考慮場次降雨年際變化特征的年徑流總量控制率準(zhǔn)確核算

楊默遠，潘興瑤，劉洪祿，于 磊，邸蘇闖，張宇航

（1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院 北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京 100048；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

年徑流總量控制率是海綿城市建設(shè)的主要建設(shè)目標(biāo)和關(guān)鍵考核指標(biāo)，與年徑流總量控制率相對應(yīng)的設(shè)計降雨量，是海綿城市規(guī)劃設(shè)計的重要依據(jù)，也是模擬評估時的重要輸入條件[1-4]。因此，年徑流總量控制率核算，即獲取準(zhǔn)確的年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量對應(yīng)關(guān)系，是海綿城市研究中的關(guān)鍵問題[5-8]。在2014年發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（后文簡稱《指南》）和2018年發(fā)布的《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》（后文簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中，均給出了年徑流總量控制率的核算方法，即根據(jù)至少30年的日降雨資料，在扣除小于等于2 mm的無效降雨數(shù)據(jù)后進行排頻計算，從而確定年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量對應(yīng)關(guān)系，可以理解為日雨量經(jīng)驗排序的百分位數(shù)。

上述方法是目前進行海綿城市試點建設(shè)和推廣應(yīng)用時的主要依據(jù)，但隨著對海綿城市理解的不斷加深，以及實際建設(shè)經(jīng)驗的不斷豐富，年徑流總量控制率的內(nèi)涵以及計算方法引起了相關(guān)學(xué)者的廣泛討論[9-11]。張建云等[12]認(rèn)為場次降雨特征（總量和時程分布）對海綿城市的徑流控制效果有直接影響，在計算徑流控制指標(biāo)時應(yīng)考慮區(qū)域場次降雨特征；王家彪等[13]對比分析了降雨總量控制和降雨場次控制模式的主要區(qū)別和側(cè)重點；李俊奇等[14-16]探析了極端降雨事件對年徑流總量控制率的影響規(guī)律，給出了極端降雨事件的最佳扣除比例，并對比分析了國內(nèi)外三種徑流總量控制率計算方法；張質(zhì)明等[17-18]探討了年徑流總量控制率的空間分布規(guī)律與氣候變化的影響。林炳章等[19]基于大量計算，更明確指出“就全國范圍的平均情況，與日雨量經(jīng)驗排序70%對應(yīng)的設(shè)計日雨量僅相當(dāng)于1年一遇的30%（0.304）；而與85%對應(yīng)的設(shè)計日雨量僅相當(dāng)于1年一遇的50%（0.534）?！?/p>

根據(jù)年徑流總量控制率的概念和內(nèi)涵，年徑流總量控制率計算的核心是對場次降雨事件的排頻計算，反映的是場次降雨特性。但《指南》和《標(biāo)準(zhǔn)》中給出的年徑流總量控制率計算方法均是基于日降雨數(shù)據(jù)。因此，利用人為劃分的日降雨數(shù)據(jù)反映實際的場次降雨特性難免會存在一定的偏差，而這一偏差對年徑流總量控制率計算結(jié)果的影響仍有待更多深入的定量研究。此外，年徑流總量控制率計算中，普遍認(rèn)為歷史降雨資料序列越長，資料的代表性就越好，計算得到的年徑流總量控制率就越準(zhǔn)確。這在一定程度上忽視了長降雨序列特征變化對年徑流總量控制率的影響，當(dāng)歷史降雨序列存在突變或趨勢性變化時，過長的歷史資料意味著更多地受到與現(xiàn)階段降雨特性不符的“負(fù)面”數(shù)據(jù)影響，從而降低了年徑流總量控制率計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有必要在識別降雨序列特征階段性變化的基礎(chǔ)上，合理選取用于年徑流總量控制率計算的代表性歷史序列長度。

本文圍繞年徑流總量控制率核算中有關(guān)基礎(chǔ)資料選取的2項關(guān)鍵問題開展研究，以北京市長序列場次降雨數(shù)據(jù)為例，對比分析日降雨序列和場次降雨序列的降雨特性，定量分析場次降雨劃分方法對年徑流總量控制率的影響。在此基礎(chǔ)上，提出場次降雨序列年際變化特征的識別方法，并定量判別場次降雨序列統(tǒng)計特征對年徑流總量控制率計算結(jié)果的影響。研究成果有助于進一步完善年徑流總量控制率精細化核算方法，為年徑流總量控制率指標(biāo)的合理確定和海綿城市建設(shè)的科學(xué)開展提供參考和幫助。

2 資料和方法

2.1 場次降雨數(shù)據(jù)場次降雨數(shù)據(jù)來源于北京市水文部門，雨量站為北京城市副中心海綿城市試點區(qū)鄰近的通州站，數(shù)據(jù)資料為場次降雨摘錄數(shù)據(jù)，降雨序列長度達66年（1951—2016年），滿足長序列年際變化特征分析的需求。該雨量站與《指南》選用的北京站相距17.5 km，且均位于北京平原區(qū)（圖1），因此兩個站點的降雨資料具有較好的一致性，年降雨序列相關(guān)系數(shù)為0.87（圖2）。

圖1 雨量站點空間位置

2.2 場次降雨劃分方法對于某一確定的歷史降雨序列，不同的降雨場次劃分方法，將得到不同的場次降雨特征識別結(jié)果。目前在海綿城市建設(shè)中常用的降雨場次劃分方法主要有兩種：（1）《指南》和《標(biāo)準(zhǔn)》中采用的日降水?dāng)?shù)據(jù)，例如前后兩日20時至20時內(nèi)的累計降雨量；（2）按照實際降雨過程進行劃分，其關(guān)鍵是最小降雨間隔時間（T）的合理確定。場次降雨數(shù)據(jù)一般以最小降雨間隔時間為判別標(biāo)準(zhǔn)進行劃分，能夠較為客觀地反映實際降雨過程。而日降雨數(shù)據(jù)是在人為給定每一日起止時間（如0點、早8點或晚8點等）的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計在某一日內(nèi)的降雨總量得到的。在特定情況下（圖3中降雨事件1），日降雨數(shù)據(jù)和場次降雨數(shù)據(jù)保持一致，但對于大多數(shù)情況，日降雨數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致人為整合日內(nèi)多場小降雨事件（圖3中降雨事件2和降雨事件3）或分割一場連續(xù)降雨事件（圖3中降雨事件4），進而造成較大的偏差。因此，在數(shù)據(jù)資料的時間分辨率滿足條件時（至少為小時降雨數(shù)據(jù)），按照最小降雨間隔時間進行降雨場次劃分更為合理。在本文研究分析中，綜合考慮降雨特性（普遍為6 h內(nèi)的短歷時降雨）、排水設(shè)施排空時間（6～12 h）和流域退水時間（3～6 h）等因素，將最小降雨間隔時間確定為6 h[20-24]。

圖3 場次降雨和日降雨數(shù)據(jù)對比

2.3 年徑流總量控制率計算方法本文的年徑流總量控制率核算參考《指南》和《標(biāo)準(zhǔn)》中給出的方法，具體如下：選取不同資料長度（不局限于至少30年這一標(biāo)準(zhǔn)）的日降雨或場次降雨數(shù)據(jù)，扣除小于等于2 mm（不產(chǎn)生徑流）的降雨事件，按照降雨量由小到大進行排序，統(tǒng)計小于某一降雨量（設(shè)計降雨量）的降雨總量（小于設(shè)計降雨量的降雨事件按實際降雨量計算降雨總量，大于設(shè)計降雨量的降雨事件按設(shè)計降雨量計算出降雨總量，兩者累積求和）在總降雨量中的比例，此比例即為該設(shè)計降雨量對應(yīng)的年徑流總量控制率。

2.4 突變及趨勢檢驗M-K突變和趨勢檢驗是一種非參數(shù)檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵循一定的分布，同時不受少數(shù)異常值的干擾，因此適用于水文變量的分析[25-28]。通過分析UFk和UBk′這兩個統(tǒng)計量可以識別時間序列的趨勢和突變點。若UFk＞0，則序列呈上升趨勢；UFk＜0，則表示呈下降趨勢。如果UFk和UBk′這兩條曲線存在交點，且交點位于臨界區(qū)間內(nèi)，則交點對應(yīng)的時刻即是突變發(fā)生的時刻。

3 降雨場次劃分方法對年徑流總量控制率的影響分析

3.1 場次降雨數(shù)據(jù)和日降雨數(shù)據(jù)對比分析基于1951—2016年北京市場次降雨數(shù)據(jù)，按照最小降雨間隔時間為6 h進行劃分，得到降雨事件共3530場，其中有效降雨（降雨量＞2 mm）共計2109場?；谌战涤陻?shù)據(jù)統(tǒng)計得到的降雨事件共4577場，其中有效降雨2525場。從不同量級的場次降雨事件數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果可以看出（圖4），日降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的小量級降雨事件（降雨量在2～25 mm范圍內(nèi)）明顯多于場次降雨數(shù)據(jù)。對于2～5 mm的降雨事件，日降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到820場，而場次降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到602場，偏多36%。對于中等量級降雨事件（場次降雨量在25～30 mm范圍內(nèi)）而言，日降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的場次數(shù)低于場次降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的場次數(shù)（偏低17%），此量級降雨場次也是海綿城市建設(shè)的重點控制對象[29]。

如前文所述，較實際場次降雨過程而言，日降雨數(shù)據(jù)一方面會合并多場小量級降雨事件（減少小量級降雨事件發(fā)生頻率），另一方面會分割降雨事件（增加小量級降雨事件發(fā)生頻率），兩方面作用是相互影響的。具體對于北京市場次降雨數(shù)據(jù)而言，日降雨數(shù)據(jù)對降雨事件的分割作用占主導(dǎo)，造成中等量級降雨事件的減少和小量級降雨事件的增加，進而可能會高估年徑流總量控制率計算結(jié)果。

圖4 場次降雨量分布特征

3.2 基于場次降雨數(shù)據(jù)的年徑流總量控制率計算根據(jù)《指南》中給出的資料長度取值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)，共考慮1987—2016年（30年）和1951—2016年（66年）兩種降雨序列長度，分別計算基于日降雨數(shù)據(jù)和場次降雨數(shù)據(jù)對應(yīng)的年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量關(guān)系（圖5和表1）。計算結(jié)果表明，1987—2016年日數(shù)據(jù)計算結(jié)果與《指南》中給出的數(shù)值具有較好的一致性，整體偏差在1%左右。在相同資料長度條件下，較場次降雨數(shù)據(jù)而言，日降雨數(shù)據(jù)計算得到的設(shè)計降雨量明顯低估，對于1987—2016年序列計算結(jié)果，整體低估約14%，對于1951—2016年序列計算結(jié)果，整體低估約19%。具體而言，在海綿城市實踐中重點關(guān)注的85%年徑流總量控制率條件下，30年序列日降雨數(shù)據(jù)計算得到的設(shè)計降雨量較場次降雨數(shù)據(jù)計算結(jié)果而言偏低5.9 mm。在具體的海綿規(guī)劃設(shè)計中，設(shè)計降雨量偏低5.9 mm意味著海綿設(shè)施規(guī)模的嚴(yán)重不足，進而會影響到真實年徑流總量控制率指標(biāo)的完成。

較1987—2016年降雨序列而言，1951—2016年降雨序列計算得到的設(shè)計降雨量偏高約20%，這一現(xiàn)象反映出研究區(qū)不同階段的場次降雨特性差異明顯，選取近30年降雨（1987—2016年）資料僅能夠反映現(xiàn)階段的年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量關(guān)系，而對長序列歷史降雨過程的周期性和趨勢性變化特征考慮不足。因此，有必要在進一步識別研究區(qū)場次降雨序列年際變化特征的基礎(chǔ)上，充分利用整個歷史降雨序列資料（1951—2016年），綜合確定年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量關(guān)系。

表1 日數(shù)據(jù)和場次數(shù)據(jù)設(shè)計降雨量計算結(jié)果 （單位：mm）

圖5 年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量對應(yīng)關(guān)系

4 場次降雨年際變化特征及其對年徑流總量控制率的影響分析

4.1 場次降雨序列年際變化特征識別在場次降雨數(shù)據(jù)年際變化特征分析中，選取了6個場次降雨特征值，并分別進行M-K突變和趨勢檢驗，根據(jù)各場次降雨特征值檢驗結(jié)果，綜合判定場次降雨的年際變化特征。6個場次降雨特征值分別為：年降雨總量、年降雨場次數(shù)、年平均場次降雨歷時、年平均場次降雨量、年平均降雨間隔時間和年最大場次降雨量。

圖6 場次降雨特征值的M-K突變檢驗結(jié)果

通過M-K 突變檢驗（圖6），識別得到北京市海綿城市試點區(qū)場次降雨過程主要存在兩個突變點：第一個突變發(fā)生在1964年，年降雨總量、年平均場次降雨量和年最大場次降雨量序列均在該處發(fā)生突變；第二個突變發(fā)生在1996年，年平均場次降雨歷時和年平均降雨間隔時間序列在該點發(fā)生突變。因此，整個降雨過程可劃分為3 個階段，分別為：1951—1964年、1965—1996年和1997—2016年。通過計算UFk統(tǒng)計量，可以判定各特征值序列的變化趨勢，其計算結(jié)果如表2所示，僅降雨總量序列在階段Ⅲ表現(xiàn)為顯著上升的趨勢，其他特征值在各階段均無顯著性變化趨勢，因此，研究區(qū)降雨序列發(fā)生的兩次突變?yōu)榫低蛔儭?/p>

整體而言，降雨序列的平均場次降雨歷時、平均場次降雨量和最大場次降雨量呈顯著下降趨勢，反映出降雨事件的量級呈顯著降低趨勢。3個階段的場次降雨特性區(qū)別明顯，較階段Ⅰ而言，階段Ⅱ的年降雨總量、年平均場次降雨歷時、年平均場次降雨量、年平均降雨間隔時間和年最大場次降雨量分別下降約17%、36%、23%、12%和39%，下降趨勢明顯；而階段Ⅲ與階段Ⅱ相比，年降雨總量下降約10%，年平均場次降雨歷時下降約19%，年平均場次降雨量下降約11%，下降趨勢有所緩解。

表2 場次降雨特征值的階段性統(tǒng)計結(jié)果

4.2 年徑流總量控制率合理區(qū)間確定在具備較長的歷史降雨資料，且得到降雨序列階段性變化過程劃分結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以通過以下3種方式核算年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量關(guān)系：①僅利用現(xiàn)階段降雨序列（階段Ⅲ，1997—2016年）進行核算；②利用整個序列（1951—2016年）的降雨資料進行核算；③利用3個階段（1951—1964年、1965—1996年、1997—2016年）的降雨資料分別進行核算。

方式①能夠最為準(zhǔn)確地反映目前這一階段的降雨特征，但對于北京市海綿城市試點區(qū)而言，階段Ⅲ處于一個相對偏干旱的階段，僅利用階段Ⅲ的降雨數(shù)據(jù)不利于應(yīng)對未來可能發(fā)生的降雨非平穩(wěn)變化情勢，可能會在一定程度上造成設(shè)計降雨量的低估。方式②利用全部歷史降雨資料進行計算，過多地引入了與現(xiàn)階段降雨特征不符的歷史降雨序列，計算得到的年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量關(guān)系缺乏對降雨特征變化的響應(yīng)。方式③針對不同降雨階段分別進行核算，能夠反映可能發(fā)生的偏干旱和偏濕潤的降雨特征，為年徑流總量控制率的估算提供更加全面和客觀的變化區(qū)間參考（圖7）。

對于北京市海綿城市試點區(qū)而言，階段Ⅰ的降雨量級整體偏高，因此在一定的設(shè)計降雨量條件下，僅能夠?qū)崿F(xiàn)較低的年徑流總量控制率目標(biāo)；與階段Ⅰ相反，階段Ⅲ的降雨量級整體偏低，因此在一定程度上對應(yīng)較高的年徑流總量控制率計算結(jié)果；階段Ⅱ的年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量關(guān)系介于階段Ⅰ和階段Ⅲ之間。具體而言，考慮不同的場次降雨演變階段，在設(shè)計降雨量等于20、30和50 mm 時，得到的年徑流總量控制率合理區(qū)間分別為54.1%～69.5%、65.4%～80.5%和77.8%～90.3%。

圖7 年徑流總量控制率-設(shè)計降雨對應(yīng)關(guān)系計算結(jié)果

5 結(jié)論

本文以北京市海綿城市試點區(qū)長序列降雨過程為例，圍繞年徑流總量控制率核算中降雨資料的合理選取這一問題開展研究。首先對比分析了日降雨數(shù)據(jù)和場次降雨數(shù)據(jù)反映出的場次降雨特性，并定量分析了場次降雨劃分方法對年徑流總量控制率計算結(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)上，通過M-K突變和趨勢檢驗，識別了場次降雨序列6個特征值的年際變化并進行了階段劃分，進而計算得到了年徑流總量控制率合理取值區(qū)間。

通過對近30年的降雨數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)日降雨數(shù)據(jù)會增加小量級降雨事件數(shù)量，降低中等量級降雨事件發(fā)生頻率，進而造成設(shè)計降雨量整體低估約14%。對應(yīng)85%年徑流總量控制率條件，日降雨計算得到的設(shè)計降雨量偏低5.9 mm。在實際的海綿規(guī)劃設(shè)計中，設(shè)計降雨量的低估意味著海綿設(shè)施規(guī)模的不足，進而會影響到海綿城市建設(shè)真實年徑流總量控制率指標(biāo)的實現(xiàn)。

場次降雨序列年際變化對年徑流總量控制率影響顯著，在進行年徑流總量控制率計算時，應(yīng)首先識別場次降雨階段性變化特征。通過對6個場次降雨特征值進行M-K突變和趨勢檢驗，將降雨序列劃分為3 個階段，分別為：1951—1964年、1965—1996年和1997—2016年，降雨量級依次降低。針對上述3 個降雨階段分別核算年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量關(guān)系，能夠反映整個歷史降雨序列（1951—2016年）中偏干旱和偏濕潤階段的降雨特征，為年徑流總量控制率的估算提供更加全面和客觀的變化區(qū)間參考。具體而言，在設(shè)計降雨量等于20、30和50 mm時，年徑流總量控制率合理區(qū)間分別為54.1%～69.5%、65.4%～80.5%和77.8%～90.3%。

科學(xué)選取降雨資料序列是進行年徑流總量控制率統(tǒng)計分析的重要基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)允許的前提下，應(yīng)優(yōu)先利用場次降雨數(shù)據(jù)進行年徑流總量控制率計算，并開展針對性的場次降雨特性年際變化特征分析，確定年徑流總量控制率合理變化區(qū)間，進而考慮海綿城市建設(shè)目標(biāo)、海綿城市建設(shè)生命周期和未來氣候變化情景等綜合因素，確定最終的年徑流總量控制率取值。上述核算方法能夠提高年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量對應(yīng)關(guān)系計算結(jié)果的科學(xué)性，有效指導(dǎo)海綿城市的規(guī)劃設(shè)計，從而確保最優(yōu)的海綿城市建設(shè)效果與合理的工程建設(shè)投入。