連明濤 朱文升

（河南省平頂山水文水資源勘測局 河南平頂山 467001）

特大暴雨遞減指數(shù)的研究分析

連明濤 朱文升

（河南省平頂山水文水資源勘測局 河南平頂山 467001）

通過對河南省多年不同場次特大暴雨和其它部分省份發(fā)生的特大暴雨資料分析研究，發(fā)現(xiàn)特大暴雨和一般暴雨的遞減指數(shù)是不同的。在實際應(yīng)用中采用不同的暴雨遞減指數(shù)計算稀有頻率短歷時暴雨洪水可產(chǎn)生嚴重后果。在進行了長短歷時暴雨遞減指數(shù)n值及其轉(zhuǎn)折點的分析研究后，得出特大暴雨遞減指數(shù)之己見，和大家共饗。

特大暴雨 遞減指數(shù) 研究

前言

目前我國對于中小流域的洪水計算，一直采用指數(shù)型暴雨公式，即

式中：

i—暴雨強度，mm/h；

Ht—歷時為t的暴雨量，mm；

Sp—暴雨參數(shù)，或稱雨力，mm/h；

n—暴雨遞減指數(shù)；

t—降雨時段。

當t0＝1h：

當t0≠1h：

由上式可知，在已知n（n1和n2）及t0的情況下，根據(jù)某一頻率的最大24小時雨量H24p，即可求出Sp及Htp。暴雨衰減指數(shù)n反映地區(qū)暴雨集中的程度，隨地形條件和氣候條件不同，在地區(qū)上的變化是有規(guī)律的。在平原地區(qū)多陣雨，暴雨歷時短，其n值較山區(qū)要大一些。

在實際應(yīng)用中，暴雨遞減指數(shù)n值對短歷時（1～6h）的設(shè)計暴雨和洪峰流量影響較大。如n值偏大0.1，則1小時的設(shè)計暴雨可偏大37%，因一般峰量的倍比指數(shù)為1.3次方，致使求得的設(shè)計洪峰可偏大50%以上。由此可見能否正確的根據(jù)稀有頻率24小時暴雨量去推求相應(yīng)的設(shè)計洪水，關(guān)鍵是對稀有頻率（100年～千年一遇）24小時暴雨遞減指數(shù)n值大小及其轉(zhuǎn)折點位置的確定問題。

目前我國多根據(jù)以前較小量級的暴雨資料（P24<300mm）去計算分析暴雨遞減指數(shù)，用以推求短歷時稀有頻率的暴雨洪水，可造成成果偏大30%以上的后果，對流域面積小于300km2的中小型水庫的設(shè)計洪水計算是很重要的。

針對此問題，筆者根據(jù)河南省多年不同場次特大暴雨分析研究，同時還收集了國內(nèi)部分省份發(fā)生的特大暴雨資料，進行了長短歷時暴雨遞減指數(shù)n值及其轉(zhuǎn)折點的分析研究，得出特大暴雨遞減指數(shù)之己見，和大家共饗。

1 資料的選取

在進行特大暴雨長短歷時的遞減指數(shù)n及其轉(zhuǎn)折點分析時，其對象必須是暴雨中心或暴雨中心附近的自記暴雨資料。因為只有暴雨中心或附近的降水量～歷時關(guān)系，才能反映各個中小尺度的降水系統(tǒng)同時匯集在暴雨地點上空的時空變化。這些資料均來源于水文年鑒或有關(guān)文獻。

2 不同時段最大降水量訂正系數(shù)的推求6

采用不同固定觀測時段如24、12、8段制觀測的降水資料，整編時所統(tǒng)計出的最大1、3、6、9、12、24小時的暴雨量實際只能代表固定時段內(nèi)觀測到的最大值，而不是降水過程中真正60、120、180、360、720、1440分鐘歷時內(nèi)的最大值，它對Sp、n1和n2值的分析確定影響是較大的，故對不同固定觀測時段在水文年鑒中所統(tǒng)計挑選出的最大降水量必須先進行訂正后方可應(yīng)用。

訂正系數(shù)的推求方法，可根據(jù)大暴雨的自記記錄分別統(tǒng)計按固定時段選取1、3、6、9、12、24小時內(nèi)的最大降水量與60、180、360、540、720、1440分鐘內(nèi)的最大降水量。這樣將許多自記站分別統(tǒng)計出不同量級的兩種統(tǒng)計時段的最大降水量值，在厘米格紙上作相關(guān)曲線，一般呈直線關(guān)系，這樣便可根據(jù)幾種常采用的固定觀測時段求出不同降水歷時內(nèi)最大降水量的訂正系數(shù)。經(jīng)過分析計算，得出幾種固定不同觀測時段之降水量極值訂正系數(shù)，其成果表如表1所示。

表1 幾種固定不同觀測時段降水量極值訂正系數(shù)表

利用表1中成果，便可將不同固定時段觀測資料中選取的最大降水量乘上相應(yīng)時段的訂正系數(shù)后，即為相應(yīng)真正各時段歷時內(nèi)最大降水量值。

3 國內(nèi)歷次實測大暴雨特性要素分析

實測大暴雨特性要素，主要是指大暴雨的天氣成因，最大1h、6h、24h的暴雨量。在雙對數(shù)紙上點繪降水量～歷時關(guān)系線,便可求得轉(zhuǎn)折點位置及利用暴雨遞減指數(shù)公式i=Sp/tn推求n1和n2等要素。根據(jù)收集到的歷次大暴雨資料，主要是發(fā)生在河南沙潁河水系75.8、2000.7、2004.7特大暴雨，廣東、廣西、山西、福建部分特大暴雨。對各次暴雨在對數(shù)紙上拐點的歷時長短進行了點繪分析，結(jié)果是各種天氣成因的大暴雨都在3～12小時處轉(zhuǎn)折，其中在6小時處轉(zhuǎn)折的暴雨次數(shù)最多，占總數(shù)的75%以上，這與有關(guān)專家得出的結(jié)論基本相符。即一場大的暴雨大都是由若干個中小尺度強對流降水系統(tǒng)組成，而這類中小尺度降水系統(tǒng)大約30～250km，其存在只有幾個小時至12小時。也就是說大暴雨轉(zhuǎn)折點的歷時就是形成大暴雨多個中尺度降水系統(tǒng)同時在一空間活動的生命史，它似乎與地區(qū)及天氣成因的關(guān)系不大。針對由暴雨推算洪水而言，相同量級24小時的暴雨在6小時轉(zhuǎn)折遠比在12小時轉(zhuǎn)折計算的洪峰大。故無論從暴雨拐點出現(xiàn)的機率最多考慮，還是從產(chǎn)生較大洪峰角度上分析，對暴雨～歷時關(guān)系線的轉(zhuǎn)折點筆者認為采用6小時較為合適。對于10～60分鐘短歷時暴雨～歷時關(guān)系是否在1小時處還有拐點，經(jīng)計算分析，多數(shù)暴雨在1小時處未呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。在對數(shù)紙上多數(shù)大暴雨場次是從10～360分鐘處止計算出遞減指數(shù)n1，在6小時轉(zhuǎn)折后6～24小時呈現(xiàn)為直線關(guān)系，可算出n2。

4 推求暴雨特性要素（Sp、n1、n2）的經(jīng)驗公式探討

4.1 暴雨中心或附近最大24小時暴雨量P24～短歷時暴雨遞減指數(shù)n1關(guān)系的推求

在對數(shù)紙上點繪24小時最大暴雨量P24～短歷時（0.17～6小時）暴雨遞減指數(shù)n1關(guān)系圖，可看出n1與P24的0.41次方成反比，通過點群中心繪出關(guān)系線，可分析計算出經(jīng)驗公式：

由公式（5）、（6）、（7）得知不同量級的P24其n1值是不同的，它與P24的0.41次方成反比，這也說明了用實測的較低量級的P24去分析求得的n1，只能在24小時暴雨較低量級（小于300mm）的情況下適用。如根據(jù)相當P.M.P量級的P24應(yīng)用較低量級求得的n值去推求最大1、3小時等相應(yīng)暴雨量進行小面積可能最大洪水或稀有頻率洪水的計算，結(jié)果會使計算出的短歷時的暴雨或洪峰可偏大40%以上。河南省發(fā)生的75.8特大暴雨洪水，造成兩座大型水庫漫壩潰決，而處于暴雨中心10座中小型水庫卻安然無恙，原因就在于中小型水庫用的暴雨遞減指數(shù)n值偏大，計算出的200年一遇的洪水，實為5000年一遇的洪峰所造成。這也說明了正確使用特大暴雨遞減指數(shù)n值，對流域面積較小的中小型水庫和跨河工程的洪水計算及由工程量帶來的投資，均有著十分重要的意義。

4.2 大量級24小時暴雨量P24與遞減指數(shù)n2的關(guān)系分析

在用24小時可能最大降水量計算洪水過程中，除了要首先推求短歷時的逐時暴雨量外，還要推求（6～24）小時的逐時降水量，才能計算出相應(yīng)24小時暴雨所產(chǎn)生的洪峰流量過程線?；诖?，對歷次實測24小時最大暴雨量與6～24小時歷時內(nèi)n2的關(guān)系進行了分析研究。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，較多場次暴雨其歷時不到24小時，或其降水量和歷時實為兩場雨，所以在點繪P24～n2的關(guān)系時，要求其歷時為24小時或接近24小時。通過點群中心可繪出關(guān)系線，從而可求得以下公式：

由公式（8）、（9）、（10）和P24～n2的關(guān)系線，便可根據(jù)已知任意頻率24小時暴雨量推求6～24小時段內(nèi)最大暴雨量。

4.3 最大24小時暴雨量P24～Sp關(guān)系的分析

現(xiàn)在我們常用的雨強經(jīng)驗公式

式中t為降水歷時，it為降水歷時t的雨強。S

p為最大1小時暴雨量（mm/小時)。

根據(jù)實測暴雨資料和計算it的公式，可求出Sp,在對數(shù)紙上點繪不同量級的P24～Sp關(guān)系。

通過點群中心可繪出關(guān)系線，從而推求相應(yīng)Sp的公式：

由公式（11）可知，不同天氣成因類型的暴雨，其Sp與相應(yīng)P24成正比，利用公式便可推求任意24小時暴雨量的Sp。

5 上述經(jīng)驗公式的應(yīng)用

5.1 任意時段內(nèi)的最大降水量

由已知的可能最大24小時暴雨量或稀有頻率的24小時暴雨，應(yīng)用文中總結(jié)的公式，便可求出任意時段內(nèi)的最大降水量。

5.2 24小時暴雨逐時時程分配

應(yīng)用文中的經(jīng)驗公式（11），求出最大各時段的暴雨量后，推算洪水的過程還要解決暴雨的逐時時程分配問題，而暴雨的時程分配亦是由暴雨推求洪水過程中一個較難解決的問題。根據(jù)既可能發(fā)生，又對產(chǎn)生最大洪峰有利的原則，經(jīng)過對歷次實測大暴雨逐時段的雨量統(tǒng)計分析結(jié)果，基本上符合長包短的情況與原則。對流域面積較小的中小型水庫的洪水計算，當有了最大6小時暴雨時程分配，問題就已解決了。對流域面積較大的大型水庫的洪水計算，還有將最大6小時暴雨放在24小時暴雨前后部的問題。歷史上發(fā)生的河南省75.8暴雨就是最大6小時暴雨出現(xiàn)在最大24小時的尾部，最大1小時暴雨出現(xiàn)在最大3小時暴雨的中間。因此，大型水庫設(shè)計暴雨應(yīng)按最不利的情況進行設(shè)計。

6 結(jié)語

6.1 原始資料的觀測

加強原始資料的觀測，提高雨量測驗精度近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多設(shè)在農(nóng)村的委托觀測人員因觀測費偏低遠離家鄉(xiāng)外出打工，委托雨量站面臨后繼無人的窘態(tài)。建議國家增加投入，提高委托雨量站觀測人員待遇，穩(wěn)定隊伍?，F(xiàn)在大量的雨量自動監(jiān)測站已投入使用，該儀器分辨率與自記雨量計有所不同。這種先進儀器的使用解放了人力，實現(xiàn)了自動監(jiān)測、存儲、統(tǒng)計計算，其形成的成果應(yīng)納入水文年鑒?，F(xiàn)在應(yīng)及時修改降水測驗規(guī)范，以便積累更多的降水資料。

6.2 遞減指數(shù)的不同

特大暴雨和一般暴雨的遞減指數(shù)是不同的目前河南省水文圖集中所附暴雨遞減指數(shù)n1、n2在某地是固定不變的，且把n1、n2的轉(zhuǎn)折點確定在1小時處。根據(jù)實測的暴雨資料統(tǒng)計分析，n1、n2在某地固定不變和轉(zhuǎn)折點在1小時處是不恰當?shù)?，n1、n2是隨24小時暴雨量的大小而改變，即當歷時10分鐘～6小時為n1，是隨24小時暴雨量的增大而減小，當歷時6～24小時為n2，是隨24小時暴雨量的增多而增大，n1、n2的轉(zhuǎn)折點75%以上的場次是在6小時處轉(zhuǎn)折。至于有的專家認為1小時內(nèi)是n1，1～6小時是n2，6～24小時是n3值得商榷。

6.3 可能產(chǎn)生的后果

采用不同的暴雨遞減指數(shù)計算稀有頻率短歷時暴雨洪水可產(chǎn)生嚴重后果。以前由于我們?nèi)狈崪y大暴雨的自記觀測資料，依此分析計算暴雨遞減指數(shù)n值及勾繪等值線圖，用以推求短歷時暴雨洪水?，F(xiàn)在，隨著實測特大暴雨資料的累積，應(yīng)及時分析研究各地暴雨遞減指數(shù)，形成新的成果，并運用于實際，以便推求科學合理的稀有頻率短歷時暴雨洪水。因為，用不合理的暴雨遞減指數(shù)推求稀有頻率短歷時暴雨洪峰可偏大40%以上。如發(fā)生在河南省的75.8特大暴雨洪水，造成兩座大型水庫漫壩潰決，而處于暴雨中心十座中小型水庫卻安然無恙，原因就在于中小型水庫用的暴雨遞減指數(shù)n值偏大。

1. 蔡文祥，許大明. 水文計算 河海大學出版社 1988.6

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.11.006

TV122

A

1672-2469（2014）11-0014-03

連明濤（1965年—），男，高級工程師。