城市雨洪利用的设计降雨分析方法探讨（张书函,潘安君）

时间：2021-01-12 08:05:38　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：针对城区降雨径流和雨洪利用工程建设特点, 提出了雨洪利用工程规划设计应采用的降雨分析方法。包括降雨资料选择与统计分析方法, 降雨时空分布和时程分配以及设计降雨过程等内容, 可供城市雨洪利用工程和市政排水工程规划设计时参考。

关键词：城市雨洪利用降雨量降雨分析

城市雨洪利用需要计算设计降雨条件下不同下垫面的径流量和径流过程。设计降雨是输入, 径流过程是输出。设计降雨的确定直接影响到雨洪利用系统的规模和雨水利用的量。因此在进行雨洪利用工程的规划设计之前必须很好地分析确定设计降雨。雨洪利用系统的设计降雨是指一定重现期某一历时的降雨量和降雨过程。设计降雨的确定一般需要进行资料选择和统计分析。

1 统计分析

对降雨进行统计分析的目的是要找到降雨量或平均雨强与频率（或重现期）和历时之间的关系, 即得出（Depth-Duration-Frequency Curve）或IDF（Intensity-Duration-Frequency Curve）曲线。目前国外采用的统计分析适配线型有多种, 常用的有极值I型（Gumbel）,极值Ⅲ型（EX3）, 皮尔逊Ⅲ型(PⅢ),对数正态分布(LN3)。我国常采用PⅢ型曲线。Otter与Koeniger(1986)的研究认为, 对数正态分布(LN3)具有更好的适配效果和适应性。为了分析不同的适配线型对统计分析结果的影响, 笔者分别采用对数正态分布(LN3)和PⅢ线型对三家店、松林闸、右安门这3个雨量站的降雨资料进行了分析。样本选取采用年最大值法, 数据系列为1971-1999年, 选取的时段为5min、10min、15min、20min、30min、45min、1h、1.5h、2h和1d、3d、7d共11个时段。

对数正态分布（LN3）的概率密度函数为：

通过采用最大可能法、最大嫡值原理和加权最小二乘法,最终所得到的预测不同重现期、不同时段降雨量的公式为：

得到了不同频率的时段雨量后, 即可计算出时段内的平均雨强。由统计资料得到的三家店、松林闸、右安门的统计参数见表1。

采用PⅢ型曲线适配时, 均值一律采用算术平均值, 适线时不做调整；
Cv值先用矩法计算, 再用适线法调整, 确定之后进行固定倍比适线调整和检验, 短历时计算时根据水利部全国雨洪办公室的规定并结合北京地区实际情况取Cs/Cv为3.5；
长历时计算时取Cs/Cv为2.0。

图1、2、3分别显示了三家店、松林闸、右安门雨量站采用LN3与PⅢ法统计分析的结果。从图中可见,在重现期为2a时, 3个站各时段的降雨量LN3法的值比PⅢ法的偏大2.6%-27.8%。3个站10-50a重现期和三家店、松林闸站5a重现期的LN3法与PⅢ法的降雨量计算值都表现相同的规律, 即在时段＜20min或30min时, 除LN3法的比PⅢ法的偏大外, 在时段＞20min或30min时, 则相反。右安门站5a重现期LN3法的值均比PⅢ法的偏大。还可发现, LN3法值与PⅢ法的差别随重现期的增加有增大趋势。

将这2种方法得到的降雨量与北京市政部门的暴雨公式计算结果进行比较, 结果表明总体上PⅢ法的值比市政公式的值偏小, LN3法的值比较接近于市政公式的值。因此, 在城市雨洪利用设计降雨分析时适宜采用对数正态分布(LN3)适配线型, 通过分析可得到如图4所示的的降雨量-时段-频率曲线, 即DDF曲线。

2 降水时空分布和时程分配

通过上述统计分析可得到不同雨量站点、不同重现期、不同历时的降雨量, 可结合雨量站分布图点绘成不同时段、不同重现期(或频率)的等值线图。由这些等值线图, 可以清楚地知道城市不同时段不同频率的降水量与时空分布。

对所收集到的降雨过程资料, 首先选定不同的时间段, 如通常采用的10min、60min、120min, 然后采用“ 众值定位, 均值定量” 和“长包短” 的统计方法, 考虑了实际过程的降雨特性, 如阵数、最大段或分级雨量的前后排位以及分级雨量分配比例, 分析得出不同历时降雨的时程分配, 如2h、12h、24h雨型。

3 设计降雨过程

在进行雨洪利用系统设计过程中, 通常需要由设计降雨过程计算系统的产流、汇流过程。设计降雨过程一般有2种确定方法, 即时程分配表法和DDF曲线法。

时程分配表法是指当得出某一重现期不同时段的降雨量后, 可按照上述分析得出的雨型时程分配表得到相应的设计降雨过程。但是由于通常水文统计雨型分配的时间单位较长(如10min、60min), 而且所得到的设计雨型的历时也较长(如2h、12h), 应用于雨水收集利用系统设计时精度难以满足要求, 因此,国外经常采用降雨量一时段一频率曲线(DDF)或雨强-时段-频率曲线(IDF)推求设计降雨。

以图4所示的DDF曲线为例推求1a一遇设计降雨过程线步骤如下：