1、武汉暴雨强度公式的推算与优化中南民族大学毕业论文（设计）学院:资源与环境学院专业：水文与水资源工程 年级:2012题目: 武汉暴雨强度公式的推算与优化学牛姓名：周凯 学号:2012215335指导教师姓名：黄治勇 职称:研究员中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。作者签名:摘要： 1Abstract 11概论 21.1论文选题背景及研究意义 21.1.1论文的选题背景 21.1.
2、2论文选题的研究意义 21.2国内外研究现状 21.3本论文研究的内容 42实验过程 42.1所用资料 42.2武汉市降雨频率分析 52.3降水极大值的时间分布特征 62.4暴雨日年际变化特征分析 62.5暴雨过程特征分析 73暴雨强度公式修订 84.1 结论 141讨论 15武汉暴雨强度公式的推算与优化摘 要： 作为一个千万级人口的大城市，武汉处在我国南北气候过度带，暴雨灾害频繁发生，在面对城 市发展对排水系统有更高的要求时， 必须要有准确的暴雨强度公式来给城市的雨水排水系统的设计做依据。 本文对国内外的研究暴雨公式进行阐述，并通过武汉近年来降雨分布、频率等资料( 1951-2012 )，对
3、武汉 市降雨频率、降水极大值时间分布特征、暴雨日年际变化特征和暴雨过程特征进行了分析，在指数分布、 耿贝尔、皮尔逊三种现行的几种研究方法进行了适用性、差异性的探讨并从中选取皮尔逊法对武汉暴雨强 度公式进行拟合。再通过对暴雨强度公式的精度进行检验，并最终得出相对准确的暴雨强度公式。并在降 雨分析过程中发现如下几个结论：武汉年降雨量在近几年有上升趋势、丰水年与枯水年的一个循环平均年 数为 15 年、夏季暴雨日占全年暴雨日的 64.5%、在武汉 24 小时降雨量情况中 16 时占 24 小时降雨量的比 例最大，约占 38.9%。且降雨分布主要集中在 13至18时这 7个小时内。通过以上结论可以为武汉
4、暴雨预 警及洪水设计提供针对性的预防。关键词 ：暴雨强度公式、重现期、降雨历时Calculation and optimization of heavy rain intensity formula inWuhanAbstract ：As one of ten million population in large cities, Wuhan in China, the climate in the north and south over the zone, the rainstorm disasters occur frequently, in the face of urban deve
5、lopment of drainage system and higher requirements which must be accurately the rainstorm intensity formula to do according to the design of urban rainwater drainage system.In this paper, the domestic and foreign research on the rainstorm formula is described, the existing research methods are appli
6、ed, the differences are discussed and the suitable method is chosen to fit the Wuhan rainstorm intensity formula.Key words: Heavy rain intensity formula, Recurrence period, Duration of rainfall1 概论论文选题背景及研究意义1.1.1 论文的选题背景武汉属亚热带季风性湿润气候区，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高温、降水集中，冬季稍凉湿润等特点。一年中， 1月平均气温最低，为 3.0C; 7月平均气温
7、最高，为29.3C，夏季长达135天；春秋两季各约 60天，且与周围的农村相比，武汉作为一个大城 市，在热岛效应的作用下， 城市温度会明显高于周围农村， 而且城市热岛效应会对水汽蒸发、 空气对流造成影响， 从而影响降雨特性， 而且城市有很多大规模的建筑群， 对空气流动有很 大阻碍作用因此也会影响空气对流， 最后因为城区工厂生产， 交通运输以及人类日常活动使 城市上空大气中尘埃比天然情况下高出很多倍， 尤其在武汉这样一个千万人口而且拥有大量 重工业的城市。综上，武汉市的雷雨天气会明显高于周边农村武汉。湖北省地理位置特殊， 降水气候特征明显，如历史曾出现过 1931、1954、1998 三次特大洪
8、水等情况，另外因为近年来在城市化过程中造成大量的植被削减以及其山地、 丘陵为主的特殊地形条件， 导致旱涝 灾害频发， 及滑坡泥石流等地质灾害的发生， 造成了当地人在民生产生活和交通运输等方面 的巨大的隐患。 而武汉作为湖北省省会的更是首当其冲， 作为湖北省的经济、文化、政治中 心,短历时暴雨带来的城市渍涝 ,会对对公共交通，生产生活，社会活动造成较大影响。论文选题的研究意义我国绝大部分城市所采用的暴雨强度公式是 20 世纪 80 年代编制的。 我国城市暴雨强度公式 的资料年数一半以上为 2029年，资料年数相对较少，迫切需要及时更新。而且，我国尚有一 些城镇没有自己的暴雨强度公式。有的城镇的编
9、制公式所用的暴雨资料年限较短 ,导致误差较大 ，公式的准确度、可依赖度不高。而作为发展日新月异的武汉，尤其是在近些年来城区 向外大幅扩展， 城市及周边地貌不断变化， 以前所计算的暴雨强度公式应有所偏差， 所以应 重新计算武汉的暴雨强度公式并对其进行优化。国内外研究现状张子贤、孙光东、孙建印 1 等用暴雨强度公式直接拟合实际降雨量，提高拟合精度、减少不 同理论频率曲线的选择与拟合环节的方法， 研究发现， 采用非线性回归方法比传统方法所求 得的确定暴雨强度公式拟合实测雨强样本的误差平方和为最小， 而且可以避免推求暴雨强度 总公式参数的任意性。 为了实现总公式参数的直接寻优， 采用线性回归方法来研究
10、暴雨强度 公式的直接拟合，从而增强了总公式参数的准确度。任雨、李明财、郭军、杨艳娟、熊明等 2 研究表明， 一般气象站由于空间分布稀疏，而且不能完全代表城市降雨的分布， 所以采用一般气象站的暴雨观测资料不足以推算城市暴雨强 度公式， 必须采用更精细的观测资料在空间上细化城市暴雨强度公式。 短历时极端强降雨有 很大空间变率， 因此尽可能最大程度地利用观测资料对于在空间上细化设计暴雨具有重要意 义。邵尧明等 3 中指出，城市暴雨受到地形地貌及城市化的影响巨大，且城市化对降雨的影响在 汛期影响较为突出。在张子贤、孙光东、韩成标、孙建印等 4研究指出，采用麦夸尔特法确定衰减指数为函数型 的五参数暴雨强
11、度公式的方法所计算出的重现期的绝对均方差均小于 0.05mm/min 。由此可 见该方法能有效降低重现期较小与较大时的绝对均方差。陈奕5通过研究 ,认为采用优选回归法、 高斯 牛顿法和麦夸尔特法求解暴雨强度公式的研究 后表明城市化程度对暴雨强度公式的推算有相当大的影响。顾春明 6 在研究中认为在针对重现期在一年以上时城市雨量资料取样中采用年最大值取样 可以在保证一定精度，而且取样简单易得。金家明 7 在研究中指出，合适准确的城市暴雨强度公式会对城市排水、雨水管渠地设计建 设有着显著的指导作用。罗亚文 8 在研究中指出， 暴雨特性接近的城市或区域可以相似的研究编制方法来建立城市的 暴雨强度公式的
12、软件，从而快速地为我国各个城镇建立自己的暴雨强度公式。翁窈瑶 9 在研究中认为，采用计算机数字化降雨采样法来编制暴雨强度公式， 可以有效地减少了传统方法费时费力的缺点，是今后暴雨强度公式编采样的趋势。李树平 ,刘遂庆等 10探讨了用麦夸尔特法来确定暴雨强度公式的参数，研究发现，麦夸尔特 法的具体优点有放宽了初始值的限制、提高了拟合精度，从而避免了繁琐的调整工作。邱兆富 ,曾晓岚等 11 在研究中编制各重现期统一的暴雨强度公式时， 发现采用分组平均法来调整参数值能显著提高暴雨强度公式的精度。邱兆富 ,周琪等 12 在探讨了单一重现期的暴雨强度公式中发现， 当重现期的 b 值相差较大时， 应采用分
13、组平均法来调整，相差不大时可用暴雨强度综合平均值来计算出 b 值。邵丹娜 13 在其研究中发现了在计算暴雨强度公式时会遇到由时间短缺、地域局限性造成的 问题，认为采用延长并增加时段、增加降雨观测点、采用年最大值法能起到较显著的作用。邵尧明 14 在其研究中指出不应滥用暴雨强度公式和相近地区的重现期而应该结合当地自然地理、 气候条件、 历史资料等多种情况来分析及修订暴雨强度公式， 从而来减小城市排水河 道设计所需的费用、占地等等。许拯民 ,荆燕燕 15 在研究中发现年多个样法并不是很适合一些城镇用来推求新一轮的暴雨强 度公式，因为要求数据过多，工作量大， 相比之下年最大值法在资料获取、 计算以及
14、误差上 都有着不小的优势。周玉文 ,翁窈瑶等 16 等在研究中将两种不同种频率分析、两种不同的样本选取、六种数学方 法通过计算机软件将数字化的降雨资料进行择优处理， 从而提高暴雨强度公式精确度， 可靠 性以及降低人工计算所需的大量时间精力。本论文研究的内容本论文拟以武汉市气象台 1951-2012 年共 62 年降雨量资料，研究武汉市降雨分布、频率 降雨频率、 降水极大值时间分布特征、 暴雨日年际变化特征和暴雨过程等特征， 在此基础上， 应用指数分布、 耿贝尔、 皮尔逊三种现行的几种研究方法进行适用性、 差异性的探讨， 并从 中选取皮尔逊法对武汉暴雨强度公式进行拟合。2 实验过程所用资料为了使
15、求得的暴雨强度公式更准确， 本文采用武汉市气象台 1951-2012 年共 62 年降雨量 资料，远远满足国家规定暴雨强度计算使用最低连续 10 年降雨资料的要求。武汉市降雨频率分析经过统计发现，武汉市4月底-7月中旬降雨量较为集中， 多年平均降水量1257mm，丰 水年（PW 25% 有 15 年，分别为 1954、1983、1991、1969、1998、1989、1962、1982、1980、 1993、1959、2004、2002、1987、1958 年，平均降水量 1659.7mm ;平水年（25% v Pv 75%） 有 32 年平均降水量 1218.7mm ;干旱年（P 75%）有
16、 15 年，1966、1971、1978、1976、2001、 1965、1997、1974、2011、1968、1956、1979、2007、1985。分别为平均降水量 935.4mm（见表1）。降雨量最大的五个年份依次从大到小分别为 1954、1983、1991、1969、1998,降雨量分别为2055.9、1893.9、1794.2、1743.2、1728.2mm。最低的五个年份从小到大分别 为 1966、1971、1978、1976、2001 年，这些年的降雨量分别为 726.7、800.2、812.7、891.7、898.8mm。其中最大降雨量为 1954年的2055.9mm，最小降
17、雨量为 1966年的726.7mm。表1武汉市降水频率计算结果表序号年份降水量频率序号年份降水量频率序号年份降水量频率(mm)(%)序号(mm)(%)序号(mm)(%)119542055.91.582220101336.934.924319611063.168.25219831893.93.162319881331.336.514419521052.869.84319911794.24.762419751321.238.10451986105071.43419691743.26.352519961318.539.684620061046.173.02519981728.27.942619511
18、302.341.274719941049.574.60619891653.99.622719951290.342.864819601047.976.19719621644.311.112820081260.844.444919851029.777.78819821631.412.752919701230.746.035020071023.279.37919801622.614.293019731220.547.625119791001.980.951019931583.615.863119551225.849.21521956993.982.531119591574.817.453219841
19、20950.79531968991.684.121220041571.219.05331977119552.38542011986.285.721320021515.120.643420001179.853.97551974964.587.311419871448.422.223519671179.255.56561997945.688.881519581433.523.82362009115857.14571965921.290.471620121399.125.40371981115458.73582001898.892.051720031385.126.983819531132.760.
20、32591976891.793.551819991381.628.573919631125.661.90601978812.794.241919641371.430.164020051116.663.49611971800.296.83201990135532.754119921116.465.08621966726.798.412119571344.833.434219721075.266.67多年（1951-2012）平均降水量 1253mm丰水年 P75%,有15年，年平均降水量 934.3mm。P=25%时，年降水量 1407.8mm。P=50%时，年降水量 1201mm。P=75%时
21、，年降水量 1043.6mm。由此可知，武汉市降雨的丰水年与枯水年的一个循环平均年数为 15年。本文用于计算暴雨强度公式的降雨量资料为连续 62年，资料年数和连续性能够真实确切的反映武汉市的暴雨强度规律。降水极大值的时间分布特征由图1可知，1951-2012年，武汉市最大降水量 2055.9mm（ 1954年），最小降水量726.6mm （1966年）。另外，由表 1可知，丰水年（PW 25% 有15年，平均降水量 1659.7mm ;平 水年（25% v PV 75% ）有32年平均降水量 1218.7mm ;干旱年（P 75% 有15年。在1971 到1979年这段时间之间的降雨明显低于其
22、他年份。时间（年）图1武汉市多年（1951-2012）降水分布图暴雨日年际变化特征分析统计武汉（1951 2012年）近62年来的暴雨日与大暴雨日的分布，这里分别以 a、b表示暴雨日和大暴雨日，这里的 a、b分别对应于a、b的多年平均值，其结果详见下表 3：武汉近62年来共有285个暴雨日和57个大暴雨日，年均各4.70、0.97个，平均每5个暴雨日中就有1个大暴雨日。武汉暴雨、大暴雨日按季节从多到少依次为夏、春、秋、冬，其中夏季暴雨占全年的 64.5%，大暴雨更集中于夏季，达到全年大暴雨日的 80.7%。武汉冬季近62年来只出现了 5个暴雨日，不及全年的 1.75%。由此可以看出汛期发生暴雨
23、、大暴雨的可能性较大，年均分别达到 3.43、0.90个。表2武汉市1951-2012年暴雨与大暴雨日分布a6418432513423750285a1.052.960.530.062.263.890.864.70b9462034561257b0.160.740.0500.600.900.170.972.5暴雨过程特征分析统计武汉（1951 2012年）近62年年最强降水过程（24h ）可以发现，年最强降水过 程（24h）整体呈减弱趋势（图 4），但各年降水均超过暴雨值范围。据统计，其中年最强 降水过程（24h）大于100mm有55天，大于200mm的有6天，分别出现在 1959、1982、 1
24、998、1969、1961和1991年。其中特别值得注意的是 1959年，降水量达到 315.4mm ;其中1998年的降水也达到统计值中的第三高，为 285.7mm。由此可以分析出，下降趋势并不是说明最强降水整体的雨量有所下降，而是整体趋于平均，如 1959年达到300mm以上的特大降水只是偶尔出现，但是会导致最强降水过程中各年的平均值会有所提高。 降雨量最大的五个年份依次从大到小分别为 1954、1983、1991、1969年，最低的五个年份从小到大分别为1966、1971、1978、1976、2001年。其中最大降雨量为 1954年的2055.9mm，最小降雨量为1966年的726.7。
25、且通过降水图分析易看出 60年代和70年代年最强降雨明显低于平均值（1969年除外）,而50年代的年最强降雨普遍高于平均水平。本图的降雨拟合公式为： y=-0.1346x+389.59,其中1950年到60年代前期的年最大降雨明显高于之后的年代，而在近 几年的年最大降水则有上升的趋势。图2年最强降水过程（24h ）变化趋势3暴雨强度公式修订根据下面步骤对武汉市暴雨强度公式进行修订：（1 ）利用降雨量资料，按 1年、5年、10年、20年、30年、50年、100年计算武汉市暴雨 的重现期，重现期 5年的24小时降雨量为161mm，重现期10年的24小时降雨量205mm， 重现期为20年的24小时降
26、雨量为249mm，重现期30年的24小时降雨量为272mm、重现 期50年的降雨量为302mm， 100年重现期的24小时降雨为344mm。结果如下表。表3武汉市长历时暴雨强度一览表重现期（年）151020305010024小时降雨量（mm）94161205249272302344（2）每年每个历时选择 8个最大值，然后将每个历时子样按大小次序排列，再从中选择资 料年数（62）3倍的最大值。由于没有逐分钟降雨数据，本文直接采用武汉市水务局相关资 料（武汉市主要暴雨各时段降雨量与 24小时总降雨量的关系、武汉市逐年各时段总降雨量）计算得到24小时暴雨的逐时雨量分配（如表）。表4武汉市主要暴雨各时
27、段降雨量与 24小时总降雨量的关系表序号日 期主要暴雨各时段降雨占24小时降雨的比（%）0.5小时1.0小时1.5小时3.0小时6.0小时12.0小时11959680.5时212846828821982.6.2010192544708831962.7.412202743799341969.8.2320395157869751961.6.817202638719861983.7.411172444596771980.8.1119242626426681962.8.23173239628510091969.7.1113171827377011955.6.2816293144589711953.6.
28、2620344051688811983.6.2924334363768611980.7.1717293967909111954.7.212171734425811963.8.1915272951586211981.6.2719293652717911958.8.148141625376611959.6.287131827365611954.5.2620324360839721957.7.216171825407021954.5.2411175043698121974.7.1013253235679021962.8.925425075808621964.5.918283950589121968.6.2819222339525421957.7.2912212637
