曲鳳垚，谷宏亮

（1．華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450011；2．中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京100048）

1 城市暴雨積澇分析的起因

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市洪澇災(zāi)害的問(wèn)題愈發(fā)突出。目前全國(guó)各大中型城市，受到澇災(zāi)侵襲越來(lái)越頻繁。城市中的很多工程建筑物在設(shè)計(jì)的過(guò)程中既要考慮防御洪水又要考慮防御城市澇水的襲擊，防洪設(shè)計(jì)一般需要分析工程區(qū)域的河流洪水分析計(jì)算，而城市澇水分析則需要分析計(jì)算城市設(shè)計(jì)暴雨以及城市下墊面的產(chǎn)匯流條件和排水條件，確定設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的累積積澇澇水深度。

2 城市暴雨積澇條件

2．1 氣象條件

城市暴雨積澇主要由暴雨產(chǎn)生，暴雨導(dǎo)致的城市積澇首先與降水強(qiáng)度有關(guān)。按照暴雨的時(shí)空尺度特征，中國(guó)的暴雨大致可分為兩類(lèi)。

（1）局地暴雨，一次過(guò)程幾小時(shí)到十幾小時(shí)，覆蓋幾千到幾萬(wàn)平方米，中心強(qiáng)度大。

（2）大面積暴雨，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，范圍大，降雨總量大。城市積澇的產(chǎn)生大多數(shù)是由于短歷時(shí)強(qiáng)降雨或持續(xù)強(qiáng)降雨所導(dǎo)致的［1－2］。

2．2 下墊面條件

城市化進(jìn)程加快，城市下墊面性質(zhì)的變化較大，由于城市的人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的聚集效應(yīng)，使得城市建設(shè)開(kāi)始向郊區(qū)、空中和地下擴(kuò)展，使原來(lái)的土路、林地、草原、水塘等生態(tài)環(huán)境改變?yōu)樗?、瀝青、磚石、玻璃、金屬等材料的建造物，致使城市下墊面滲透率降低，地表糙率變小，匯流時(shí)間大大縮短。另一方面由于城市大量開(kāi)采地下水，國(guó)內(nèi)多數(shù)城市已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，這也為積澇產(chǎn)生提供了條件［2］。

2．3 排水設(shè)施條件

城市排水管網(wǎng)作為城市排水的重要設(shè)施在城市建設(shè)之初就已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)和施工建設(shè)，最初設(shè)計(jì)時(shí)能夠滿足城市排水需要。然而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，特大城市、大城市、中等城市數(shù)量都迅速增加，城市規(guī)模在不斷地?cái)U(kuò)展，高樓林立、城市交通與建筑的立體化正是城市迅速擴(kuò)展的表現(xiàn)。雖然城市快速發(fā)展，但是排水管網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)仍為城市建設(shè)之初的模式，且多數(shù)為雨污混排的模式，一旦遭遇短歷時(shí)強(qiáng)降雨很難及時(shí)排除道路積水，從而導(dǎo)致在城市低洼地段的道路大面積積水，形成災(zāi)害［2］。

3 計(jì)算實(shí)例

本次以沈陽(yáng)市渾南新區(qū)地鐵車(chē)輛段停車(chē)場(chǎng)建設(shè)地塊防澇計(jì)算為例，進(jìn)行暴雨積澇分析。

3．1 工程所在地點(diǎn)暴雨積澇原因分析

3．1．1 氣象條件

沈陽(yáng)市的局地暴雨與大面積暴雨、短歷時(shí)暴雨及持續(xù)暴雨均有發(fā)生。從統(tǒng)計(jì)特性上看，沈陽(yáng)地區(qū)的短歷時(shí)暴雨比較集中，最大1h與最大3h暴雨占長(zhǎng)時(shí)段的雨量比重均較大，長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨量亦較大，最大12h雨量占最大24h雨量的87%。

3．1．2 下墊面條件

本場(chǎng)區(qū)工程地點(diǎn)位于沈陽(yáng)市渾南新城區(qū)。該地塊總體上呈“梯形”，占地面積約32．1hm2。場(chǎng)址內(nèi)地勢(shì)平坦，自然地面標(biāo)高在36．6m左右。場(chǎng)區(qū)建成以后，80%為水泥不透水地面、房屋等，20%為綠化的綠地，下墊面滲透率降低，地表糙率變小，匯流時(shí)間大大縮短。為積澇產(chǎn)生提供了便利條件。

3．1．3 排水設(shè)施條件

本車(chē)輛段（新址）位于以渾河大堤、白塔堡大堤、繞城高速及桂花街包圍的區(qū)域，該區(qū)域渾河下游處有1＃穿堤建筑物，該地段的澇水可以通過(guò)渾河下游1＃穿堤建筑物排除。

3．2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

3．2．1 排澇標(biāo)準(zhǔn)

參照《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB／T 50805－2012），城市澇水指由城區(qū)降雨而形成的地表徑流，一般由城市排水工程排除?！爸螡场贝胧┲饕扇〗?、排、滯，即：截，攔截排澇區(qū)域外部的徑流使其不進(jìn)入本區(qū)域；排，將區(qū)內(nèi)澇水匯集起來(lái)排到區(qū)外；滯，充分利用區(qū)內(nèi)湖泊、洼淀臨時(shí)滯蓄澇水［3］。

沈陽(yáng)市城市排澇標(biāo)準(zhǔn)按20a一遇。本次計(jì)算的地鐵9號(hào)線停車(chē)場(chǎng)新址位于沈陽(yáng)市渾南新區(qū)，根據(jù)工程的重要性以及工程所處的地段，建議本場(chǎng)址排澇標(biāo)準(zhǔn)亦采用20a一遇，即20a一遇的24h設(shè)計(jì)暴雨在24h之內(nèi)平均排除。根據(jù)24h的降雨過(guò)程，按平均排除法累積計(jì)算澇水的最大積水深度。

3．2．2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果

車(chē)輛段（新址）集水區(qū)域最大24h設(shè)計(jì)暴雨采用沈陽(yáng)雨量站的計(jì)算成果，采用成果見(jiàn)表1。

表1 沈陽(yáng)雨量站24h設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果表 mm

3．2．3 設(shè)計(jì)凈雨深的確定

本場(chǎng)區(qū)的設(shè)計(jì)凈雨深度，采用各設(shè)計(jì)頻率的設(shè)計(jì)暴雨，按照相應(yīng)的徑流系數(shù)折算而求得。場(chǎng)區(qū)水泥地面占80%，綠化地面占20%，按照城市規(guī)劃，未來(lái)該區(qū)域城市建筑密集，故，根據(jù)規(guī)范數(shù)據(jù)，一般硬化水泥地面的20a一遇暴雨徑流系數(shù)取0．9，綠化地面的徑流系數(shù)在0．4～0．6范圍內(nèi)，場(chǎng)區(qū)20a一遇暴雨徑流經(jīng)綜合分析，選取徑流系數(shù)為0．8，20a一遇暴雨的凈雨深度是152．6mm。

3．2．4 設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程

根據(jù)實(shí)測(cè)的長(zhǎng)系列資料統(tǒng)計(jì)分析，選擇實(shí)際發(fā)生的較大年份且降雨分布較不利于排水的1960年為典型年。按滑動(dòng)最大24h設(shè)計(jì)凈雨將典型降雨過(guò)程進(jìn)行放大，得到設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程。

3．3 城市暴雨調(diào)蓄模型

車(chē)輛段（新址）集水面積內(nèi)的降水產(chǎn)流，一方面通過(guò)排水口排走，另一方面在坡面形成積水，其連續(xù)方程為：

式中：h為匯水面積內(nèi)的積水深度，mm；R（t）為凈雨深度，mm；h出（t）為每小時(shí)排澇水深，排澇標(biāo)準(zhǔn)為24h降雨24h排除，為6．4mm／h［4－7］。

3．4 設(shè)計(jì)澇水積水深度計(jì)算

根據(jù)式（1）的模型原理，以降雨過(guò)程分布最不利的1960年典型年為例，按照城市排澇能力20a標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)20a一遇設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程，采用平均每小時(shí)排除6．4mm，累積計(jì)算設(shè)計(jì)澇水積水深度，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表2。

由表中計(jì)算可知，1960年典型20a一遇暴雨積水深度為98．6mm。

表2 20a一遇積水深度計(jì)算表（1960年典型）

3．5 車(chē)輛段新址建成以及新城區(qū)建成以后設(shè)計(jì)澇水積水深度

在3．4節(jié)中計(jì)算的是在現(xiàn)狀地形條件下的澇水積水深度?，F(xiàn)狀地形條件是場(chǎng)區(qū)房屋和地上建筑物都沒(méi)有建成，場(chǎng)址內(nèi)地勢(shì)平坦，自然地面標(biāo)高在36．6m左右，地塊內(nèi)以菜園和經(jīng)濟(jì)作物等種植用地為主，其間零星分布有民營(yíng)企業(yè)的彩鋼板房和單層廠房。場(chǎng)區(qū)和新城區(qū)建成以后，由于地上突出的地面建筑物增加，因此地面上同一水位下的空間容積變小，故澇水積水水位與這個(gè)空間容積關(guān)系密切，假如樓房占場(chǎng)地面積的一半，那么水位就要在上述計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上上浮增加一倍。因此，在實(shí)際施工設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮這個(gè)因素。

在本場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)，經(jīng)與地鐵工程的設(shè)計(jì)部門(mén)——上海交通設(shè)計(jì)院確認(rèn)，查找設(shè)計(jì)報(bào)告，該場(chǎng)區(qū)上蓋（包括庫(kù)房、修理間、管理房等）的面積初步設(shè)定在23%～46%之間，場(chǎng)區(qū)將來(lái)要用水泥圍墻封閉，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域。故1960年典型年經(jīng)計(jì)算的可能最大積雨深度可換算為129mm，場(chǎng)區(qū)地面標(biāo)高采用36．6m，故場(chǎng)區(qū)的澇水水位可采用36．73m。

4 結(jié) 語(yǔ)

城區(qū)澇水積水深度計(jì)算，關(guān)系到建筑物的安全。在計(jì)算的過(guò)程中既要考慮設(shè)計(jì)暴雨在城市區(qū)域產(chǎn)生的設(shè)計(jì)凈雨，又要考慮城市的設(shè)計(jì)排水標(biāo)準(zhǔn)和排水能力，通過(guò)暴雨調(diào)蓄模型累積計(jì)算暴雨的積水深度。在實(shí)際工程確定積水深度的時(shí)候，還要考慮建筑物廠區(qū)廠址的地形條件，看澇水影響是否主要為降落到本區(qū)域范圍內(nèi)的降雨造成，受不受外區(qū)域的澇水匯集影響。澇水主要往區(qū)域內(nèi)的低洼部分蓄積，故而需要保證工程區(qū)的地面高程高于周?chē)牡孛娓叱?，才能保證本區(qū)域的澇水不往場(chǎng)址區(qū)蓄積，場(chǎng)地才不受淹。才能保證工程區(qū)域的防澇安全。

［1］陳鵬，張繼權(quán)，嚴(yán)登華，等．基于GIS技術(shù)的城市暴雨積澇數(shù)值模擬與可視化——以哈爾濱市道里區(qū)為例［J］．災(zāi)害學(xué)，2011，26（3）：69－72．

［2］宋啟元，蘇功軍．淺析城市暴雨后積水原因與對(duì)策［J］．城市道橋與防洪，2010，10（10）：99－101．

［3］中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)和住房建設(shè)部．GB／T 50805－2012城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012．

［4］邵堯明，邵丹娜．城市暴雨積水過(guò)程的計(jì)算方法［J］．中國(guó)給水排水，2008，24（6）：53－55．

［5］楊弋，吳升．城市暴雨積水模擬方法分析及研究［J］．測(cè)繪信息與工程，2009，34（1）：35－57．

［6］朱元甡，金光炎．城市水文學(xué)［M］．北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1991．

［7］徐向陽(yáng)，劉俊，郝慶慶，等．城市暴雨積水過(guò)程的模擬［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2003，14（2）：193－196．