极值降雨处理对城市内涝防治的影响分析

【目的】极端降雨的频发导致了降雨样本中极值的出现,进而影响暴雨强度公式的推求。为研究极值降雨样本对暴雨强度公式推求精度的影响,并增加其在城市内涝防治应用中的合理性,【方法】以广州市近52 a(1969—2020年)的降雨数据为例,基于3σ准则和年次大值替代极大值方法,对降雨样本进行了极值的判定和处理,分析得出极值存在造成暴雨强度公式计算结果略有偏大。以猎德涌排涝片为例构建内涝模型,通过对不同极值处理方法下暴雨强度公式推求的芝加哥降雨过程线进行模拟,分析两方法在不同降雨情景下地表淹没水量的差异。【结果】结果显示:采用年次大值方法与极大值方法推求的降雨模拟结果相比,极大值方法较年次大值方法模拟的地表淹没水量增加11.36%~23.70%。【结论】结果表明:在实际应用中,采用年次大值方法,不仅保证了降雨样本的容量,而且提高了暴雨强度公式的推求精度,进而保证了城市内涝防治结果的精度。

不同暴雨情景下的城市内涝响应特征分析

针对近年来频发的城市暴雨内涝灾害问题,以广州长湴地区为例,构建了基于SWMM和LISFLOOD-FP的内涝耦合模型,结合历史暴雨事件提出一种新的短历时暴雨过程设计方法,在此基础上设计了114种暴雨情景,探讨了不同暴雨雨型和集中度条件下的城市内涝响应特征。结果表明:单峰雨型下的溢流和淹没情况比双峰和均匀型要高;在单峰雨型中,峰后型暴雨的溢流峰值最高,峰中和峰后型暴雨的溢流总量较大,峰后型暴雨导致的整体淹没情况较严重;重现期小于50 a时芝加哥型(r=0.7)暴雨导致的淹没情况最严重,而重现期大于50 a时单峰Ⅱ型(峰后型)暴雨的淹没情况最严重;重现期为100 a时单峰Ⅱ型的淹没范围及水深比芝加哥型(r=0.7)暴雨分别高8%和64%;暴雨集中度每上升一个等级,溢流及淹没情况明显加重;目前常用的芝加哥雨型在一定情况下存在低估内涝的风险,建议在内涝分析时进一步考虑更危险的雨型以及暴雨的集中度。

粤港澳大湾区中心城市典型设计暴雨过程线分析

对粤港澳大湾区4个中心城市约60 a观测的前、后汛期逐时雨量,以最大1 h雨量(为雨峰)、相应的最大6 h雨量和最大24 h雨量为样本,采用非对称Archimedean Gumbel-Hougaard极值copula构建3个时段雨量联合分布的典型设计暴雨过程线。主要结论:1)采用3个历时雨量联合分布推求的城市设计暴雨值大于2个时段联合分布和单一时段设计暴雨值,同频率放大的设计暴雨过程线,整体效果相对最优,对城市设计暴雨过程线的研究方法提供了新思路;2)采用3个历时雨量联合分布推求的4个城市设计暴雨过程线,更客观地代表了所在城市的雨型特征,为进一步设计雨型的研究提供了新方法;3)以24 h最大雨量构建的典型设计暴雨过程线具代表性,按同频率放大的典型设计暴雨过程线可作为城市汛期排水防涝工程设计的参考依据。

陕西省中小流域设计暴雨雨型分析

暴雨的时程分配是设计洪水计算的重要内容之一,2021年6月《陕西省水文手册》通过评审并经一年的试用,2022年已正式出版。根据陕西省暴雨成因特点,将全省划分为4个暴雨分区,通过对实测典型暴雨的时程分配进行分析,得出各分区的24 h设计概化雨型,为中小流域根据暴雨推求设计洪水提供更符合现状下垫面条件的产汇流计算依据。

内涝防治设计重现期下设计暴雨雨型研究

本研究以各省市发布的暴雨图集和暴雨强度公式为基础,通过分析大、小排水系统的设计要求和联系,提出采用“长包短”、“大包小”的方法统筹协调水利和市政设计暴雨,构建能够满足内涝防治系统数学模型计算要求的内涝防治设计暴雨雨型,为开展后续的内涝防治设计工作提供科学依据。

P&C雨型在城市排水计算中的适用性分析

为了分析Pilgrim&Cordery雨型在城市排水计算中的适用性,选用江苏省沭阳县中心城区连续35年的降雨资料,分别采用Pilgrim&Cordery法、芝加哥法推求短历时设计暴雨雨型。在分析两种雨型雨峰位置和形状差异的基础上,选用某小区作为典型区域,构建基于SWMM的小区排水模型,采用不同雨型计算小区排水流量,由模拟结果可知不同重现期下小区出水口Pilgrim&Cordery雨型与芝加哥雨型的峰值流量和水量均相差不大,因此认为Pilgrim&Cordery雨型与芝加哥雨型一样在城市排水计算中具有适用性,并可为其他城市短历时设计暴雨雨型分析提供参考和借鉴。

杭州市城市暴雨雨型分析研究

基于1971-2018年杭州国家基准气候站及2008-2019年杭州地区17个中尺度自动气象站逐分钟降水数据,统计分析了杭州市区不同时段下自然降雨过程样本的降雨雨型特征,采用年最大值降水数据,推求杭州市暴雨强度公式,并利用2种雨型方法对杭州市暴雨雨型进行设计。结果表明:杭州30 min降雨场次以第Ⅲ类单峰雨型为主,其他降雨场次以第Ⅰ类单峰雨型为主,不同时段降雨过程在2000年后发生较为集中;杭州暴雨强度公式宜宜采用检验精度最高的耿贝尔型最小二乘法计算公式;利用芝加哥雨型法与Pilgrim&Cordery法设计杭州市暴雨雨型,雨型分布趋势较为一致,整体来看,Pilgrim&Cordery雨型法雨峰位置更靠前,芝加哥雨型法设计雨量分布更为集中;结合加密自动气象站资料分析,受地形和局地小气候影响,杭州市暴雨空间分布特征存在一定的差异性,但杭州国家基准气候站仍具有较好的代表性。

重庆市主城区设计暴雨量推算探讨

设计暴雨量是城市勘查设计重要标准之一.根据年最大值法与年多个样法选取的重庆市主城区沙坪坝站1961-2013年60,120,180,360,540,720,1 440min历时资料,采用皮尔逊Ⅲ型分布、耿贝尔分布、指数分布、对数正态分布、广义帕雷托(GP)分布函数对其进行拟合,并对拟合效果进行检验,结果表明:GP分布函数的拟合效果最好,可信度更高.重庆主城区推荐使用GP分布函数拟合的设计暴雨量.当所需设计暴雨量的各历时及其资料年限与暴雨强度公式编制时使用的相同时,可用暴雨强度公式计算设计暴雨量,否则会有误差.

雄安新区长历时暴雨强度公式及其设计雨型推求

设计暴雨研究是城市排水防涝工程建设的重要基础。基于1981-2020年雄安新区3个地面气象观测站的降雨资料,对其降雨量和暴雨日数的时间变化特征进行了分析;采用雄县分钟级降雨数据,通过年最大值法选样,为兼顾长、短历时降雨样本的拟合优度,选用P-Ⅲ型曲线对降雨数据进行理论频率分析,通过MATLAB的高斯-牛顿法求解暴雨强度公式中的参数,最终得到长历时综合暴雨强度公式,根据同频率分析法对雄县1440min的设计暴雨雨型进行推求。结果表明:雄安新区多年平均降雨量为490.4mm,暴雨日数为4.4d;2000-2020年暴雨日数呈增多趋势,尤以大暴雨增多明显,近10a大暴雨发生日数占暴雨日数的比率最大,为20.8%,较21世纪初10a大将近7倍。编制的长历时综合暴雨强度公式,可计算5-1440min任意历时、2-100a任意重现期的设计暴雨。雄县以5min为步长的1440min设计暴雨雨型为单峰型,雨峰系数为0.806,结合所编制的长历时综合暴雨强度公式,可推求任意指定重现期下1440min的设计雨型。

吉林市暴雨强度公式推求和设计雨型

利用吉林市1961—2017年分钟降雨量数据,分别采用年最大值法和年多个样法选样,P-Ⅲ型、指数型和Gumbel分布拟合频率分布曲线,根据误差最小原则选择最佳取样及拟合方法,采用最小二乘法求解暴雨强度公式参数,并将新旧暴雨强度公式进行比较,再利用推求出的公式参数模拟吉林市短历时芝加哥雨型。结果表明:通过年最大值法选样和P-Ⅲ型频率分布曲线拟合得到的暴雨强度公式精度最高。5~20 min历时新编暴雨强度公式计算的暴雨强度值与旧编公式相当或偏小,30~180 min历时新编暴雨强度公式计算的暴雨强度值偏大。在相同重现期下,随着降雨历时的延长,雨强变化率逐渐加大。吉林市短历时雨型的综合雨峰位置系数为0.389。30~180 min历时雨型形态均为单峰型,各历时瞬时雨强峰值接近,雨峰位置位于偏整场降雨过程的1/2处之前。累计雨量的变化特征与设计暴雨雨型形态一致。

基于不同取样方法的百色市强降雨雨型研究

利用百色气象站1955-2014年逐分钟降雨资料,采用"自然法"和"最大值法"两种取样方法研究了百色市重现期2a历时30-180min的芝加哥设计雨型,同时对两种取样方法雨型结果进行对比分析。结果表明:(1)"自然法"历时30min的芝加哥设计雨型峰值位于降雨过程的中间位置,历时60-180min的峰值位于降雨过程的中间靠前位置;"最大值法"历时30-180min芝加哥设计雨型峰值位于降雨过程的三分之一位置。(2)历时越长,两种方法峰值位置的降雨强度越大。(3)"自然法"的雨峰位置比"最大值法"的雨峰位置靠后,且"自然法"的雨峰峰值比"最大值法"明显。

昆山市暴雨短历时设计雨型的推求

基于2008—2016年昆山市自动气象站逐分钟降水观测数据,分别利用芝加哥雨型法和Pilgrim&Cordery雨型法,推求昆山市不同生态系统在不同重现期下60 min和120 min短历时设计暴雨雨型,并对比分析两种雨型推求方法的结果以及不同生态系统的雨型计算结果。结果表明:推求昆山市60 min历时设计暴雨雨型分布时,芝加哥雨型法和Pilgrim&Cordery雨型法的结果基本一致,为单峰型雨型,雨峰位置位于中间偏前;推求120 min历时设计暴雨雨型分布时,芝加哥雨型法结果为单峰型,Pilgrim&Cordery雨型法为多峰型,但两种方法求得的雨峰位置都位于中间偏前。在历时60 min和120 min时,芝加哥雨型法计算出的平均最大分段降水量显著大于Pilgrim&Cordery法和实际雨样的结果,Pilgrim&Cordery法的结果略小于实际雨样。昆山市不同地区的降水会受到生态系统类型的影响,以农田生态系统的影响最为明显,两种雨型推求方法的结果均表示,农田生态系统的最大分段降水量是5种生态系统中最大的。

基于芝加哥法的柳州市设计暴雨雨型研究

利用柳州国家气象观测站1975~2014年共40a的逐分钟降雨过程资料,采用芝加哥法分析研究柳州市区设计暴雨雨型。结果表明:各重现期下柳州相同降雨历时设计暴雨雨型的形态一致,各短历时雨型大体呈单峰型;各短历时设计暴雨雨型雨峰位置基本处于整场降雨过程的1/3分位,降雨强度随着重现期的延长而增大;相同重现期下雨峰处降雨强度值随历时的增加呈现"减小—增大—减小"的波动趋势且历时120min的雨峰峰值最大。

芝加哥雨型法在短历时暴雨雨型设计中的应用

基于山西临汾国家基本气象站1981—2013年逐日雨量资料,对临汾市城区暴雨强度公式修订的基础上,采用芝加哥雨型法,对临汾市城区短历时暴雨雨型设计进行分析研究。结果表明:1981—2013年山西临汾短历时最大降水量年际变化较大,且随着降水历时的延长,年最大降水量极值有增大趋势;年最强降水比较集中,多出现在7月上旬到8月中旬,且在午后出现次数较多。除历时30 min和180 min外,临汾城区短历时暴雨雨峰位置略偏前,短历时强降雨较为集中。瞬时雨强呈先增后减的单峰型分布,各历时的瞬时雨强变化趋势以及分布型基本一致,只是在时间分配上稍有差别,且雨强随着重现期增大而增大。当重现期相同时,雨峰处降雨强度随着历时的延长整体呈现减小、增大、再减小的波动趋势,但峰值雨强差异较小。

基于非对称极值Copula的设计暴雨过程线分析

以曹江流域1967—2013年历年最大1 h雨量(雨峰)、最大6 h雨量和最大24 h雨量为样本,采用非对称Archimedean Gumbel-Hougaard极值Copula构建3个时段雨量联合分布的典型台风暴雨过程线。主要结论如下:①采用3个历时雨量联合分布推求的曹江流域设计暴雨值大于2个时段联合分布和单一时段设计暴雨值,同频率放大的设计暴雨过程线,整体效果相对最优,为设计雨型的研究提供了新思路与方法;②按24 h最大雨量选取的主峰靠后的多峰暴雨过程危险率最大,构建的典型设计暴雨过程线最具代表性;③以三时段雨量组合的“或”联合重现期作为流域的设计标准适用于应对此流域雨洪风险。

基于暴雨强度公式的设计雨型

排水管渠系统计算机模型常需要采用设计雨型作为降雨量输入,其中基于暴雨强度公式的设计雨型是常用方法之一。研究中分析了均匀强度雨型、三角雨型、交替块状雨型和芝加哥雨型的构造方法;通过示例说明了这几种雨型的雨峰强度、降雨深度、雨峰位置系数的特点,以及在汇水面积中形成的峰值流量、总径流量、到达峰值流量时间等径流特征。其中芝加哥雨型在雨峰强度、降雨深度、引起的峰值径流量数值均较大,且到达峰值径流量时间较短,在基于风险的雨水管渠系统设计中,其计算结果较为保守,因此推荐使用。

基于城市内涝数值模拟的设计暴雨雨型研究

以南昌市青山湖排涝片区为研究对象,从典型暴雨的选择入手,结合现行规范要求,分析了不同典型暴雨的放大方法以及水利部门"综合雨型"的优缺点,应用MIKE软件模拟不同设计暴雨雨型对城市排涝过程的影响。通过对泵站开机负荷、主要控制断面的水位和流量等情况的对比分析,提出城市内涝防治体系设计暴雨雨型计算方法的选择建议。研究结果表明,同倍比放大法虽然便于应用,但其主要统计时段降雨量的重现期差异很大,难以客观评价市政排水与流域排涝系统的能力;同频率放大法能够控制主要时段的"同频",但其时间刻度需要细化,调算过程较为复杂,而且不同典型暴雨同频放大条件下的排涝过程差异较大;"复合雨型"可以兼顾城市排水与流域排涝系统的能力复核,雨型生成过程相对简单,便于应用。

基于暴雨雨型的设计径流量研究及应用

为简化排水模型在城市排水防涝规划中的应用,利用武汉短历时暴雨雨型,采用三角概化法推导出雨型径流量计算公式。通过武汉雨型径流量设计程序在9个排水区的应用,在相同重现期标准下与武汉暴雨强度公式进行对比,同频率雨型设计径流量的平均绝对值相对误差为1.29%,最大误差<5%。采用相关因子拟合公式计算排水区节点雨水汇流时间,可建立雨型径流量节点管控简化模型,无需排水管网建模,可实现城市排水防涝规划水位管控,也可进行雨水溢流污染控制调节池容量的计算。

上海地区设计暴雨的雨型研究

设计雨型是设计暴雨的重要内容,研究的是暴雨时程分配的结构问题。因为在同等暴雨量的条件下,相对集中的降雨过程,相比一些分散的短历时暴雨的致灾程度更显突出。本文根据上海地区暴雨时空分布特点,对历年来影响上海地区并出现重大灾害特大暴雨的降雨时程结构进行了分析研究。运用降雨量的实测资料,通过计算分析,提出降雨历时为年最大24h、雨峰为时段偏后单峰型的几种实用型雨型,以供有关部门在制定上海治涝规划时参考。