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    呼和浩特暴雨強度公式
    2020-08-17

    天街小雨潤如酥,草色遙看近卻無

    —基于暴雨強度公式對城市建設高質量發展、精準實策的解讀
    楊麗麗
    呼和浩特市暴雨強度公式是呼和浩特市氣象局“呼和浩特地區暴雨強度公式修訂及應用系統建設”項目的階段成果,采用呼和浩特氣象站1954-2018年降水資料,嚴格執行《室外排水設計規范》(GB50014-2006,2016年版)對“原暴雨強度公式“進行重新修訂,為呼和浩特市城市建設及供排水管道規劃設計提供科學、精準的基礎依據。
    一、什么是暴雨強度公式
    暴雨強度公式,很多人可能會覺得陌生,但50年一遇或者100年一遇暴雨的說法,你一定聽說過,其實這和暴雨強度公式有著莫大的關系。多少年一遇專業的說法叫做重現期,通過暴雨強度公式就能計算出不同重現期下的降雨強度是多少,當然連續降雨的時段不同,計算出來的暴雨強度也不同。知道了一個地方多少年一遇的暴雨強度,就能在城市排水管網設計和建設中科學決策,兼顧經濟性的同時,合理布局排水管網,有效減少城市內澇的發生。所以,暴雨強度公式是反映降雨規律、指導城市排水防澇工程設計和相關設施建設的重要基礎。
    二、修編目的與意義
    通常說的多少年一遇是頻率的概念,是基于大量的實測資料,用數理統計方法估算的多次試驗中某一事件重復出現的平均時間間隔。暴雨強度公式正是基于某地多年的實測降水資料推算出來的。呼和浩特市原來使用的暴雨強度公式編制于上世紀七十年代,由于受當時設備限制,所用資料樣本少,不能充分反映近年來呼和浩特市的暴雨發生特征,直接關系到城市排水系統規劃及設計建設的合理、高效和經濟性。因此,編制呼和浩特市暴雨強度公式非常必要。
    呼和浩特市作為內蒙古自治區的首府,隨著城市的快速發展,城市不斷擴容、建筑密度加大,不透水下墊面逐漸增多,城市出現的排水不暢和內澇現象逐漸加重,增加了防洪排澇難度,城市遭受水浸的自然風險也在加大。
    呼和浩特市現在使用的暴雨強度公式編制于上世紀七十年代,由于編制時間久遠、采用的樣本少,不能充分代表近年來呼和浩特市的暴雨發生特征,直接關系到城市排水系統規劃及設計建設的合理、高效和經濟性。因此,編制呼和浩特市暴雨強度公式非常必要。
    三、修編的依據
    暴雨強度公式作為城市雨水排水系統規劃和設計的基本依據之一,是科學、合理地規劃設計城市排水系統的基礎,2013年3月,國務院辦公廳下發的《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》明確提出:“結合氣象、水文資料,對現有暴雨強度公式進行評價和修訂,全面評估城市排水防澇能力和風險”。中華人民共和國《室外排水設計規范》于2013年進行了重新修訂,明確規定了編制暴雨強度公式過程中降水資料的選樣方法和最小重現期。2014年5月,住房城鄉建設部、中國氣象局下發了《關于做好暴雨強度公式修訂有關工作的通知》;2014年9月,自治區住房城鄉建設廳、氣象局下發通知(內建城[2014]479號)對此項工作提出了明確的要求。本公式遵循了依據全面性、資料可靠性及方法科學性原則。
    四、暴雨強度公式編制的流程
    呼和浩特市暴雨強度公式編制的主要內容包括資料處理、單一重現期暴雨強度公式擬合、區間參數公式擬合、暴雨強度總公式擬合、常用查算圖表編制、精度檢驗、各強度暴雨時間變化特征和暴雨強度空間分布特征分析等內容,具體流程如下:

    圖2-1-1 暴雨強度公式編制流程圖
    (1)站點沿革:公式降水資料選擇在呼和浩特國家基本氣象站(53463)站點,本氣象站沿革情況如下
    呼和浩特國家基本氣象觀測站沿革
    時  間 緯  度 經  度 海拔高度(m) 地  址 地理環境
    1951.1.1~1953.12.31 40°49′ 111°41′ 1062.2 歸綏市東門外機場 郊 外
    1954.1.1~1955.12.31 40°49′ 111°41′ 1062.2 歸綏市麻花板 市 區
    1956.1.1~2012.12.31 40°49′ 111°41′ 1063.0 呼和浩特市麻花板 市 區
    2013.1.1~至  今 40°51′ 111°34′ 1153.5 呼和浩特市烏蘇圖森林公園 郊 外
    呼和浩特市各氣象觀測站使用的觀測儀器設備符合《地面氣象觀測規范》,資料整理符合《地面氣象觀測資料質量控制》(QX/T 118-2010 )和《地面氣候資料30年整編常規項目及其統計方法》(QX/T 22-2004)等國家規定。降雨觀測始于上世紀五十年代末或六十年代初,符合《地面氣象觀測規范》(QX/T 52-2007)第8部分。降水觀測樣本序列長,資料完整,數據連續性和一致性比較強。降水數據記錄方式采用虹吸式雨量計和雙閥容柵式雨量傳感器(雙翻斗式雨量計),資料統計按照“不漏場次、不漏大值”的原則選取。
    (2)降水歷時
    短歷時暴雨統計樣本分為:5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min共 11 種降水歷時。
    (3)統計方法
    從全年的降水自記紙或每分鐘降水量數據文件中,挑取本年內11個時段最大降水量及相應開始時間。
    各時段年最大降水量及相應開始時間,只有當 1440 min降水量≥10.0mm時才挑取。
    各時段最大降水量從年內各月降水量自記紙或每分鐘降水量數據滑動挑取,且不受日、月界的限制(但不跨年挑?。?。
    各時段年最大降水量出現兩次或以上相同時,開始時間欄記出現次數。
    雨量大而降雨歷時不足時,要將降雨歷時按零雨量外延至降雨歷時。
    (4)資料樣本選取
    按照國家標準《室外排水設計規范》(GB50014-2006,2014版)和《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》的要求,本項目采用最大值法建立樣本資料,從呼和浩特市各氣象觀測站逐分鐘降雨數據中分別提取 5、10、15、20、30、45、60、90、120 、150、180min11個降雨歷時逐年降雨資料的最大值作為原始數據,分別建立各歷時年最大值歷年樣本序列和近三十年的樣本序列,作為編制暴雨強度公式的有效暴雨資料樣本。
    (5)樣本資料的理論頻率分布曲線擬合由于設計采用的重現期(100 年一遇)大于現有樣本資料年限,對市區1954-2018年樣本原始樣本數據采用“適線法”調整各降雨歷時的變差系數、偏態系數,使得理論頻率分布曲線均勻分布,且對原始數據采用皮爾遜Ⅲ型分布曲線、耿貝爾分布曲線、指數分布曲線對呼和浩特市區統計樣本進行擬合,擬合的誤差達到最?。▓D3-1-1)。按照《室外排水設計規范》(GB50014-2006,2014版)推薦的理論頻率曲線皮爾遜Ⅲ型分布曲線、耿貝爾曲線、指數分布曲線(理論頻率分布曲線原理見附件二),進行理論頻率分布曲線調整,最終選擇對原始數據的擬合程度高,誤差小的理論頻率曲線對現有各歷時樣本資料進行延長。選擇何種理論頻率分布曲線,關鍵是看分布曲線對原始數據的擬合程度,按照《室外排水設計規范》(GB50014-2006,2014版)的要求,所選擇的理論頻率曲線擬合應具備誤差小、精度高的特點,且必須滿足:2-20年重現期的絕對均方誤差()≤0.05mm/min、相對均方誤差()≤5%。
    (6)通過單一重現期暴雨強度公式與區間暴雨強度公式得出任意重現期暴雨強度公式。
    并且對暴雨強度計算結果進行了精度檢驗,計算出重現期2~20年的暴雨強度,并計算暴雨強度理論值和實測值的平均絕對均方誤差和平均相對均方誤差:
    運用暴雨強度計算系統,采用耿貝爾分布曲線對1954-2018年統計樣本和指數曲線對1989-2018年統計樣本擬合,使用誤差最小的最小二乘法推算暴雨強度公式的各系數,得出呼和浩特市區暴雨強度公式:
                                   
    公式說明:技術術語說明
    降雨歷時 (rainfall duration):指連續降雨的時段,為累積雨量的時間長度,以分鐘(min)計。
    降雨量(rainfall amount):雨水累積深度,以毫米計(某一時段內降落到水平面上的降水量,單位:mm)。
    降雨強度(rainfall intensity):指某一歷時內單位時間(每分鐘或每小時)的降雨量。
    短歷時降雨(short duration precipitation):指降雨歷時小于120 分鐘的降雨。
    有效暴雨資料樣本(effective rainstorm sample):作為暴雨公式和暴雨雨型編制的降雨數據樣本。
    暴雨重現期(rainstorm return period):某一強度的暴雨重復出現的統計平均時間間隔,以年(a)計。
    暴雨雨型(rainstorm profile):不同降雨歷時內的暴雨強度隨時間變化的特征,以不同降雨歷時的降雨過程線型表達。
    雨峰位置系數(peak intensity position coefficient):表征暴雨強度過程的雨峰位置的參數,從降雨歷時開始至降雨峰值出現的時間段長度與降雨歷時的比值。
    技術符號說明
    i——設計暴雨強度,單位:mm/min
    q——設計暴雨強度,單位:L/(s·hm2)
    P——設計暴雨重現期,單位:a
    t——降雨歷時,單位:min
    A——雨力參數;
    C——雨力變動參數;
    b——降雨歷時修正參數;
    n——暴雨衰減指數;
    ri——雨峰位置系數。
    五、 呼和浩特市區新編暴雨強度公式的合理性分析
    呼和浩特市沿用是上世紀七十年代后期編制的暴雨強度公式為:
                    
    (1)呼和浩特市原暴雨強度公式編制年限、編制單位、編制方法、誤差精度無記載,查證困難。
    (2)呼和浩特市原暴雨強度公式編制所用資料樣本年代少,編制時間久遠,推算過程中的數據量比較少。
    (3)由于受當時設備限制,呼和浩特市原暴雨強度公式編制時所用資料并不是準確的分鐘降雨記錄,依靠人工用專用取樣尺從記錄曲線上摘取各歷時所需樣本,資料取得受主觀影響較大。
    (4)呼和浩特市原暴雨強度公式,只有總公式,沒有區間公式和單一重現期公式,無法找到當時的推算方法以及相關的參數。
    (5)新編暴雨強度公式所用資料序列為65 年的降雨記錄,樣本充足,能比較充分反應呼和浩特市的降雨特征。
    (6)新編公式的推算,得益于計算機技術的優勢,對于以前無法實現的降雨自記紙資料進行了數據化處理,樣本獲取、計算過程完全依靠計算機完成,不受主觀影響,可靠度有保證。
    (7)新編暴雨強度公式嚴格按《室外排水設計規范》(GB50014-2006,2014版)編制,精度符合國標要求,并形成了總公式、區間公式、單一重現期公式、相關圖表等系列成果,為公式的應用創造了便利條件。
    (8)呼和浩特市新編的暴雨強度公式的暴雨強度曲線與實測擬合暴雨強度曲線的一致性優于原暴雨強度公式曲線;各重現期原公式暴雨強度大于新編公式的暴雨強度,且差值在短歷時最大,隨歷時延長而逐漸減小,降雨歷時30分鐘以后趨于一致。
    總之,新編暴雨強度公式的暴雨強度曲線與呼和浩特市區降水實測擬合暴雨強度曲線更為接近,新編的呼和浩特市區暴雨強度公式對于反應呼和浩特市暴雨特征要優于原公式。(文:楊麗麗)

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