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呼和浩特暴雨強(qiáng)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(qiáng)度公式對(duì)城市建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展、精準(zhǔn)實(shí)策的解讀
楊麗麗
呼和浩特市暴雨強(qiáng)度公式是呼和浩特市氣象局“呼和浩特地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式修訂及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)”項(xiàng)目的階段成果，采用呼和浩特氣象站1954-2018年降水資料，嚴(yán)格執(zhí)行《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014－2006，2016年版）對(duì)“原暴雨強(qiáng)度公式“進(jìn)行重新修訂，為呼和浩特市城市建設(shè)及供排水管道規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)、精準(zhǔn)的基礎(chǔ)依據(jù)。
一、什么是暴雨強(qiáng)度公式
暴雨強(qiáng)度公式，很多人可能會(huì)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(shí)這和暴雨強(qiáng)度公式有著莫大的關(guān)系。多少年一遇專業(yè)的說法叫做重現(xiàn)期，通過暴雨強(qiáng)度公式就能計(jì)算出不同重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度是多少，當(dāng)然連續(xù)降雨的時(shí)段不同，計(jì)算出來的暴雨強(qiáng)度也不同。知道了一個(gè)地方多少年一遇的暴雨強(qiáng)度，就能在城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)中科學(xué)決策，兼顧經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，合理布局排水管網(wǎng)，有效減少城市內(nèi)澇的發(fā)生。所以，暴雨強(qiáng)度公式是反映降雨規(guī)律、指導(dǎo)城市排水防澇工程設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)施建設(shè)的重要基礎(chǔ)。
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(shí)測資料，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法估算的多次試驗(yàn)中某一事件重復(fù)出現(xiàn)的平均時(shí)間間隔。暴雨強(qiáng)度公式正是基于某地多年的實(shí)測降水資料推算出來的。呼和浩特市原來使用的暴雨強(qiáng)度公式編制于上世紀(jì)七十年代，由于受當(dāng)時(shí)設(shè)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(fā)生特征，直接關(guān)系到城市排水系統(tǒng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)建設(shè)的合理、高效和經(jīng)濟(jì)性。因此，編制呼和浩特市暴雨強(qiáng)度公式非常必要。
呼和浩特市作為內(nèi)蒙古自治區(qū)的首府，隨著城市的快速發(fā)展，城市不斷擴(kuò)容、建筑密度加大，不透水下墊面逐漸增多，城市出現(xiàn)的排水不暢和內(nèi)澇現(xiàn)象逐漸加重，增加了防洪排澇難度，城市遭受水浸的自然風(fēng)險(xiǎn)也在加大。
呼和浩特市現(xiàn)在使用的暴雨強(qiáng)度公式編制于上世紀(jì)七十年代，由于編制時(shí)間久遠(yuǎn)、采用的樣本少，不能充分代表近年來呼和浩特市的暴雨發(fā)生特征，直接關(guān)系到城市排水系統(tǒng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)建設(shè)的合理、高效和經(jīng)濟(jì)性。因此，編制呼和浩特市暴雨強(qiáng)度公式非常必要。
三、修編的依據(jù)
暴雨強(qiáng)度公式作為城市雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一，是科學(xué)、合理地規(guī)劃設(shè)計(jì)城市排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)，2013年3月，國務(wù)院辦公廳下發(fā)的《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》明確提出：“結(jié)合氣象、水文資料，對(duì)現(xiàn)有暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行評(píng)價(jià)和修訂，全面評(píng)估城市排水防澇能力和風(fēng)險(xiǎn)”。中華人民共和國《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》于2013年進(jìn)行了重新修訂，明確規(guī)定了編制暴雨強(qiáng)度公式過程中降水資料的選樣方法和最小重現(xiàn)期。2014年5月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國氣象局下發(fā)了《關(guān)于做好暴雨強(qiáng)度公式修訂有關(guān)工作的通知》；2014年9月，自治區(qū)住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳、氣象局下發(fā)通知（內(nèi)建城[2014]479號(hào)）對(duì)此項(xiàng)工作提出了明確的要求。本公式遵循了依據(jù)全面性、資料可靠性及方法科學(xué)性原則。
四、暴雨強(qiáng)度公式編制的流程
呼和浩特市暴雨強(qiáng)度公式編制的主要內(nèi)容包括資料處理、單一重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式擬合、區(qū)間參數(shù)公式擬合、暴雨強(qiáng)度總公式擬合、常用查算圖表編制、精度檢驗(yàn)、各強(qiáng)度暴雨時(shí)間變化特征和暴雨強(qiáng)度空間分布特征分析等內(nèi)容，具體流程如下：

圖2-1-1 暴雨強(qiáng)度公式編制流程圖
（1）站點(diǎn)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(diǎn)，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(shí) 間緯度經(jīng) 度海拔高度(m) 地址地理環(huán)境
1951.1.1～1953.12.31 40°49′ 111°41′ 1062.2 歸綏市東門外機(jī)場郊外
1954.1.1～1955.12.31 40°49′ 111°41′ 1062.2 歸綏市麻花板市區(qū)
1956.1.1～2012.12.31 40°49′ 111°41′ 1063.0 呼和浩特市麻花板市區(qū)
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(shè)備符合《地面氣象觀測規(guī)范》，資料整理符合《地面氣象觀測資料質(zhì)量控制》（QX/T 118-2010 ）和《地面氣候資料30年整編常規(guī)項(xiàng)目及其統(tǒng)計(jì)方法》（QX/T 22-2004）等國家規(guī)定。降雨觀測始于上世紀(jì)五十年代末或六十年代初，符合《地面氣象觀測規(guī)范》（QX/T 52-2007)第8部分。降水觀測樣本序列長，資料完整，數(shù)據(jù)連續(xù)性和一致性比較強(qiáng)。降水?dāng)?shù)據(jù)記錄方式采用虹吸式雨量計(jì)和雙閥容柵式雨量傳感器（雙翻斗式雨量計(jì)），資料統(tǒng)計(jì)按照“不漏場次、不漏大值”的原則選取。
（2）降水歷時(shí)
短歷時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)樣本分為：5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min共 11 種降水歷時(shí)。
（3）統(tǒng)計(jì)方法
從全年的降水自記紙或每分鐘降水量數(shù)據(jù)文件中，挑取本年內(nèi)11個(gè)時(shí)段最大降水量及相應(yīng)開始時(shí)間。
各時(shí)段年最大降水量及相應(yīng)開始時(shí)間，只有當(dāng) 1440 min降水量≥10.0mm時(shí)才挑取。
各時(shí)段最大降水量從年內(nèi)各月降水量自記紙或每分鐘降水量數(shù)據(jù)滑動(dòng)挑取，且不受日、月界的限制（但不跨年挑?。?/span>
各時(shí)段年最大降水量出現(xiàn)兩次或以上相同時(shí)，開始時(shí)間欄記出現(xiàn)次數(shù)。
雨量大而降雨歷時(shí)不足時(shí)，要將降雨歷時(shí)按零雨量外延至降雨歷時(shí)。
（4）資料樣本選取
按照國家標(biāo)準(zhǔn)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006，2014版）和《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》的要求，本項(xiàng)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(shù)據(jù)中分別提取 5、10、15、20、30、45、60、90、120 、150、180min11個(gè)降雨歷時(shí)逐年降雨資料的最大值作為原始數(shù)據(jù)，分別建立各歷時(shí)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(qiáng)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(shè)計(jì)采用的重現(xiàn)期（100 年一遇）大于現(xiàn)有樣本資料年限，對(duì)市區(qū)1954-2018年樣本原始樣本數(shù)據(jù)采用“適線法”調(diào)整各降雨歷時(shí)的變差系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)，使得理論頻率分布曲線均勻分布，且對(duì)原始數(shù)據(jù)采用皮爾遜Ⅲ型分布曲線、耿貝爾分布曲線、指數(shù)分布曲線對(duì)呼和浩特市區(qū)統(tǒng)計(jì)樣本進(jìn)行擬合，擬合的誤差達(dá)到最小（圖3-1-1）。按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)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(shù)分布曲線（理論頻率分布曲線原理見附件二），進(jìn)行理論頻率分布曲線調(diào)整，最終選擇對(duì)原始數(shù)據(jù)的擬合程度高，誤差小的理論頻率曲線對(duì)現(xiàn)有各歷時(shí)樣本資料進(jìn)行延長。選擇何種理論頻率分布曲線，關(guān)鍵是看分布曲線對(duì)原始數(shù)據(jù)的擬合程度，按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006，2014版）的要求，所選擇的理論頻率曲線擬合應(yīng)具備誤差小、精度高的特點(diǎn)，且必須滿足：2-20年重現(xiàn)期的絕對(duì)均方誤差（）≤0.05mm/min、相對(duì)均方誤差（）≤5%。
（6）通過單一重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式與區(qū)間暴雨強(qiáng)度公式得出任意重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式。
并且對(duì)暴雨強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，計(jì)算出重現(xiàn)期2～20年的暴雨強(qiáng)度，并計(jì)算暴雨強(qiáng)度理論值和實(shí)測值的平均絕對(duì)均方誤差和平均相對(duì)均方誤差：
運(yùn)用暴雨強(qiáng)度計(jì)算系統(tǒng)，采用耿貝爾分布曲線對(duì)1954-2018年統(tǒng)計(jì)樣本和指數(shù)曲線對(duì)1989-2018年統(tǒng)計(jì)樣本擬合，使用誤差最小的最小二乘法推算暴雨強(qiáng)度公式的各系數(shù)，得出呼和浩特市區(qū)暴雨強(qiáng)度公式：

公式說明：技術(shù)術(shù)語說明
降雨歷時(shí) （rainfall duration）：指連續(xù)降雨的時(shí)段，為累積雨量的時(shí)間長度，以分鐘（min）計(jì)。
降雨量（rainfall amount）：雨水累積深度，以毫米計(jì)（某一時(shí)段內(nèi)降落到水平面上的降水量，單位：mm）。
降雨強(qiáng)度（rainfall intensity）：指某一歷時(shí)內(nèi)單位時(shí)間（每分鐘或每小時(shí)）的降雨量。
短歷時(shí)降雨（short duration precipitation）：指降雨歷時(shí)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(shù)據(jù)樣本。
暴雨重現(xiàn)期（rainstorm return period）：某一強(qiáng)度的暴雨重復(fù)出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間間隔，以年（a）計(jì)。
暴雨雨型（rainstorm profile）：不同降雨歷時(shí)內(nèi)的暴雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化的特征，以不同降雨歷時(shí)的降雨過程線型表達(dá)。
雨峰位置系數(shù)（peak intensity position coefficient）：表征暴雨強(qiáng)度過程的雨峰位置的參數(shù)，從降雨歷時(shí)開始至降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間段長度與降雨歷時(shí)的比值。
技術(shù)符號(hào)說明
i——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，單位：mm/min
q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，單位：L/（s·hm2）
P——設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，單位：a
t——降雨歷時(shí),單位：min
A——雨力參數(shù)；
C——雨力變動(dòng)參數(shù)；
b——降雨歷時(shí)修正參數(shù)；
n——暴雨衰減指數(shù)；
ri——雨峰位置系數(shù)。
五、呼和浩特市區(qū)新編暴雨強(qiáng)度公式的合理性分析
呼和浩特市沿用是上世紀(jì)七十年代后期編制的暴雨強(qiáng)度公式為：

（1）呼和浩特市原暴雨強(qiáng)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(qiáng)度公式編制所用資料樣本年代少，編制時(shí)間久遠(yuǎn)，推算過程中的數(shù)據(jù)量比較少。
（3）由于受當(dāng)時(shí)設(shè)備限制，呼和浩特市原暴雨強(qiáng)度公式編制時(shí)所用資料并不是準(zhǔn)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(shí)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(qiáng)度公式，只有總公式，沒有區(qū)間公式和單一重現(xiàn)期公式，無法找到當(dāng)時(shí)的推算方法以及相關(guān)的參數(shù)。
（5）新編暴雨強(qiáng)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(yīng)呼和浩特市的降雨特征。
（6）新編公式的推算，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于以前無法實(shí)現(xiàn)的降雨自記紙資料進(jìn)行了數(shù)據(jù)化處理，樣本獲取、計(jì)算過程完全依靠計(jì)算機(jī)完成，不受主觀影響，可靠度有保證。
（7）新編暴雨強(qiáng)度公式嚴(yán)格按《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006，2014版）編制，精度符合國標(biāo)要求，并形成了總公式、區(qū)間公式、單一重現(xiàn)期公式、相關(guān)圖表等系列成果，為公式的應(yīng)用創(chuàng)造了便利條件。
（8）呼和浩特市新編的暴雨強(qiáng)度公式的暴雨強(qiáng)度曲線與實(shí)測擬合暴雨強(qiáng)度曲線的一致性優(yōu)于原暴雨強(qiáng)度公式曲線；各重現(xiàn)期原公式暴雨強(qiáng)度大于新編公式的暴雨強(qiáng)度，且差值在短歷時(shí)最大，隨歷時(shí)延長而逐漸減小，降雨歷時(shí)30分鐘以后趨于一致。
總之，新編暴雨強(qiáng)度公式的暴雨強(qiáng)度曲線與呼和浩特市區(qū)降水實(shí)測擬合暴雨強(qiáng)度曲線更為接近，新編的呼和浩特市區(qū)暴雨強(qiáng)度公式對(duì)于反應(yīng)呼和浩特市暴雨特征要優(yōu)于原公式。（文：楊麗麗）