鄧柏旺

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 前言

面對(duì)多個(gè)城市因暴雨發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，排澇系統(tǒng)遭質(zhì)疑，現(xiàn)就排澇系統(tǒng)從設(shè)計(jì)角度分析其產(chǎn)生洪澇原因。城市排澇系統(tǒng)主要包含城市排水管道、城市河道、蓄滯洪區(qū)。通常一般城市由于用地緊張，不會(huì)留有蓄滯洪區(qū)，排澇系統(tǒng)常常由排水管道、泵站及河道組成。無論城市排澇系統(tǒng)有無蓄滯洪區(qū)，其最終排出城區(qū)的河道（或管道）出口斷面規(guī)模，決定城區(qū)是否產(chǎn)生內(nèi)澇。城區(qū)的河道（或管道）出口斷面規(guī)模由設(shè)計(jì)洪峰流量確定。

1 常用排澇洪峰流量計(jì)算公式及適用條件

1.1 市政系統(tǒng)雨水流量公式[2]為：

式中：Q為雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；ψ為徑流系數(shù)；q 為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；F 為匯水面積，hm2；P 為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min；t1為地面集水時(shí)間，min；t2為管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間，min；m 為延緩系數(shù)；A1，C，n，b 為地方暴雨參數(shù)；v為管渠雨水流動(dòng)速度，m/s。

1.2 水利系統(tǒng)的計(jì)算公式

1.2.1 單位線法[3]

式中：ρi為無因次單位線；F為流域面積，km2；Δt為單位時(shí)段；hi為時(shí)段凈雨量，mm/s；Qi為時(shí)段流量，m3/s。

1.2.2 推理公式[4]

式中：Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；ψ為洪峰流量徑流系數(shù)；S為設(shè)計(jì)頻率暴雨雨力，mm/h；τ為流域匯流時(shí)問，h；F為流域面積，km2；n為暴雨衰減指數(shù)；L為主河槽長(zhǎng)度，km；m為匯流參數(shù)；J為主河槽坡降。

1.3 河道（管道）水力計(jì)算公式[6]

城區(qū)澇水由管道排入臨近河道后，由河道進(jìn)行匯流。河道水力計(jì)算公式如下：

式中：V為河道平均流速，m/s；R為河道水力半徑，m；i為河底比降；n為河床糙率；L為河道長(zhǎng)度，m；T為河道匯流時(shí)間，s。

1.4 適用條件

1.4.1 兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算公式之間的差異

由于暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算降雨歷時(shí)采用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min共九個(gè)歷時(shí)。計(jì)算降雨重現(xiàn)期一般按 0.25 a、0.33 a、0.5 a、1 a、2 a、3 a、5 a、10 a統(tǒng)計(jì)。水利系統(tǒng)公式計(jì)算歷時(shí)采用近30 a逐年最大 1 h、3 h、6 h、24 h及最大 1 d、3 d、7 d、15 d、30 d、60 d、90 d雨量統(tǒng)計(jì)值；計(jì)算降雨重現(xiàn)期一般按 5 a、10 a、20 a、30 a、50 a、100 a、200 a、500 a等統(tǒng)計(jì)。故兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算公式之間存在一定差異，主要體現(xiàn)在：

（1）暴雨強(qiáng)度公式和水利系統(tǒng)公式的推求方法存在差別。水利系統(tǒng)公式按照年最大值法推求，雨水流量公式采用年多個(gè)樣法推求。

（2）市政系統(tǒng)公式采用短歷時(shí)，水利系統(tǒng)公式采用長(zhǎng)歷時(shí)。簡(jiǎn)單舉例說明：如果暴雨公式采用的1 h代表雨量，水利系統(tǒng)采用的是典型24 h降雨過程，水利系統(tǒng)采用的典型降雨過程峰值時(shí)刻的雨量不一定與暴雨公式采用的峰值時(shí)刻雨量一致，也就是說暴雨公式選用的典型雨量可能是在水利系統(tǒng)采用的典型暴雨歷時(shí)里，也可能不是。匯流時(shí)間越短，兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算公式計(jì)算成果相差越大。

（3）重現(xiàn)期選取市政系統(tǒng)與水利系統(tǒng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)相差很大。防洪標(biāo)準(zhǔn)一般20 a一遇以上，雨水重現(xiàn)期一般取1～2 a。這是由于統(tǒng)計(jì)樣本不一樣而產(chǎn)生的差異。

“近年來，在中央及地方的大力推動(dòng)下，各地鄉(xiāng)村旅游獲得了長(zhǎng)足發(fā)展?！敝芰釓?qiáng)說，一些先進(jìn)地區(qū)涌現(xiàn)了度假、休閑、康養(yǎng)等業(yè)態(tài)，鄉(xiāng)村旅游進(jìn)入新的發(fā)展階段；一些后發(fā)地區(qū)，通過發(fā)展鄉(xiāng)村旅游實(shí)現(xiàn)了人居環(huán)境改善、生活品質(zhì)提升，并逐步推動(dòng)鄉(xiāng)村旅游提質(zhì)升級(jí)。

（4）對(duì)于設(shè)計(jì)雨型、匯水面積的假設(shè)條件也同實(shí)際存在差別。

1.4.2 兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算公式適用條件

市政系統(tǒng)計(jì)算公式適用匯水面積較小 (一般小于100 km2)、集水時(shí)問在60～120 min的城鎮(zhèn)或工廠的雨水管渠或排洪溝渠的設(shè)計(jì)雨水排放問題[7]。采用此公式計(jì)算城區(qū)排洪河道的設(shè)計(jì)洪峰流量將產(chǎn)生如下問題：暴雨重現(xiàn)期偏大，使設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度偏大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪峰流量偏大；降雨強(qiáng)度在設(shè)計(jì)暴雨時(shí)段內(nèi)是變化的，將導(dǎo)致降雨強(qiáng)度偏大也即是設(shè)計(jì)洪峰流量偏大；匯水面積隨集流時(shí)間的增長(zhǎng)速度可能不確定，對(duì)設(shè)計(jì)洪峰流量的影響也不確定。因此它直接用于城區(qū)排洪河道設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，成果將存在偏差。

水利系統(tǒng)計(jì)算公式適用于流域面積小于500 km2的區(qū)域；不適用于巖溶、泥石流及各種人為措施影響嚴(yán)重的地區(qū)[8]。產(chǎn)流階段，其設(shè)計(jì)凈雨和穩(wěn)滲流率的推導(dǎo)是基于天然河流的降雨與徑流關(guān)系推求的，而城區(qū)受到人為措施影響嚴(yán)重，改變了自然狀態(tài)下的產(chǎn)流規(guī)律。匯流階段，公式中流域匯流時(shí)間τ的計(jì)算也是基于自然狀態(tài)情況下的匯流規(guī)律推求的，與城區(qū)條件不相適應(yīng)。洪峰流量徑流系數(shù)ψ同流域匯流時(shí)間τ、平均下滲濾等參數(shù)相關(guān)采用此公式計(jì)算，將導(dǎo)致如下問題：計(jì)算的穩(wěn)滲流率較實(shí)際偏大而使設(shè)計(jì)凈雨偏小即洪峰流量偏??；計(jì)算的流域匯流時(shí)間τ較實(shí)際偏大而使設(shè)計(jì)洪峰流量偏?。挥?jì)算洪峰流量徑流系數(shù)ψ較實(shí)際偏小而使設(shè)計(jì)洪峰流量偏小。由此可見，此公式用作城區(qū)排洪河道設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，也存在著不足。

通過以上分析，也有部分設(shè)計(jì)人員認(rèn)為從重現(xiàn)期的選擇上來看，防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期遠(yuǎn)大于排水標(biāo)準(zhǔn)的重現(xiàn)期，意味著防洪標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)暴雨大多情況下大于排水系統(tǒng)所能承受的最大排水能力(盡管兩者的推求方法不同)，即有部分雨量沒有通過排水管網(wǎng)系統(tǒng)而直接匯流至排洪河道。本文認(rèn)為，暴雨公式已經(jīng)通過徑流系數(shù)考慮該問題，它通過徑流系數(shù)的調(diào)整來考慮匯流的流量大小，當(dāng)雨水流量大于管道設(shè)計(jì)的流量，則意味著已經(jīng)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。水利系統(tǒng)計(jì)算公式也可以通過徑流系數(shù)來調(diào)整穩(wěn)滲流率及匯流時(shí)間的影響。當(dāng)整片面積都為硬質(zhì)，理論上徑流系數(shù)可以取上限值1.0。徑流系數(shù)，在城市雨水量估算中宜采用城市綜合徑流系數(shù),一般取值在0.2～0.85。水利系統(tǒng)采用洪峰徑流系數(shù)，等于形成洪峰的凈雨量與降雨量之比值，一般在0.7～1.0。兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算公式徑流系數(shù)的取值應(yīng)當(dāng)通過工程當(dāng)?shù)貙?shí)地測(cè)量確定，按規(guī)范取值區(qū)間較大。

兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算公式主要區(qū)別還是在于在洪峰時(shí)段內(nèi)的凈雨量取值，如果市政系統(tǒng)在某個(gè)重現(xiàn)期下洪峰時(shí)段凈雨與水利系統(tǒng)某個(gè)重現(xiàn)期下凈雨相等，則計(jì)算的洪峰流量理論上是相等的。

通過以上分析及多個(gè)工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，城區(qū)排洪河道設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算需要同時(shí)考慮管道排水及河道排水。河道兩側(cè)城區(qū)可根據(jù)每條主干管覆蓋的集雨面積劃分成若干區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊建議采用市政系統(tǒng)計(jì)算公式計(jì)算洪峰流量，根據(jù)洪峰流量采用簡(jiǎn)單的三角形法繪制流量過程線。各區(qū)塊洪水通過主干管匯進(jìn)河道后，按河道水力條件計(jì)算過流時(shí)間，出口斷面的洪峰流量按考慮河道匯流時(shí)間影響后各控制斷面流量疊加值。采用該方法既考慮了城區(qū)排水系統(tǒng)的洪峰流量計(jì)算成果，又考慮了水利系統(tǒng)的等流時(shí)線法原理，較符合實(shí)際。

2 計(jì)算工程實(shí)例

本文選用湖南省株洲市云龍示范區(qū)白石港流域里的某條支流為例進(jìn)行計(jì)算。云龍示范區(qū)為長(zhǎng)株潭“兩型社會(huì)”的重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)，該片區(qū)東西及北面地勢(shì)高，像帶狀地形，水流通過各大支流匯集于白石港河道，通過白石港河道向南流入湘江。選取的支流河道防洪標(biāo)準(zhǔn)100 a一遇，現(xiàn)狀兩岸為原始地貌，總匯水面積39.17 km2,上游28.16 km2匯水通過水庫(kù)調(diào)蓄，從水庫(kù)往下游將進(jìn)行示范區(qū)建設(shè)，該區(qū)即將城市化。從水庫(kù)至白石港河道長(zhǎng)度為3.46 km，平均比降0.1% ，按排水管道布置情況，共設(shè)10個(gè)控制斷面。

本文分別用兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的洪峰流量，其結(jié)果見表1所列。市政系統(tǒng)公式統(tǒng)計(jì)了各控制斷面的流量，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=2 a，徑流系數(shù)取0.6。選取了3種工況：考慮河道匯流時(shí)間影響后各控制斷面流量疊加（見圖1）、不考慮河道匯流時(shí)間影響各控制斷面流量疊加、各控制斷面面積累加后再進(jìn)行流量計(jì)算。水利系統(tǒng)公式分別按單位線法及推理公式法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 a一遇，徑流系數(shù)取0.85。本文分析了一場(chǎng)降雨歷時(shí)長(zhǎng)短（6 h、8 h、12 h、24 h）對(duì)設(shè)計(jì)洪峰流量的影響（見表2、圖2）；分析了6 h降雨歷時(shí)各控制斷面之間河道1倍匯流時(shí)間、2倍匯流時(shí)間、3倍匯流時(shí)間等各控制斷面匯流時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)洪峰流量影響（見表3、圖3）。

表1 洪峰流量計(jì)算成果一覽表

圖1 工況1之考慮河道匯流時(shí)間影響后通過各控制斷面的流量過程圖

表2 各降雨歷時(shí)對(duì)應(yīng)洪峰流量計(jì)算成果一覽表

圖2 降雨歷時(shí)與洪峰流量關(guān)系曲線圖

表3 6 h降雨歷時(shí)各倍比河道匯流時(shí)間對(duì)應(yīng)洪峰流量計(jì)算成果一覽表

圖3 區(qū)間匯流時(shí)間與洪峰流量關(guān)系曲線圖

3 結(jié)果分析

（1）兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算公式成果表明，采用市政系統(tǒng)公式中，考慮河道匯流時(shí)間影響后各控制斷面流量疊加的成果較合理。

（2）在河道匯流時(shí)間遠(yuǎn)小于管道匯流時(shí)間情況下，直接采用各控制斷面流量疊加成果可以滿足工程設(shè)計(jì)要求，也便于在缺乏降雨資料的城市區(qū)進(jìn)行排洪河道工程設(shè)計(jì)。

（3）同一降雨歷時(shí)，河道匯流時(shí)間越長(zhǎng)，洪峰流量越小，反之越大；匯流時(shí)間與洪峰流量成對(duì)數(shù)關(guān)系。

（4）同一河道匯流時(shí)間，降雨歷時(shí)越短，洪峰流量越小，反之越大。

（6）市政排水設(shè)計(jì)主要滿足短歷時(shí)排澇，對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)降雨，比較容易出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象，解決途徑主要有兩方面：其一規(guī)劃過程中保留更多的水面積，加長(zhǎng)匯流時(shí)間和蓄洪水量；其二設(shè)計(jì)過程中采用長(zhǎng)歷時(shí)降雨校核，或水利系統(tǒng)計(jì)算成果校核，保證河道出口有足夠的泄洪尺寸。

（7）同理，若城市河道為管道（總干管）替代，則在選擇總干管尺寸時(shí)應(yīng)采用當(dāng)?shù)亟?jīng)常性的降雨歷時(shí)進(jìn)行匯流計(jì)算，避免簡(jiǎn)單的按短歷時(shí)計(jì)算，避免簡(jiǎn)單面積累加后求流量，否則將造成管道尺寸不足形成內(nèi)澇。

（8）根據(jù)計(jì)算理論，采用統(tǒng)一的峰值降雨量和降雨歷時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算的洪水成果理論上是一致的，希望將來各地方政府能夠?qū)涤隁v時(shí)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)后，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行城市排澇設(shè)計(jì)。

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