羅金山，燕軍樂，金佳林

（1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010）

0 引言

洪澇災(zāi)害是人類社會發(fā)展的重大威脅，隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)水平的提高，抵御洪水的能力也有了顯著提升，但洪澇災(zāi)害所造成的損失卻并沒有減少，澇成災(zāi)依然是其中較為突出的一個問題。在城市化建設(shè)過程中，由于原有天然水面受到侵占，水系格局遭到破壞，導(dǎo)致城市對降雨徑流的自然調(diào)蓄能力下降。同時，外河水位頂托，城市內(nèi)部積水無法順利排出，加劇了內(nèi)澇情況的發(fā)生。在暴雨來臨時，部分區(qū)域出現(xiàn)嚴重的積水內(nèi)澇現(xiàn)象，因此，往往需要修建排澇泵站輔助排澇。

排澇模數(shù)是確定排澇流量的主要因素，合理確定排澇模數(shù)對于降低澇災(zāi)損失有重要意義。排澇模數(shù)計算方法主要有平均排除法、網(wǎng)河非恒定流法和水量平衡法，其中水量平衡法是一種簡化模型計算方法，對基礎(chǔ)資料的要求不高又有較高的計算精度，較適用于確定河道調(diào)峰作用明顯的城市地區(qū)的排澇模數(shù)[1～3]。

本文以江西省景德鎮(zhèn)市新廠排澇泵站為例，重點研究城市地區(qū)排澇模數(shù)的計算方法，先用逐時水量平衡法計算該排澇泵站的排澇流量，再應(yīng)用城市管網(wǎng)模型Mike Urban對其進行復(fù)核，最終確定排澇模數(shù)。

1 工程概況

新廠排澇泵站位于江西省景德鎮(zhèn)市昌江區(qū)，是南河大堤穿堤建筑物，工程的建設(shè)任務(wù)為解決新廠片區(qū)澇水外排，建立人水合一的城市水生態(tài)系統(tǒng)。依據(jù)相關(guān)規(guī)劃，新廠排澇泵站的排澇面積為15.17 km2，包括新廠區(qū)（12.39 km2）和羅家塢區(qū)（2.78 km2）兩個區(qū)域；滯洪區(qū)面積為8.74 hm2，滯洪區(qū)容積為30萬m3；排澇泵站設(shè)計排澇流量68.87 m3/s，裝機7840 kW，泵站等別為II等，規(guī)模為大（2）型。

2 逐時水量平衡法排澇模數(shù)計算

2.1 暴雨量復(fù)核

景德鎮(zhèn)市屬于中等城市，因此新廠排澇泵站設(shè)計標準為30年一遇24 h暴雨即時排除。暴雨計算采用臨近的渡峰坑雨量站1966年～2012年共47年的實測降雨資料，根據(jù)排頻結(jié)果，工程所在地區(qū)設(shè)計重現(xiàn)期30年一遇的24 h降雨量為258.77 mm。

根據(jù)《江西省暴雨洪水查算手冊》刊布的適用范圍，選擇推理公式法對設(shè)計洪水計算進行復(fù)核。根據(jù)工程地理位置，查得流域中心最大24小時點暴雨均值P24=132.6mm，Cv24=0.4，由設(shè)計頻率 P=3.33%和 Cs=3.5Cv得 KP24=1.947，則 30年一遇24小時點暴雨量P(3.33%)=258.17 mm。根據(jù)流域面積及暴雨歷時查得點面系數(shù)a24=0.9986，則30年一遇24小時面暴雨量P(3.33%)=257.81 mm。景德鎮(zhèn)市30年一遇暴雨量計算數(shù)據(jù)見表1。

表1 30年一遇暴雨量計算數(shù)據(jù)表 Cs/Cv=3.5

對比實測與推算數(shù)據(jù)，沒有顯著差別，計算采用推算的面暴雨量數(shù)據(jù)進行計算。

2.2 凈雨過程計算

根據(jù)《江西省暴雨洪水查算手冊》，本區(qū)域以Δt=1h為時段的24h降雨雨型時程分配情況見表2。

表2 24小時暴雨時程分配表（P=3.33%） 單位：mm

工程所在區(qū)域為產(chǎn)流第Ⅶ區(qū)，設(shè)計前期雨量Pa=70 mm，設(shè)計24小時平均暴雨強度I=P24/24=257.81/24=10.74 mm/h，穩(wěn)定下滲率fc根據(jù)經(jīng)驗公式計算，fc=0.182I=1.96 mm/h。通過查詢《江西省暴雨洪水查算手冊》第Ⅶ區(qū)降雨徑流（P+Pa～R）查算表得出相應(yīng)時段累積徑流ΣR總，再計算各時段凈流量R總，則設(shè)計24小時凈雨過程見表3。

表3 -1 凈雨過程計算表單位：mm

表3 -2 凈雨過程計算表 單位：mm

2.3 排澇模數(shù)確定

工程所在地為景德鎮(zhèn)市中心城區(qū)，雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期取3年，以市政管道排水能力為上限計算河網(wǎng)入流凈雨深。根據(jù)設(shè)計暴雨強度公式計算得出，景德鎮(zhèn)市3年一遇、歷時t1+t2=120 min的暴雨強度i=0.56 mm/min，暴雨量為33.50 mm。城鎮(zhèn)建筑密集區(qū)綜合徑流系數(shù)取0.6，根據(jù)排水規(guī)劃管渠圖及類似工程經(jīng)驗，新廠的集水時間取為120 min。則在α=0.6、t1+t2=120 min時，管道3年一遇排水能力h=33.50×0.6=20.10 mm。以此為控制，根據(jù)模型進行產(chǎn)流計算，并推出30年一遇24 h設(shè)計暴雨的逐時河道入流過程[4]，集水時間t1+t2為120 min時河道入河流量見表4。

表4 集水時間t1+t2為120min時河道入河量

經(jīng)計算，新廠排澇區(qū)水面率為0.01274，當水面預(yù)降為2000 mm時，賦予m一系列值，根據(jù)排澇模數(shù)計算公式求得相應(yīng)排澇模數(shù)Mm，排澇模數(shù)試算見表5。

表5 排澇模數(shù)試算表

由表 5 可知，m=6 時，Mm值最大，為 4.40 m3/(s·km2)，即為所求結(jié)果，相應(yīng)設(shè)計排澇流量為66.80 m3/s。

3 Mike Urban模型復(fù)核計算

Mike Urban CS由DHI Water Environment Health開發(fā)，是模擬城市集水區(qū)和排水系統(tǒng)的地表徑流、管流、水質(zhì)和泥沙傳輸?shù)膶I(yè)工程軟件包，可以應(yīng)用于任何類型的自由水流和管道中壓力流交互變化的管網(wǎng)中。本次計算采用時間-面積模型作為降雨徑流模型，主要考慮到以下因素：①該降雨徑流模型適應(yīng)于高度城市化地區(qū)；②數(shù)據(jù)需求量??；③計算原理簡單易懂，參數(shù)定義明確。

時間-面積法將整個連續(xù)的產(chǎn)匯流過程被離散到每個計算時間步長進行計算。恒定徑流速率的假設(shè)意味著該方法將集水區(qū)表面在空間上離散為一系列同心圓，其圓心也就是徑流的出水點。模型中根據(jù)特定的時間-面積曲線計算每個單元面積，所有單元的面積等于給定的不透水面積。當降雨超過定義的初始損失時匯流模型開始計算，匯流開始計算后的每個時間步長中，計算單元的累積水量會進入下游方向。因此，計算單元中實際的水量根據(jù)上游單元的來水量、當前降雨以及流入下游單元的水量計算得到，最下游單元的出流量實際上就是水文學(xué)計算的結(jié)果。

3.1 模型搭建

Mike Urban模型對于城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)模擬分為兩步：首先是降雨徑流模擬，即對于降雨和集水區(qū)匯流過程的模擬；然后是管網(wǎng)水力學(xué)模擬，即對于雨水匯流入管道后對于其水流流態(tài)的模擬。

在構(gòu)建一維管網(wǎng)模型前，需要對排水系統(tǒng)進行概化，概化內(nèi)容主要包括節(jié)點及管道連接兩個方面，其中節(jié)點主要包括檢查井、蓄水設(shè)施、出水口三種類型，管道是節(jié)點間的連接，包括管網(wǎng)系統(tǒng)和河道兩個部分。

根據(jù)Mike Urban模型的應(yīng)用要求，結(jié)合新廠排區(qū)雨水管網(wǎng)資料，將排水片區(qū)劃分為若干個徑流計算小區(qū)，每一小區(qū)的凈雨量匯入小區(qū)管網(wǎng)節(jié)點。為了保證計算結(jié)果具有可靠性，根據(jù)地表和管網(wǎng)資料條件將小區(qū)劃分盡可能小，具體劃分情況：新廠排區(qū)劃分為158個小區(qū)，管網(wǎng)概化圖如圖1所示。

圖1 新廠雨水管網(wǎng)模型概化

3.2 計算結(jié)果

采用推算設(shè)計暴雨進行模擬，其中景德鎮(zhèn)30年一遇設(shè)計暴雨過程如圖2所示，計算參數(shù)設(shè)置如表6所示。根據(jù)建立的新廠排區(qū)模型，采用30年一遇設(shè)計暴雨計算各排區(qū)排入河道的流量，進而復(fù)核計算得新廠排澇泵站設(shè)計排澇模數(shù)為4.54 m3/(s·km2)，設(shè)計排澇流量為68.87 m3/s，同逐時水量平衡法計算成果基本一致，本工程設(shè)計排澇模數(shù)最終采用Mike Urban模型計算結(jié)果。

圖2 30年一遇設(shè)計暴雨過程圖

表6 Mike Urban模型的主要參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)語

本文以江西省景德鎮(zhèn)市新廠排澇泵站為例，重點研究了城市地區(qū)排澇模數(shù)的計算方法，先用逐時水量平衡法計算該排澇泵站的排澇流量，再應(yīng)用城市管網(wǎng)模型Mike Urban對其進行復(fù)核，兩種方法計算所得到的排澇模數(shù)非常接近，可以相互佐證，工程最終采用了Mike Urban模型計算結(jié)果。本文的計算基本思路可為城市地區(qū)排澇泵站排澇模數(shù)的計算提供參考。