水文学第-5-章--降水资料的收集与整理

第5章降水资料的收集与整理大气中各种形式的水汽凝结物降落到地面统称降水。降水的形式有：雨（rain）、雪（snow）、露（dew）、霜（frost）、雹（hail）等等。我国降水以降雨为主，因此，也常把降水混称为降雨。降水是水文循环（）的重要环节，也是人类用水的主要来源。在排水工程设计中，如城市和工矿企业的排水系统和防洪工程的设计中，需要收集降水（暴雨）资料，推算设计雨水流量和设计洪水。5.1降水5.1.1降水的观测（Observationofprecipitation）为了掌握各地降水的变化，水文气象部门设立了大量的雨量站、气象站、水文站观测降水。（1）器测法1）雨量器（raingaugereceiver）如图5.1，是最简单的测雨器，分时段人工观测.可把一天24h平均分成几个时段进行，并按北京标准时间以8时为日分界点。如图5.2，承雨器将雨量导入浮子室，浮子随注入的雨水增加而上升，带动自记笔在附有时钟的转筒上的记录纸上连续记录随时间累积增加的雨量。2）虹吸式自记雨量计（siphonrainfallrecorder）当累积雨量达10mm时，自行进行虹吸，使自记笔立即垂直下落到记录纸上纵坐标的零点，以后又开始记录。（2）雷达探测（radarobservationofprecipitation）气象雷达利用云、雨、雪等对无线电波的反射现象，随时探测降水的位置、移动速度、方向和变化情况，进行降水预报。（3）气象卫星云图（satellitecloudpicture）利用气象卫星随时发回探测到的云图资料，云图资料有两种：可见光云图（visiblecloudatlas）红外云图（infraredcloudatlas）根据云的反照率或红外辐射的强弱，对降雨等进行预测。表示降水特征的指标：①降雨量（amountofrain）：降落到地面单位面积上的水层深度，以mm计5.1.2降水的特征降雨量等级：凡日降雨量大于50mm称为暴雨暴雨（storm）：50~100mm大暴雨（heavystorm）：100~200mm特大暴雨（extraordinarystorm）：200mm②降雨历时（durationofrainfall）：凡降水量都须指明历时，一般以min、h、d、a等计.如：次（过程）降水量、日降水量、月降水量、年降水量；还有各种短历时的降雨量，如：10min、30min、60min、3h、6h、12h降雨量、日降雨量、24h降雨量等等。③降雨强度或雨率（intensityofrainfall）：单位时间内的降水量，以mm/min、mm/h计平均降水强度：)1.5(tPi瞬时降水强度：)2.5(lim0tPdtdPit8:008:00010Pt④降雨面积（rainfallarea）：以km2计⑤暴雨中心（stormcenter）上述三项称为降雨的三要素。5.2降水分布5.2.1流域平均降水量（面平均雨量）雨量站观测的降水量只代表点的降水，工程设计需要整个流域面上降水量的空间分布和时间分布。空间分布一般用流域面平均雨量（或称面雨量）来表示，时间分布用降水强度过程线表示。（1）算术平均法（arithmeticmeanmethod）流域内各站同时段的实测雨量算术平均：：某一指定时段的流域平均雨量，mm；n：流域内的雨量站数；Pi：流域内第i站指定时段的雨量，mm.niiFPnP1)3.5(1FP该法简单，但是精度较差。在流域内地形起伏不大，且雨量站分布较均匀时可获得良好效果。（2）加权平均法（Thiessenpolygonmethod）该法假定流域上各点的雨量以其最近的雨量站的雨量为代表，因此需要采用一定的方法推求各站代表的在流域中距其最近的点的面积，这些站代表的面积图称泰森多边形，如图5.3所示。其作法是：先用直线（图中的虚线）就近连接各站为许多三角形，然后作各连线的垂直平分线，它们与流域分水线一起组成n个多边形，每个多边形的面积，就是其中的雨量站代表的面积。设第i站代表的面积为fi,雨量为Pi,则该法计算流域平均雨量的公式为:iPifniiiFFfPP1)4.5(fi/F：第i站代表面积占流域面积的比值，称权重。（3）等雨量线法（isohyetalmethod）根据流域及附近的雨量站观测的同一时段的雨量值，参考地形影响，类似绘制地形等高线那样，画出如图5.5的雨量等值线（isohyet）图，然后量出相邻等值线间的流域面积，即可按下式计算流域平均雨量fi：相邻2条等雨量线间包围的面积。niiiiFfPPFP11)5.5(215.2.2多年平均最大24h降水量多年平均最大24h降水量一般用等值线图表示，各省水文手册中的水文图集都附有VCP,24等值线图，供工程设计用。5.2.3我国年降水量的分布（1）年降水量地理分布根据多年平均雨量、雨日（日降水量大于等于0.1mm的日子）等，全国大体上可分为5个带：1、十分湿润带（veryhumidzone）P＞1600mm、T＞160天，分布在广东、海南、福建、台湾、浙江大部、广西东部、云南西南部、西藏东南部、江西和湖南山区、四川西部山区。2、湿润带（humidzone）P=800～1600mm、T=120～160天，分布在秦岭-淮河以南的长江中下游地区、云、贵、川和广西的大部分地区。3、半湿润带（semi-humidzone）P=400～800mm、T=80～100天，分布在华北平原、东北、山西、陕西大部、甘肃、青海东南部、新疆北部、四川西北和西藏东部。4、半干旱带（semi-aridzone）P=200～400mm、T=60～80天，分布在东北西部、内蒙、宁夏、甘肃大部、新疆西部。5、干旱带（aridzone）P＜200mm、T＜60天，分布在内蒙、宁夏、甘肃沙漠区、青海柴达木盆地、新疆塔里木盆地和准噶尔盆地藏北羌塘地区。（2）降水量的年内、年际变化降水量的年内分配很不均匀，主要集中在春夏季，例如长江以南地区，3～6月或4～7月雨量约占全年的50～60%；华北、东北地区，6～9月雨量约占全年的70～80%。降水量的年际变化很大。年降水量越小的地方往往年际间变化越大。（3）我国大暴雨时空分布4～6月，大暴雨主要出现在长江以南地区，其量级明显自南向北递减，山区往往高于丘陵区与平原区。7～8月，大暴雨分布很广，全国许多地方都出现过历史上罕见的特大暴雨。【例5.1】1975年8月5～7日，台风深入河南南部，滞留、徘徊20多小时，林庄站24h雨量达1060.3mm，其中6h达830.1mm是我国大陆强度最大的雨量记录.【例5.2】1963年8月2～8日，海河受多次西南涡影响，在太行山东侧山丘区连降7天7夜大暴雨，獐吆站雨量2051mm，其中最大24h达950mm.1977年8月1日，内蒙、陕西交界的乌审召出现强雷暴雨，据调查，8～10h内4处雨量超1000mm，最大一处超过1400mm，强度之大为世界所罕见。9～11月，东南沿海、海南、台湾一带，受台风和南下冷空气影响而出现大暴雨。【例5.3】1975台湾新潦1967年10月17～19日曾出现24h降雨1672mm，3日总雨量达2749mm的特大暴雨，为全国最大记录。5.3点雨量资料的整理雨水排除系统所要排除的雨水，绝大部分属短历时暴雨形成的，雨水径流量大。排水部门根据自记雨量计自记雨量资料，选出每场暴雨进行分析，推算暴雨强度~历时关系曲线，作为排水工程设计的依据。规定的降雨历时：5、10、15、20、30、45、60、90、120min共九种历时（当集水面积较小时，可以不统计90、120min）。按这一标准摘录和统计雨量资料。一次降雨的中途，强度小于0.1mm/min的持续时间超过120mm时，应作为两场降雨来统计。【例5.4】图5.9是某雨量站记录到的一场历时102min降雨量23.1mm的暴雨。由自记雨量计记录到的累积降雨量曲线，根据上述的规定历时，摘录最大雨量，计算各种历时最大雨强。统计时一定要保证在规定的历时内的雨量要“连续最大”，且要“长包短”，最后作雨强~历时关系曲线。历时min雨量mm雨强mm/min起讫时间起迄57.01.4016：4316：48109.80.9816：4316：531512.10.8116：4316：582013.70.6816：4317：033016.00.5316：4317：134519.10.4216：4317：286020.40.3416：3717：379022.40.2516：3718：0712023.10.1916：3718：19规律：平均雨强随历时增长而减小。排水工程：每年统计6~8场最大降雨，n≥20a.历时it1t2t31i2i3i频率分析（设计暴雨量推求）：年多个样本法1、九种降雨历时，将统计出的每种历时暴雨强度资料，不论年序从大到小排列，选择相当于年数3~5倍[S=（3~5）n]的最大数值（S应大于40）组成一个样本，计算每个雨强数据的经验频率（次频率），然后频率分析，计算重现期为0.25、0.33、0.50、1、2、3、5、10a的相应暴雨强度，作关系表。表5-4Tti~~2、九种降雨历时，每种历时每年从大到小选择3~5个最大数值，组成一个样本，样本容量S=（3~5）n（S应大于40），计算每个雨强数据的经验频率（次频率），然后频率分析，计算重现期为0.25、0.33、0.50、1、2、3、5、10a的相应暴雨强度，作关系表。表5-4排水过程中一般是两种方法的结合。Tti~~5min10min15min20min30min45min60min90min120mini(mm/min)P’(%)TTti,次频率和重现期：设有n年实测雨强资料，每年选择6~8场暴雨数据，样本容量S=(3~5)n，次频率S’和次重现期T’为：次频率：SmSmP,2,1'次重现期：)(1''次PT次重现期和年重现期的换算关系：)('aTSnT)(1aT【例5.5】设有20年实测雨强资料，共取得100个最大雨强数据组成一个样本，求m=2和m=50雨强的频率和重现期。解：1005,20nSnm=2次频率：%21002'SmPm=2次重现期：)(5002.011''次PTm=2年重现期：)(105010020'aTSnTm=50次频率：%5010050'SmPm=50次重现期：)(25.011''次PTm=50年重现期：)(4.0210020'aTSnTT1T1''1PSnTSnTTSnP1')(10,5,3,2,1,5.0,33.0,25.0aT5min10min15min20min30min45min60min90min120mini(mm/min)P’(%)P’Tti,§5.4暴雨强度公式的推求5.4.1暴雨强度公式将频率分析成果，表5-4中雨强~历时~重现期数据做成图。暴雨强度随历时增加而减小，这种曲线一般属幂函数（powerfunction）。Tti~~Tti~~用曲线形式表示应用时不很方便，所以工程中一般将曲线族配一个函数形式。（1）当i与t点绘在双对数纸上为曲线关系时)6.5()(nbtAi（mm/min）（2）当i与t点绘在双对数纸上为直线关系时)7.5(ntAi（mm/h，mm/min）式中，n、b、A称为暴雨地方特征参数，n：暴雨衰减指数，或暴雨递减指数；b：时间参数；A：雨力，或时雨率（mm/min，mm/h），A随重现期T而变，可用经验公式表示：)8.5()lg1(1TCAA（5.6）（5.7）（5.8）式为《室外排水设计规范》推荐的雨水量计算标准公式。为应用方便，将暴雨强度公式换算为：min)/()(lg)()lg1(11mmbtTBAbtTCAinn)9.5())/(()()lg1(1671hasLbtTCAqnq：设计暴雨强度，（L/(s.ha)），ha=hm2；t：暴雨历时，（min）;T：重现期，（a）.利用频率分析成果，表5-4中i~t~T