天津市設(shè)計(jì)暴雨雨型的演變

黃津輝，王 超，范澤華

(1.南開(kāi)大學(xué)中加水與環(huán)境安全聯(lián)合研發(fā)中心，天津 300350；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 3.海綿金水(北京)工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100089)

海綿城市概念的提出，改變了以往城市雨洪管理以峰值控制為主的設(shè)計(jì)理念，將城市雨洪管理從峰值管理轉(zhuǎn)向了徑流總量的管理和徑流過(guò)程的控制[1-2]。傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨的極值來(lái)設(shè)計(jì)的，而海綿城市的重要指標(biāo)年徑流控制量和暴雨徑流的非點(diǎn)源污染控制，都是以特定時(shí)間段內(nèi)“量”的管理為重點(diǎn)[3]。降雨的時(shí)程分布是降水量或者降雨強(qiáng)度在時(shí)間上的分配，表征的是降雨過(guò)程的變化，也稱作雨型。

早在20世紀(jì)40年代，蘇聯(lián)學(xué)者莫洛可夫等[4]就對(duì)雨型問(wèn)題進(jìn)行了研究，在分析了烏克蘭地區(qū)降水資料后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，劃分了7種模式雨型。1957年，Keifer等[5]根據(jù)降雨強(qiáng)度和歷時(shí)的關(guān)系提出了芝加哥雨型，該雨型對(duì)各種歷時(shí)的暴雨過(guò)程都適用。1980年，Yen等[6]提出了一種單峰型的三角形雨型，用于計(jì)算小流域排水區(qū)域的徑流。1967年，Huff[7]在研究美國(guó)伊里諾斯州的暴雨后，提出把降雨按雨峰出現(xiàn)位置劃分成4類，并利用無(wú)量綱累積過(guò)程來(lái)表示雨型。1975年，Pilgrim等[8]提出把雨峰設(shè)置在出現(xiàn)概率最大的時(shí)段上，然后將雨峰時(shí)段在總雨量中的比例取為各場(chǎng)降雨雨峰所占比例的均值，其他各時(shí)段的雨量比例也用相同的方法確定。我國(guó)對(duì)雨型的研究相對(duì)較少，2002年王家祁[9]提出“短推長(zhǎng)”和“長(zhǎng)包短”兩種雨型方法，這兩種方法在很大程度上避免了傳統(tǒng)以典型暴雨進(jìn)行頻率放大作為設(shè)計(jì)雨型導(dǎo)致偶然性較大的不足。武晟[10]分析了王家祁雨型方法、三角形雨型和Pilgrim & Cordery雨型的適用性，指出相對(duì)于三角形雨型和Pilgrim & Cordery雨型，王家祁雨型更加符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。2011年范澤華[11]利用天津多年暴雨資料和Huff雨型方法給出了天津暴雨雨型的頻率分布特征。2018年李志元等[12]給出了多種暴雨雨型在降雨資料充分與否時(shí)的推薦方案。

雨型的差異不僅影響降雨的峰現(xiàn)時(shí)間，更影響降雨在研究流域中產(chǎn)生的徑流總量[13]，因此，對(duì)于工程設(shè)計(jì)的徑流計(jì)算，相應(yīng)總雨量在降雨過(guò)程上的分配，不能簡(jiǎn)單以一場(chǎng)典型降雨過(guò)程為標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)當(dāng)基于當(dāng)?shù)卮罅康谋┯曩Y料，在充分研究當(dāng)?shù)乇┯暌?guī)律的基礎(chǔ)上，選擇具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律的設(shè)計(jì)雨型。

在海綿城市建設(shè)的大趨勢(shì)下，對(duì)設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)雨型的研究要求逐漸提高，雖然目前已經(jīng)有多種設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)雨型的方法，但關(guān)于設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)雨型在大型城市隨時(shí)間的演變規(guī)律的研究很少[14]。2013年黃津輝等[15]對(duì)天津市多種設(shè)計(jì)暴雨的方法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度不同于根據(jù)1951—2004年暴雨數(shù)據(jù)推求的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度。2017年成丹等[16]利用同頻率法研究了宜昌市的設(shè)計(jì)暴雨雨型的演變特征，發(fā)現(xiàn)短歷時(shí)暴雨的峰值增加持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。由于防洪排澇水利工程設(shè)施等很多是百年工程的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)雨型等都是這些工程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)[17]；對(duì)設(shè)計(jì)暴雨及雨型的不確定性和變化規(guī)律進(jìn)行研究，在設(shè)計(jì)中就考慮降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，對(duì)提高水利工程的韌性和長(zhǎng)期性能具有重要意義[18-20]。

天津市位于京津冀都市經(jīng)濟(jì)圈，是我國(guó)北方重要的經(jīng)濟(jì)中心，總面積11 916.85 km2，城市建成區(qū)面積2 585 km2；截至2018年，總?cè)丝? 559.60萬(wàn)人，是典型的超大城市。隨著城市快速發(fā)展，城市面積擴(kuò)展迅速，這極大地改變了該地區(qū)的水文循環(huán)、水量平衡和能量平衡，城市開(kāi)發(fā)的水文效應(yīng)顯著。由于大城市人口密度大，公共和私人財(cái)產(chǎn)高度聚集，城市系統(tǒng)的脆弱性高，研究大型城市降雨統(tǒng)計(jì)規(guī)律，研究其設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)雨型，可為城市風(fēng)險(xiǎn)控制、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、城市建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等提供參考[21]。目前世界上對(duì)大城市暴雨雨型及雨型演變的研究不多，且不充分。天津市是位于北方沿海地區(qū)的大城市，對(duì)其雨型演變規(guī)律進(jìn)行研究，有很強(qiáng)的典型性和借鑒意義，可為其他超大城市的建設(shè)和管理提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用暴雨資料來(lái)自天津市氣象局，為塘沽氣象站1951—2004年共54年的逐分鐘暴雨資料，是對(duì)天津市氣候監(jiān)測(cè)站降水自記紙記錄進(jìn)行信息化處理后得到的數(shù)據(jù)，每年選取前3場(chǎng)最大暴雨，共計(jì)162場(chǎng)暴雨資料。暴雨資料涵蓋年限長(zhǎng)、樣本量大，降雨序列包含的暴雨極值代表全面，能夠較好地反映實(shí)際暴雨過(guò)程。

1.2 Huff雨型

1967年Huff[7]利用伊利諾斯州中東部的49個(gè)雨量站1955—1966年的降雨數(shù)據(jù)對(duì)降雨時(shí)程進(jìn)行了分析，并根據(jù)降雨峰值出現(xiàn)在一場(chǎng)暴雨中時(shí)程區(qū)間的不同，將降雨時(shí)程分布劃分成4種降雨類型，降雨峰值出現(xiàn)在降雨歷時(shí)的第幾個(gè)四分之一時(shí)段，就稱為第幾四分之一雨型。研究表明，降雨峰值大多出現(xiàn)在前兩個(gè)四分之一區(qū)間內(nèi)。1990年Huff[22]又利用伊利諾斯州其余12個(gè)雨量站和芝加哥地區(qū)的6個(gè)雨量站研究了點(diǎn)雨量和面雨量的時(shí)程分布，指出概率水平為50%的降雨過(guò)程最適合實(shí)際情況，峰現(xiàn)越早、峰值越高的暴雨時(shí)程分配對(duì)城市排水系統(tǒng)的壓力越大，風(fēng)險(xiǎn)越高。

1.2.1降雨場(chǎng)次劃分

本文根據(jù)天津市氣象局多年實(shí)測(cè)降雨分鐘記錄以及天津市的降雨特點(diǎn)，確定天津市的降雨時(shí)間間隔閾值P為12 h。如果降水量很小，則很難形成徑流，所以本文對(duì)用于推導(dǎo)雨型的場(chǎng)次雨量設(shè)置了閾值。參考中國(guó)氣象局對(duì)降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置場(chǎng)次降水量的閾值為2 mm。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)塘沽氣象站1951—2004年164次暴雨資料進(jìn)行暴雨場(chǎng)次劃分，得到172場(chǎng)滿足標(biāo)準(zhǔn)的降雨，降雨歷時(shí)在3～50 h之間。

1.2.2Huff雨型推導(dǎo)方法

a. 總雨型。將172場(chǎng)降雨中的第n場(chǎng)的降水量記為Sn，xni表示第n場(chǎng)降雨中第i分鐘降水量；對(duì)第n場(chǎng)降雨按照降雨歷程進(jìn)行十等分，每一段時(shí)間的降水量分別記為xn1、xn2、……、xn10。分別計(jì)算每一段時(shí)間內(nèi)水量占總降水量的百分比，得到172場(chǎng)降雨每段降水量占總降水量的百分比；對(duì)每一段降水量百分比按照降序排列，然后按照經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算排序后的頻率，分別提取10%、20%、……、90%對(duì)應(yīng)的降水量占比。

b. 4類Huff雨型。根據(jù)降水量峰值出現(xiàn)時(shí)間在一場(chǎng)降雨歷時(shí)的位置，將降雨時(shí)程分布劃分為4種降雨類型(第一四分之一、第二四分之一、第三四分之一和第四四分之一雨型)。根據(jù)峰現(xiàn)時(shí)間把暴雨過(guò)程歸類后，重復(fù)總雨型的計(jì)算步驟即可得到不同類型的Huff雨型。

1.3 時(shí)段雨型計(jì)算

時(shí)段雨型的計(jì)算需要選取特定降雨歷時(shí)的降雨事件，根據(jù)總雨型的計(jì)算流程計(jì)算該降雨歷時(shí)下的雨型，即為某歷時(shí)的雨型。一般選用的時(shí)段雨型的降雨持續(xù)時(shí)間分別為1 h、3 h、6 h、12 h以及24 h。1 h 雨型是指根據(jù)降雨時(shí)間小于1h的降雨數(shù)據(jù)得到的雨型；3 h雨型是指根據(jù)降雨時(shí)間1～3 h的降雨數(shù)據(jù)得到的雨型；其他類推。時(shí)段雨型的計(jì)算方法參考總雨型的推導(dǎo)方式。

2 結(jié)果分析

2.1 天津市Huff雨型

根據(jù)Huff雨型推導(dǎo)方法，推求了天津市的Huff總雨型，如圖1所示。將降雨時(shí)間序列按雨峰出現(xiàn)位置的不同劃分成4類，對(duì)各類降雨進(jìn)行歸類，進(jìn)而得到各類雨型的平均無(wú)量綱累積過(guò)程。圖2為4種Huff雨型無(wú)量綱降雨時(shí)程分布累積曲線。由圖2可以看出，第一四分之一雨型和第二四分之一雨型差別較大，而第三四分之一雨型和第四四分之一雨型變化不明顯。概率水平為90%的曲線所表征暴雨的降雨時(shí)程分布雨峰相對(duì)其他頻率來(lái)講有滯后和平均化的趨勢(shì)，也是風(fēng)險(xiǎn)較小的時(shí)程分布形式。概率水平越小的暴雨過(guò)程，出現(xiàn)的概率越小，也越極端。從圖2可以看出，概率水平小的暴雨過(guò)程，其峰值出現(xiàn)的時(shí)間早，且峰值高，暴雨來(lái)的迅猛，所代表的暴雨雨型風(fēng)險(xiǎn)度大。從4種Huff雨型的各頻率降雨過(guò)程可以看出，概率水平為10%的降雨過(guò)程相對(duì)其他頻率的降雨過(guò)程累積降水量占比上升最快。

圖1 天津市Huff總雨型

(a) 第一四分之一雨型

(b) 第二四分之一雨型

(c) 第三四分之一雨型

(d) 第四四分之一雨型

圖3是分別根據(jù)第一、第二、第三和第四四分之一雨型概率水平為50%的數(shù)據(jù)所繪制的無(wú)量綱累積降水量占比隨時(shí)程變化。從圖3可以看出，第一和第二四分之一雨型在降雨時(shí)程占比為50%時(shí)出現(xiàn)了交叉的現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明，第一四分之一雨型的降水量分配在降雨時(shí)程的前期更為集中，而第二四分之一雨型在降雨時(shí)程的中后期其降水量比第一四分之一雨型的降水量要多。

圖3 第一、二、三、四四分之一雨型50%概率水平累積降水量占比

2.2 天津市時(shí)段Huff雨型

根據(jù)時(shí)段雨型的計(jì)算方法，分別計(jì)算了6 h、12 h、24 h的雨型，結(jié)果如圖4所示。從結(jié)果來(lái)看，概率水平為10%的累積降水量占比在降雨時(shí)程的前期升高最快，在降雨歷時(shí)的第一個(gè)四分之一時(shí)段內(nèi)就達(dá)到了95%左右，說(shuō)明概率水平為10%的降雨過(guò)程降水量主要集中在前期，而概率水平為90%的累積降水量占比增加速度最慢，累積降水量占比最晚到達(dá)100%。因此，相對(duì)而言，概率水平為10%的降雨過(guò)程對(duì)城市排水系統(tǒng)的壓力更大，更容易引起城市內(nèi)澇。由于概率水平為10%的降雨過(guò)程峰現(xiàn)時(shí)間早，加之城市不透水面積大、降雨匯流速度快，使得雨峰有更大概率落在匯流時(shí)間內(nèi)，或者使匯流時(shí)間內(nèi)總降水量比其他頻率雨型的總降水量大，最終會(huì)導(dǎo)致更大的徑流量，增大城市排水系統(tǒng)的壓力，增加了城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 天津市Huff雨型的年代際變化

為了直觀地分析比較天津市暴雨雨型的年代際變化，將天津市1951—2004年暴雨資料分為前 27年(1951—1977年)和后27年(1978—2004年)兩個(gè)時(shí)期，分別計(jì)算前后兩個(gè)時(shí)期的24 h雨型。對(duì)比前后兩個(gè)時(shí)期暴雨雨型的累積降水量占比后發(fā)現(xiàn)，除了概率水平為10%的24 h雨型變化不大，后27年雨型其他所有概率水平的24 h雨型前期降水量都增加，累積降水量占比隨降雨時(shí)程的增加速度更快。表1為各概率水平下前后兩個(gè)時(shí)期在第一個(gè)四分之一時(shí)段內(nèi)的累積降水量占比，可以看到后27年在所有概率水平下第一個(gè)四分之一時(shí)段內(nèi)的累積降水量占比都大于前27年。

(a) 6 h雨型

(b) 12 h雨型

(c) 24 h雨型

表2展示了天津市前后27年兩個(gè)時(shí)期概率水平為50%的6 h暴雨雨型降水量占比隨降雨時(shí)程分布情況。從表2可以看到，相對(duì)于前27年，后27年暴雨雨型發(fā)生了顯著的變化：首先，后27年暴雨雨型的雨峰出現(xiàn)在第40分鐘占總降水量的26.8%，而前27年暴雨雨型的雨峰則出現(xiàn)在第200分鐘占總降水量的15%，雨峰峰現(xiàn)時(shí)間大大提前；其次，在降雨歷時(shí)的前四分之一時(shí)段內(nèi)前27年雨型的累積降水量占比為28.98%，而后27年雨型的累積降水量占比則達(dá)到了68.15%，說(shuō)明降雨重心沿時(shí)程發(fā)生了顯著的提前；從表2可以看出前27年降雨資料獲得的雨型，其雨量分配比較均勻，而后27年雨型則呈現(xiàn)明顯的單峰型分布，降水量集中在降雨歷時(shí)的前期?？傊?jīng)過(guò)對(duì)比天津市前后兩個(gè)時(shí)期暴雨雨型的變化，發(fā)現(xiàn)后27年暴雨雨型在前期的降水量出現(xiàn)明顯增加，降雨峰值的出現(xiàn)時(shí)間明顯提前。天津市暴雨雨型的年代際變化說(shuō)明，由于多種因素的影響，包括城市開(kāi)發(fā)對(duì)水文效應(yīng)的影響以及氣候變化的影響，暴雨的時(shí)程分布也在發(fā)生變化，因此在城市開(kāi)發(fā)建設(shè)和海綿城市建設(shè)的推進(jìn)工作中，應(yīng)注意推求設(shè)計(jì)雨型所用暴雨資料的更新，方能獲得更符合當(dāng)下特點(diǎn)的設(shè)計(jì)雨型。

表1 24 h雨型各概率水平下在第一個(gè)四分之一時(shí)段內(nèi)累積降水量占比

表2 前后27年概率水平為50%的6 h暴雨雨型降水量占比隨降雨時(shí)程分布

2.4 雨型變化對(duì)徑流和年徑流總量控制率的影響

為了研究雨型發(fā)生變化情況下城市區(qū)域徑流量的響應(yīng)情況，用總降水量為25.4 mm、不同時(shí)程分布的場(chǎng)次降雨來(lái)驗(yàn)證同一個(gè)城市區(qū)域的產(chǎn)匯流情況。把2.3節(jié)中得到的天津市前后兩個(gè)時(shí)期概率水平為50%的6 h時(shí)段雨型作為兩個(gè)降雨方案，把兩種雨型的時(shí)程分布占比乘以一個(gè)固定的降水量(25.4 mm)生成兩種降雨時(shí)間序列方案(分別為前27年6 h設(shè)計(jì)暴雨雨型和后27年6 h設(shè)計(jì)暴雨雨型)。城市區(qū)域選擇天津?yàn)I海新區(qū)的一個(gè)面積為22.8 km2、不透水率為78.6%的成熟的開(kāi)發(fā)區(qū)。圖5 是這個(gè)區(qū)域的SWMM模型，將區(qū)域分成了604個(gè)匯水分區(qū)，模擬了608個(gè)管道。在后27年6 h設(shè)計(jì)暴雨雨型下的徑流量峰值為42.01 m3/s，峰現(xiàn)時(shí)間為1:40，徑流總量為295.8×103m3。而在前27年6 h設(shè)計(jì)暴雨雨型下徑流峰值為42.91 m3/s，峰現(xiàn)時(shí)間為3:00，徑流總量為266.2×103m3。以上結(jié)果表明，在降水量相同的情況下，由于暴雨雨型的改變使雨峰提前，導(dǎo)致徑流的峰值相應(yīng)提前了1 h 20 min,徑流總量也增加了。而暴雨徑流峰值的提前會(huì)縮短應(yīng)對(duì)暴雨采取措施的時(shí)間，增加暴雨洪水的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 SWMM模型模擬的城市區(qū)域

3 結(jié) 論

a. 對(duì)天津市1951—2004年暴雨雨型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，天津市暴雨的大部分雨量集中在較短的時(shí)間內(nèi)，且雨峰大多出現(xiàn)在第一個(gè)四分之一和第二個(gè)四分之一降雨時(shí)程內(nèi)。

b. 相對(duì)于前27年，天津市后27年6 h雨型累積降水量占比增加更快，前期各概率水平下的累積降水量都要更高，前期降水量占比也更大，勢(shì)必增加城市徑流量，增大城市管網(wǎng)的壓力。

c. 天津市前后兩個(gè)時(shí)期的設(shè)計(jì)暴雨雨型發(fā)生了明顯的變化，受此影響，暴雨徑流過(guò)程的峰現(xiàn)時(shí)間提前，洪峰流量增長(zhǎng)，徑流總量也相應(yīng)增加。

d. 設(shè)計(jì)暴雨雨型不是一成不變的，天津市設(shè)計(jì)暴雨雨型發(fā)生了變化，使得雨峰前移、暴雨徑流峰值變大，城市管網(wǎng)排水壓力增大，從而增加了城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。因此，海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)及時(shí)根據(jù)最新資料更新設(shè)計(jì)暴雨雨型，得到最符合當(dāng)下情況的設(shè)計(jì)雨型，從而對(duì)海綿城市建設(shè)工作做出更有效的指導(dǎo)。