基于水利雨型峰值的城市长历时设计暴雨雨型制作方法

摘要

一种基于水利雨型峰值的城市长历时暴雨雨型制作方法，属于城市市政排水系统、城市排水防涝系统等交叉领域。本发明从城市排水防涝系统长历时暴雨雨型的需求出发，将标准的城市气象降雨特征数据(.dat文件)，采用数理统计方法，统计并归类出同频率下的实际典型降雨过程，然后根据当地水利部门提供的雨型峰值，从而进行典型降雨的同频率移峰定位，最终制成城市长历时暴雨雨型。主要操作步骤均通过计算机程序快速实现。本发明仅需通过统计出的典型历时降雨进行水利峰值的同频率移峰定位，极大细化了传统雨型制作方法的粗略性，使新推的城市长历时设计暴雨雨型更符合当地真实的降雨统计规律；仅需借助计算机Excel等平台下的简易操作即可完成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于水利雨型峰值的城市长历时暴雨雨型制作方法，属于城市市政排水系统、城市排水防涝系统和水利防洪排涝系统技术交叉领域。

背景技术

城市排水防涝系统规划设计的前提是对城市的降雨情况和规律有清楚的认识和研究，有适合于本地区降雨规律的城市设计暴雨雨型。而城市长历时暴雨雨型是确定城市防涝设施设计流量、城市排水防涝系统规划与设计的基本依据。随着城市化建设进程的加快，极端降雨事件的频繁出现，降雨洪峰提前，洪量增大，城市内涝频发。由城市内涝带来的损失愈发严重，给城市排水防涝工程的规划设计带来了巨大的压力。

目前，我国水利防洪排涝和城市市政排水两套系统的规划设计已不断完善，两套系统分别用于防御江河水系流域洪水灾害和排除城市市政排水系统设计重现期以内的暴雨径流，各司其职。但是介于两者之间的城市排水防涝系统的规划设计尚存一定的缺陷。城市排水防涝工程的规划设计与市政排水和水利防洪排涝设施息息相关，两者分别为防涝工程建设的上下游边界。市政排水系统的采样历时最大为180min，而城市防洪排涝系统的采样历时最小为1h，由于历时选取的不同，不能机械的把两套系统中现有的雨型应用在城市排水防涝系统中。

根据国内外城市内涝防治的相关经验，应用于城市排水防涝工程的长历时设计暴雨雨型应尽量满足以下三个条件：首先，城市排水防涝工程的设计暴雨雨型必须是长历时降雨雨型，根据城市内涝工程区域范围的大小和汇流时间，一般认为1440min，最长至2天的设计暴雨雨型可满足防涝工程规划设计需求。其次，设计暴雨雨型应该尽量体现流域真实的降雨统计规律。最后，设计暴雨雨型还应该兼顾与城市的市政排水设施和水利的防洪排涝设施所采用设计降雨的有效衔接。

鉴于此，本专利从城市排水防涝系统长历时暴雨雨型的需求出发，将标准的城市气象降雨特征数据(.dat文件)，采用数理统计方法，统计并归类出实际典型降雨过程，然后根据当地水利部门提供的水利雨型峰值，从而进行典型降雨的移峰定位，最终制成城市长历时暴雨雨型。主要操作步骤均通过计算机程序快速实现。本发明的特点在于仅需通过统计出的典型历时降雨进行同频率移峰定位，极大细化了传统雨型制作方法的粗略性，使新推的城市长历时设计暴雨雨型更符合当地真实的降雨统计规律，更具真实性。

发明内容

本发明主要为解决当前城市传统雨型制作方法繁杂、也没有从实际工程角度考虑其是否具有当地代表性等科学问题，提出了一种基于水利雨型峰值的城市长历时暴雨雨型制作方法。

本发明的技术方案如下：

基于水利雨型峰值的城市长历时暴雨雨型制作方法，所述方法依次包含以下步骤：

(1)降雨事件的划分；

在Access数据库系统平台下，通过数字化处理系统处理后的气象部门提供的原始降雨数据，划分降雨过程。降雨过程是指连续的降雨时段，当前后降雨之间持续停雨(降雨量为0mm)的时间超过12小时时，则定义前后降雨为两个相互独立的“降雨事件”。以年为统计单位，分别统计出资料年限内每年的降雨事件。

(2)10场典型暴雨的选定；

降雨事件统计完成之后需要对统计出的所有的降雨事件进行分析，因降雨量和降雨强度随时间变化相差很大，雨量、雨强大小不一，对于总雨量小、雨强也较小的降雨事件实际上对研究城市长历时雨型没有意义，将其忽略。所谓的典型暴雨一般是指所选择的暴雨总降雨量大，降雨强度也大，因此才能够真实的反映设计地区最不利工况下的降雨情况。到目前，在我国一般城市自记雨量记录可达到20年以上，从城市自记雨量资料年限内的所有降雨事件中挑选出最大的10场代表性降雨过程。

(3)长历时设计雨型主雨峰位置的选定；

首先，根据当地水文手册中推荐雨型确定出水利雨型的主雨峰峰值，由于水利部门通常采用的是以小时为单位时段的24小时设计暴雨雨型，所以由水利雨型确定的雨峰位置只能精确到最大小时段；对于城市长历时设计暴雨雨型中最大小时时段内的雨峰位置的确定，则根据城市排水短历时雨型雨峰位置的确定方法，即在挑选出的10场典型暴雨中以5min为单位时段的最大小时雨量的雨峰位置来确定，最终两者联合确定出的雨峰位置即为城市长历时设计暴雨雨型的主雨峰位置。

(4)在excel系统平台下进行典型降雨的移峰定位；

降雨事件组合合成暴雨过程即通过实际降雨过程挑选出10场最大典型暴雨进行分析，控制不同历时下的同频率设计雨量，借鉴洪水分析的方法，进行同频率分时段控制缩放。具体步骤：按照主雨峰对齐的原理，将选定的10场典型暴雨的雨峰位置分别移至(3)中确定出的城市长历时设计雨型的主雨峰处，截取雨峰位置一致后的1440min典型雨的降雨过程，以5min为统计单位，可得出10场典型暴雨的288个5min的降雨量系列。

(5)在excel系统平台下，按以下步骤进行长历时设计暴雨雨型分配：

(5.1)对于截取出的每场典型暴雨，分别统计每5分钟雨量在其整个降雨过程中所占的比例，即可得到每场典型暴雨的分配比例。然后不论场次，取各位置上分配比例的平均值，总共可得288个均值。

(5.2)在288个均值中找到连续最大的144个数的和，此时挑选出的144个数的系列即为最大的720min的降雨过程对应的时段，将剩余的144个数的系列作为单位1重新进行各段比例分配，从而得到雨型中H1440–H720段的最终比例分配。同理依次类推，可分别求出H720–H240、H240–H180、H180–H120、H120–H90、H90–H60、H60–H45、H45–H30、H30–H15、H15–H5、H5的最终比例分配。

(6)长历时设计暴雨雨型的生成

将城市长历时暴雨强度公式求得的雨量值分别对应带入最终分配比例，可得到城市长历时设计暴雨时程分配即长历时雨型。

有益效果主要体现在：

1.采用本发明的制作方法，仅需通过对统计出的典型历时降雨进行水利雨型峰值的移峰定位，就能简易、准确的实现满足城市排水防涝系统的长历时设计暴雨雨型。

2.本专利以排水设计规范为约束条件，从工程衔接性的角度进行长历时雨型的分配。通过真实的典型降雨数据结合水利雨型峰值位置，使新推的城市长历时设计暴雨雨型不仅更符合当地真实的降雨统计规律、更具真实性，而且基于水利雨型峰值的长历时设计暴雨雨型还可以兼顾与城市的市政排水设施和水利的防洪排涝设施所采用设计降雨的有效衔接。

3.本专利考虑了各个步骤的可操作性，仅需借助计算机Excel等平台下的简易操作即可完成，无需借助复杂的编程软件，保证了本专利的可实施性。

附图说明

图1为本发明“基于水利雨型峰值的城市长历时设计暴雨雨型制作方法”工作的流程示意图。

图2为典型暴雨时程分布示意图。

图3为以1小时为单位时段的50年重现期下的设计暴雨过程线。

图4为按照主雨峰对齐的原理，将选定的10场典型暴雨的雨峰位置移至确定出的城市长历时设计雨型的主雨峰d＝566min处后的示意图。

图5为计算降雨过程对应的时段图。

图6实施例结果图。

具体实施方式

下面通过L市具体应用实例，并结合附图1对本发明的详细制作方式做进一步的具体说明。

本发明的具体实施流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)获取城市当地气象部门通过数字化处理系统处理后的原始降雨数据，在Access数据库系统平台下，按照当停雨的持续时间超过12小时的雨量标准，进行场降雨事件的划分，并统计出城市自记雨量计录资料年限内的每年的场降雨事件。

(2)根据上述统计出的每年的场降雨事件，进行最大的10场代表性典型暴雨的选取，选取的典型暴雨具备在规定长历时(1440min)内暴雨总降雨量大，降雨强度也大。根据L城市提供的1961-2012年城市自记雨量计录，采用降雨强度法将连续的降雨时间序列分割成7833场降雨事件。从7833场实测降雨事件中选取出的其中雨强和雨量最大的10场代表性典型暴雨分别为：2010年9月3-4日、1964年9月4-6日、1999年8月22-24日、2010年5月7日、2008年6月25-26日、1989年5月16-17日、1983年6月16-19日、2010年5月14-15日、1975年5月26-27日、1993年9月25-27日，典型暴雨时程分布示意图如图2所示。

(3)基于水利雨型峰值的城市长历时设计暴雨雨型峰值的确定：

(3.1)水利上设计暴雨雨型峰值的确定，可查询城市当地水文手册中设计暴雨雨型，根据水文手册中列表或者暴雨时程分配图得到峰值位置，确定主雨峰在第几小时时段内。例某省水文总站提供的暴雨径流查算图表使用手册附表3～1查得L市所在地区最大24小时的水利设计雨型。参考该省水利部门使用的24小时降雨过程线雨型，雨峰位置在第10个时段位置，也就是9:01到10:00的时段，以1小时为单位时段的50年重现期下的设计暴雨过程线如图3所示。

(3.2)最大小时雨峰位置的确定，根据挑选出的10场典型降雨中以5min为单位的最大60min历时下降雨峰值统计结果，得到最大小时内的雨峰位置，从而确定时段内的最大峰值位置。L市由10场典型暴雨的最大1小时内5min时段的雨峰均值r＝0.42。

(3.3)上述两者联合确定出的雨峰位置即为城市长历时设计暴雨雨型的主雨峰位置。因原始自记雨量数据是以分钟为单位进行的雨量统计，因此主雨峰峰值位置计算公式为：d＝9*60min+0.42*60min＝566min，因此，该市基于水利雨型峰值的城市长历时设计暴雨雨型主雨峰位置定在566min作为以下雨型分配的基础。

(4)典型降雨的移峰定位，借鉴洪水分析的方法，进行典型雨的同频率分时段控制缩放。在Execl表格程序中，分别根据10场典型降雨的数据做出降雨时称分布曲线图(如图2所示)，按照主雨峰对齐的原理，将选定的10场典型暴雨的雨峰位置移至(3)中确定出的城市长历时设计雨型的主雨峰d＝566min处，如图4示意图所示。截取每场雨峰位置一致后的历时1440min典型雨的降雨过程，以5min为统计单位，在Excel表格程序中可分别得出10场典型暴雨的288时段下5min的降雨量。

(5)在Excel系统平台下，对于截取出的10场(历时为1440min的288段)典型暴雨，分别统计每5分钟雨量在其对应整个降雨过程中所占的比例，即可得到每场典型暴雨的分配比例。然后不论场次，取10场各位置上分配比例的平均值，最终可得一个系列的288个均值。

(6)如图5所示，在288个均值中找到连续最大的144个数的和，此时挑选出的144个数的系列即为最大的720min的降雨过程对应的时段(720min定位)，将剩余的144个数的系列作为单位1重新进行各段比例分配，从而得到雨型中H1440–H720段的最终比例分配。

(7)同理依次类推，根据挑选出的最大的144段(720min定位)的降雨过程，可分别求出H720–H240、H240–H180、H180–H120、H120–H90、H90–H60、H60–H45、H45–H30、H30–H15、H15–H5、H5的最终比例分配。

(8)长历时设计暴雨雨型的生成，L市长历时暴雨强度公式为：

其中P为设计重现期，t为降雨历时。

由城市长历时暴雨强度公式(各地地方标准可查得)，即可求得指定重现期历时下的雨量值(q＝i*t)，而雨量最终分配值＝雨量值*分配比例，根据最终生成的雨量分配值，即可得到L市基于水利雨型峰值的城市长历时设计暴雨雨型，示例结果如图6所示。