。 頻率分析法的精度比設(shè)計(jì)暴 雨法高, 但需模擬大量的降雨徑流過(guò)程, 工作量很大, 一般不可能在設(shè)計(jì)中應(yīng)用, 但在研究 設(shè)計(jì)暴雨時(shí), 可作為比較設(shè)計(jì)暴雨雨型優(yōu)劣的依據(jù)。 本文利用這一思想, 對(duì)幾種設(shè)計(jì)雨型進(jìn) 行比較和評(píng)價(jià)。31211洪峰流量計(jì)算的設(shè)計(jì)雨型

14、比較城市、 機(jī)場(chǎng)的排水設(shè)計(jì)中, 關(guān)鍵是設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)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(duì) 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(guó) il l u da s 模型, 模擬了黃渡 24a 共 91 場(chǎng)暴雨的徑流過(guò)程,經(jīng)頻率分析得到重現(xiàn)期 1、2、5、10a 的設(shè)計(jì)洪峰流量。同時(shí),經(jīng)雨強(qiáng)- 歷時(shí)- 頻率關(guān)系分 析, 得到 4 種重現(xiàn)期下歷時(shí)為 30、60、90、120m in 的設(shè)計(jì)雨量, 并確定 4 種設(shè)計(jì)雨型, 由il l u da s

15、模型得出各自的設(shè)計(jì)洪峰流量, 計(jì)算與頻率分析法的誤差, 結(jié)果如表 2。表 2 4 種設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)影響非常顯著, 若歷時(shí)選取不當(dāng), 會(huì)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(shí)影響較小, 特別是 k e ife r 和 c h u 法,雨峰部分與歷時(shí)無(wú)關(guān)。當(dāng)歷時(shí)增大或減小時(shí), 只增加或去掉雨頭雨尾部分, 因此計(jì)算的洪峰流量相當(dāng)穩(wěn)定, 與頻率分析法的誤差最小。451 期岑國(guó)平等: 城市設(shè)計(jì)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(jì)雨型時(shí), 降雨歷時(shí)也要不斷變化, 才能減小誤差。因此每段管道的流量計(jì)算, 都需要重

17、新確定雨強(qiáng)過(guò)程, 從最上游管段開(kāi)始重復(fù)模擬徑流過(guò)程, 工 作量很大。而 k e ife r 和 c h u 法的洪峰因不受歷時(shí)影響, 一次確定的降雨過(guò)程在各段管道計(jì)算 時(shí)都能適用, 流量計(jì)算時(shí)只需模擬一次就可得各段管道的設(shè)計(jì)流量, 非常方便。k e ife r 和 c h u 法的雨強(qiáng)過(guò)程容易確定, 我國(guó)各地都有暴雨公式, 雨峰相對(duì)位置 r 值統(tǒng)計(jì)也較方便, 且各地的 變化不大, 一般在 014 左右, 在缺乏當(dāng)?shù)刭Y料時(shí)可用 014 的近似值。p ilg r im 和 co rde ry 法的 雨型更接近實(shí)際降雨過(guò)程, 但對(duì)當(dāng)?shù)亟涤赀^(guò)程資料的依賴(lài)性很強(qiáng), 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(jì)算的設(shè)計(jì)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(jià)及洪災(zāi)損失。 適合調(diào)蓄池 容積計(jì)算的設(shè)計(jì)雨型與洪峰流量計(jì)算的設(shè)計(jì) 雨型不一定相同, 因此作了專(zhuān)門(mén)研究6 。雨洪調(diào)蓄池容積計(jì)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(shí) 等 于 匯 流 歷 時(shí) 或 大 于 匯 流 歷 時(shí) ,k e ife r 和 c h u 雨型 r 等于 0 (開(kāi)始最大) 或015 (對(duì)稱(chēng))。 四種雨型如圖 3 所示。 雨量資料 有 黃 渡 站

19、 24a 共 91 場(chǎng) 暴 雨 及 馬 渡 王 站 f ig13129a 共 106 場(chǎng)暴雨。比較的方法與前面相似,分別用頻率分析法和設(shè)計(jì)暴雨法計(jì)算調(diào)蓄池 的容積。圖 3 調(diào)蓄池容積計(jì)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(jì)算的方法是等流時(shí)線(xiàn)法, 并假定共時(shí)徑流面積線(xiàn)性增長(zhǎng), 產(chǎn)流計(jì)算用徑流系數(shù)法, 流域面積 014km 2 , 徑流系數(shù)為 016, 匯流時(shí)間為 40m in。 調(diào)蓄池下游分別采用六種

20、限 制流量, 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為 1、 2、 5a。 4 種雨型計(jì)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(jì)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(jì)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(shí), 平均偏小 25%左右, t 時(shí), 也偏小近 20% , 所以均勻雨型不宜在設(shè)計(jì)中應(yīng)用。k e ife r 和 c h u 雨型的誤差 較小, 但當(dāng) r= 0 時(shí), 結(jié)果大多偏小, 而 r= 015 時(shí)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(dāng)采用 r= 014 左右的值時(shí), 個(gè)別情況會(huì)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(shí)。 實(shí)際應(yīng)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(dá)到精度要求。4結(jié)論設(shè)計(jì)暴雨是雨水道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ), 除了一定歷時(shí)內(nèi)的平均雨強(qiáng)外, 時(shí)程分布形式, 即雨型也是一個(gè)重要的因素。 實(shí)測(cè)資料和試驗(yàn)研究都表明, 雨型對(duì)洪峰流量和流量過(guò)程線(xiàn)都有 較大影響。 本文根據(jù)四個(gè)雨量站 282 場(chǎng)短歷時(shí)暴雨資料, 用模糊模式識(shí)別方法對(duì)暴雨的雨型 進(jìn)行了劃分和統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明, 短歷時(shí)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(duì)位置在 0135 0145 之間, 這與國(guó)內(nèi)外大量資料 統(tǒng)計(jì)是基本一致的。目前確定設(shè)計(jì)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(jì)算出的洪峰流量 和調(diào)蓄池容積相差也很大。本文經(jīng)過(guò)大量模擬和比較, 認(rèn)為 k e ife r 和 c h u 雨型效果較好, 一 般能滿(mǎn)足精度要求, 且比較容易確定雨強(qiáng)過(guò)程, 在國(guó)內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用, 建議采用此雨型作 為設(shè)計(jì)雨型。k e ife r 和 c h u 雨型的缺點(diǎn)是雨峰處過(guò)于尖瘦, 特別是暴雨公式中 b 值較小時(shí), 尤為明顯。 為此可用一定時(shí)段 (5 10m in ) 的柱狀過(guò)程代替, 可以克服這一缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)吳彰春, 岑國(guó)平等. 坡面匯流的試驗(yàn)研究. 水利學(xué)報(bào). 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(chéng). 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)