CN106529140B - 一种暴雨强度公式确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种暴雨强度公式确定方法，包括获取历史暴雨强度公式中的各地方参数、所采用降雨数据的时间段；获取新降雨数据的时间段；反推历史暴雨强度公式推求时所用的历史ITP表；选取拟合误差最小的分布函数形式，反推不同频次的历史降雨数据；采用年最大值法对获取的新降雨数据进行取样处理，并和历史降雨数据进行融合处理；频率分析得到全信息ITP表；进行暴雨强度公式的地方参数推求，筛选最优地方参数，获得最优的新的暴雨强度公式。本发明解决了旧降雨信息资料的获取难的问题，避免了大量降雨资料重复取样的问题，降低了暴雨公式推求难度，节省了暴雨公式推求时间。可以作为以后修订暴雨强度公式时的推求方法，省时省力，操作简单。

Description

一种暴雨强度公式确定方法

技术领域

本发明涉及市政工程技术领域，尤其涉及一种暴雨强度公式确定方法。

背景技术

由于近几年全国各地城市雨季内涝频发，给人民的生命和财产安全带来了巨大的威胁，2014年国家气象局和住建部联合发文，要求各地重新修订暴雨强度公式。

完整、连续的降雨数据是推求暴雨强度公式的基础，暴雨强度公式在推求时，需要历年的暴雨强度各个历时的数据，根据《室外排水设计规范》年最大值法基础资料年限最低不能少于20年，多个样法基础资料年限最低不能少于10年，一般来说年限越长，推求的暴雨强度公式越精确。2004年开始气象局实行气象数据自动检测并数字化处理，这给数据存储和使用都带来了极大的方便；但是历史数据的存储都是采用的自记纸形式，这部分数据在处理时往往费时费力，虽然在国家气象局的主持下编制了“降雨自记纸彩色扫描数字化处理系统”来辅助处理纸质数据，但仍旧需要大量人力财力对降雨自记纸进行预处理以及对扫描结果进行精度校正，还有部分自记纸因为保存不善以及降雨数据本身的问题系统难以识别和处理，这给暴雨强度公式推求所需的降雨基础数据的收集和处理带来了很大的困难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种暴雨强度公式确定方法。

一种暴雨强度公式确定方法，所述暴雨强度公式的形式为：

其中，A₁、C、b、n为地方参数，A₁为雨力参数，C为雨力变动参数，b为降雨历时修正参数，n为暴雨衰减指数，q为设计暴雨强度，单位是L/(s·hm²)，P为设计暴雨重现期，单位是a即annually，t为降雨历时，单位是min；

该方法包括：

步骤1：查询当地的历史暴雨强度公式，获取历史暴雨强度公式中的各地方参数，同时获得确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段即N年；

步骤2：获取确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段之后的新降雨数据的时间段即M年，确保新降雨数据的时间段在历史暴雨强度公式的确定过程中未被应用过；

步骤3：按照确定暴雨强度公式的降雨历时要求和重现期要求，根据历史暴雨强度公式的地方参数以及确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段反推历史暴雨强度公式推求时所用的历史ITP表；

步骤4：对历史ITP表中不同的降雨历时分别用P-III分布函数和指数分布函数进行拟合，选取拟合误差最小的分布函数形式，反推不同频次的历史降雨数据；

步骤5：采用年最大值法对步骤2获取的新降雨数据进行取样处理，并把取样得到的新降雨数据和历史降雨数据进行融合处理，得到融合后的降雨数据；

步骤6：对融合后的降雨数据，再次利用P-III分布函数和指数分布函数进行频率分析，得到频率曲线，利用按照最小误差的原则选取的最优频率曲线得到全信息ITP表；

步骤7：在全信息ITP表的基础上，采用已知多种暴雨强度公式推求方法，进行暴雨强度公式的地方参数推求，并按照最小误差的原则筛选最优地方参数得到暴雨强度公式的最优的地方参数，进而获得最优的新的暴雨强度公式。

所述步骤7中已知多种暴雨强度公式推求方法，包括四参数最小二乘法、三参数最小二乘法、三点等差线法、计算机搜索法、曲面拟合法、曲面搜索法、最速下降法、牛顿迭代法、带因子迭代法、高斯-牛顿法、麦夸尔特法、超定位分法、遗传算法、加速遗传算法、达尔文法。

有益效果：

本发明利用历史暴雨强度公式未采用的降雨新信息与历史降雨强度公式进行融合计算，从而得到新的全信息暴雨强度公式，使其具有与采用全降雨信息推求的暴雨强度公式接近或者更优的公式形式，误差满足规范要求，解决了旧降雨信息资料的获取难的问题，避免了大量降雨资料重复取样的问题，降低了暴雨公式推求难度，节省了暴雨公式推求时间。同时省去了大量处理自记纸带来的人力和财力开销，仅需处理少量或不需要处理纸质数据(具体视推求旧公式的数据采样年份而定)，简单快捷。另外按照《室外排水设计规范》要求，各市暴雨强度公式在5-10年内需要重新修订，本方法可以作为以后修订暴雨强度公式时的推求方法，省时省力，操作简单。

附图说明

图1为传统的暴雨强度公式推求流程图；

图2为本发明具体实施例中利用指数分步法求年最大值法频率分布曲线；

图3为本发明具体实施例中利用P-III分步法求年最大值法频率分布曲线；

图4为本发明具体实施例提供的本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

传统的暴雨强度公式的形式为：

其中，A₁、C、b、n为地方参数，A₁为雨力参数，C为雨力变动参数，b为降雨历时修正参数，n为暴雨衰减指数，q为设计暴雨强度，单位是L/(s·hm²)，P为设计暴雨重现期，单位是a即annually，t为降雨历时，单位是min；

图1示出了传统的暴雨强度公式推求流程图。

步骤1：进行雨样采集，获取采样年份降雨11历时的降雨厚度值(mm)；

其中，11历时为：5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、90min、120min、150min、180min。

步骤2：利用年最大值法、年多个样法、年超大值和超定量法四种方法对采集到的雨样进行筛选，选择具有代表性的样本，获得已筛选样本。

步骤3：对已筛选样本进行降序排列，已筛选样本经验频率按公式p＝m/(n+1)，其中p为经验频率，m为排序数，n为样本容量，即样本总数的计算，重现期与经验频率按照公式P＝1/p换算，其中P为暴雨重现期，p为经验频率(％)。利用P-III分布和指数分布的频率分析方法对已筛选样本进行频率分析，对频率分析结果做误差分析，以误差最小原则找出最优的频率分布曲线；

图2示出了利用指数分步法求年最大值法频率分布曲线。

图3示出了利用P-III分步法求年最大值法频率分布曲线。

步骤4：利用最优频率分布曲线列出ITP表，见表1；

其中，I为计暴雨强度(mm/min)(q＝167I)，T为降雨历时(min)，P为设计暴雨重现期。

表1：利用最优频率分布曲线得出的ITP表

步骤5：采用多种推求方法根据ITP表对已知暴雨强度公式的地方参数进行推求，得到多组地方参数；

其中，推求方法有很多，例如四参数最小二乘法、三参数最小二乘法、三点等差线法、计算机搜索法、曲面拟合法、曲面搜索法、最速下降法、牛顿迭代法、带因子迭代法、高斯-牛顿法、麦夸尔特法、超定位分法、遗传算法、加速遗传算法、达尔文法等，此处可以利用上述方法分别计算地方参数，对所求地方参数进行对比。

步骤6：按照误差最小的原则筛选地方参数得到最优的地方参数，进而求得最优的暴雨强度公式。

本发明提供一种暴雨强度公式确定方法，如图4所示，包括：

步骤1：查询当地的历史暴雨强度公式，获取历史暴雨强度公式中的各地方参数，同时获得确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段即N年；

步骤2：获取确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段之后的新降雨数据的时间段即M年，确保新降雨数据的时间段在历史暴雨强度公式的确定过程中未被应用过；

步骤3：按照确定暴雨强度公式的降雨历时要求(一般为5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、90min、120min、150min、180min)和重现期要求(一般为1年、2年、3年、5年、10年、20年、30年、50年、100年)，根据历史暴雨强度公式的地方参数以及确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段反推历史暴雨强度公式推求时所用的历史ITP表；

例如，历史暴雨强度公式推求采用的年份为1972-1995年，共24(N＝24)年降雨数据，重现期依次取1、2、3...24带入历史暴雨强度公式，计算出1-24年重现期的ITP表，见表2。

表2：1-24年重现期的ITP表

步骤4：对历史ITP表中不同的降雨历时分别用P-III分布函数和指数分布函数进行拟合，选取拟合误差最小的分布函数形式，反推不同频次(n/(N+1)，n＝1，…，1-N)的历史降雨数据；

步骤5：采用年最大值法对步骤2获取的新降雨数据进行取样处理，并把取样得到的新降雨数据和历史降雨数据进行融合处理，得到融合后的降雨数据；

其中，历史暴雨强度公式推求采用年份为1972-1995年，新降雨数据需要将1996年至今的数据进行处理，目前气象站2004年后的数据为电子数据，此部分数据用软件处理即可，1996年至2003年的纸板数据只需筛选最大降雨场次的数据按历时截量即可(根据《室外排水规范》的要求，降雨资料年份超过20年时建议暴雨强度公式推求采用年最大值法，即每年只取最大降雨场次数据即可)，然后将处理后的纸板数据和电子数据整理合成新的降雨数据集，对新降雨数据进行频率分析，生成新降雨数据的工作数据，并把新工作数据和旧工作数据融合处理。

步骤6：对融合后的降雨数据，再次利用P-III分布函数和指数分布函数进行频率分析，得到频率曲线，利用按照最小误差的原则选取的最优频率曲线得到全信息ITP表；

步骤7：在全信息ITP表的基础上，采用已知多种暴雨强度公式推求方法，进行暴雨强度公式的地方参数推求，并按照最小误差的原则筛选最优地方参数得到暴雨强度公式的最优的地方参数，进而获得最优的新的暴雨强度公式。

所述步骤7中已知多种暴雨强度公式推求方法，包括四参数最小二乘法、三参数最小二乘法、三点等差线法、计算机搜索法、曲面拟合法、曲面搜索法、最速下降法、牛顿迭代法、带因子迭代法、高斯-牛顿法、麦夸尔特法、超定位分法、遗传算法、加速遗传算法、达尔文法。

本发明在雨样采集阶段，根据《室外排水设计规范》和《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》的推荐，当基础年份超过20年时雨样采集用年最大值法。利用历史暴雨强度公式反推出ITP表，并利用此ITP表反推工作数据即不同频次的历史降雨数据，然后根据历史暴雨强度公式后未采用的降雨新信息按年最大值法进行雨样采集得到新信息的工作数据，把新信息工作数据与历史工作数据进行融合计算，得到全息工作数据，并进行频率分析推求出新数据的ITP表，最后根据新ITP表推求出新的暴雨强度公式。新降雨资料和历史暴雨强度公式的融合能够满足暴雨强度公式推求对基础数据完整性、连续性的要求。

以某省为例，各市旧的暴雨强度公式一般是上世纪八九十年代推求的，虽然在推求时采用的基础数据年份较少(一般为二十几年)、方法相对单一(一般为数理统计法和解析法)，但对推求的结果也是有严格要求的，一般相对误差都不会超过10％，加之暴雨强度公式本身就是在对降雨抽样数据规律性的描述，因此用以反推的ITP表数据可以用来表征历史暴雨强度公式推求采用的历时年份各历时的降雨信息，精度满足相关要求。

本发明利用历史暴雨强度公式反推出ITP表，并利用此ITP表反推历史工作数据，然后根据历史暴雨强度公式后未采用的新降雨数据，按年最大值法进行雨样采集得到新息工作数据，把新降雨数据与历史降雨数据进行融合计算，得到全息降雨数据，并进行频率分析推求出新数据的ITP表，最后根据新息ITP表推求出新的全信息暴雨强度公式。本发明方法对历史数据不全或缺失情况下进行暴雨强度公式确定提供了新的思路和方法，具有省时省力的优势。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种暴雨强度公式确定方法，所述暴雨强度公式的形式为：

其中，A₁、C、b、n为地方参数，A₁为雨力参数，C为雨力变动参数，b为降雨历时修正参数，n为暴雨衰减指数，q为设计暴雨强度，单位是L/(s·hm²)，P为设计暴雨重现期，单位是a即annually，t为降雨历时，单位是min；

其特征在于，该方法包括：

步骤1：查询当地的历史暴雨强度公式，获取历史暴雨强度公式中的各地方参数，同时获得确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段即N年；

步骤2：获取确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段之后的新降雨数据的时间段即M年，确保新降雨数据的时间段在历史暴雨强度公式的确定过程中未被应用过；

步骤3：按照确定暴雨强度公式的降雨历时要求和重现期要求，根据历史暴雨强度公式的地方参数以及确定历史暴雨强度公式所采用降雨数据的时间段反推历史暴雨强度公式推求时所用的历史ITP表；

步骤4：对历史ITP表中不同的降雨历时分别用P-III分布函数和指数分布函数进行拟合，选取拟合误差最小的分布函数形式，反推不同频次的历史降雨数据；

步骤5：采用年最大值法对步骤2获取的新降雨数据进行取样处理，并把取样得到的新降雨数据和历史降雨数据进行融合处理，得到融合后的降雨数据；

步骤6：对融合后的降雨数据，再次利用P-III分布函数和指数分布函数进行频率分析，得到频率曲线，利用按照最小误差的原则选取的最优频率曲线得到全信息ITP表；

步骤7：在全信息ITP表的基础上，采用已知暴雨强度公式推求方法，进行暴雨强度公式的地方参数推求，并按照最小误差的原则筛选最优地方参数得到暴雨强度公式的最优的地方参数，进而获得最优的新的暴雨强度公式；所述步骤7中已知暴雨强度公式推求方法，包括四参数最小二乘法、三参数最小二乘法、三点等差线法、计算机搜索法、曲面拟合法、曲面搜索法、最速下降法、牛顿迭代法、带因子迭代法、高斯-牛顿法、麦夸尔特法、超定位分法、遗传算法、加速遗传算法或达尔文法。