系统评估气候变暖对降水时间序列峰值流量的影响分析

Posted 2021-05-02 iUWLab

原文信息

原文题目：Sensitivity of peak flow to the change of rainfall temporal pattern due to warmer climate

第一作者单位：

Department of Civil Engineering, University of Bristol, Bristol, United Kingdom;

Department of Water Resources Engineering, University of Al-Mustansiriyah, Baghdad, Iraq

期刊：Journal of Hydrology

发表时间：MAR 2018

关键词：

Rainfall temporal pattern; Scaling for rainfall volume and fraction; Climate change; Peak flow

导读

       现在城市排水网络中广泛使用的降雨时间序列的设计方式都有着不同的缺点。其中之一是，无论气候如何变化，其时间序列的形状是固定的。本文针对气候变化下的雨强-时刻曲线进行了研究，其结果对于管网系统的建模者与设计者来说非常重要。

文章简介

       城市排水管网的精确设计需要使用城市排水模型连续模拟长降雨时间序列，在实践中，有两种方法设计降雨序列。第一种是根据IDF曲线（intensity–duration–frequency，强度-持续时间-频率曲线）提取降雨强度，并对该强度用任意的时间分布获得设计降雨。第二种是从观测到的降水数据中分析特定的降水事件，以得出时间分布。将这两种方法进行水文模型模拟之前有三个假设：1、 管网峰值流量的频率与降雨事件相应的频率相等；2、排水系统模拟区域中特定位置的汇流时间几乎不变；3、区域没有强烈的季节变化，例如季节变化不会带来土壤饱和度的变化进而影响径流。但是这些方法对应的缺点已经被证实，本文旨在解决其中一个问题，即不考虑气候变化的影响的固定的降雨事件时间序列的形状。

       本文的研究区域是一个小城市的集水区，面积为 ，位于英格兰北部的西约克郡。降水数据来源为英国环境署（EA）提供的15分钟时间分辨率的降水数据，由于EA提供的所有雨量站位于研究区域之外，因此本研究仅使用了距离最近的28个雨量站的监测数据。测量点与监测区域如图1所示。本研究的温度数据是由气候水文和生态学研究支持系统气象数据集（CHESS-met）（1961-2015）提供的网格温度数据，空间分辨率为1公里。

图1 研究区域和监测站点分布

       本文的技术流程主要分为两大部分。即降雨设计与管道模拟。

       第一步，降雨体积与降雨模式设计。本研究包括的降雨事件持续时间为1到24小时。由于使用的数据具有15分钟的时间分辨率，因此将降雨时间分为4个阶段。之后，每个降水事件与其温度相匹配。为构建时间模式，将降水事件中单位时间的降水比上总降水量，将其各阶段从大到小排序，然后将其与温度拟合：

       其中， α_i为第i级降水占总降水的单位温度下的比例变化量， P_i^T为温度T下第i级降水占总降水的比例，ΔT为温度的变化量。拟合结果在95%的置信水平下进行t检验。

       第二步，城市径流模型与水动力管网模型模拟。本研究模拟的管网系统由444个管道，432个节点，13个泵和134个子汇水区组成。本研究中，城市降雨径流与管网流量通过水动力管网模型（Infoworks CS，hydrodynamic sewer network model）模拟。首先通过使用双线性储层模型获得流域径流路径，再利用Infoworks CS求解圣维南方程得到管道流量，最后遵循英国工业实践手册（WaPUG，2002）进行校准，得到了校准后的径流路径与管网流量。

       本研究旨在考虑不同气候下管道流量峰值的差异，因此在对所有降水事件模拟之外对夏季与冬季分别进行模拟，即在考虑温度因素进行季节分离与不考虑温度因素进而不进行季节分离的情况下分别进行降雨分析。不进行季节分离的模拟结果如图2所示，考虑温度因素进行季节分离后夏季降雨事件的模拟结果如图3所示，是否考虑温度因素进行季节分离的降水事件的统计结果见图4。

图2 不考虑温度因素的所有降雨事件

（各子图对应着不同的持续时间，绿色圆圈表示随温度的变化率为正，橙色方块表示随温度的变化率为负，带交叉符号的表示在95%置信水平下通过检验）

图3 进行季节分离后夏季的所有降雨事件

（各子图对应着不同的持续时间，绿色圆圈表示随温度的变化率为正，橙色方块表示随温度的变化率为负）

图4 温度因素考虑与否情况下的统计结果

       由图4可知，是否进行季节分离对降水量与降水分布有显著影响。譬如，持续时间为1h时，所有降雨事件各部分降水比例如图4（B）所示，即降雨在第二阶段达到峰值。而进行季节分离后发现，如图4（E），冬天的降雨事件往往在第一阶段达到峰值，而如图4（A），夏季的降雨事件到第三阶段才达到峰值。

       接下来考虑对城市管网的影响。使用夏季降雨事件对城市径流与管道流量进行模拟，情景有两种，一种为固定降雨量仅降雨时间分布改变，另一种为降雨量与降雨时间分布均随着温度的变化而变化。峰值流量变化的计算结果如表1所示。

表1 不同情景下当前气候与未来气候峰值流量变化的百分比（重现期为2年）

淹没节点数的计算结果如表2所示。

表2 不同情景下当前气候与未来气候淹没节点数变化的百分比

       可以看出，在降雨量与降雨时间分布均改变的情境下，峰值流量与淹没节点数远高于传统预测。

       往年研究发现，由于气候变化的影响，降水时间序列的形状会发生改变，即峰值部分的降水增高，非峰值部分的降水减少，这种变化可能会影响排水系统峰值流量并产生洪水。因此，文章进一步研究了降雨与温度之间的关系，进行了峰值流量的灵敏度分析。发现是否考虑温度因素对模拟的降水量与降水分布，对峰值流量与淹没节点数均有显著影响。

编者点评

       由本文结论可以看出，气候变化导致的峰值流量的变化可能会对城市管网系统带来严重后果，因此需要在设计新系统或升级现有系统的决策过程中考虑这一方面的因素。这一因素的增加必将带来计算复杂度的上升，即使本文的研究成果不能直接作用于实际的下水道系统设计，管网系统的设计者仍然可以通过采用灵活和可持续的解决方案来减轻管网内涝。

https://doi.org/10.1007/s11069-018-3349-1

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