设计面暴雨量分析计算结果

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：设计洪水来源于设计流域面暴雨量，流域是具有固定边界的定面。但在推求设计面暴雨时，流域平均点频率参数应采用系列较长且经过地区综合分析后的成果。

设计洪水计算需要推求全流域的设计面雨量过程，而不是点暴雨过程。径流实验观测资料表明，当流域面积较小时，流域中心点雨量与面雨量差别较小，但随着流域面积的增大，面雨量将明显小于点雨量。因此，根据资料条件和流域面积大小，设计面暴雨量的分析计算方法有直接计算与间接计算两种。

（1）直接计算法。当流域内测站分布较密，并有长系列雨量资料时，可根据工程所在地点以上流域内各年最大面雨量系列直接进行频率分析计算。

（2）间接计算法。当资料条件较差，难以满足面雨量计算要求，或者中小流域设计暴雨历时较短，点雨量与面雨量相差较大时，可计算设计点暴雨量，通过点面关系间接推算设计面雨量。

9.2.2.1　面平均雨量的计算方法

面平均雨量一般根据流域内和邻近地区雨量站资料计算工程地点以上集水面积上总雨量的平均值。主要有算术平均法、泰森多边形法和等雨深线法，近来基于GIS地形高程模型高精度网格插值法的自动勾绘等雨量线计算法得到应用。

（1）算术平均法。如区域内雨量站分析较为均匀，可直接计算区域内各雨量站的算术平均值。

（2）泰森多边形法。如区域内测站分布不均匀，可在区域内测站分布图上绘制各站的连线，再对各连线作垂直平分线，构成包围各站的泰森多边形，再用面积加权平均法计算面平均雨量。

（3）等雨深线法。勾绘某一历时的流域内等雨深线，量算在流域界线之内的降水总量，推求流域内面平均雨量。等雨深线法利用周围测站资料最充分，暴雨面分布的代表性最好，但计算工作量很大。用GIS数字高程模型自动生成雨量线可考虑地形地貌的影响，方便快捷，精度高。

9.2.2.2　面暴雨量频率计算

（1）面暴雨量系列。面暴雨量系列选样方法为从流域内实测雨量资料系列中，按平均面雨量计算方法每年独立地选取一个年最大值，组成流域最大面暴雨量系列。统计时段根据资料条件和工程设计需要确定。对某个具体年份，不同历时的最大面雨量可能发生于同一次暴雨中，也可能出现于不同次的暴雨。短历时暴雨最大面雨量可逐时段计算面平均雨量，然后从中滑动选出某一历时的最大面雨量。

（2）面雨量系列的检查和插补延长。由于我国的雨量站网大多在20世纪50年代布设，自记雨量站更晚一些。因此，一个流域的面雨量系列所依据的雨量站数量有差异，早期资料站点少、精度差。因此，需进行面雨量的系列一致性和代表性分析，主要是将面雨量系列与流域内少数长系列雨量站资料进行对比分析、建立相关曲线，检查相关点据的密集程度。如发现早期少数站计算的面雨量有系统偏离，应对其进行修正。在用相关关系分析其合理性时，为避免年最大系列同步资料较短的不足，可以用一年内多次选样法以增加相关点据。同时，应考虑特大暴雨的加入和移用。

（3）面雨量频率分析。面雨量的频率分析方法和原则与点雨量相同。

面雨量频率计算成果，应将各历时面雨量计算成果进行对比，分析均值、Cv和设计值随历时的变化趋势与周围地区是否一致，各历时面雨量频率曲线有无相交现象，检查其合理性。面暴雨量推算的设计洪水（特别是洪量）与用流量资料直接进行频率分析的成果有无明显出入，与调查洪水成果是否协调。

9.2.2.3　设计面暴雨量的间接计算

当设计流域内雨量资料系列太短，或单站系列较长但不同步，或雨量站数较少、分布不均，不能控制全流域面积时，都不能直接计算设计面雨量。此时，一般先求出流域中心处指定频率的点雨量，再通过点雨量与面雨量关系，将设计点雨量转换成流域的面雨量。设计点暴雨量计算如前所述。暴雨点面关系主要有固定地点雨量和固定流域（或地区）面平均雨量关系（即定点定面关系）和暴雨中心雨量及其周围各闭合等雨深线包围面积内面平均雨深的关系（即动点动面关系）两类。

（1）定点定面关系。定点定面关系为一个地区内不同面积的多个流域（或概化为同心圆、同心正方形等固定边界的多个小区）面平均雨深的统计参数与流域（或小区）固定面积的关系。由于点和面（流域或小区）的边界是固定不变的，故称定点定面关系。在定面内分别统计和分析各站的点雨量和定面雨量的年最大值系列，推求各站点雨量频率曲线的平均定点雨量频率曲线与定面雨量频率曲线，进而求得定点雨量与定面雨量的均值比、Cv比与面积之间的关系，或者求得各种频率的定点雨量与定面雨量的点面系数，再以面积为参数进行地区综合。

设计洪水来源于设计流域面暴雨量，流域是具有固定边界的定面。所以用单站的设计点雨量推求流域的设计面雨量，一般应采用本地区综合的定点定面关系。经华南地区大量资料分析，定点参数的估算比较可靠，地域变化很小，可以在较大地区范围内综合和使用。当本流域面积相近的相邻流域或地区具有较密测站时，可分析单一流域或地区的定点定面关系。特定流域定点定面关系计算步骤如下：

1）在流域内选定计算面雨量的站网，测站尽可能多选，但选用测站的分布应大致均匀。

2）用算术平均法计算同一起迄时间的年最大面平均雨量，得定面雨量系列。

3）各站独立选样分别统计年最大点雨量，得各自的点雨量的系列。

4）将面雨量系列以及各站点雨量系列分别按雨量大小重新排序。

5）将各单站同序号的最大点雨量求平均，得到流域平均定点雨量经验频率分布。

6）计算同序位的面雨量对平均定点雨量的比值a，得出定点定面系数与雨量序位的关系。

7）对其他历时雨量重复上述各步的计算，得多种历时的定点定面系数，即为流域各历时的定点定面关系。

8）点绘面雨量、各站点雨量、平均定点雨量的经验频率线，并点绘由同序位面雨量和平均定点雨量求出的点面系数a与雨量经验频率的关系线，由此关系分析a与雨量频率是否有关。

本流域分析的定点定面关系，虽然资料系列一般较短，但符合本流域的实际情况，宜直接采用。但在推求设计面暴雨时，流域平均点频率参数应采用系列较长且经过地区综合分析后的成果。

我国在20世纪80年代已有不少地区分析了众多流域的定点定面关系，江西省德兴县建立了大面积雨量密度试验区，总面积为1280km2，虽然可供定点定面分析的资料年数只有6年，但由于自记雨量站很密，且实验区内套有大小不等的各级实验流域，取得了十分有用的结果，见表9.1。

表9.1　江西雨量站网密度试验区暴雨定点定面关系

定点定面关系反映了各站的年最大雨量发生于同一起迄时间的程度。由于各站自身的年最大雨量经常不发生于同一起迄时间，甚至不是同一场暴雨，该年最大面雨量应小于各站自身年最大雨量的均值，多年平均的均值点面系数就一定小于1.0。一般来说，流域面积越大，历时越短，暴雨尺度越小，各站年最大值发生在同一起迄时间的机会就越小，点面系数也就越小。

定点定面雨量的变差系数的关系比较复杂，目前分析工作还不够，使用中需注意本地区与设计流域面积相近流域的分析成果。

（2）动点动面关系。动点动面关系是以暴雨中心地点的点雨量，与以暴雨中心周围各条闭合等雨深线包围面积内面平均雨深为面雨量之间的点面关系。由于各次暴雨，其中心地点和等值线的位置都是变动的，相对于定点定面法，一般称为动点动面法。

选择数场大暴雨资料，绘制各种时段的暴雨等值线图，分别计算由暴雨中心各等雨量线所包围的面积F及其平均雨量X面，求得面平均雨量与暴雨中心点雨量X点之比值，即可建立X面／X点～F的关系。同一地区各场雨的面分布梯度有大有小，点面关系也就各不相同。一般采用各场点面关系的平均线（也有用外包线）作为设计暴雨点面雨量关系。

动点动面关系描述一次暴雨的雨深由暴雨中心向四周递减的自然规律，物理概念明确。由于流域的点雨量大多并非暴雨中心雨量，流域边界与等雨深线都不一致，所以将动点动面关系应用于设计面暴雨计算具有假定性质。因此，利用动点动面关系计算设计暴雨是近似移用。当重现期较低时，流域内发生暴雨中心的机会较少，采用动点动面点面系数容易给出偏小的设计成果。在使用中应注意该关系与设计计算固定流域雨量的目标在概念和数量上差异。当流域所在地区已制有定点定面关系时，不要再使用动点动面关系推求设计面雨量。

9.2.2.4　合理性检查

面设计暴雨计算成果合理性检查的主要内容如下。

（2）用直接法和间接法分别计算设计面雨量，进行对比分析。

（3）与邻近地区特大暴雨资料进行对比分析，检查其合理性。

设计面暴雨量分析计算结果

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