CN107797968A

CN107797968A - 一种城市设计暴雨雨型统计方法

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Publication number: CN107797968A
Application number: CN201710826540.9A
Authority: CN
Inventors: 邵丹娜
Original assignee: Individual
Current assignee: Shao Danna; Zhejiang University of Finance and Economics
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2018-03-13
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: CN107797968B

Abstract

本发明公开了一种城市设计暴雨雨型统计方法，基于不少于30年的暴雨记录资料，包括如下步骤：1)场雨过程确定；2)降雨过程采集；3)雨型统计；4)雨峰确定，将城市暴雨强度公式求得的雨量值分别对应带入设计暴雨雨型的分配比例，可得到城市设计暴雨时程雨量分配即设计雨型。本发明根据地区实际情况，建立符合地区客观实际的设计暴雨雨型，提供统计设计雨型及简化样本方法。

Description

一种城市设计暴雨雨型统计方法

技术领域

本发明涉及暴雨统计与分析技术领域，尤其是涉及一种城市设计暴雨雨型统计方法。

背景技术

设计暴雨雨型即降雨的时程分配，是指降雨量在设计降雨历时时段内随时间的变化过程，它反映了降雨发生、发展、消亡的过程，由于诸多因素的影响，不同降雨过程的形状均不相同；设计暴雨雨型分析旨在讨论暴雨总雨量的时间分配关系，其目的在于设计一种能代表该地区降雨历时分布特性且能形成所设计洪峰流量的降雨分配关系，代表性较好的设计暴雨雨型应当能够反映和概括地区大多数降雨雨型的主要降雨因素及其平均特征，需要从大量实测降雨过程统计获得；世界各地有着各种各样的雨型分类和统计方法，要找到符合本地的设计雨型，统计样本的合理性是确定雨型的关键所在。

现有的暴雨雨型统计方法采用的样本数据存在随机选择、代表性不足，导致获得的暴雨雨型与实际存在较大偏差，影响到排水防涝及海绵城市规划设计的精度。

发明内容

本发明是为了解决现有雨型统计方法复杂、各地统计方法也不统一的问题，提供一种根据地区实际情况，建立符合地区客观实际的设计暴雨雨型，并且提供统计设计雨型简化样本的5-1440分钟城市设计暴雨雨型统计方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种城市设计暴雨雨型统计方法，基于不少于30年的暴雨记录资料，包括如下步骤：1)场雨过程确定，城市设计暴雨雨型采用的是步长5分钟降水过程，按照每年的记录资料，该降水过程选取的是暴雨公式各指定历时的年最大值暴雨所在日期的雨量样本，即从该暴雨起始降雨时刻至暴雨结束时刻的雨量样本；2)降雨过程采集，按照各指定历时的年最大值暴雨过程雨量样本，采用整时段步长5分钟的降雨过程样本，或者采用整编样本是滑动整点步长5分钟的降雨过程，获得以1440分钟为长度的雨量累计最大值降雨过程，以及该降雨过程中共计288个降雨量数据；3)雨型统计，对于上述得到的288个降雨量数据，以十二个标准时段为指定历时，十二个标准时段从短到长记为A1-A12，在288个降雨量数据中找出每个指定历时时段的最大合计雨量，将A_n标准时段降雨量数据取代A_n+1中以A_n标准时段为长度的最大降雨量区间，并将A_n+1中以A_n标准时段为长度的时间段记为N，该时间段之前的步长5分钟的时间段记为N-1，N-2，…，N-X,该时间段之后的步长5分钟的时间段记为N+1，N+2，…，N+Y,其中，N时间段处分配比例记为100％，其余N-1，N-2，…，N-X,以及N+1，N+2，…，N+Y各时间段采用同频法分别统计以每5分钟雨量在其整个降雨过程中所占的比例，即可得到十二个标准时段降雨过程的分配比例；然后不论各指定历时所对应的年度场次，取各时间段上分配比例的平均值，总共得288个均值，即为设计暴雨雨型；4)各重现期降雨过程雨量确定，将城市长历时暴雨强度公式求得的雨量值分别对应带入设计暴雨雨型的分配比例，可得到城市长历时设计暴雨时程雨量分配即长历时雨型。

根据暴雨强度公式各指定历时的年最大值所在日期的雨量样本，采集步长5分钟的降雨过程，找出一种适合于城市特点的雨型，其中步骤1)、步骤2)所说的指定历时，即步骤3)所说的十二个标准时段；各指定历时样本的雨量值精度以每分钟滑动截取，雨型过程采用从整点开始计算，所说的整点是指时刻末尾为0或5的计时时刻，再以步长整5分钟提取时段各个样本的总和，一般情况下15分钟略小于公式样本，30分钟基本接近，45～1440分钟等于以时段步长5分钟各个样本累积过程的总和，采用同频方法统计时，雨峰系数大于0.5，一般情况雨峰在3分之2的位置；步骤1)场雨过程确定时，取降雨间隔时间为120分钟来划分降雨过程，即间隔超过120分钟的不是同一场雨过程；步骤3)中，以A_n标准时段降雨量数据取代A_n+1中以A_n标准时段为长度的最大降雨量区间时，二者雨峰位置重叠。

作为优选，对于5-120分钟城市设计暴雨雨型统计方法，步骤1)的场雨过程确定，可根据120分钟暴雨公式样本所对应场雨过程。

作为优选，对于5-120分钟城市设计暴雨雨型统计方法，步骤1)的场雨过程确定，根据一般设计重现期历时20分钟降雨量为量值选定步长5分钟的降雨过程，并采用Pilgrim&Cordery法及芝加哥法统计原理计算每个时段降雨量与总雨量的比值，得到城市5-120分钟设计暴雨时程分配即短历时雨型。本方案所说的一般设计重现期20分钟降雨量，是指以暴雨公式计算所得的20分钟暴雨量，以该20分钟降雨量为标准，与步长为5分钟的降雨记录做比较，该降雨记录以120分钟为计时段，该降雨记录的降雨量如果超过一般设计重现期20分钟降雨量的作为样本选入，降雨量小于一般设计重现期20分钟降雨量的不予选入；一般设计重现期为1年或2年或3年，即为一年一遇或二年一遇或三年一遇的暴雨设计标准。

短历时设计雨型适用于城市排水和校核积水过程，行业技术规范一般定义为120分钟；在80年代之前整编的《水文年鉴》表4规定的标准指定历时分别为5、10、15、20、30、45、60、90、120分钟共计九个时段。

作为优选，步骤2)的降雨过程采集，所述的降雨过程样本是虹吸记录纸人工摘录或通过数字化处理系统处理后的整时段步长5分钟的降雨过程样本。

作为优选，步骤2)的降雨过程采集，所述的整编样本是采用遥测翻斗式雨量计以分钟观测记录的、滑动整点步长5分钟的降雨过程。本方案的滑动整点步长5分钟，是指从整数点开始至整数点结束，所说的整数点是指时刻末尾为0或5的计时时刻，时间长度为5分钟，从降雨过程开始至结束，统计多个长度5分钟内的合计雨量，选取雨量最高值。

作为优选，年最大值暴雨样本过程不足指定历时长度的，在年最大值暴雨样本过程两端均衡补零，使其达到历时长度。降雨过程有长有短，样本数据量可能不足，则以零补充，补充时在暴雨过程两端均衡补零。

作为优选，步骤3)的雨型统计，所述的十二个标准时段分别为15、30、45、60、90、120、180、240、360、540、720、1440分钟。

作为优选，步骤3)的雨型统计，所述的同频方法为长包短同频方法。

作为优选，步骤3)的雨型统计，以同频法获得雨峰位置系数后采用芝加哥法计算设计降雨过程。

设计雨型是城市排水防涝分析及海绵调蓄设计计算的重要依据，本发明根据地区实际情况，建立符合地区客观实际的设计暴雨雨型；在以往的研究过程中发现，挑选步长5分钟的场雨过程没有一个确切的定义，往往因人而异，会导致人为的统计误差；本发明提出根据暴雨强度公式各指定历时样本，对应选定场雨，时间步长为5分钟，同时收集城市地区特征暴雨及灾害成因情况，统计时间步长为5分钟的降雨过程及时长分布规律，从中找出时间步长为5分钟所处的雨峰位置；采用雨型的统计方法建立设计雨型。

按照各指定历时样本的降雨日期及历时过程，采用水文及气象部门不同年所采用的仪器性能，从而可验证场雨样本过程准确性和代表性。

由虹吸自记雨量记录配合人工整编和遥测电子数据信息化处理获取，得到场次暴雨过程，以获取选样资料的时段最大量。在自然条件下，一场暴雨有可能是连续不断、持续降雨的过程，也有可能是断断续续、间断性的降雨过程。因此，针对气象站和水文站连续雨量记录的原始资料，按分钟滑动摘录暴雨量，整编15个指定历时年最大值样本，一般挑选并读取1-5场最大暴雨的过程，为尽可能减少资料整理过程中出现的差错，采取初算、校核、审查、复审等步骤并与相应年份的降水量整编成果相对照，确保数据采集准确无误。

设计暴雨方法需要确定设计雨型，若设计雨型不合适，会引起很大误差，常用的降雨量时程分布(即雨型)有：均匀雨型、Keifer&Chu雨型(芝加哥雨型，简称K.C雨型)、SCS雨型、Huff雨型、Pilgrim&Cordery雨型(无级序方法，简称P.C雨型)、Yen和Chow雨型(三角形雨型)、同频率分析方法(长包短)等。

同频方法，是以各指定历时，一般以15、30、45、60、90、120、180、240、360、540、720、1440分钟12个标准历时的雨量，按照12个标准时段依次嵌套的原则，采用以下方法计算时段雨量占两个相邻标准历时雨量之差的百分比B；主峰时段雨量与分钟(5min)相比，B1＝100％，主峰前后两侧15分钟以内的时段雨量△Hi占[H(15min)-H(5min)]的百分数为:

其余时段雨量△H_i占[H(30min)-H(15min)]的百分数为：

统计非主峰时段雨量H2,H3。非主峰时段雨量△H_i占各时段雨量的百分比为：

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。

芝加哥法，是假定为单峰形时，可根据同频原理统计的最大峰现时刻引入雨峰位置系数r来描述暴雨峰值发生的时刻，将降雨历时时间序列配合暴雨强度公式为来确定最终形态的典型降雨过程，分为峰前和峰后两个部分：

令峰前的瞬时强度为i(t_b)，相应的历时为tb，峰后的瞬时强度为i(t_a)，相应历时为ta。取一定重现期下暴雨强度公式形式为：雨峰前、后瞬时降雨强度可由下式计算：

峰前

峰后

式(4)和(5)中：A＝A₁(1+clgP)，A₁、b、n为暴雨强度公式中的参数；P为重现期；r为综合雨峰位置系数。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)根据地区实际情况，建立符合地区客观实际的设计暴雨雨型；(2)提供统计设计雨型简化样本。

具体实施方式

一种城市设计暴雨雨型统计方法，基于不少于30年的暴雨记录资料，包括如下步骤：1)场雨过程确定，按照每年的记录资料，城市设计暴雨雨型采用的步长5分钟降水过程所对应选取的是暴雨公式各指定历时的每一年的年最大值暴雨样本；2)降雨过程采集，按照各指定历时的年最大值暴雨样本的降雨日期及历时过程，采用整时段步长5分钟的降雨过程样本，或者采用整编样本是滑动整点步长5分钟的降雨过程，可得该年度的最大降雨日全天共计288个降雨量数据；3)雨型统计，对于上述得到的288个降雨量数据，以十二个标准时段为指定历时，十二个标准时段从短到长记为A1-A12，在288个降雨量数据中找出每个指定历时时段的最大合计雨量，将A_n标准时段降雨量数据取代A_n+1中以A_n标准时段为长度的最大降雨量区间，并将A_n+1中以A_n标准时段为长度的时间段记为N，该时间段之前的步长5分钟的时间段记为N-1，N-2，…，N-X,该时间段之后的步长5分钟的时间段记为N+1，N+2，…，N+Y,其中，N时间段处分配比例记为100％，其余N-1，N-2，…，N-X,以及N+1，N+2，…，N+Y各时间段采用同频法分别统计以每5分钟雨量在其整个降雨过程中所占的比例，即可得到十二个标准时段降雨过程的分配比例；然后不论各指定历时所对应的年度场次，取各时间段上分配比例的平均值，总共得288个均值，即为设计暴雨雨型；4)雨峰确定，将城市长历时暴雨强度公式求得的雨量值分别对应带入设计暴雨雨型的分配比例，可得到城市长历时设计暴雨时程分配即长历时雨型；

步骤2)的降雨过程采集，是运用虹吸记录纸人工摘录或通过数字化处理系统处理后的整时段步长5分钟的降雨过程样本；年最大暴雨过程雨量样本不足1440分钟的，在暴雨过程两端均衡补零，使其达到1440分钟长度；步骤3)的雨型统计，十二个标准时段分别为15、30、45、60、90、120、180、240、360、540、720、1440分钟；步骤3)的雨型统计，同频方法为长包短同频方法；

步骤3)的雨型统计，以同频法获得雨峰位置系数后采用芝加哥法计算设计降雨过程。

具体实施过程是，某地暴雨公式各指定历时年最大值样本表(1980-2015共35年样本表中，列举2008、2012两年数据为例，单位(mm)，如下：

场雨过程确定：2008年各指定历时年最大值选定的步长5分钟场为：5～30分钟选定7月23日、45分钟又选定5月28日、60～1440分钟再选定6月14日；2012年各指定历时年最大值选定的步长5分钟场为：5～1440分钟选定7月13日；经过统计计算，可得到城市设计暴雨时程数据，步长5分钟的过程数据如下：

雨型统计及雨峰确定：对于上述得到的步长5分钟的降雨过程数据，以十二个标准时段为指定历时，十二个标准时段分别为15、30、45、60、90、120、180、240、360、540、720、1440分钟；十二个标准时段从短到长记为A1-A12，在288个降雨量数据中找出每个指定历时时段的最大合计雨量，将A_n标准时段降雨量数据取代A_n+1中以A_n标准时段为长度的最大降雨量区间，并将A_n+1中以A_n标准时段为长度的时间段记为N，该时间段之前的步长5分钟的时间段记为N-1，N-2，…，N-X,该时间段之后的步长5分钟的时间段记为N+1，N+2，…，N+Y,其中，N时间段处分配比例记为100％，其余N-1，N-2，…，N-X,以及N+1，N+2，…，N+Y各时间段采用同频法分别统计以每5分钟雨量在其整个降雨过程中所占的比例，即可得到十二个标准时段降雨过程的分配比例；然后不论各指定历时所对应的年度场次，取各时间段上分配比例的平均值，总共得288个均值，即为设计暴雨雨型，如下表：

将城市长历时暴雨强度公式求得的雨量值分别对应代入设计暴雨雨型的分配比例，可得到城市长历时设计暴雨时程分配即长历时雨型。

Claims

1.一种城市设计暴雨雨型统计方法，基于不少于30年的暴雨记录资料，其特征在于，包括如下步骤：

1)场雨过程确定，城市设计暴雨雨型采用的是步长5分钟降水过程，按照每年的记录资料，该降水过程选取的是暴雨公式各指定历时的年最大值暴雨所在日期的雨量样本，即从该暴雨起始降雨时刻至暴雨结束时刻的雨量样本；

2)降雨过程采集，按照各指定历时的年最大值暴雨过程雨量样本，采用整时段步长5分钟的降雨过程样本，或者采用整编样本是滑动整点步长5分钟的降雨过程，获得以1440分钟为长度的雨量累计最大值降雨过程，以及该降雨过程中共计288个降雨量数据；

3)雨型统计，对于上述得到的288个降雨量数据，以十二个标准时段为指定历时，十二个标准时段从短到长记为A1-A12，在288个降雨量数据中找出每个指定历时时段的最大合计雨量，将A_n标准时段降雨量数据取代A_n+1中以A_n标准时段为长度的最大降雨量区间，并将A_n+1中以A_n标准时段为长度的时间段记为N，该时间段之前的步长5分钟的时间段记为N-1，N-2，…，N-X,该时间段之后的步长5分钟的时间段记为N+1，N+2，…，N+Y,其中，N时间段处分配比例记为100％，其余N-1，N-2，…，N-X,以及N+1，N+2，…，N+Y各时间段采用同频法分别统计以每5分钟雨量在其整个降雨过程中所占的比例，即可得到十二个标准时段降雨过程的分配比例；然后不论各指定历时所对应的年度场次，取各时间段上分配比例的平均值，总共得288个均值，即为设计暴雨雨型；

4)各重现期降雨过程雨量确定，将城市暴雨强度公式求得的雨量值分别对应代入设计暴雨雨型的分配比例，可得到城市设计暴雨时程雨量分配即设计雨型。

2.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，对于5-120分钟城市设计暴雨雨型统计方法，步骤1)的场雨过程确定，可根据120分钟暴雨公式样本所对应场雨过程。

3.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，对于5-120分钟城市设计暴雨雨型统计方法，步骤1)的场雨过程确定，根据一般设计重现期历时20分钟降雨量为量值选定步长5分钟的降雨过程，并采用Pilgrim&Cordery法及芝加哥法统计原理计算每个时段降雨量与总雨量的比值，得到城市5-120分钟设计暴雨时程分配即短历时雨型。

4.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，步骤2)的降雨过程采集，所述的降雨过程样本是虹吸记录纸人工摘录或通过数字化处理系统处理后的整时段步长5分钟的降雨过程样本。

5.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，步骤2)的降雨过程采集，所述的整编样本是采用遥测翻斗式雨量计以分钟观测记录的、滑动整点步长5分钟的降雨过程。

6.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，年最大值暴雨样本过程不足指定历时长度的，在年最大值暴雨样本过程两端均衡补零，使其达到历时长度。

7.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，步骤3)的雨型统计，所述的十二个标准时段分别为15、30、45、60、90、120、180、240、360、540、720、1440分钟。

8.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，步骤3)的雨型统计，所述的同频方法为长包短同频方法。

9.根据权利要求1所述的一种城市设计暴雨雨型统计方法，其特征是，步骤3)的雨型统计，以同频法获得雨峰位置系数后采用芝加哥法计算设计降雨过程。