雄安新区长历时暴雨强度公式及其设计雨型推求

doi:10.3969/j.issn.1673-503X.2021.05.012

摘要/Abstract

摘要：

设计暴雨研究是城市排水防涝工程建设的重要基础。基于1981—2020年雄安新区3个地面气象观测站的降雨资料，对其降雨量和暴雨日数的时间变化特征进行了分析；采用雄县分钟级降雨数据，通过年最大值法选样，为兼顾长、短历时降雨样本的拟合优度，选用P-III型曲线对降雨数据进行理论频率分析，通过MATLAB的高斯—牛顿法求解暴雨强度公式中的参数，最终得到长历时综合暴雨强度公式，根据同频率分析法对雄县1440 min的设计暴雨雨型进行推求。结果表明：雄安新区多年平均降雨量为490.4 mm，暴雨日数为4.4 d；2000—2020年暴雨日数呈增多趋势，尤以大暴雨增多明显，近10 a大暴雨发生日数占暴雨日数的比率最大，为20.8%，较21世纪初10 a大将近7倍。编制的长历时综合暴雨强度公式，可计算5—1440 min任意历时、2—100 a任意重现期的设计暴雨。雄县以5 min为步长的1440 min设计暴雨雨型为单峰型，雨峰系数为0.806，结合所编制的长历时综合暴雨强度公式，可推求任意指定重现期下1440 min的设计雨型。

关键词: 长历时暴雨强度公式, 设计暴雨雨型, P-III型分布, 同频率分析法, 雄安新区

Abstract:

Design rainstorm research is an important foundation for urban drainage and waterlogging prevention engineering construction. The temporal variation characteristics of the number of precipitation and rainstorm days were analyzed based on the precipitation data of meteorological stations in Xiong'an New District from 1981 to 2020. Taking Xiong county as an example, using its minute-level rainfall data, through the annual maximum value method, the theoretical frequency analysis of rainfall data was carried out using P-III curve in order to consider the fitting goodness of long and short duration rainfall data. The parameters of formula were solved by Gauss-Newton method and the long-duration comprehensive storm intensity formula that suitable for 5-1440 min was obtained. On this basis, the design hyetograph for 1440 min in Xiong county was deduced using homogenous frequency analysis method. The results show that multi-year averaged rainfall in Xiong'an New District is 490.4 mm; the number of storm days is 4.4 d; the number of storm days shows an increasing trend from 2000 to 2020, especially for the number of torrential rain days. In recent 10 years, the proportion of the number of torrential rain days to storm days was the largest (20.8%) in the new district, which was nearly 7 times larger than that at the beginning of the 21st century. The obtained long-duration comprehensive storm intensity formula of Xiong county could be used to calculate the design storm of whatever duration (5-1440 min) and whatever recurrence period (2-100 years). The 1440 min' design hyetograph with an interval of 5 min in Xiong county shows a single peak with the peak value is 0.806. Combined the design hyetograph with the obtained long-duration comprehensive storm intensity formula, the designed rain patttern of 1440 min under different specified recurrence period could be deduced.

Key words: Long-duration storm intensity formula, Designed rainstorm pattern, P-III distribution, Homogenous frequency analysis method, Xiong'an New District

中图分类号:

P463.3

于长文,许启慧,杨宜昌,马贵东,高旭旭. 雄安新区长历时暴雨强度公式及其设计雨型推求[J]. 气象与环境学报, 2021, 37(5): 78-85.

Chang-wen YU,Qi-hui XU,Yi-chang YANG,Gui-dong MA,Xu-xu GAO. Intensity formula and design hyetograph for long-duration storm in Xiong'an New District[J]. Journal of Meteorology and Environment, 2021, 37(5): 78-85.

图/表 10

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参考文献 33

1	肖光梁, 陈传雷, 龙晓慧, 等. 辽宁省短历时暴雨和大暴雨时空分布与变化特征[J]. 气象与环境学报, 2019, 35 (5): 46- 52. doi: 10.3969/j.issn.1673-503X.2019.05.006
2	苗世光, 蒋维楣, 梁萍, 等. 城市气象研究进展[J]. 气象学报, 2020, 78 (3): 477- 499.
3	梅超, 刘家宏, 王浩, 等. 城市设计暴雨研究综述[J]. 科学通报, 2017, 62 (33): 3873- 3884.
4	Watt E , Marsalek J . Critical review of the evolution of the design storm event concept[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2013, 40 (2): 105- 113. doi: 10.1139/cjce-2011-0594
5	唐倩, 包云轩, 陈粲, 等. 昆山市暴雨时空分布特征及设计暴雨强度公式推求[J]. 热带气象学报, 2020, 36 (5): 683- 698.
6	刘焕彬, 邱粲, 王荣. 不同年限降雨资料编制暴雨强度公式适用性分析[J]. 中国给水排水, 2020, 36 (19): 114- 120.
7	庄智福, 王珂清, 杨杰, 等. 镇江市新一代暴雨强度公式研制及雨型设计[J]. 气象科学, 2015, 35 (4): 506- 513.
8	刘淼, 周荣, 辛朋磊, 等. 南通城市设计暴雨方法比较及公式修订[J]. 水文, 2019, 39 (4): 24- 28. doi: 10.3969/j.issn.1000-0852.2019.04.005
9	郑长陵, 史桂菊. 新安水文站长历时暴雨量频率分析[J]. 科技创新导报, 2012, 9 (15): 224. doi: 10.3969/j.issn.1674-098X.2012.15.188
10	吴俊梅, 林炳章, 邵月红. 地区线性矩法在太湖流域暴雨频率分析中的应用[J]. 水文, 2015, 35 (5): 15- 22. doi: 10.3969/j.issn.1000-0852.2015.05.004
11	住房和城乡建设部, 中国气象局. 城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则[S]. 北京, 2014.
12	许启慧, 于长文, 张金龙, 等. 基于芝加哥算法的河北省四城市短历时暴雨极值特点分析[J]. 暴雨灾害, 2018, 37 (3): 288- 292. doi: 10.3969/j.issn.1004-9045.2018.03.012
13	戴有学, 王振华, 戴临栋, 等. 芝加哥雨型法在短历时暴雨雨型设计中的应用[J]. 干旱气象, 2017, 35 (6): 1061- 1069.
14	朱玲, 龚强, 李杨, 等. 辽宁葫芦岛市新旧暴雨强度公式对比及暴雨雨型分析[J]. 暴雨灾害, 2017, 36 (3): 251- 258. doi: 10.3969/j.issn.1004-9045.2017.03.008
15	牟洪磊. 北京市设计暴雨雨型分析[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2011.
16	杨星, 朱大栋, 李朝方, 等. 按风险模型分析的设计雨型[J]. 水利学报, 2013, 44 (5): 542- 548. doi: 10.3969/j.issn.0559-9350.2013.05.008
17	杨星, 李志清, 李朝方, 等. 同频率法设计降雨过程的安全裕度[J]. 水力发电学报, 2013, 32 (6): 19- 23.
18	俞露, 荆燕燕, 许拯民. 辅助排水防涝规划编制的设计降雨雨型研究[J]. 中国给水排水, 2015, 31 (19): 141- 145.
19	中共中央国务院关于对《河北雄安新区规划纲要》的批复[N]. 人民日报, 2018-04-21(001).
20	林璇, 赵磊, 李得勤, 等. 华北"7.20"特大暴雨多尺度特征分析[J]. 气象与环境学报, 2020, 36 (3): 1- 9.
21	Gong Y , Liang X , Li X , et al. Influence of rainfall characteristics on total suspended solids in urban runoff: A case study in Beijing[J]. Water, 2016, 8 (7): 278. doi: 10.3390/w8070278
22	Koutsoyiannis D . A stochastic disaggregation method for design storm and flood synthesis[J]. Journal of Hydrology, 1994, 156 (1): 193- 225.
23	王伯民, 吕勇平, 张强. 降水自记纸彩色扫描数字化处理系统[J]. 应用气象学报, 2004, 15 (6): 737- 744. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2004.06.013
24	中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国质量监督检验检疫总局. 室外排水设计规范(2016年版): GB50014-2006[M]. 北京: 中国计划出版社, 2016.
25	张子贤, 孙光东, 孙建印, 等. 采用不同路径推求城市暴雨强度总公式的拟合误差分析[J]. 水利学报, 2015, 46 (1): 97- 101.
26	夏宗尧. 编制暴雨强度公式中应用P-Ⅲ曲线与指数曲线的比较[J]. 中国给水排水, 1990, 5 (3): 32- 38.
27	Griffis V W . Log-Pearson type 3 distribution and its application in flood frequency analysis(Ⅱ): Parameter estimation methods[J]. J Hydrol Eng, 2007, 12, 492- 500.
28	黄津辉, 向文艳, 户超, 等. 天津市设计暴雨方法比较及公式修正[J]. 天津大学学报: 自然科学与工程技术版, 2013, 46 (4): 354- 360.
29	刘俊, 周宏, 鲁春辉, 等. 城市暴雨强度公式研究进展与评述[J]. 水科学进展, 2018, 29 (6): 898- 910.
30	陈鹏飞. 基于MATLAB的暴雨强度公式参数推求[D]. 广州: 广州大学, 2010.
31	王家祁. 中国设计暴雨和暴雨特性的研究[J]. 水科学进展, 1999, 10 (3): 328- 336.
32	刘家宏, 李泽锦, 梅超, 等. 基于TELEMAC-2D的不同设计暴雨下厦门岛城市内涝特征分析[J]. 科学通报, 2019, 64 (19): 2055- 2066.
33	顾正强, 朱玲, 龚强, 等. 辽宁省降雨变化对海绵城市低影响开发雨水系统建设的影响[J]. 气象与环境学报, 2018, 34 (5): 76- 85.

历时/min	C_V	C_S	C_S/C_V	平均值/mm	平均绝对均方误差/(mm/min)	平均相对均方误差/(%)
5	0.26	0.90	3.5	10.09	0.132	12.184
10	0.26	0.91	3.5	16.84	0.081	9.994
15	0.29	1.03	3.5	22.47	0.076	9.902
20	0.32	1.12	3.5	26.97	0.069	10.141
30	0.38	1.34	3.5	33.50	0.069	12.960
45	0.41	1.42	3.5	39.45	0.063	14.560
60	0.42	1.46	3.5	43.21	0.054	14.372
90	0.43	1.51	3.5	49.02	0.046	9.293
120	0.41	1.45	3.5	53.70	0.037	5.665
150	0.41	1.45	3.5	56.62	0.034	4.951
180	0.41	1.44	3.5	58.81	0.032	5.301
240	0.40	1.40	3.5	62.26	0.022	5.896
360	0.37	1.31	3.5	67.72	0.013	4.322
720	0.37	1.31	3.5	73.98	0.009	5.122
1440	0.36	1.26	3.5	81.39	0.004	5.018

历时/min	重现期/a
历时/min	2	3	5	10	20	30	50	100
5	1.941	2.177	2.420	2.718	2.989	3.144	3.324	3.564
10	1.618	1.816	2.021	2.272	2.502	2.632	2.784	2.987
15	1.424	1.622	1.830	2.088	2.326	2.462	2.622	2.836
20	1.269	1.464	1.670	1.929	2.170	2.309	2.472	2.692
30	1.025	1.213	1.420	1.685	1.936	2.082	2.255	2.490
45	0.795	0.954	1.129	1.356	1.572	1.699	1.849	2.053
60	0.649	0.783	0.932	1.127	1.313	1.422	1.551	1.728
90	0.488	0.591	0.707	0.859	1.005	1.091	1.193	1.332
120	0.405	0.486	0.577	0.694	0.807	0.873	0.951	1.057
150	0.341	0.410	0.486	0.586	0.681	0.736	0.802	0.892
180	0.296	0.355	0.421	0.506	0.588	0.635	0.692	0.769
240	0.236	0.282	0.332	0.396	0.458	0.494	0.537	0.595
360	0.173	0.205	0.239	0.282	0.324	0.348	0.376	0.415
720	0.095	0.112	0.130	0.154	0.177	0.190	0.206	0.227
1440	0.052	0.061	0.071	0.084	0.096	0.102	0.110	0.121

历时/min	重现期2—100 a区间		重现期2—20 a区间
历时/min	绝对误差/(mm/min)	相对误差/(%)	绝对误差/(mm/min)	相对误差/(%)
5	0.171	7.162	0.189	8.556
10	0.180	6.696	0.080	4.143
15	0.089	3.791	0.053	3.144
20	0.046	2.526	0.051	3.012
30	0.111	5.496	0.079	4.734
45	0.095	6.090	0.062	5.422
60	0.075	6.592	0.053	6.735
90	0.061	7.432	0.045	7.857
120	0.037	5.948	0.030	6.527
150	0.031	5.943	0.025	6.531
180	0.026	5.801	0.021	6.467
240	0.015	4.812	0.015	5.729
360	0.007	3.147	0.007	3.745
720	0.005	3.270	0.004	3.473
1440	0.004	4.160	0.003	4.031
平均值	0.064	5.258	0.048	5.340

站号	站名	开始时间/(日期/时间)	历时/min	降雨总量/mm	最大1h降雨量/mm
54636	雄县	1991-07-27/04:51	2636	264.95	22.45
54636	雄县	1977-08-02/06:04	1178	203.11	33.31
54636	雄县	2016-07-19/08:08	1985	180.00	28.90
54636	雄县	2007-07-30/09:56	2645	156.32	82.98
54636	雄县	1994-07-10/22:03	3935	154.54	23.57
54636	雄县	1996-08-02/03:05	5877	121.62	23.23
54636	雄县	1994-08-12/13:18	1474	120.57	21.79
54636	雄县	1989-07-16/19:11	1375	111.82	23.91
54636	雄县	2005-07-15/02:57	2507	94.04	43.31
54636	雄县	1978-07-22/00:49	3176	88.63	40.07
54636	雄县	1984-08-22/00:39	1118	81.43	60.22
54636	雄县	2000-08-11/06:45	2420	75.25	44.36

[1]	吴昌广, 房雅萍, 林姚宇, 马晓阳, 王耀武, 王克桓. 湿热地区街头绿地微气候效应数值模拟分析[J]. 气象与环境学报, 2016, 32(5): 99-106.
[2]	闫少锋, 张金池, 张波, 陆茜, 王永平, 俞红, 张增信. 2008年南京市热岛效应演变特征及其对城市居民生活影响[J]. 气象与环境学报, 2011, 27(1): 14-20.
[3]	马凤莲,丁力,王宏. 承德市干湿岛效应及其城市化影响分析[J]. 气象与环境学报, 2009, 25(3): 14-18.