廊坊市某片区暴雨强度及雨型分析

刘 杰

(河北省廊坊水文勘测研究中心，河北 廊坊 065000)

1 概 述

为了显著改善城市排水工程规划的预见性，暴雨强度公式及芝加哥雨型模型被广泛应用于国内外海绵城市排水工程分析过程[1]。梅平等[2]根据暴雨强度公式，提出降雨衰减指数的概念，并建立区域暴雨过程致灾强度的综合评估模型。研究结果显示，暴雨强度分析结果与历史灾情记录在时间和影响范围上吻合较好。邓培德等[3]利用芝加哥雨型概念，推导出三维参数雨型，并据此提出同频率控制的模式雨型。WANG A等[4]利用现有上海市的降雨资料及芝加哥雨型法，对不同重现期的设计暴雨强度进行模拟。研究结果表明，将单峰和双峰暴雨分开推导的水位线在实际应用过程中更加合理。苏海龙[5]等利用芝加哥雨型计算法及SWMM模型，对西安小寨区域现状管网能力评估及积水点分析。研究结果表明，芝加哥法具有良好的通用性，可以高效准确地分析西安小寨区域在降雨历时内的暴雨强度，并为后续海绵城市设计提供基础数据。

然而尚未有利用暴雨强度公式及芝加哥雨型法分析不同降雨重现期下廊坊市暴雨强度及雨型分析的报道。综上所述，本文结合廊坊市某区内排水系统工程项目，对研究区域内的不同降雨重现期下的暴雨强度及雨型进行分析。研究结果可为廊坊市不同暴雨重现期下的暴雨强度及雨型分布提供基础的理论指导，并为廊坊市片区排水系统设计提供可靠的理论依据。

2 研究区域概况

廊坊市位于河北省中部偏东，地理坐标为N38°30′-N40°05′、E116°07′-E117°15′，地处华北平原东北部位置。廊坊市地处华北平原中东部，北起燕山南麓丘陵地区，南抵黑龙港流域，大部分为凹陷地区。廊坊市地处中纬度地带，属暖温带大陆性季风气候，四季分明。夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥、春季温暖多风、秋季凉爽适宜，雨热同季。研究区域位于河北省廊坊市东北部地区，总面积约为22.3km2，海拔在5～20.5m之间。研究区域位置见图1。

图1 研究区域位置

3 研究地区暴雨强度公式

廊坊市坐落于华北平原东北部，地处京津之间，是河北省唯一没有调蓄水库的设区市，水资源十分匮乏。全市年平均降水量554.9mm，降水季节分布不均，多集中在夏季。研究区域6-8月份3个月降水量一般达到年总降水量的70%～80%[6]。因此，根据研究区域不同重现期的暴雨强度，合理规划排水系统的设计方法和设计规模，提升研究区域雨水利用效率，进一步提高廊坊市排水蓄水能力。廊坊市气象部门联合当地住建部门颁布的暴雨强度公式，为廊坊市海绵城市建设提供重要设计依据。廊坊市的暴雨强度公式如下：

(1)

(2)

其中：i为暴雨强度，mm/hm2；t为降雨历时,min；P为重现期，年。

本次计算降雨历时t取120min，重现期P取1、2、3、5、10及20年。计算结果见表1。

表1 廊坊市不同降雨重现期下降雨强度表 /mm·(hm2)-1

4 研究区域降雨量模拟

4.1 芝加哥雨型模拟方法

芝加哥雨型计算法因其相对较高的普适性，因此该方法被广泛应用于国内外海绵城市降雨分析过程[7]。芝加哥雨型计算法是Keifer与Chu研究出的一种应用在排水管网系统的雨量分析理论，该理论把平均强度转化成瞬时强度，进一步通过人工造峰即可求得降雨过程中的降雨瞬时强度，其中雨峰位置和研究区域的气候及水系情况相关。目前，常见的雨型分析方法有常数法、三角法、德波尔德法(Desbordes)、芝加哥法(Chicago)、西法尔达法(Sifalda)、水土保持服务水位图(Soil conservation service hyetograph)。作为一种可以应用在大流域范围内的雨量雨型分析理论，芝加哥雨型计算法被广泛应用于“海绵城市系统设计”及“排水系统设计”过程。具体来说，芝加哥雨型计算法中雨峰位置和研究区域的气候及区位情况相关。

4.2 芝加哥雨型计算法原理

芝加哥雨型计算法公式如下：

(3)

其中：t为降雨历时；A、b、n为地方降雨参数；Q为平均降雨强度。

研究中数据处理工具为SPSS 19.0，按照百分数对计数数据表示以x2测定，P＜0.05差异具备统计学意义。

降雨历时t的总降雨量：

(4)

式中：H为降雨总量；t时刻的降雨强度为：

(5)

t=ta+tb

(6)

(7)

(8)

(9)

其中：r为雨峰相对位置参数，一般取值为0.3～0.5；tb为峰后降雨历时；ta为峰前降雨历时。

根据相关文献报道[7-8]，考虑到研究区域实际降雨情况，故本研究模拟过程雨峰位置选取为0.45。

4.3 暴雨强度计算分析

基于廊坊市暴雨强度计算公式，计算1、2、3、5、10及20年重现期下的暴雨强度值，暴雨历时为120min。结果见图2。

根据图2可以发现，在降雨历时区间内(0～120min)，暴雨强度随着重现期的增加而逐渐提高。具体来说，当降雨历时为20 min时，对应1、2、3、5、10及20年重现期下的暴雨强度值分别为173.50 、214.03、237.74、267.61、308.14及348.67mm/hm2。降雨重现期20年与1年的暴雨强度比值为2.01。随着降雨历时的增加，廊坊市暴雨强度在80min内快速下降，并于80min后暴雨强度变化逐渐趋于缓和。具体来说，随着降雨重现期从20年降低到1年，经历120min降雨历时的暴雨强度从135.95mm/hm2降低到67.65mm/hm2。120min降雨历时下的最大暴雨强度与最低暴雨强度的比值依然保持为2.01。降雨量统计见表2。

图2 研究区域内暴雨强度

表2 降雨量统计表

再进一步对研究区域内降水量进行计算。在研究区域内的汇水量分别为1 508.57、1 860.98、2 067.12、2 326.83、2 679.23及3031.63mm。根据项目所在地暴雨强度分析可知，随着降雨重现期增加，暴雨强度及研究区域的径流汇水量将出现明显上升。

4.4 芝加哥雨型分析

根据芝加哥雨型的分析公式，进一步通过积分计算研究区域芝加哥综合暴雨过程线。由图3可知，在降雨历时内且降雨重现期为1、2、3、5、10及20年的条件下，雨峰位置下(54min)的暴雨强度分别为0.014 8、0.018 2、0.020 2、0.022 8、0.026 2及0.029 7mm/min。在该雨型条件下，暴雨强度最高值与最低值比值为2.00。在本研究条件下，研究区域内雨峰位置下暴雨强度均表现出先增加后降低的趋势。

图3 不同降雨重现期下的雨型

由图4可知，在降雨重现期为10年的条件下，随着r从0.25提高至0.75，芝加哥雨型下雨峰位置的出现时间明显滞后。具体来说，芝加哥雨型下雨峰位置的出现时间从30.0min增加至90.0min。基于上述分析，在廊坊市研究区域内进行的雨水排水系统工程设计中，应合理选择降雨重现期及雨峰参数。

图4 不同雨峰位置下的雨型

5 结 论

本文运用廊坊市暴雨强度公式及芝加哥雨型分析方法，对不同降雨重现期及雨峰参数条件下研究区域内的暴雨强度及芝加哥雨型进行研究，结论如下：

1)在本研究中，降雨重现期的增加明显提高了研究区域内的暴雨强度。同时，随着降雨历时的增加，暴雨强度之间的比值稳定于2.01。

2)研究区域内的芝加哥雨型呈现出先增加后降低的趋势，且随着雨峰参数的提高，降雨历时内暴雨强度分布发生了明显变化。