史 春 王志富

隨著城市的逐步擴(kuò)大、外延，新型小城鎮(zhèn)、開(kāi)發(fā)區(qū)不斷建設(shè)，原農(nóng)業(yè)河道服務(wù)范圍內(nèi)的下墊面性質(zhì)的變化，使得原有的一些農(nóng)業(yè)河道在保留原農(nóng)業(yè)排澇功能的同時(shí)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械挠晁?、中水河道使用。這就急需要探討一種兼有排除城市雨水、農(nóng)業(yè)瀝水及中水多功能河道流量的計(jì)算方法來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐。在我國(guó)的雨水設(shè)計(jì)流量中一直存在兩種不同的方法:一種是在給水排水專(zhuān)業(yè)的雨水管道流量設(shè)計(jì)中廣泛采用的極限強(qiáng)度法;另一種是水利專(zhuān)業(yè)的農(nóng)業(yè)河道流量設(shè)計(jì)中廣泛采用的年最大值法。兩種計(jì)算方法的選樣標(biāo)準(zhǔn)不一樣，造成設(shè)計(jì)成果存在很大的不同。國(guó)內(nèi)雖也做過(guò)兩種方法銜接的研究，基于不同地方多年統(tǒng)計(jì)資料提出一些關(guān)于極限強(qiáng)度法和年最大值法設(shè)計(jì)流量的線性關(guān)系，但存在一定的局限性，尚不能作為一種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)［1］。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，把河道按照年最大值方法進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)，流量將偏小。而將河道看作一條主干管道，按照極限強(qiáng)度法計(jì)算河道流量時(shí)，顯然是沒(méi)有考慮河道自身的調(diào)蓄能力，計(jì)算結(jié)果又嚴(yán)重偏大?；谝陨系膯?wèn)題，本文將借鑒一種新的城市雨水河道的流量計(jì)算方法——總量核算法［2］，并對(duì)此方法加以改進(jìn)用于指導(dǎo)天津市北塘排水河的工程設(shè)計(jì)。天津市北塘排水河的前身為北塘排污河，建于1958年，于1976年進(jìn)行擴(kuò)建。河道西起河北區(qū)趙沽里泵站，東至東麗區(qū)永定新河，主要穿越的河道有月牙河、外環(huán)河、西減河、東減河、新地河?，F(xiàn)北塘排水河擔(dān)負(fù)著汛期雨水、農(nóng)田瀝水及污水處理廠出水的排水任務(wù)。河道全長(zhǎng)33 km，在起點(diǎn)下游21 km處有一座中途提升泵站——山嶺子泵站，裝機(jī)流量為44 m3/s。本次河道改造將根據(jù)新修編的天津市總體規(guī)劃的河道兩岸用地性質(zhì)重新進(jìn)行河道流量及終點(diǎn)外排泵站流量的計(jì)算。

1 河道排水區(qū)劃分

根據(jù)北塘排水河沿岸用地規(guī)劃，將河道兩岸服務(wù)地區(qū)的不同下墊面特性及排水性質(zhì)的匯水區(qū)進(jìn)行梳理，將匯水區(qū)按產(chǎn)流特性分為四種排水區(qū)，即排除雨水的城市化區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、支流調(diào)蓄區(qū)和排除中水的污水處理廠出水區(qū)。

1)城市化區(qū)。城市化區(qū)的雨水是通過(guò)管道系統(tǒng)收集后經(jīng)泵站提升后排入的，是組織化的快速排水，一般地區(qū)地面覆蓋物透水性差，徑流系數(shù)大，而且要求地面不能積水。現(xiàn)狀及規(guī)劃有民權(quán)門(mén)、增產(chǎn)道、祁連路、張貴莊南、華明工業(yè)園、華明新家園、東麗湖共7片排水區(qū)雨水排入北塘排水河。

2)農(nóng)業(yè)區(qū)。農(nóng)業(yè)區(qū)的雨水是渠道集流后排入的，雨水在被截流、下滲后匯集入渠道再集流的整個(gè)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，易受蒸發(fā)、地形地質(zhì)特性及植被覆蓋等情況的影響?，F(xiàn)狀渤海石油生產(chǎn)基地、永和村兩片排水區(qū)的雨水仍然排入北塘排水河。

3)支流調(diào)蓄區(qū)。支流調(diào)蓄區(qū)為北塘排水河支流的服務(wù)地區(qū)，在排入北塘排水河前上游服務(wù)地區(qū)的雨水經(jīng)過(guò)了河道、湖面的調(diào)蓄。現(xiàn)狀空港、橫溝兩片排水區(qū)屬于此種情況。

4)污水處理廠出水區(qū)。污水處理廠出水區(qū)是北塘排水河兩岸服務(wù)地區(qū)的污水經(jīng)現(xiàn)狀及規(guī)劃的污水處理廠處理，達(dá)標(biāo)后排入河道。河道接納沿線東郊、華明工業(yè)園、空港、張貴莊、東麗湖共5座污水處理廠的出水(見(jiàn)表1)。

表1 北塘排水河各排水區(qū)情況表

2 河道流量的模擬計(jì)算

北塘排水河兩岸不同性質(zhì)、不同排入位置的分片地區(qū)流量進(jìn)入河道水體后，不能以峰值疊加流量作為河道設(shè)計(jì)流量，需考慮調(diào)峰、錯(cuò)峰對(duì)河道流量的削減。在這里可采用總量核算法進(jìn)行模擬計(jì)算。

總量核算法的5個(gè)計(jì)算步驟分別為:用極限強(qiáng)度法求管道出口洪峰流量，繪制服務(wù)區(qū)Q—T曲線圖，修正Q—T曲線圖，將各個(gè)服務(wù)區(qū)Q—T曲線圖疊加為W—T總曲線圖，設(shè)計(jì)河道尺寸和控制參數(shù)。總量核算法原針對(duì)城市市內(nèi)排水河道而應(yīng)用，要求河道作用服務(wù)區(qū)應(yīng)是上述產(chǎn)流區(qū)劃分中的第一種城市化區(qū)的適用條件，后三種區(qū)域不適用，有一定的使用局限。而采取改進(jìn)后的總量核算法將其余三種情況也可以計(jì)入計(jì)算，拓寬了其應(yīng)用條件。主要改進(jìn)點(diǎn)如下:

1)農(nóng)業(yè)區(qū)根據(jù)天津市平原地區(qū)農(nóng)田除澇設(shè)計(jì)機(jī)排時(shí)間按2 d考慮，大于W—T總曲線圖中河道形成設(shè)計(jì)最大流量的時(shí)間。簡(jiǎn)化計(jì)算可按農(nóng)業(yè)瀝水萬(wàn)畝測(cè)算模數(shù)乘以農(nóng)業(yè)區(qū)面積計(jì)入河道總流量，疊加入W—T總曲線圖。2)支流調(diào)蓄區(qū)上游雖有管道、泵站等排水系統(tǒng)，但考慮其本身為調(diào)蓄后排入北塘排水河且調(diào)蓄外排時(shí)間無(wú)法調(diào)控，因此設(shè)計(jì)時(shí)將支流調(diào)蓄區(qū)流量折減50%后計(jì)入排入流量，疊加入W—T總曲線圖。3)污水處理廠為日平均排水，直接按處理廠處理規(guī)模計(jì)入流量，疊加入W—T總曲線圖。4)這樣就可以繪制出多功能河道的完整W—T總曲線圖來(lái)求得河道設(shè)計(jì)流量(見(jiàn)圖1)。取河口斷面，通過(guò)錯(cuò)峰削減，河道降雨20 h后達(dá)到峰值流量79.02 m3/s為河道設(shè)計(jì)流量。

3 河道調(diào)蓄削減流量

在日常河道管理中往往利用河道自身容量的調(diào)蓄作用，以蓄代排，削減河道匯流峰值并減緩水位抬高速度，以緩解區(qū)域排水壓力，這種方法對(duì)河道終點(diǎn)外排泵站規(guī)模有直接的影響。我們把這種方法作為總量核算法的補(bǔ)充。

以北塘排水河為例，根據(jù)北塘排水河W—T曲線圖，汛期北塘排水河降雨初期為11.63 m3/s，逐漸遞增，降雨20 h后達(dá)到峰值流量79.02 m3/s，后逐漸遞減，降雨 24 h 后流量 62.41 m3/s，24 h內(nèi)平均流量48.67 m3/s。綜合計(jì)算分析結(jié)果并比對(duì)現(xiàn)狀河道中途山嶺子泵站多年運(yùn)行資料，確定北塘河口泵站遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)流量為48 m3/s。同時(shí)在設(shè)計(jì)上提出管理運(yùn)行要求，即在河道匯水區(qū)內(nèi)發(fā)生降雨時(shí)，擬建河道終點(diǎn)泵站開(kāi)車(chē)排水。隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，泵站前水位的上漲增加開(kāi)車(chē)臺(tái)數(shù)，達(dá)到調(diào)蓄的目的。

4 應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

1)在設(shè)計(jì)前期收集資料時(shí)必須要準(zhǔn)確掌握各個(gè)片區(qū)在河道排入點(diǎn)的位置，這是建立W—T總曲線圖的基礎(chǔ)。

2)在農(nóng)業(yè)區(qū)排入流量計(jì)算時(shí)在按照農(nóng)業(yè)流量模數(shù)計(jì)入的同時(shí)，可根據(jù)有關(guān)農(nóng)田除澇中產(chǎn)流計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

3)在支流調(diào)蓄區(qū)域排入流量計(jì)算時(shí)，對(duì)支流流量的計(jì)入應(yīng)根據(jù)實(shí)際出口斷面統(tǒng)計(jì)資料綜合分析，在沒(méi)有統(tǒng)計(jì)資料時(shí)可采用本文的折減方法計(jì)入。折減計(jì)入時(shí)要分析支流的排水體制、調(diào)蓄能力、排水出路流量來(lái)綜合確定，為保證最終河道流量的安全，建議折減系數(shù)不低于50%。

4)在設(shè)計(jì)河道終點(diǎn)外排泵站時(shí)要利用河道自身容量調(diào)蓄削減峰值，并利用現(xiàn)狀河道運(yùn)行資料進(jìn)行校核。

5 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)的總量核算法主要修正了原方法中對(duì)匯水區(qū)中的農(nóng)業(yè)區(qū)、支流調(diào)蓄區(qū)、污水處理廠出水區(qū)不適用問(wèn)題，并增加考慮了河道自身容量調(diào)蓄的措施。利用此種方法可克服按照年最大值方法進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)結(jié)果偏小，以及按照極限強(qiáng)度法計(jì)算時(shí)計(jì)算結(jié)果偏大的問(wèn)題，使得理論計(jì)算的結(jié)果更趨于實(shí)際運(yùn)行資料。雖然此種計(jì)算方法的合理性與準(zhǔn)確性尚值得進(jìn)一步探討，但仍希望對(duì)多功能河道的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［1］劉 俊，俞芳琴，張建濤，等.城市管道排水與河道排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系［J］.中國(guó)給水排水，2007(2):35-36.

［2］李漢印，魯航線.采用“總量核算法”解決城市河道排水水力計(jì)算問(wèn)題［J］.給水排水，2001(8):11-12.

［3］翁偉軍.探討城市河道整治與城市建設(shè)的融合［J］.山西建筑，2010，36(5):359-360.