CN112052602A - 一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法 - Google Patents

一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法。包括：通过移用邻近地区的暴雨资料以及本站实测暴雨长系列加入经验频率样本，视量级差值分析并确定暴雨极值重现期及移用特大暴雨重现期，同时采用计算暴雨样本经验频率；推求双组合型分布曲线的暴雨量均值、变差系数和偏态系数；选用不同系列长度的站点，编绘暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线推求区域常用重现期设计暴雨模比系数；研制标准历时暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线，基于常用重现期同频率的暴雨递减系数，控制各时段设计暴雨量同频率，输出其综合雨型的同频率时程分配雨量过程。本发明适用于小流域求解其综合雨型的同频率时程分配雨量过程。

Description

一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法
技术领域
本发明涉及工程水文学科领域，尤其涉及一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法。
背景技术
在全球气候变暖和流域下垫面动态变化的共同影响下，特大暴雨的概率增多，强度增强，从而形成的山洪、内涝、山体滑坡和泥石流的灾害越来越重。
福建省地处东南沿海，倚山面海，就暴雨成因而论，福建省地域主要受到两大天气系统的影响，梅雨型和台风雨型的暴雨量分配机制、暴雨特性区域规划和暴雨随山地高程递增率，都受到了闽西北大山带和闽中大山带的制约。福建省内福州和厦门等重要城市陆续出现了内涝灾害，山丘区部分地域也引发了山洪、山体滑坡和泥石流等灾害。我省现行常用方法，存在暴雨样本总体代表性不足的难题，工程建设或区域规划的设计暴雨可能偏小较多，安全标准问题较为突出。
因此本申请研究提出“暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线”计算方法，具有稳定性的特点，科学提升了设计暴雨的合理性和安全度获得新成效，该研究成果具有独到之处，能满足核电站等工程高标准设计暴雨的安全要求。研究暴雨成因理论及其空间分布特点，首次给出了暴雨特性区域规划和暴雨随山地高程递增率，揭示其重要的规律性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，设计合理，误差小，能应用于暴雨频率计算。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，包括如下步骤：
步骤S1、选取待分析小流域，通过水汽放大法推求暴雨极值，即年最大24h可能最大暴雨，并移用邻近地区的暴雨资料及本站实测暴雨长系列样本确定经验频率样本；
步骤S2、视量级差值分析并确定暴雨极值重现期Nm及移用特大暴雨重现期N，并采用数学期望公式计算暴雨样本第m项暴雨的经验频率Pm；
步骤S3、分析计算暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线的统计参数：采用当地水文资料获取年最大24h暴雨量均值
Figure BDA0002688979260000011
利用适线法计算变差系数Cv和偏态系数Cs值；
步骤S4、绘制年最大24h暴雨量均值等值线图判断流域山地区域的影响性；
步骤S5、基于变差系数Cv和偏态系数Cs值的大小，考虑选用不同系列长度的站点，编绘暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线分析查询皮尔逊Ⅲ型曲线得重现期设计暴雨模比系数Kp值；
步骤S6、通过所得重现期设计暴雨模比系数Kp值和年最大24h暴雨量均值
Figure BDA0002688979260000021
计算出年最大24h设计暴雨量；
步骤S7、将设计暴雨时程分配的标准历时定为1h、6h和24h，研制标准历时1h和6h暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线，按照其统计参数，计算常用重现期同频率的暴雨递减指数n1和n2；
步骤S8、基于常用重现期同频率的暴雨递减系数，控制各时段设计暴雨量同频率输出其综合雨型的同频率设计暴雨量时程分配过程。
在本发明一实施例中，步骤S1中，通过水汽放大法推求暴雨极值的方式为：选择当地区域高效暴雨作为典型暴雨，以可能最大暴雨的可降水与典型暴雨的可降水的比例作为区域典型暴雨的可降水放大因子，计算获得暴雨极值。
在本发明一实施例中，步骤S2中，暴雨极值重现期Nm及移用特大暴雨重现期N的确定方式为：暴雨极值重现期Nm估计，取万年重现期；移用特大暴雨重现期N估计，视量级差值而定，若移用特大暴雨与本站首项数值差异小于第一预设值，则取用本身站点暴雨序列重现期；若移用特大暴雨与本站首项数值差异大于第一预设值且小于第二预设值，则取用100年重现期；若移用特大暴雨与本站首项数值差异大于第二预设值，则取用200年重现期。
在本发明一实施例中，步骤S2中，若移用特大暴雨与本站首项数值差异小于第一预设值，则相应的经验频率Pm数学期望公式为：Pm＝m/(n+1)，m＝1,2,…,n，式中n为本身站点暴雨序列项数，m为本身站点暴雨连序系列中的序位；Pm为第m项暴雨的经验频率。
在本发明一实施例中，步骤S3中，适线法包括如下步骤：
A、点绘经验点据，纵坐标为暴雨极值，横坐标为经验频率。
B、初定一组参数：用矩法公式的估算E(x)和Cv，并假定Cs与Cv的比值K估算Cs。
C、根据初定的E(x)、Cv和Cs，计算频率曲线，并绘在点有经验点据的图上。若与经验点据配合不理想，则修改参数再次配线，主要调整Cv以及Cs。
D、选择一条与经验点据配合最佳曲线作为采用曲线。该曲线的参数看做总体参数的估计值。
在本发明一实施例中，步骤S6中，年最大24h设计暴雨量的计算公式为：H24·P＝kp×H24，式中，H24.p为重现期为p的设计年最大24h暴雨量，kp为设计年最大24h暴雨量模比系数，H24h为年最大24h暴雨量均值。
在本发明一实施例中，步骤S7中，1h、6h的暴雨极值计算公式如下：
Figure BDA0002688979260000031
Figure BDA0002688979260000032
式中，H1h.M、H6h.M、H24h.M分别为1h、6h和24h暴雨极值，
Figure BDA0002688979260000033
分别为年最大1h、6h和24h暴雨量均值。
在本发明一实施例中，步骤S7中，常用重现期同频率的暴雨递减指数n1和n2计算公式如下：
n1＝1-lg(H6p/H1p)/lg(6h/1h)
n2＝1-lg(H24p/H6p)/lg(24h/6h)
其中，n1、n2分别为6h～1h、24h～6h暴雨递减指数，H24p、H6p、H1p分别为各重现期24h、6h和1h设计暴雨量。
在本发明一实施例中，步骤S8中，设计暴雨量时程分配计算方式如下：
当t＝1～6h时，
Figure BDA0002688979260000034
当t＝6～24h时，
Figure BDA0002688979260000035
式中，t为暴雨历时，H6.p、H24.p分别为t＝6h设计暴雨量、t＝24h设计暴雨量，n1、n2分别为1h～6h和6h～24h暴雨递减指数。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：发明在理论上突破了原暴雨样本总体代表性不足的难题，提出了设计暴雨时程分配同频率计算新方法，研制了标准历时1h和6h暴雨极值与经验频率霜组合型分布曲线，计算同频率的暴雨递减指数n1和n2，求解其综合雨型的同频率时程分配雨量过程。
附图说明
图1为本发明提出的暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线设计模式技术路线框图。
图2为福州省会城市暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线。
图3为福州中心城市1h和6h暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线。
图4为福州解放大桥站重现期50年24小时最大暴雨量时程分配柱状图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提出一种基于暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线的设计暴雨量时程分配计算方法，包括如下步骤：
步骤S1、选取待分析小流域，通过水汽放大法推求暴雨极值，即年最大24h可能最大暴雨，并移用邻近地区的暴雨资料及本站实测暴雨长系列样本确定经验频率样本；
步骤S2、视量级差值分析并确定暴雨极值重现期Nm及移用特大暴雨重现期N，并采用数学期望公式计算暴雨样本第m项暴雨的经验频率Pm；
步骤S3、分析计算暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线的统计参数：采用当地水文资料获取年最大24h暴雨量均值
Figure BDA0002688979260000041
利用适线法计算变差系数Cv和偏态系数Cs值；
步骤S4、绘制年最大24h暴雨量均值等值线图判断流域山地区域的影响性；
步骤S5、基于变差系数Cv和偏态系数Cs值的大小，考虑选用不同系列长度的站点，编绘暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线分析查询皮尔逊Ⅲ型曲线得重现期设计暴雨模比系数Kp值；
步骤S6、通过所得重现期设计暴雨模比系数Kp值和年最大24h暴雨量均值
Figure BDA0002688979260000042
计算出年最大24h设计暴雨量；
步骤S7、将设计暴雨时程分配的标准历时定为1h、6h和24h，研制标准历时1h和6h暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线，按照其统计参数，计算常用重现期同频率的暴雨递减指数n1和n2；
步骤S8、基于常用重现期同频率的暴雨递减系数，控制各时段设计暴雨量同频率输出其综合雨型的同频率设计暴雨量时程分配过程。
以下为本发明的具体实例。
如图1所示，本发明一种基于暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线的设计暴雨量时程分配计算方法，包括如下步骤：
S1：确定暴雨极值，即年最大24h可能最大暴雨；
S2：分析确定暴雨极值重现期Nm及移用特大暴雨重现期N；
S3：确定经验频率样本，包括移用特大暴雨加入的经验频率样本和本站点实测暴雨长系列样本的经验频率；
S4：通过分析确定重现期N，采用数学期望公式计算得出第m项暴雨的经验频率Pm；
S5：分析计算暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线的统计参数，年最大24h暴雨量均值通过当地水文资料确定，变差系数Cv和偏态系数Cs采用适线法确定；
S6：分析计算各县市区域常用重现期设计暴雨模比系数Kp值；
S7：按计算式求得某重现期设计年最大24h暴雨量；
S8：研制标准历时1h和6h暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线；
S9：分析计算各县市常用重现期同频率的暴雨递减指数n1和n2；
S10：求解综合雨型的同频率时程分配雨量过程；
S1中暴雨极值采用水汽放大法，选择当地区域高效暴雨作为典型暴雨，以可能最大暴雨的可降水与典型暴雨的可降水的比例作为区域典型暴雨的可降水放大因子，计算获得暴雨极值。
S2中暴雨极值重现期估计，主要依据福建省实测短历时特大暴雨出现的量级与暴雨极值的差值，并参照相邻沿海地区的广东省、海南省和台湾省特大暴雨记录资料，综合考虑而定，一般用万年重现期，较为合适；而移用特大暴雨重现期估计，由于移用特大暴雨与福州解放大桥站首相数值差异较小，取用N＝77年重现期。
S3中移用特大暴雨采用双控制方法：一是移用特大暴雨范围，一般以县(市)区域为控制，此时取台江区18km2，获取范围内的特大暴雨量；二是移用特大暴雨监测站点的直线距离，由于福州地处平原区，控制相距距离为21km。
S4中的移用特大暴雨重现期估计，此处由于移用特大暴雨与福州解放大桥站首相数值差异较小，取用N＝77年重现期，相应的经验频率Pm数学期望公式为Pm＝m/(n+1)，m＝1,2,…,n式中n为本身站点暴雨序列项数；m为本身站点暴雨连序系列中的序位；Pm为第m项暴雨的经验频率。
S5中采用适线法时尽可能照顾点群的趋势，使S4中推算而出的频率曲线通过点群的中心，应多考虑上部和中部含移用特大暴雨点据和暴雨极值点据，利用所确定的统计参数Cv和Cs进行地区综合分析和合理检查，得到最终的暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线，如图2所示。
S6中利用所得暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线，分析查询皮尔逊Ⅲ型曲线得福州区域常用重现期设计暴雨模比系数Kp值，此处以移用文山里站1h暴雨量102mm和赤桥站6h暴雨量239mm为例，并取重现期为200年，此时查得设计暴雨模比系数Kp值多在2.8～3.20。
S7中设计年最大24h暴雨量计算式：H24,p＝Kp×H24h，式H24p为某重现期设计年最大24h暴雨量(mm)，kp为某重现期设计年最大24h暴雨量模比系数，H24h为年最大24h暴雨量均值(mm)，此时可以算出各设计年最大24h暴雨量。
S8引用福州1h、6h可能最大暴雨研究成果，
Figure BDA0002688979260000051
Figure BDA0002688979260000052
式中H1h.M、H6h.M、H24h.M分别为1h、6h和24h暴雨极值，
Figure BDA0002688979260000053
Figure BDA0002688979260000061
分别为年最大1h、6h和24h暴雨量均值。绘制出标准历时1h和6h暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线，如图3所示。
S9中暴雨递减指数公式：
n1＝1-lg(H6p/H1p)/lg(6h/1h)，n2＝1-lg(H24p/H6p)/lg(24h/6h)，式中n1、n2分别为6h～1h、24h～6h暴雨递减指数，H24p、H6p、H1p分别为各重现期24h、6h和1h设计暴雨量，此时通过现有资料计算可以得到福州解放大桥站20年重现期的n1＝0.65，n2＝0.68；50年重现期的n1＝0.65，n2＝0.68；100年重现期的n1＝0.64，n2＝0.68；200年重现期的n1＝0.63，n2＝0.69。
S10中设计暴雨量时程分配计算方法：当t＝1～6h时，
Figure BDA0002688979260000062
当t＝6～24h时，
Figure BDA0002688979260000063
式中t为暴雨历时(h)，H6.p、H24.p分别为t＝6h设计暴雨量、t＝24h设计暴雨量(mm)，n1、n2分别为1h～6h和6h～24h暴雨递减指数。此处根据福州城市防涝设计标准，确定重现期50年设计暴雨量，采用州(解放大桥站)“暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线”，按其统计参数求得重现期50年24h、6h、1h设计暴雨量分别为315mm、203mm、108mm，求解逐时暴雨量分配数见图4及表1。
表1福州解放大桥站重现期50年24小时最大暴雨量时程分配
Figure BDA0002688979260000064
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、选取待分析小流域，通过水汽放大法推求暴雨极值，即年最大24h可能最大暴雨，并移用邻近地区的暴雨资料及本站实测暴雨长系列样本确定经验频率样本；
步骤S2、视量级差值分析并确定暴雨极值重现期Nm及移用特大暴雨重现期N，并采用数学期望公式计算暴雨样本第m项暴雨的经验频率Pm；
步骤S3、分析计算暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线的统计参数：采用当地水文资料获取年最大24h暴雨量均值
Figure FDA0002688979250000011
利用适线法计算变差系数Cv和偏态系数Cs值；
步骤S4、绘制年最大24h暴雨量均值等值线图判断流域山地区域的影响性；
步骤S5、基于变差系数Cv和偏态系数Cs值的大小，考虑选用不同系列长度的站点，编绘暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线分析查询皮尔逊Ⅲ型曲线得重现期设计暴雨模比系数Kp值；
步骤S6、通过所得重现期设计暴雨模比系数Kp值和年最大24h暴雨量均值
Figure FDA0002688979250000012
计算出年最大24h设计暴雨量；
步骤S7、将设计暴雨时程分配的标准历时定为1h、6h和24h，研制标准历时1h和6h暴雨极值与经验频率双组合型分布曲线，按照其统计参数，计算常用重现期同频率的暴雨递减指数n1和n2；
步骤S8、基于常用重现期同频率的暴雨递减系数，控制各时段设计暴雨量同频率输出其综合雨型的同频率设计暴雨量时程分配过程。
2.根据权利要求1所述的一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，步骤S1中，通过水汽放大法推求暴雨极值的方式为：选择当地区域高效暴雨作为典型暴雨，以可能最大暴雨的可降水与典型暴雨的可降水的比例作为区域典型暴雨的可降水放大因子，计算获得暴雨极值。
3.根据权利要求1所述的一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，步骤S2中，暴雨极值重现期Nm及移用特大暴雨重现期N的确定方式为：暴雨极值重现期Nm估计，取万年重现期；移用特大暴雨重现期N估计，视量级差值而定，若移用特大暴雨与本站首项数值差异小于第一预设值，则取用本身站点暴雨序列重现期；若移用特大暴雨与本站首项数值差异大于第一预设值且小于第二预设值，则取用100年重现期；若移用特大暴雨与本站首项数值差异大于第二预设值，则取用200年重现期。
4.根据权利要求3所述的一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，步骤S2中，若移用特大暴雨与本站首项数值差异小于第一预设值，则相应的经验频率Pm数学期望公式为：Pm＝m/(n+1)，m＝1,2,…,n，式中n为本身站点暴雨序列项数，m为本身站点暴雨连序系列中的序位；Pm为第m项暴雨的经验频率。
5.根据权利要求1所述的一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，步骤S6中，年最大24h设计暴雨量的计算公式为：H24·P＝kp×H24，式中，H24.p为重现期为p的设计年最大24h暴雨量，kp为设计年最大24h暴雨量模比系数，H24h为年最大24h暴雨量均值。
6.根据权利要求5所述的一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，步骤S7中，1h、6h的暴雨极值计算公式如下：
Figure FDA0002688979250000021
Figure FDA0002688979250000022
式中，H1h.M、H6h.M、H24h.M分别为1h、6h和24h暴雨极值，
Figure FDA0002688979250000023
分别为年最大1h、6h和24h暴雨量均值。
7.根据权利要求6所述的一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，步骤S7中，常用重现期同频率的暴雨递减指数n1和n2计算公式如下：
n1＝1-lg(H6p/H1p)/lg(6h/1h)
n2＝1-lg(H24p/H6p)/lg(24h/6h)
其中，n1、n2分别为6h～1h、24h～6h暴雨递减指数，H24p、H6p、H1p分别为各重现期24h、6h和1h设计暴雨量。
8.根据权利要求7所述的一种应用于山区小流域设计暴雨量时程分配计算方法，其特征在于，步骤S8中，设计暴雨量时程分配计算方式如下：
当t＝1～6h时，
Figure FDA0002688979250000024
当t＝6～24h时，
Figure FDA0002688979250000025
式中，t为暴雨历时，H6.p、H24.p分别为t＝6h设计暴雨量、t＝24h设计暴雨量，n1、n2分别为1h～6h和6h～24h暴雨递减指数。
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