北京市昌平区暴雨强度公式编制研究

读者园地　Ｒｅａｄｅｒ’Ｓ　Ｃｏｒｎｅｒ　北京市昌平区暴雨强度公式编制研究　冯一帆　北京建筑大学环境与能源工程学院　北京中规院（北京）规划设计公司　摘要：近年来，我国各地极端暴雨频繁发生，特别是国内一些大城市频繁遭受严重渍涝事件，城市暴雨渍涝灾　害已成为最为突出的城市灾害之一。究其原因，城市排水管渠系统的设计标准偏低成为灾害发生的主要成因．　暴雨强度公式是科学、合理地制定城市排水专业规划和排水工程设计的基础，是规划设计雨水管道的基本依据．　．本文首先通过对比分析确定了拟定昌平区暴雨强度公式样本选择的方法为年最大值法；在此基础上利用选取的　统计样本调整频率分布曲线，并经过校验得出最优频率分布曲线；最后通过拟合出的昌平区暴雨强度公式与观　象站暴雨强度公式进行结果比对得出结论。　关键词：暴雨强度公式年最大值法耿贝尔分布曲线重现期　引言　２０１３年３月，国务院办公厅下发《关于做好城市排　度直接与收集资料的长短和代表性有关。　水防涝设施建设工作的通知》（国办发ｆ２０１３］２３号），　要求通过综合措施、用１Ｏ年时间逐步解决城市渍涝危　１．１选样方法比选　不同选样方法所选资料的频率强度不同，暴雨选样　害问题，并明确了主要任务和时间节点，包括充分掌握　方法主要包括年最大值法和非年最大值法，其中非年最　过去十年的城市暴雨渍涝灾害、地下管网资料、重新修　大值法又包括年超大值法、超定量法和年多个样法　。　订暴雨强度公式等。其中修订暴雨强度公式作为主要任　目前应用最多的方法为年最大值法和年多个样法。其中　务之一。城市暴雨强度公式是城市雨水排放系统的设计　年最大值法主要被水利水电部门和气象部部采纳，而年　依据，其准确性直接关系到城市排水系统的安全性…，　影响到排水工程的投资和城市的安全。　多个样法主要被市政排水部门所采纳，超定量法和年超　大值法经常作为研究对比使用。。　。　根据Ｃｈｏｗ＿４　（１９６４）的研究表明，当重现期小于　根据国家标准《室外排水设计规范》ＧＢ５００１４—　２００６（２０１６版）规定，在进行城市排水工程规划设计时，　５年时，年最大值法较年多个样法之间重现期的降雨强　雨水管网的规划设计排水量应通过当地的暴雨强度公式　度相对差值约为１０％，但在大重现期（１Ｏａ以上）部分　进行计算，因此合理编制当地的暴雨强度公式是提高城　降雨强度相差不大。年最大值法选样简单，更适合以年　市防灾减灾和防洪排涝能力的现实需要。　为重现期的周期性水文气象规律的表达。还可使统计样　本的随机性、独立性更好　。　１数据处理　另外：①过去由于降雨统计资料不足，各地选取典　型降雨数据较为困难，且代表性不足，而随着近年来降　暴雨强度公式是科学、合理地制定城市排水专业规　雨资料收集的积累和监测系统的完善，全国多数城市降　划和排水工程设计的基础，是重现期（尸）、暴雨强度（／）、　雨数据量及代表性已可以支撑最大值法的运用；　２、我国　降雨历时（ｆ）三者间关系的数学表达式，其可信度和精　在２０世纪８０年代以前，排水系统设计重现期较低，　８６　工程建设标准化·２０１８年第９期　读者园地Ｉ　Ｒｅａｄｅｒ’Ｓ　Ｃｏｒｎｅｒ　Ｉ　如：０Ｉ２５年、０．３３年、０．５年　，城市规模、社会经济　始数据的拟合程度，误差越小、精度越高的分布越有代表性，　　发展水平以及民生诉求对于排水管网系统要求不高，但　拟合精度以绝对均方误差和相对均方误差作为判断标准　。随着近年来城市内涝灾害问题的频发、海绵城市的兴起、　降雨条件的改变和民生诉求的提升等，各地新建及改造　２．１样本资料的理论频率分布曲线调整　经验频率曲线由于精度不高，实际工作中一般较少　雨水管网的重现期已达到２年以上，最大值法最低计算　采用，当精度要求较高时，国家规范推荐采用皮尔逊一　重现期为１年所导致的不足１年重现期降雨的数据遗漏　ＩＩＩ型分布曲线、指数分布曲线和耿贝尔分布曲线。其中　ＩＩ曲线应用最为广泛；而指数分布（或称负指数分布）　可以被忽略；③各地《水文年鉴》等相关资料上刊布各　Ｐ—Ｉ时段的年最大降雨量，年最大值法选样简单，更利于各　在南方城市运用较多。其优点是全部采用数解法，避免　城市对于适应本地暴雨强度公式的修编；④常年来由城　了适线的过程，计算较为简便；Ｇｕｍｂｅｌ（常称耿贝尔）　　建部门主导的排水管渠系统规划设计与水利部门主导防　分布则是近年来被更多地应用在暴雨强度的样本处理中，洪排涝的规划设计存在重现期标准不一致的问题，往往　在近年最大值法选样的系列中应用有较好的效果。　不便于转换和理解，而全国海绵城市建设的兴起，逐渐　分别利用此三种方法进行拟合调整，并对各方法的　将排水管渠系统与防洪排涝系统统筹进行考虑，统一的　精度进行检验，选取最优结果，根据最优的频率分布曲线，　一ｆ　选样方法更利于对管渠系统与排涝设施的衔接与规模的　得出重现期、降雨强度和降雨历时三者的关系，即尸一，估算；⑤随着时代的发展，现行２０１６版《室外排水设　的关系值。　２暴雨强度公式推求介绍　计规范》ＧＢ５００１４＿２００６也推荐有条件的地区采用年　２．最大值法选样…。　暴雨强度公式计算系统按功能分为暴雨数据采集、　因此，本文采用年最大值选样法对北京市昌平区降　暴雨数据选样、理论频率曲线拟合及误差分析、暴雨公　雨数据进行频率选择。　１－２建立统计样本　式参数估计及误差分析、结果输出等五大计算步骤。　本文采用年最大值法取样，基于１９８０年～２０１４年　北京市昌平区的昌平站（站号为５４４９９）地面气象观测　雨量瓷ｌ　读取　Ｆ—　暴雨强度资ｌ　库　』ＪＬ　数据，对短历时雨量资料进行了整编，选取每年５ｍｉｎ、　１Ｏｍｉｎ、１５ｍｉｎ、２０ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、　暴雨强度资料处理　（包括资料的选样、颏率分布曲线拟台、误差分折等）　Ｊ　Ｌ　ｌ－ｔ．Ｐ三联表　９０ｍｉｎ、１２０ｍｉｎ、１８Ｏｍｊｎ、２４０ｍｉｎ共１　１个降水历时的　．ｉ　Ｌ　暴雨强度公式拟台　（包括单一重现朗暴雨强度公式、暴雨强度息公式拟合）　年最大降水量作为建立暴雨强度公式的统计样本。　Ｊ　Ｌ　２频率分布曲线及暴雨强度公式拟合　精度检验　．王Ｌ　【根据国家标准《室外排水设计规范》ＧＢ５００１４—　２００６（２０１６版），则重现期采用２ａ、３ａ、５ａ、１０ａ、　输出暴雨强度计算公式、图　秘　】　图１暴雨强度公式编制流程图　２０ａ、５０ａ、１００ａ一遇。由于设计采用的重现期（１００　年一遇）大于资料年限，因此需采用理论频率分布曲线　２．３暴雨强度公式拟合结果　对观测资料序列进行调整。　根据规范的规定，以平均绝对均方差和平均相对均　暴雨强度公式统计中，常用的理论频率曲线有皮尔　方差衡量推求的暴雨强度公式精度。利用各种计算方法　逊一Ｕｌ型分布曲线、指数分布曲线、耿贝尔分布曲线、经　所编制软件推导的公式，其误差计算与分析也编制在相　验频率曲线等，选用何种分布曲线关键是看分布曲线对原　应的程序内，故其误差是随公式的计算成果一并生成的，　２０１８年第９期。工程建设标准化８７　读者园地　Ｒｅａｄｅｒ’Ｓ　Ｃｏｒｎｅｒ　各公式及误差结果详见表１。　表１频率曲线拟合及暴雨强度公式求解误差　分布曲线　平均绝对标准差（ｍｍ，ｍｉｎ）　皮尔逊Ｐ一埘　０．１３５　指数分布　０．１１４　耿贝尔分布　０．０７９　平均相对标准差　１２．９０％　１３．８１％　８．４７％　取样，分别利用耿贝尔分布、皮尔逊Ｐ一Ⅲ型分布和指　数分布对降水曲线进行拟合以延长样本。通过比较发现，　采用“年最大值法”选样，基于耿贝尔分布拟合后的样　本序列，利用最４，－乘法计算出的昌平区暴雨强度区间　公式，结果精度最高。　２．通过与昌平区观象台站暴雨强度公式比较，正向　通过软件计算得到的暴雨强度总公式重现期为２～２０　差率约占８８．３３％，尤其在３年以上降雨重现期表现尤　年，将算得的３种频率分布方法的暴雨强度理论值和实测　为明显，应用于整个昌平区具有代表’Ｉ生且偏安全。　值的平均绝对均方误差和平均相对均方误差相比较，得出　耿贝尔分布方法平均绝对标准差与平均相对标准差最小。　参考文献　…１罗雅文．新暴雨特性下重庆市暴雨强度公式修编【Ｄ】．　重庆：重庆大学，２０１２．　３与观象台站暴雨强度公式比较　分别将观象台暴雨强度公式和昌平区暴雨强度公式　【２】岑国平．暴雨资料的选样与统计方法Ｕ　Ｊ．城市给排　根据最大值法耿贝尔分布公式计算重现期为２ａ、３ａ、　水，１９９９，２５（４）：１－４．　５ａ、１Ｏａ、２０ａ、５０ａ一遇暴雨在不同历时降雨条件下的　【３】范泽华．天津市降雨趋势分析及设计暴雨研究【Ｄ１．　降雨强度，在通过两个计算表的差值率计算得到表２。　天津：天津大学，２０１１．　根据差率表中的数据可以看出，两份Ｐ一，一，表共６０对　［４］Ｃｈｏｗ　Ｖ．Ｔ．，Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　降雨强度值中，对应历时重现期下，负向差率占１　１　６７％，　正向差率占８８．３３％。可知昌平区降水强度整体大于观象台　ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ　ｄａｔａ．ｓｅｃ．８一Ｉ　ｉｎ　ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ，Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，１　９６４．　站降水强度。除１Ｏ分钟历时以外，其它降雨历时差值率均　『５１邵尧明，邵丹娜，马锦生．城市新一代暴雨强度公　随重现期的增加而增加，且随着暴雨重现期的增长，昌平　式编制实践及建议…．中国给水排水，２０１２，２８（８）：１９—２２．　区降水强度比观象台站降水强度上升的幅度更大，对比差　【６１蒋明．新暴雨形式下上海市暴雨强度公式修编研究Ⅱｌ　＿值在５分钟、４５分钟、６０分钟历时时最大，即昌平地区　中国给水排水，７（１１５，３１（１５）：１１４—１１７．　降水强度在这些历时较观象台站降水强度偏大。　【７】金家明．城市暴雨强度公式编制及应用方法Ｕ１．中　国市政工程，２０１０，１４４（１）：３８－４１．　４结论　１．采用“年最大值法”对昌平区历史雨量资料进行　【８１《室外排水设计规范》ＧＢ５００１４—２ｆ）（）６（２０１６版）ｆＳ１　．北京，中国计划出版社，２０１６．　表２昌平公式与观象台公式计算Ｐ一，一ｆ值差率表　重现期　５　２　３　５　１０　２０　１１．９％　１２．０％　１２．３　１２．４％　１２．　１Ｏ　１．７鬈　１．１冀；　Ｏ．５茗　Ｏ．Ｏ％　－０．３｛；ｊ　１５　１．３％　１．８％　２．２名　２．７　２．９％　不同历时、不同重现期雨强值（ｍｍ／ｍｉｎ）　２０　０．４％　０．９％　１。２％　１．嘣　１．６％　３Ｏ　－０．豫　１．９％　３．８％　５．４茗　６．６暑二　４５　Ｏ．Ｏ茗　４．５％　８。０鬟二　１１．１茗　１３－３％　６０　－０．８　３．３　６．７％　９－５鬈　１１．４鬈　９０　－３．３鬈　Ｏ．５％　３．６％　６．２％　７．９茗　１２Ｏ　－３．５％　－０．８岩　１．４％　３．１％　４．４岩　１８Ｏ　３．６％　５．８％　７．４鬈　８．７％　９．７皇；　５０　ｌ２．６茗　－０．７茗　３．２鬈　１．９％　７．８％　１５．４皇；　１３．３％　９．６％　５．５　１Ｏ．６％　８８　工程建设标准化·２０１８年第９期