何志剛，胡君

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市200030）

關于大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)計算的探討

何志剛，胡君

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市200030）

對于大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，目前發(fā)達國家已普遍引入了計算機水力模型輔助設計，但我國目前由于受種種條件限制，尚無法全面推廣采用水力計算模擬軟件對大型雨水管網(wǎng)進行準確計算。結合推理公式法及時間滯后疊加法，對大型排水管網(wǎng)系統(tǒng)提出了一種新的計算思路和計算方法，以期在類似工程項目中可結合其工程自身特點予以參考和運用。

大流域面積；雨水管網(wǎng)系統(tǒng)；時間滯后疊加；計算

0　引言

關于市政雨水管道設計流量，目前我國室外排水規(guī)范推薦采用恒定均勻流推理公式法進行計算。推理公式法雖然簡便實用，但由于該計算方法所基于的三個假設條件（即在計算雨量過程中徑流系數(shù)是常數(shù)；降雨強度在選定的降雨時段內(nèi)均勻不變；匯水面積隨集流時間增長的速度為常數(shù)）引起設計雨水管渠的精度不夠高，尤其不適用于大型排水系統(tǒng)設計。

目前，發(fā)達國家在雨水管渠設計尤其是大型排水系統(tǒng)設計過程中已普遍引入了計算機水力模型輔助設計，從而對雨水管渠內(nèi)水力狀況的描述更為細致和準確。我國雖然在2014年版室外排水規(guī)范中提出當匯水面積超過2 km2時，宜采用數(shù)學模型法計算雨水設計流量，但規(guī)范中未給出可供操作的具體計算方法。據(jù)了解，我國現(xiàn)已有相關科研單位引進了國外的水力計算模擬軟件，上述軟件在計算過程中需要輸入降雨的雨型等重要相關參數(shù)，而目前我國大部分地區(qū)尚未發(fā)布可供參考的降雨雨型等資料，因此即使具備了水力計算模擬軟件，但缺乏上述重要參數(shù)和資料，也無法采用水力計算模擬軟件對大型雨水管網(wǎng)系統(tǒng)進行準確計算。然而，在實際工程中，經(jīng)常會遇到大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計算問題，特別是北方地區(qū)，河道很少，從而相應雨水系統(tǒng)的服務面積較大，已超出了推理公式法的適用范圍。因此本文針對大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，結合某工程實例介紹一種較為簡便實用的計算方法。

1　工程概況

北方某A城市，東西向長度為4 km，南北向長度為8 km，城市總體豎向高程分布特點為西高東低，南高北低，東西向及南北向地形坡度分別為0.3%及1%左右，現(xiàn)狀河道位于城市最北端，具體情況參見圖1所示。

圖1　A市路網(wǎng)及豎向高程分布示意圖

2　雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設計

2.1雨水管網(wǎng)系統(tǒng)布局

該工程中雖然A市雨水系統(tǒng)的匯水面積達32 km2，但根據(jù)河道水位資料及城市豎向高程情況，上述范圍內(nèi)雨水均可利用地形高差，采用重力流的形式，由東西向的6～8號路上所敷設雨水管道，分段接至南北向的1～4號路后，由南向北匯集至5號路，經(jīng)5號路雨水總管向東至下游河道排放。

2.2雨水管網(wǎng)系統(tǒng)計算

上例中雖然雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的布局比較簡單，但若采用常規(guī)的推理公式法進行計算，最明顯的問題就是由于雨水排放線路很長（最長線路達9 km左右），其所對應管道內(nèi)雨水流行時間將明顯大于降雨歷時，而根據(jù)推理公式法的極限強度理論，只有在管道內(nèi)雨水流行時間等于降雨歷時的情況下，系統(tǒng)內(nèi)全面積參與徑流，此時產(chǎn)生的最大徑流量作為管道內(nèi)雨水設計流量，而本例中由于管道內(nèi)雨水流行時間明顯大于降雨歷時，故已不適合簡單套用推理公式法進行雨水管網(wǎng)系統(tǒng)計算。

為解決上述難題，該工程中擬采用“化整為零”的處理方式，即根據(jù)路網(wǎng)分布等情況，將整個系統(tǒng)劃分為若干個小的雨水計算單元，使每個單元基本都能夠適用于推理公式法的使用條件，再對相關單元的流量進行計算后，確定相應雨水干管的設計規(guī)模；對于雨水總管的設計規(guī)模，則可在上述雨水干管水力計算的基礎上，采用時間滯后疊加法，確定其設計流量及設計規(guī)模。接下來本文將具體計算方法介紹如下。

2.2.1雨水干管設計規(guī)模的確定

采用本計算方法首先須設定降雨歷時，本例中設定為120min，同時將其作為計算單元中管道內(nèi)雨水流行的最長時間。如圖2所示，F(xiàn)A和FB為兩個相對獨立的雨水計算單元，F(xiàn)B區(qū)域內(nèi)節(jié)點1～2段管道內(nèi)雨水的流行時間tB為120min，其他已知條件如下：

圖2　A市雨水管網(wǎng)水力計算示意圖

（1）P=1 a時的設計暴雨強度公式為q=1 803.6/（t+8.64）0.8（L /s ·hm2）；

（2）綜合徑流系數(shù)ψ=0.6；

（3）FA=80 hm2，tA=65min，F(xiàn)B=250 hm2，tB=120min。

根據(jù)上述已知條件可以求出［1］：

（1）FA面積產(chǎn)生最大流量

QA=ψqF=0.6×1 803.6 /（tA+8.64）0.8×FA

（2）FB面積產(chǎn)生最大流量

QB=ψqF=0.6×1 803.6 /（tB+8.64）0.8×FB

FA面積上最大流量流到節(jié)點2的集水時間為tA，F(xiàn)B面積上最大流量流到節(jié)點2的集水時間為tB，如果tA= tB，則節(jié)點2處最大流量Q= QA+ QB。但tA≠tB，故節(jié)點2處的最大流量可能發(fā)生在FA面積或FB面積單獨出現(xiàn)最大流量時。根據(jù)已知條件，tA＜tB，節(jié)點2最大流量可按下面兩種情況分別計算。

（1）第一種情況

當t=tA時，此時全部FA面積參與節(jié)點2徑流，F(xiàn)B中僅部分面積的雨水能流達節(jié)點2同時參與徑流，該情況下節(jié)點2處匯水面積的疊加情況可概括為“支線全部面積疊加主線部分面積”，相應節(jié)點2的最大流量為：

式中：FB′為FB區(qū)域上在tA時間內(nèi)能夠流到節(jié)點2參與徑流的那部分面積。FB/tB為1min的匯水面積，所以FB′=FB/tB×tA=250/120×65=135（hm2），代入上式得出：

（2）第二種情況

當t=tB時，此時全部FB面積參與徑流，F(xiàn)A的最大流量已流過節(jié)點2，該情況下節(jié)點2處匯水面積的疊加情況可概括為“主線全部面積疊加支線部分面積”，相應節(jié)點2的最大流量為：

Q2=0.6×1 803.6 /（tB+8.64）0.8×FB+0.6×1 803.6 /（tB+8.64）0.8×FA=5 555.6 + 1 777.8 = 7 333.4（L/s）

按上述兩種情況計算結果，本例中選擇其中最大流量Q1=7 465.2 L/s作為節(jié)點2處的設計流量。

關于節(jié)點2以后管段設計流量的計算，可根據(jù)Q1和Q2的數(shù)值大小分為以下兩種情況。

（1）第一種情況

如Q1＞Q2，即在t= tA，“支線全部面積疊加主線部分面積”時節(jié)點2點出現(xiàn)最大流量，此時節(jié)點2點以前參與徑流的匯水面積為FA+ F′B，用該面積再疊加節(jié)點2點以后的沿線匯水面積，進行計算至管道內(nèi)流行時間t=120min時所對應的節(jié)點14，此時即可確定2～14管段的相關設計參數(shù)，設該段終點設計管徑為D1，坡度為I1。

對于節(jié)點14以后的管段，可以該節(jié)點為起點，采用前文所述的計算方法，對相關雨水計算單元重新開始試算至該單元終點15點，并可確定14～15管段終點設計管徑為D2，坡度為I2，最后比較D2、I2與D1、I1，取大者作為14～15管段的設計管徑及坡度。對于節(jié)點15以后的管段，采用同樣方法進行計算即可。

（2）第二種情況

如Q1＜Q2，即在t= tB，“主線全部面積疊加支線部分面積”時節(jié)點2處出現(xiàn)最大流量，此時由于主線雨水計算流行時間已超過降雨歷時120min，即降雨已停止，理論上主線雨水管道沿線不會再有雨水流量匯入，故節(jié)點2以后設計流量可取為Q2。但該情況下還存在另一種可能性，即FA的最大流量到節(jié)點2的時間為tA=65min，小于降雨歷時120min，也就是說，雖然Q1＜Q2，但由于計算Q1時，F(xiàn)A的最大流量到節(jié)點2的時間小于降雨歷時，因此Q1會與2點以后的沿線流量相疊加，故有可能超過Q2。所以，本文建議可按照Q2確定2點以后管段的設計管徑（D1）及坡度（I1），同時須按照計算Q1時節(jié)點6到節(jié)點2的流行時間及此時節(jié)點2處所對應的匯水面積，并疊加2點以后沿線匯水面積，對上述管徑及坡度進行核算至流行時間達到120min。假設該節(jié)點編號為14，如此便可確定經(jīng)過核算后2～14管段的最大管徑（D2）及坡度（I2），最后比較D2、I2與D1、I1，取大者作為2～14管段的設計管徑及坡度。節(jié)點14以后管段的計算方法同上文第一種情況。

2.2.2雨水總管設計規(guī)模的確定

上例中1～4號路雨水干管的設計規(guī)模均可采用前文所述的方法進行確定，然而1～4號路的雨水量匯集至5號路雨水總管后，就涉及到上述流量該如何疊加的問題。按照前文所述計算方法，1～4號路會以120min左右作為管道內(nèi)雨水的最長流行時間，形成數(shù)個峰值流量，這些峰值流量匯集至5號路后該如何疊加，該問題顯得十分復雜。如果僅簡單地將1～4號路所形成的最大峰值流量相加，將會引起5號路的設計流量及其相應雨水管涵的設計斷面尺寸很大，如此既不經(jīng)濟也不合理。

為解決該問題，該工程中考慮采用時間滯后疊加法對5號路的設計流量進行計算，只是對相互疊加的情況進行簡單化處理。如圖2所示，F(xiàn)C=250 hm2，F(xiàn)D=200 hm2，t5-11=20min，其中FC、FD分別為1號和2號路沿線匯水面積最大的一個計算單元，并設它們的終點分別位于5號路上的節(jié)點5和節(jié)點11。由于此時所假設的流量疊加情況是1號和2號路沿線匯水面積最大的一個計算單元在降雨末期發(fā)生的峰值流量疊加情況（此時實際的降雨強度低于由暴雨強度公式所算得的強度值），因此若仍采用t=120min作為降雨歷時及管道內(nèi)雨水流行的最長時間，則會由于上述諸多因素的累積效應，引起5號路設計流量的計算值偏于保守，未能充分體現(xiàn)1號和2號路峰值流量在5號路的滯后疊加現(xiàn)象。因此，在采用本文所述的時間滯后疊加法對雨水總管的設計流量進行計算時，本文建議t值可取為90min，則相應對于總管上節(jié)點11最大流量的計算可分為以下兩種情況。

（1）第一種情況

（2）第二種情況

當t=tC′+t5-11=110min時，此時全部FC′面積參與徑流，這時FD′的最大流量已流過節(jié)點11，參與節(jié)點11徑流的面積FD″=FD′/tD′×［tD′-（110-tD′）］，相應節(jié)點11的最大流量為：

根據(jù)以上兩種情況分別算得兩個流量，可選擇其中最大流量作為節(jié)點11處的設計流量。對于節(jié)點12及13處的設計流量，可參照上述方法分別進行計算即可。

2.3關于部分參數(shù)取值的討論

（1）降雨歷時

本計算方法中須預先設定降雨歷時，由于其直接影響到雨水干管及總管的設計規(guī)模，因此該參數(shù)的取值非常關鍵。本文建議在具體工程的設計過程中，可根據(jù)工程項目所處地區(qū)的降雨情況及雨水系統(tǒng)內(nèi)管網(wǎng)的布局情況進行確定，建議其取值可介于90～120min，雖然降雨強度的大小與降雨歷時成反比，但根據(jù)極限強度理論，匯水面積隨降雨歷時的增長較降雨強度隨降雨歷時增長而減小的速度更快，因此考慮到工程的安全性和種種不確定因素，同時兼顧到工程方案的經(jīng)濟性及合理性，本文建議在雨水干管和總管的水力計算過程中，降雨歷時的取值可結合工程具體情況，分別取為接近上限值和下限值。

（2）計算單元面積

每個計算單元面積的大小可根據(jù)計算單元的形狀及單元內(nèi)管網(wǎng)的分布情況，并結合上述降雨歷時（即為計算單元內(nèi)的雨水最長流行時間）進行確定，但每個計算單元的面積不宜大于300 hm2。如根據(jù)上述情況所確定的計算單元面積較大，則可適當縮短單元內(nèi)雨水最長流行時間，從而使計算單元面積的大小處于較合理范圍內(nèi)。

3　結語

隨著我國城市化進程的快速發(fā)展，排水管網(wǎng)系統(tǒng)的建設也越來越被社會和各級政府部門所重視，而如何建設安全、經(jīng)濟適用的大型排水管網(wǎng)系統(tǒng)，是擺在市政排水規(guī)劃設計人員面前的一個重大課題。本文結合了推理公式法及時間滯后疊加法，對超出推理公式法適用范圍的大型排水管網(wǎng)系統(tǒng)提出了上述計算思路和計算方法，以期在類似項目中可結合其工程自身特點予以參考和運用。

［1］ 孫慧修， 郝以瓊， 龍騰銳.排水工程（上冊）［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

TU990.3

A

1009-7716（2015）01-0083-04

2014-08-12

何志剛（1977-），男，江蘇揚州人，高級工程師，從事給排水設計工作。