新暴雨形势下上海市设计暴雨雨型研究

蒋 明

(1. 上海市城市建设设计研究总院, 上海 200125; 2. 上海市城市雨洪管理工程技术研究中心, 上海 200125)

新暴雨形势下上海市设计暴雨雨型研究

蒋 明1,2

(1. 上海市城市建设设计研究总院, 上海 200125; 2. 上海市城市雨洪管理工程技术研究中心, 上海 200125)

雨型是描述降雨过程的概念, 是降雨强度在时间尺度上的分配过程, 是获取雨水径流过程线的基础. 设计暴雨雨型是当地在大量暴雨资料统计规律基础上选定的最有代表性的雨型. 本研究利用上海市多年(1985～2012)降雨资料, 建立了具有典型性、代表性的上海市设计暴雨雨型.

设计暴雨雨型; 芝加哥雨型; Pilgrim和Cordery法雨型

随着排水系统汇水流域面积逐步扩大, 以及雨水调蓄设施的广泛应用, 单一采用推理公式法已不能满足实际工程设计需求, 而计算机数学模型在排水设施规划设计中的应用则日趋广泛. 数学模型法是基于流量过程线的设计方法, 暴雨强度公式是对最强时段降雨量规律的表达, 无法反应降雨强度随时间的变化过程. 因此, 研究降雨强度在时间尺度上的变化特征, 即雨型, 是获取雨水径流过程线的基础. 雨型推求同暴雨强度公式编制一样具有重要的实用价值和意义. 然而上海市还没有统一的设计雨型, 不利于上海市雨水调蓄工程规划设计、排水防涝评价等方面工作的开展. 因此有必要针对上海市的设计雨型进行研究和标准化.

不同的雨型会导致降雨径流的计算结果产生明显的差异. 因此, 雨型应基于大量暴雨资料的统计获得, 具有典型性和代表性, 能反映绝大多数情况下的暴雨强度变化过程[1]. 不同的国家和地区推求雨型的方法不尽相同. 本次工作将基于上海市的实际需求, 结合已有的研究和应用经验, 推求符合上海市暴雨特征的短历时设计雨型.

1 短历时设计雨型推求方法

短历时暴雨雨型研究工作在国内开展较少. 在国内外雨型应用中, 不同地区也会根据实际情况选择不同的推求方法. 芝加哥法雨型作为典型的模式雨型, 是在暴雨强度公式的基础上推得, 通过统计综合雨峰位置系数即可计算得到雨型, 在实际工程应用中较为方便. Pilgrim和Cordery法雨型作为统计雨型的典型代表, 是建立在大量降雨过程统计分析的基础上的, 对降雨资料的依赖程度较强, 推导过程相对复杂,但更能反映实际的降雨特征.

由于本课题组已掌握相对完备的上海市降雨基础数据, 同时结合以往的研究和应用经验, 将采用芝加哥法与Pilgrim和Cordery法推求上海市短历时设计雨型.

1.1 芝加哥法雨型

芝加哥法雨型与复合雨型相当, 均为一定重现期下不同历时最大雨强复合而成. 雨型的确定同样基于特定重现期下的IDF关系曲线. 芝加哥法雨型确定包括综合雨峰位置系数确定及芝加哥降雨过程线模型确定, 具体流程如下:

(1) 将各降雨历时的逐年最大降雨过程样本, 以5min为间隔进行分段, 统计降雨过程的雨峰位置系数

其中ri为雨峰位置系数,ti为降雨峰值时刻,Ti为降雨历时.

(2) 先将历时相同的逐年最大降雨样本的雨峰位置系数进行算术平均, 再将各历时的雨峰位置系数按照各历时的长度进行加权平均, 求出综合雨峰位置系数r.

(3) 根据综合雨峰位置系数r, 设计暴雨重现期(P)、设计降雨历时(t), 代入根据暴雨强度公式导出的芝加哥法雨型公式, 计算出雨峰前后瞬时降雨强度及各个时段内的平均降雨强度, 最终确定出对应一定重现期及降雨历时的芝加哥法雨型.

芝加哥法雨型以统计的暴雨强度公式为基础设计典型降雨过程. 通过引入雨峰位置系数r来描述暴雨峰值发生的时刻, 将降雨历时时间序列分为峰前和峰后两个部分.

令峰前的瞬时强度为i(tb), 相应的历时为tb, 峰后的瞬时强度为i(ta), 相应历时为ta. 取一定重现期下暴雨强度公式为, 雨峰前后瞬时降雨强度可由下式计算:

其中A、b、n为一定重现期下暴雨强度公式中的参数,r为综合雨峰位置系数, 是根据每场降雨不同历时峰值时刻与整个历时的比值而加权平均确定的,r位于0～1之间.

在求出综合雨峰位置系数r之后, 可利用公式(2)、(3)计算芝加哥合成暴雨过程线各时段(以5min计)的累积降雨量及各时段的平均降雨量, 进而得到每个时段内的平均降雨强度, 最终确定出对应一定重现期及降雨历时的芝加哥法雨型[2,3].

1.2 Pilgrim和Cordery法雨型

Pilgrim和Cordery法雨型推求主要包括按暴雨量大小各时段排序序位号的确定及按暴雨量大小各时段雨量比例序位的确定, 具体流程如下:

(1) 对规定的各降雨历时, 以5min为间隔将各场降雨样本进行分段, 计算各分段降雨量占该降雨历时内总雨量的百分比, 并按各分段的雨量(或百分比值)大小降序排序, 大值对应小序位号.

(2) 对选定的降雨历时, 计算多场降雨样本的各序位号雨量百分比的均值, 确定Pilgrim和Cordery设计雨型各序位号的雨量比例.

(3) 计算多场降雨样本的各分段的序位号的均值, 用以确定Pilgrim和Cordery设计雨型各分段的序位.

(4) 将各序位的雨量比例与各分段的序位一一对应, 即可得到Pilgrim和Cordery设计雨型的时程分配比例.

(5) 利用暴雨强度公式计算得到一定重现期及降雨历时的降雨总量, 结合时程分配比例即可推求出Pilgrim和Cordery法雨型[4].

2 上海市短历时设计暴雨雨型推求

2.1 雨型统计样本选取

本研究采用上海市徐家汇气象站1985～2012年分钟降雨数据进行短历时雨型推求. 同时, 对于城市化地区排水系统, 考虑其汇流时间通常不超过2h, 因此本次短历时设计雨型采用120min雨型.

根据雨型样本选取方法, 将分钟降雨数据划分为独立的降雨场次, 场次降雨间隔以120min降雨量≤2.0mm为界定指标. 从各降雨场次中滑动选取最大的120min降雨过程, 每年选取雨量最大的6～8场120min降雨过程. 将28年的样本由大至小排序, 选取资料年限的4倍样本数, 共计112场作为雨型统计样本.

2.2 芝加哥设计雨型

国内外大量统计资料表明[2], 暴雨过程的雨峰位置多半在降雨总历时的前三分之一左右(表1). 暴雨强度过程的形态, 是先小、继大, 最后又小的过程. 上海市城市建设设计研究总院和同济大学在2006年对上海市短历时雨型曾做过研究, 采用1985～2004年共20年连续降雨资料, 统计得到120min设计雨型雨峰位置系数为0.399.

表1 国内外雨峰位置系数r统计结果

本次采用1985～2012年共28年的分钟连续降雨数据, 对120min雨型的雨峰位置系数进行了统计分析,得到120min芝加哥雨型的雨峰系数r=0.405.

芝加哥设计雨型主要是推求雨峰位置, 雨峰位置确定后, 便可采用暴雨强度公式的相关参数, 利用上海市暴雨强度公式计算得到不同重现期下120min设计雨型各时段的雨量及平均强度见表2.

表2 各重现期下120min雨型各时段雨量与强度

65 43.64 3.19 48.833.57 55.364.05 64.21 4.70 70 46.18 2.53 51.662.83 58.573.21 67.94 3.73 75 48.30 2.12 54.032.37 61.262.69 71.06 3.12 80 50.14 1.84 56.092.06 63.592.34 73.77 2.71 85 51.78 1.64 57.921.83 65.672.07 76.18 2.41 90 53.25 1.48 59.581.65 67.541.87 78.35 2.17 95 54.61 1.35 61.091.51 69.261.72 80.34 1.99 100 55.86 1.25 62.491.40 70.841.59 82.18 1.84 105 57.02 1.17 63.791.30 72.321.48 83.89 1.71 110 58.11 1.09 65.011.22 73.711.39 85.50 1.61 115 59.14 1.03 66.171.15 75.011.31 87.02 1.52 120 60.12 0.98 67.261.09 76.251.24 88.46 1.44 H60max 45.70 / 51.15/ 58.00/ 67.25 /

以5年一遇120min设计雨型为例, 降雨总量为76.23mm, 雨峰位于50min(雨峰系数r=0.405), 峰值时段的降雨量为13.87mm/5min. 降雨过程中降雨量最大1h时段位于30～85min, 累积降雨量为57.99mm, 结果如图1所示.

图1 5年一遇120min芝加哥法雨型

2.3 Pilgrim和Cordery设计雨型

采用1.2节所述方法, 推求上海市120min短历时雨型. 根据统计结果, 120min雨型雨峰位置位于55min左右, 各时段雨量分配比例见表3.

表3 120min Pilgrim和Cordery雨型雨量分配表

采用上海市暴雨强度公式计算得到各重现期下120min降雨总量, 代入表3即可得到不同重现期下120min设计雨型. 以5年一遇120min为例, 降雨总量为76.23mm, 雨峰位于55min, 峰值降雨量为13.40mm/5min. 降雨过程中降雨量最大1h时段位于15～70min, 最大一小时累积降雨量为65.35mm, 如图2所示.

图2 5年一遇120min Pilgrim和Cordery法雨型

3 短历时雨型应用性分析

1) 计算机数学模型

推理公式法作为排水系统的传统计算方法, 具有一定的适用范围, 对于面积较大的排水系统, 会产生较大的计算误差. 发达国家已普遍采用数学模型进行管网径流量计算, 根据《室外排水设计规范》(GB50014-2006)(2014年版)要求, 当汇水面积超过2km2时, 宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程, 采用数学模型法计算雨水设计流量.

排水系统计算机数学模型通常由降雨模型、产流模型、汇流模型、管网水动力模型等一系列模型组成, 涵盖了排水系统的多个环节. 数学模型可以考虑同一降雨事件中降雨强度在不同时间和空间的分布情况, 因而可以更加准确地反映地表径流的产生过程和径流流量.

降雨模型作为计算机数学模型的输入边界条件, 是径流过程计算的基础. 降雨模型主要由设计雨型构成. 因此, 必须根据上海市的实际降雨特征, 推求短历时设计雨型, 才能保障模型计算结果的准确性和可靠性.

2) 雨水调蓄设施

雨水调蓄设施从功能上可分为两大类, 一类是以调节洪峰流量为目的的超标径流调蓄设施, 另一类是以控制面源污染为目的的初期雨水调蓄设施. 由于功能目标不同, 两种类型的调蓄设施的设计方法也有所差异. 为保证雨水调蓄设施设计方案的合理性,不仅需要通过理论方法计算确定其设计规模, 同时还需要采用设计降雨过程线及设计流量过程线对设计方案进行校核和优化, 通过对降雨径流过程进行质和量的准确模拟, 验证设计方案的合理性.

图3 雨水调蓄设施设计暴雨雨型应用

①初期雨水调蓄, 基于低重现期设计雨型, 合理确定调蓄设施的入流量和调蓄容积, 从而截流调蓄降雨初期一定降雨量当量的雨水. ② 超标径流调蓄, 基于高重现期设计雨型, 确定超标时段以及超标径流流量, 从而确定调蓄设施的容积和入流量.

4 结论

(1) 本文采用徐家汇气象站1985～2012年分钟降雨数据, 共选取112场120min降雨过程样本, 采用芝加哥法、Pilgrim和Cordery法推求短历时设计雨型.

(2) 推荐采用芝加哥设计雨型作为上海市短历时设计雨型. 120min雨型雨峰位置系数r=0.405, 可结合暴雨强度公式计算的得到相应设计雨型.

(3) 可采用Pilgrim和Cordery法雨型作为运行管理的参考. 120min Pilgrim和Cordery设计雨型, 雨峰位于55min, 雨峰时段雨量占120min总雨量的17.57%.

(4) 短历时雨型可用于排水系统计算机数学模型或调蓄设施的设计评估.

[1] 岑国平, 沈 晋, 范荣生. 城市设计暴雨雨型研究[J]. 水科学进展, 1998, 9(1): 41～46

[2] 宁 静. 上海市短历时暴雨强度公式与设计雨型研究[D] . 上海: 同济大学硕士学位论文, 2006

[3] 周玉文, 赵宏宾. 排水管网理论与计算[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000

[4] 牟金磊. 北京市设计暴雨雨型分析[D]. 兰州: 兰州交通大学硕士学位论文, 2011

Study of Shanghai Design Rainstorm Profile Under the New Rainstorm Situation

JIANG Ming1,2
(1. Shanghai Urban Construction Design & Research Institute, Shanghai 200125, China; 2. Shanghai Engineering Research Center of Municipal Stormwater Management, Shanghai 200125, China)

Rainfall pattern is a conception that describes rainfall process, and it is a rainfall intensity allocation process under time scales, and it is the basis on obtaining storm water runoff hydrograph. Design rainstorm profile is the most typical Rainfall pattern that was from the statistical regularities on the basis of large amount of local rainfall data. In this study, on the basis of many years (1985～2012) rainfall data of Shanghai, the recommended, typical and representative Shanghai Design Rainstorm Profile was presented.

design rainstorm profile; Chicago hyetograph; Pilgrim & Cordery method

TU992; P333

A

1672-5298(2015)02-0069-05

2015-05-10

国家“十二五”水体污染控制与治理科技重大专项(城市雨水径流综合管控平台与辅助决策系统研究与示范, 2013ZX07304-003)

蒋 明(1979− ), 男, 湖南祁阳人, 博士, 工程师. 主要研究方向: 水处理技术及城市雨洪管理