臧 敏，王亞娟，徐小偉，王材源

（北京市水文總站，100089，北京）

一、背景介紹

《北京市水文手冊(cè)—暴雨圖集》1999年投入使用，多年來廣泛應(yīng)用于北京市規(guī)劃、水利、市政等各部門，在工程設(shè)計(jì)及管理上發(fā)揮了很大作用。由于手冊(cè)中暴雨資料系列截止時(shí)間為1996年，在此后的16年里，北京地區(qū)的氣象、地理、水文等特性發(fā)生了一些變化，降水經(jīng)歷了豐枯交替的小周期，有必要對(duì)系列進(jìn)行延長(zhǎng)。

1999—2011年北京經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)13年的干旱年份，在此期間，雖然總體干旱，但局部高強(qiáng)度的極端降雨天氣幾乎年年出現(xiàn)，部分站點(diǎn)出現(xiàn)了歷史極值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004—2011年期間北京市出現(xiàn)1 h降雨超過70 mm的次數(shù)共有42次。2012年還遭遇了新中國(guó)成立以來最嚴(yán)重的特大暴雨自然災(zāi)害，多個(gè)雨量站、水文站均刷新歷史極值。

1997年以來的16年中，隨著首都城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市不透水面積大大增加，平均徑流系數(shù)由0.49增加至0.56；平原地下水水位大幅度下降，全市平原區(qū)地下水埋深由1996年末的10.36 m降至2012年末的24.27 m，地下水水位下降了13.91 m；流域下墊面條件和水文特征發(fā)生了明顯變化，一方面城市熱島效應(yīng)明顯，局部極端暴雨天氣時(shí)有發(fā)生，雨型發(fā)生一定變化；另一方面城市徑流系數(shù)加大，山區(qū)和平原河道徑流系數(shù)減小，使洪水的洪峰流量、洪量和峰型發(fā)生了變化。因此，在現(xiàn)有水文成果的基礎(chǔ)上，增加后16年暴雨資料進(jìn)行暴雨頻率計(jì)算，分析變化幅度，對(duì)于服務(wù)防汛指揮決策、指導(dǎo)城市排洪規(guī)劃等工作有一定借鑒意義。

二、暴雨頻率對(duì)比分析

1.重現(xiàn)期計(jì)算

圖1 最大1 h降水量均值X對(duì)比圖

圖2 最大6h降水量均值X對(duì)比圖

圖3 最大24 h降水量均值X對(duì)比圖

本次暴雨頻率計(jì)算采用年最大值法，系列為起始年份至2012年，選取松林閘、通縣、房山、黃村、懷柔、密云等16個(gè)雨量站，對(duì)最大1 h、6 h、24 h三個(gè)不同降雨歷時(shí)進(jìn)行頻率分析計(jì)算,理論曲線選取P-Ⅲ型曲線，統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括均值、離差系數(shù)Cv、偏差系數(shù)Cs，利用矩法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，適線時(shí)選定Cs=3.5Cv，計(jì)算成果與原系列（起始年份—1996 年）進(jìn)行比對(duì)（圖1、2、3）。

通過均值比較看出，最大1 h降水量均值有增有減，數(shù)值相差不大，說明北京地區(qū)極端降雨天氣時(shí)常出現(xiàn)，局地暴雨強(qiáng)度大、時(shí)空分布不均的特點(diǎn)沒有變，但最大24 h降水量均值較原成果普遍偏小,但相差不大，減小基本在10%以內(nèi)。

通過頻率計(jì)算看出，重現(xiàn)期越大，所對(duì)應(yīng)的降水量值較原成果差值越大（如50年一遇、100年一遇）。計(jì)算結(jié)果反映出歷時(shí)越長(zhǎng)，所對(duì)應(yīng)的降水量值較原成果差值越大（如最大6h、24 h），其中最大24 h降水量計(jì)算結(jié)果中，發(fā)生100年一遇降水時(shí)，較原成果相差約20%（對(duì)應(yīng)值約為 50 mm），齋堂降水量差值最大，達(dá)到138.7 mm，較原成果減小44%，延慶降水量差值最小，為13.9 mm，較原成果減小7%。

另外，新出現(xiàn)的排位前三的特征值大幅度增加，其中發(fā)生在新增系列年份中（1997年以后）的特征極值所占比例分別為 31.3%（1 h）、18.8%（6 h）、31.3%（24 h）， 可見近年來暴雨過程較為典型，暴雨特征較為明顯。

2.典型分析

將2012 年“7·21”特大暴雨提取三個(gè)不同降雨歷時(shí)，用不同的降水系列對(duì)其重現(xiàn)期進(jìn)行分析，相同的降水量在不同降水系列中重現(xiàn)期是有差異的，其中降雨歷時(shí)為1h、6h，結(jié)論相差不大；而當(dāng)降雨歷時(shí)為24h時(shí)，按系列延長(zhǎng)至2012年的重現(xiàn)期明顯高于原計(jì)算成果，兩者基本相差一個(gè)量級(jí)（表1）。

三、分析結(jié)論與建議

從水文統(tǒng)計(jì)學(xué)角度講，水文實(shí)測(cè)資料一般系列越長(zhǎng)代表性越好。1997—2012年的16年中，極端天氣年年發(fā)生，短時(shí)暴雨過程增多趨勢(shì)明顯，增加暴雨資料后所計(jì)算出的暴雨頻率結(jié)果，顯然較原成果更科學(xué)、更合理。從全市16個(gè)相關(guān)典型雨量站點(diǎn)的頻率計(jì)算成果分析來看，延長(zhǎng)至2012年的系列計(jì)算降水量值比原1996年系列計(jì)算值普遍偏小，其中24 h變幅較大，重現(xiàn)期基本超出一個(gè)量級(jí)，總體趨勢(shì)是相同降雨量時(shí)重現(xiàn)期較原成果偏大，不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)降水量值較原成果偏小。涉及洪水修訂計(jì)算結(jié)論也相互匹配，不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)洪水量值較原成果偏小。究其原因是近16年大多為枯水年份，短歷時(shí)、高強(qiáng)度的極端天氣時(shí)常出現(xiàn)，1 h、6 h降水強(qiáng)度基本處于多年平均水平，但場(chǎng)次過程降水總量并不大，遠(yuǎn)不及歷史水平，用年最大值法挑選的極值73%位于均值以下，導(dǎo)致頻率曲線計(jì)算參數(shù)均值、Cv值偏小，重現(xiàn)期偏大。

表1 2012 年“7·21”暴雨重現(xiàn)期對(duì)比表（24 h）

鑒于暴雨資料系列延長(zhǎng)后重現(xiàn)期有所變化，建議如下：

①綜合考慮到未來幾年北京降水形勢(shì)起伏不定，旱中有澇、旱澇急轉(zhuǎn)已成常態(tài)化的趨勢(shì)，建議可以先期立項(xiàng)研究系列延長(zhǎng)以及下墊面變化帶來的影響，修訂資料，開展評(píng)價(jià)分析。待綜合考慮未來幾年降水豐枯實(shí)際情況后，再著手開展《北京市水文手冊(cè)》中關(guān)于暴雨和洪水的修訂工作。

②從近年暴雨的實(shí)際情況出發(fā)，暴雨呈現(xiàn)來勢(shì)猛、歷時(shí)短、災(zāi)害大的特點(diǎn)，對(duì)于防汛指揮搶險(xiǎn)工作，應(yīng)當(dāng)本著提前防范的原則開展相關(guān)工作，而系列延長(zhǎng)后的暴雨頻率計(jì)算成果滿足了防汛工作提前準(zhǔn)備的要求，建議在當(dāng)前高標(biāo)準(zhǔn)防汛指揮決策時(shí)，可以采用延長(zhǎng)后的成果，即在發(fā)生強(qiáng)降雨天氣時(shí)，防汛應(yīng)急工作啟動(dòng)時(shí)機(jī)較原標(biāo)準(zhǔn)前置，人員轉(zhuǎn)移等應(yīng)急響應(yīng)措施提前實(shí)施。

③對(duì)于正在規(guī)劃設(shè)計(jì)的水利工程，通過本頻率計(jì)算成果及歷史洪水過程，設(shè)計(jì)流量普遍偏小，水利工程量級(jí)造價(jià)較原設(shè)計(jì)值將偏少，工程防洪安全系數(shù)富余值也將偏少，建議按原成果進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以確保防洪安全。

[1]北京市水務(wù)局.北京市水文手冊(cè)—暴雨圖集[S].1996.