暴雨分析计算

新中国成立后，铁道、公路部门为设计小桥涵的孔径，城建部门为设计排水沟渠的断面，水利部门为设计中小水库防洪措施和平原排涝工程，都需要雨洪资料，但当时洪水资料十分缺乏，更无支流小河的洪水资料，因此只有通过设计暴雨来转化为设计洪水，以满足工程设计需要。这就是暴雨分析一般开展早于洪水分析的原因。河北省自1955年以后，便进行暴雨资料的统计分析工作，取得了一系列的成果。

一、点暴雨量的分析计算

北京水利科学研究院水文研究所从1955年起，开展暴雨及洪水频率计算方法的研究，并以海河流域为试点进行了暴雨地区综合分析。河北省水文总站派张治怡参加这项工作，在此基础上绘制了河北省最大1日暴雨量均值和变差系数等值线图，成果均列入1958年出版的《河北省水文实用手册》之中，河北省暴雨的地区分布可用年最大1日暴雨量均值等值线为代表，可以看出燕山迎风区和太行山迎风区是大暴雨的多发区，多年平均最大1日暴雨量在100毫米以上，变差系数在0.65左右;平原区多年平均最大1日暴雨量在80毫米左右;背山区则在60毫米左右，变差系数在0.5左右。

在1958年《河北省实用水文手册》中，首次提出用水科院水文所的不同时段设计暴雨计算公式，以年最大1日雨量均值和相应变差系数，计算小于1日的不同频率短历时暴雨。在1961年《河北省水文图集》中改用年最大24小时暴雨均值和相应的变差系数，计算不同频率短历时暴雨。这种计算暴雨的方法，在全省水利部门得到普遍的应用。

1962年滦河和1963年海河南系的特大暴雨发生以后，用新的暴雨极值来检查验证了过去的成果，发现原先所绘等值线均显偏小，均值和变差系数一般要提高20%左右。随着70至80年代干旱少雨期的出现，暴雨的多年平均值又有减小的趋势。上述变化说明均值也是一个随机变量，均值的变化与所取用暴雨资料系列的长短有关，欲使均值稳定、有代表性，先要论证资料系列的代表性，也可应用假设检验的方法进行比较论证。

1975年，张治怡指导河北水专水文专业毕业设计，组织同学们进行暴雨资料分析，在对分析成果加工的基础上，编制出版《河北省设计暴雨图集》。这本暴雨图集的资料系列已经延长到1972年;在分析暴雨递减指数时，发现与重现期N有关(有的分区)，并需作相应的改正;还给出了小于24小时暴雨的设计暴雨推求公式，在暴雨分析上又前进了一步。

1981年3月，“全国暴雨洪水分析计算协调小组”及其办公室(简称“雨洪办”)布置各省、市区及流域机构按统一技术要求开展暴雨洪水分析计算工作。省水文总站刘均芙等人负责河北省内的分析计算工作，编制了最大10分钟、30分钟、1小时、6小时点雨量均值、变差系数等值线图，并给出相应的时面深表，同时列出全省各种历时暴雨实测最大值的分布图及调查暴雨等。经与邻近省、市协调，1984年出版了《河北省短历时设计暴雨图集》，资料系列截止到1980年。该成果填补了河北省短历时(小于24小时)设计暴雨资料的空白，获河北省科学技术委员会科技进步三等奖。《河北省短历时设计暴雨图集》揭示出的一些规律，使人们对短历时暴雨特征有了新的认识:最大6小时暴雨的均值等值线图的分布规律和最大24小时暴雨基本相似，但受地形影响已不明显;最大1小时及其以下短历时暴雨的均值等值线，在地区分布上变化已十分平缓，等值线梯度均匀，而且随历时的缩短，已几乎不受地形的影响。例如燕山迎风区最大24小时暴雨均值的中心还在山区马兰峪一带，最大6小时暴雨均值中心已向南部平原扩展，至最大1小时及其以下历时的暴雨均值中心已移到冀东平原玉田、丰润一带，范围变得更大。变差系数与历时的关系，在迎风区和平原区，随历时的缩短有减小的趋势，而在背风区则相反。

河北省的暴雨极值的地区变化很大，其短历时暴雨(6小时以下)已接近世界最高记录。短历时大暴雨均为局地降雨，多发生在背山区6、7月份，如“72·6”白脑包调查，暴雨2.5小时降雨550毫米。长历时暴雨多发生在太行山、燕山迎风区，时间都在7、8月份，如“63·8”獐犭么7日暴雨量2050毫米。这与暴雨形成是雷阵雨还是锋面降雨有关。

二、暴雨雨量与面积关系和面分布雨型

点雨量能代表多大面积，如何利用以点雨量分析得出的等值线图来解决设计面雨量，是暴雨点面关系分析的内容。50年代中期水文研究所分析了河北省暴雨点面关系，得到由于地形和气候条件不同，各地暴雨在面上的分布规律也不一样的认识。因此在研究暴雨点面关系时，根据自然地理条件及对历史暴雨资料的分析，将河北省大致分为燕山迎风区、太行山迎风区(又分北段、南段)、平原区、背风山区等暴雨区。根据各暴雨分区得出的综合点面关系(关系线或查算表)，即可直接用点雨量推求各种面积(山区1000平方公里以下，平原3000平方公里以下)平均雨量。

1978年在进行海滦河流域可能最大暴雨分析工作中，从燕山、太行山迎风区和平原区，1954-1975年的暴雨资料中，挑选24小时中心点雨量超过200毫米的大暴雨50场，分析各场暴雨的时面深关系。80年代初，作补充分析，又增加24小时中心点雨量超过100毫米的场次，因此补作了背风山区的点面关系，资料系列也延长到1981年。这次，共有91场暴雨参加点面关系分析，连同过去已作点面关系分析的50场，总计对141场暴雨作了点面关系分析。分析方法采用动点动面法，以一场暴雨完整的地区分布为对象，求出暴雨中心点雨量和各种不同面积(通常用以暴雨中心作同心圆的办法)上的平均雨量之间的关系，即点面折减系数。折减系数的一般规律是当面积一定时，面平均雨量随降雨历时的增长而增大;当历时一定时，面平均雨量随着面积的增大而减小。

影响点面折减系数因素比较复杂，各区的变化不一。平原区点面折减系数有随着暴雨量级增大而减小的趋势;燕山迎风区最小量级暴雨的点面折减系数最大，但随暴雨量级的增加呈跳动变化;太行山区点面折减系数和暴雨量级没有关系。用动点动面法求出的点面关系，在使用上有一定困难。因用以推求点面关系的各场次暴雨的频率未知，故最终推求的设计洪水的频率也不知道;暴雨中心位置是放在流域重心处，还是什么地方，有随意性;还有雨轴的位置如何放，对洪水设计成果影响较大。由此，动点动面关系在实用上有所逊色。

70年代后期，省水文总站宋学诗主持编制平原区除涝水文计算手册。为提供与该手册配套使用的设计面暴雨，根据张治怡的设想，在河北省平原区试绘面暴雨参数等值线图，用直接查图设计暴雨，减少了通过点雨折算面雨的中间环节。面暴雨参数等值线图之所以能绘制，一是因为平原区各场次暴雨的长轴大多与各排沥河道的走向基本一致;二是认为平原区无地形影响，暴雨在各地发生的频率基本相等，或者说指定中小面积的暴雨参数，是地理坐标的函数(这点未提供证明)。为使绘制的面暴雨参数等值线图更切实际，先将平原区划分为25个暴雨一致区作为计算分区，每个计算分区再视雨量站分布情况，勾出面积(园形或矩形)为500、1000、2000平方公里的3个小区;按年面雨量最大法，计算各小区的面平均雨量，组成面年最大24小时和3日暴雨量系列，统计不同面积、不同历时的面雨量统计参数(均值、变差系数等)，然后绘制等值线图，供除涝水文计算时直接使用。80年代后期，又重新修订了平原区暴雨图集，与1992年出版的《河北省平原地区中小面积除涝水文计算手册》配合使用，其适用条件:当设计面积小于300平方公里时，用24小时面雨作为设计暴雨;当设计面积大于2000平方公里时，用3日面雨作为设计暴雨;设计面积介于上述两者之间时，用内插法推求设计暴雨。

为满足南水北调中线总干渠(河北省段)交叉河流设计洪水的需要，1995年8月，由省水文局郎洪钢等人完成了中线附近区域的定点定面暴雨折算系数的分析工作。这次分析中的定点实际是多点，即指定面上所有雨量点的年最大值的均值;面是次最大面雨量。然后建立起同频率点面关系，其折算系数大而稳定，使用时符合往返一致的原则。成果提交后，又在南水北调筹备处资助下，完成了全省同频率暴雨定点定面关系分析，提供了设计暴雨的最新成果。

设计暴雨面分布雨型选择，一般采用典型暴雨放大法，但河北省用得不多。

三、暴雨雨量历时关系与时程分布雨型

50年代后期，国内有人在论文中提出八大城市的暴雨平均强度与历时和重现期的关系式，并利用年最大24小时设计雨量计算24小时以内各历时雨量的计算公式。其后，对暴雨公式参数的影响因素河北省也进行过一些分析和探讨，如发现某些分区的暴雨强度衰减指数n与重现期N有关。

1981年，“雨洪办”召开的全国暴雨时面深关系协调会认为，自记雨量和分段雨量资料的积累，已经达到了可以直接对短历时暴雨作频率分析的程度，该方法可避免由最大24小时设计雨量和暴雨递减指数n值推求短历时设计暴雨所引起的一些误差。由此河北省开始编制10分钟到3天的最大点雨量统计参数等值线图。计算设计频率的短历时暴雨时，根据上述等值线图首先计算设计地点的1、6、24小时设计暴雨，在双对数格纸上点绘设计暴雨与历时关系线，在图上直接内插1～24小时之间任何历时的相应频率的设计暴雨。经水电部批准自1983年起采用该成果设计短历时设计暴雨。

50年代，设计暴雨时程分布雨型，选择对工程不利的典型暴雨，然后用同倍比放大方法求得。70年代，提出用同频率分段控制放大方法。

经过分析，发现时程分布雨型与降水量之间没有内在的联系，可视为偶然事件。因此所给的时程分布雨型可用于各种重现期的设计暴雨。

四、可能最大暴雨分析

从50年代长江流域规划办公室开始研究可能最大暴雨，用于枢纽工程的规划设计。1975年8月河南特大暴雨发生后，水电部和中央气象局于1976年2月联合发出通知，要求各省、市、区编制可能最大暴雨等值线图。同年5月，由省水利、气象部门组成“河北省可能最大暴雨等值线图编制小组”进行紧张的工作，至1978年上半年基本完成编图工作。参加此项工作的人员先后达20人。在编图过程中，对海、滦河流域的暴雨进行了普查。普查标准为迎风山区、平原区24小时降雨量大于等于200毫米，背山区、坝上高原区24小时降雨量大于等于100毫米。全省1956-1975年列入普查的暴雨有90场次左右。普查内容包括雨区范围、高空环流型、天气系统、地面天气系统及水汽输送方向等。在此基础上共选出13场有代表性的特大暴雨建立暴雨档案，档案内容大体包括暴雨型态及暴雨成因两大部分。前者主要是各种历时的暴雨等值线图，各站各种历时的雨量统计表，暴雨中心区部分站的逐日雨量分配，部分站的雨量累积曲线，时～面～深关系线等;后者包括环流背景、天气系统、水汽来源等。河北省选入建档的有“56·8”狮子坪暴雨，“62·7”石庙子暴雨、“63·8”獐犭么暴雨。

1979年2月刊印的《河北省可能最大暴雨图集》，主要内容有可能最大24小时暴雨等值线图，年最大24小时暴雨的均值和变差系数等值线图，实测最大24小时暴雨等值线图，以及与之配套的时面深关系图表。经与邻省、市协调拼图，报水电部和中央气象局审查批准后试用。该图集获河北省科技成果四等奖。

五、“63·8”暴雨分析

1963年8月上旬，在海河流域南部发生一场有记录以来的特大暴雨(简称“63·8”暴雨)。暴雨中心獐犭么最大24小时雨量950毫米，7日雨量2050毫米，并造成巨大的洪水灾害。“63·8”特大暴雨引起了国内水利、气象部门的高度重视。暴雨发生后的第二年，水电部水科院水文研究所、河北省水文总站、河北省水利厅勘测设计院、水电部北京勘测设计院联合组织人员对“63·8”暴雨进行了全面的调查和资料系统整理分析，刊布了《1963年8月上旬海河流域特大暴雨初步分析》资料，由此开创中国大暴雨个例研究的先例，以后水利、气象部门针对这场暴雨进行了很多分析研究工作，并召开过多次专题学术讨论会。

1975年8月，淮河流域“75·8”特大暴雨洪水发生后，全国都按水电部要求用由可能最大暴雨转化为可能最大洪水的办法进行大、中型水库设计洪水的复核工作，全国暴雨洪水分析协调小组办公室随即领导各省开展编制可能最大暴雨等值线图的工作。“63·8”特大暴雨资料在华北各地推求可能最大降水时其作用显得尤为重要(作为移置、放大的典型暴雨)。水电部提出将以往的研究成果进行汇总协调，以便为生产科研提供统一依据。据此原水电部第十三工程局设计院、河北省水文总站、河北省水利设计院共同进行此项工作，除对暴雨资料进行汇总和系统整理外，对暴雨形成的大尺度环流条件、天气系统、中尺度系统活动、水汽条件和流场、能量分布、地形影响、物理因子等均做了详细分析，对特大暴雨的形成原因有了更深一步的认识。1988年5月31日至6月1日，由海河水利委员会在天津召开这项成果的审查会，邀请有关专家进行审查，后由海委和天津院共同修改、补充，编印成新的《海河流域1963年8月暴雨洪水分析报告》。