如何进行暴雨计算设计？

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：2004年我国各省在过去成果的基础上，经延长系列分析完成了标准历时10min、60min、6h、24h、3d等历时新的暴雨参数等值线图集，流域面积在1000km2以下的中小流域，水利水电工程设计中所需要的各历时设计点雨量都可以从几种标准历时暴雨参数等值线图中查读。

设计暴雨是指符合各种设计标准的流域不同历时的面暴雨量、时程分配和面分布等。计算的内容包括设计不同历时的面雨量计算、暴雨时程分配计算和暴雨面分布计算三部分。设计面雨量是指符合设计频率的某一时段的流域面平均雨量，根据实测雨量资料条件的不同，其计算方法可分直接计算法和间接计算法两种。

G2.3.2.1　由面雨量资料直接推求设计面雨量

当设计流域具有30年以上实测和插补延长的暴雨资料时，采用此法。此方法以流域面雨量资料为基础，直接针对不同时段的面雨量系列，进行频率计算推求设计面雨量，故称为直接法。此方法首先根据流域各雨量站每年的各场大暴雨资料计算各场雨的流域面平均雨量，然后从面雨量资料中选样构成不同时段的面雨量资料系列，分别进行频率计算，从而求得不同时段的设计面雨量。

1.面暴雨量的选样、插补延长与审查

面暴雨资料的选样，一般采用固定时段年最大值法。固定时段，也称为计算时段，主要根据降雨径流形成规律、每年最大洪水过程的暴雨历时长短、集水面积大小及工程的重要性等因素来确定，基本思路与设计洪量的计算时段确定相类似。由于对形成洪峰流量最有影响的暴雨往往是汇流历时（流域最远一点的净雨流到流域出口断面所需要的时间）内的最大暴雨，一般大流域汇流历时较长，相应暴雨历时取长些，常取1d、3d、7d、15d等时段；小流域汇流历时较短，常取10min、60min、3h、6h、12h、24h等时段。习惯称前者为长历时，后者为短历时。需要说明的是某一确定时段的雨量，对时间来说是连续的，但实际降雨历时可能小于这个时段。例如年最大24h雨量，其实际降雨历时可能小于或等于24h。

面暴雨量的计算时段确定后，首先根据流域各个雨量站每年的各场大暴雨资料，采用X1.4流域平均降雨量的计算方法，计算各场雨的流域面平均雨量过程，然后再按年最大值法独立选样，选取历年各时段的年最大面雨量组成面暴雨量系列。

为了保证频率计算成果的精度，应尽量插补展延面暴雨资料系列，并对系列进行可靠性、一致性与代表性审查与修正，使其符合频率计算的要求。面雨量系列的插补展延通常是利用近期的多站平均雨量和同期少站的平均雨量建立相关关系，若相关关系较好，可利用相关线展延多站平均雨量作为流域面雨量。在建立相关关系时，可利用一年多次法选样，以增添相关点的数量，更好地确定相关线。频率计算时若有特大暴雨也要进行特大值的处理，其方法思路与G2.2特大洪水的处理相似。

2.面暴雨量的频率计算

面暴雨量的频率计算所选用的经验频率公式、线型、统计参数初估方法等与洪水频率分析计算相同，其主要计算内容有经验频率计算（包括暴雨特大值的处理）、适线法推求理论频率曲线、成果合理性分析、设计值的推求等。具体方法与洪水特征值频率计算相似，此处不再赘述。

需要指出，根据我国暴雨特性及实践经验，我国暴雨的Cs与Cv的比值，一般地区在3.5左右；在Cv＞0.6的地区，约为3.0；Cv＜0.45的地区，约为4.0。可供适线时参考。

G2.3.2.2　由点雨量资料间接推求设计面雨量

当流域内的雨量站数量较少，或者雨量站虽多但各雨量站资料系列长短不一，即设站时间早晚不一致，难以求出满足设计要求的面暴雨量系列时，则先推求设计点雨量，然后利用暴雨点面关系，由设计点雨量间接推求设计面雨量。称此方法为间接法。

点雨量通常是指在一定时段内某一地点的降雨量。而根据本工作任务研究的问题与方法，点雨量则是指流域中心或其附近测站的雨量。设计点雨量则指流域中心或其附近测站的符合设计频率的某一时段的雨量。

1.设计点雨量计算

设计点雨量的计算，根据资料情况主要有两种途径。

（1）利用点雨量资料频率计算推求设计点雨量。当流域中心或其附近测站具有30年以上实测和插补延长的雨量资料时，利用点雨量资料推求设计点雨量其方法步骤与直接法推求设计面雨量方法基本相同。需要指出的是对于设计点雨量的计算，除考虑本站发生的特大暴雨外，《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44—2006）中指出，当邻近地区有特大暴雨时，只要地形、气候条件类似，应考虑移用。在平原或高原平坦地区，暴雨统计参数地域变化较小，在直线距离不大时直接移用特大值可不作修正；如地形条件复杂，暴雨统计参数地域变化较大，则应进行适当修正。如沿山脉走向移用特大暴雨，基本上可不作改正；如在垂直于山脉的方向移动，则移动范围要作严格控制，而且要根据雨量随高程变化的规律作数量调整。

（2）暴雨统计参数等值线图法推求设计点雨量。2004年我国各省（自治区、直辖市）在过去成果的基础上，经延长系列分析完成了标准历时10min、60min、6h、24h、3d等历时新的暴雨参数等值线图集，流域面积在1000km2以下的中小流域，水利水电工程设计中所需要的各历时设计点雨量都可以从几种标准历时暴雨参数等值线图中查读。具体做法是在等值线图上查读流域形心点的参数值，再由参数值查皮尔逊Ⅲ型曲线kp值表推求设计点雨量。

此外，对于小流域，还可以利用短历时暴雨强度经验公式推求设计点雨量，方法详见G2.4节。

2.暴雨点面关系

暴雨点面关系通常分为以下两种。

（1）定点定面关系。即以流域中心或中心附近某一雨量站作为定点，以设计流域面积作为定面，计算某历时多次暴雨的点雨量及相应的流域面平均雨量，建立点雨量与面雨量的相关关系，称为定点定面关系。需要注意，建立暴雨点面关系所选的雨量站尽量与设计点雨量的代表站相一致。如果用各次暴雨的点、面雨量建立的相关图点群分布较分散时，也可以将同场次的点面暴雨相关改为同序次的点面暴雨相关，即把由大到小排列的点雨量序列和面雨量序列，以同序号对应点图，往往会得到较好的相关关系，其斜率就是点面系数值，如图G2.8所示。

图G2.8　暴雨定点定面关系图

（2）动点动面关系。也称暴雨等值线图点面关系，是根据一场暴雨指定时段的雨量等值线图，以暴雨中心为点，各条等雨量线包围的面积为面，由中心顺次向外计算各等雨量线包围面积上的平均雨量与暴雨中心点雨量的比值（即点面系数），再由点面系数和其相应的面积点绘关系线即得一条点面系数曲线，为了求出平均的关系曲线，可在同一张图上点绘多场暴雨的点面系数关系曲线，然后取平均得流域的点面关系曲线。由于各场暴雨的中心位置和每次等雨量线形状都是变动的，所以将这种点面关系称为动点动面关系，如图G2.9所示。

图G2.9　某地区3d暴雨点面（动点动面）关系图

以上两种点面关系，按目前国内外分析综合的成果来看，定点定面关系的地区分布比较一致，能在较大范围内进行地区综合，成果移用限制较小，符合设计要求，有利于无资料地区的应用。但由于定点定面关系的分析综合要求有较充分的资料，且工作量又大，在有些地区使用尚有困难。动点动面关系物理概念明确，制作简单，综合方便，能反映暴雨分布的自然规律，是传统的点面关系，但在使用上带有一定的假定性，如假定设计暴雨中心与流域中心重合，假定流域边界与某条等雨量线重合、设计暴雨的点面关系符合平均的点面关系等与实际有较大出入，当一个省区内各个分区的点面系数相差较大时，从设计的观点看，不宜使用动点动面关系。两者在使用上，虽然性质完全不同，但考虑到我国的实际情况，一定条件下，在分析定点定面关系资料条件尚不具备条件的地区，仍可考虑借用动点动面关系。但应分析若干与设计流域面积相近的流域或地区及其相应历时定点定面关系，并验证动点动面关系。如差异较大，应作一定的修正。

（3）点面转换。由频率计算求出不同历时的设计点雨量后，用下式将设计点雨量转换为设计面雨量

HF＝αtH0

一般点面转换系数αt应采用流域所在地区雨量资料分析的综合定点定面关系，由设计流域面积F在点面关系图上查出。使用时应考虑不同历时、频率（或雨量大小）的差异。与定点定面关系相配套的设计点雨量，应尽量采用流域内某固定点的设计值。在点雨量统计参数比较一致的流域，可采用流域中心测站的设计点雨量；如流域内各测站的点雨量参数变幅较大，设计点雨量可采用流域内接近平均情况的单站值。

如分析设计流域所在地区综合定点定面关系的资料不具备时，也可以借用动点动面关系，但应在设计流域附近选择若干个与设计流域面积相近的流域或地区，以检查该地区动点动面关系的代表性。如动点动面关系与定点定面关系出入较大，则应作适当修正。

另外，当流域面积很小时制作有限面积和历时范围的定点定面关系，可直接用设计点雨量代替设计面暴雨量，以供小流域设计洪水用。

G2.3.2.3　设计暴雨的时程分配计算

面雨量相同，时程分配不同的暴雨，形成的洪水过程线形状也不相同，对水库防洪安全将产生不同的影响。因此，求得设计面雨量后，还需拟定设计暴雨时程分配过程，简称“雨型设计”。其计算方法通常用典型暴雨过程同频率放大法。

1.典型暴雨过程的选择

典型暴雨的选择原则，首先要考虑所选典型暴雨的分配过程应是设计条件下易于发生的，并且对设计流域具有一定的代表性；即应选择雨量大、强度大、雨峰的数目、主雨峰的位置、实际降雨历时等都是大暴雨中常见的雨型作为典型。其次，还要考虑对工程的不利影响。所谓对工程不利，是指暴雨比较集中、主雨峰靠后，其形成的洪水过程对水库安全不利。

图G2.10　河南“75.8暴雨”时程分配图

选择典型时，原则上应从各年的面雨量过程中选取。为了减少工作量或因资料条件限制，有时也可选择单站雨量（即点雨量）过程作典型。一般来说，单站典型比面雨量典型更为不利。例如，淮河上游“75.8暴雨”就常被选作该地区的暴雨典型。如图G2.10所示，这场暴雨从8月4日起至8日止，历时5天。但暴雨量主要集中在8月5～7日3d内。林庄站最大3d雨量1605.3mm，最大5d雨量1631.1mm；板桥站最大3d雨量1422.4mm，最大5d雨量1451.0mm。而各代表站在3d中的最后一天（8月7日）的雨量占3d的50%～70%。这一天的雨量又集中在最后6h内。这是一次多峰暴雨，主雨峰靠后，对水库防洪极为不利。

缺乏实测暴雨资料时，可借用邻近暴雨特性相似流域的典型暴雨过程，或引用各省（区）暴雨洪水图集中按地区综合的概化雨型（一般以百分比表示）来推求设计暴雨时程分配。

2.典型暴雨过程的放大计算

典型暴雨过程的放大方法与设计洪水的典型过程放大计算方法基本相同，一般均采用同频率放大法。具体计算见［例G2.4］。

【例G2.4】已求得某流域千年一遇4d、3d、7d设计面暴雨量分别为320mm、521mm、712.4mm，并已选定了典型暴雨过程（表G2.10）。通过同频率放大推求设计暴雨的时程分配。

典型暴雨1d（第4天）、3d（第3～5天）、7d（第1～7天）最大暴雨量分别为160mm、320mm和393mm，结合各历时设计暴雨量计算各段放大倍比为

最大1d

最大3d中其余2d

最大7d中其余4d

表G2.10　某流域设计暴雨过程设计表

将各放大倍比填入表G2.10中各相应位置，乘以相应的典型雨量即得设计暴雨过程。必须注意，放大后的各历时总雨量应分别等于其设计雨量，否则，应予以修正。

最后，值得强调的是：暴雨的面分布计算，主要是针对大流域而言的。一般中、小流域可直接采用设计面雨量计算，并不需要暴雨面分布雨型。当流域面积较大，需采用分单元面积计算设计洪水过程线时，应考虑暴雨的面分布图形，计算方法可采用同倍比放大典型雨图，也可以采用几种面积同频率控制放大。