滕少華，王 明，林小斌

(懷化市水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,湖南 懷化 418000)

1 問題的提出

全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)，伴隨洪水過程的城市內(nèi)澇災(zāi)害已成為威脅人們生命財(cái)產(chǎn)安全、滯緩社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“頑疾”。我國當(dāng)前多數(shù)城市治澇標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，與城市防洪標(biāo)準(zhǔn)不匹配，難以抵御較大內(nèi)澇洪水的侵襲。隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速增長，高強(qiáng)度的城市集中開發(fā)，內(nèi)澇災(zāi)害造成的損失愈來愈嚴(yán)重，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，甚至影響到地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會穩(wěn)定。城市治澇既是重大民生工程，又是重大發(fā)展工程。內(nèi)澇災(zāi)害防治能力的提升迫在眉睫。但現(xiàn)狀存在涉及面廣、自然調(diào)蓄空間不足、排水設(shè)施建設(shè)滯后、應(yīng)急管理能力不強(qiáng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一、“信息孤島”[1]持續(xù)存在、缺乏數(shù)字化、可視化成果等問題。特別是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一，會導(dǎo)致城市排澇泵站在排澇流量、裝機(jī)容量等方面產(chǎn)生很大差異，并導(dǎo)致水泵選型、裝機(jī)臺數(shù)發(fā)生變化。難以抓住山丘區(qū)排澇泵站裝機(jī)容量這個(gè)解決城市看海問題的牛鼻子。造成以上差別的主要原因是泵站的雨水設(shè)計(jì)流量相差極大。在設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期一致時(shí)，國標(biāo)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》與水利的洪水設(shè)計(jì)流量為何有這樣大差別，本文將依據(jù)2個(gè)縣城排澇泵站工程實(shí)例進(jìn)行些初淺的探討，以期拋磚引玉，共同探討山丘區(qū)城市小匯流面積(小于等于2km2)下的合理雨洪規(guī)律，尋求不同行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法間的匹配銜接、改進(jìn)與統(tǒng)一。不致造成“市政5年一遇的排水標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的泵站規(guī)模與水利20年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的泵站規(guī)模相當(dāng)”[2- 3]的矛盾。

2 問題的探討

湖南會同縣屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，其基本特點(diǎn)是：氣候溫?zé)釢駶?，雨量豐沛，多年平均降水量1265mm。降水月份分配不均勻，春夏多雨，4—8月降水達(dá)871.4mm，占全年63.55%，雨量偏多，特別是5—6月份，月均降水量達(dá)212mm以上，洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生；9—11月份降雨量僅256.7mm，占全年18.72%，雨量偏少，常發(fā)生秋旱。會同縣城排水分為3個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)主要匯流縣城西區(qū)，經(jīng)由原老污水管網(wǎng)匯流到棕李排澇泵站，再抽排至?xí)樱瑓R流面積1.38km2。Ⅱ區(qū)主要匯流縣城南區(qū)，匯流面積1.15km2。Ⅲ區(qū)為Ⅰ區(qū)以西的山地丘陵，匯流面積1.5km2，洪水匯流入右撇洪渠道后自排入渠水。I區(qū)干流(主排水管)長度2.64km、干流平均坡降2.46‰；Ⅰ區(qū)為老城區(qū)，Ⅱ區(qū)為新建城區(qū)，植被情況均不好，Ⅲ區(qū)為未開發(fā)區(qū)，植被良好。

國標(biāo)雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算采用GB 50014—2021中4.1.7條的推理公式：

Qs=q×Ψ×F

(1)

式中，Qs—雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；Ψ—徑流系數(shù)；F—匯水面積，hm2。

會同縣城現(xiàn)行暴雨強(qiáng)度公式如下：

(2)

(3)

式中，P—設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，年；t—降雨歷時(shí)，min；i—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min。

水利洪水設(shè)計(jì)流量計(jì)算采用湖南省水利廳2015年修編的《湖南省暴雨洪水查算手冊》中的推理公式，洪峰流量(暴雨一致區(qū)第4區(qū))通過試算Rt/t=τ求得：

Qm=0.278×F×Rt/t

(4)

m=0.123×θ0.52

(5)

θ=L/(F1/4×J1/3)(θ≤25)

(6)

(7)

式中：Qm—洪峰流量，m3/s；Rt—時(shí)段徑流深，mm；t—時(shí)間，h；Ψ—地表水占總徑流的比例系數(shù)；F—匯水面積，km2；L—流域干流長度，km；J—干流平均坡降；τ—匯流歷時(shí)，h；θ—流域地理參數(shù)；m—流域匯流參數(shù)。

會同縣城Ⅰ區(qū)20年一遇的暴雨產(chǎn)生的雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算見表1。

國標(biāo)中計(jì)算降雨歷時(shí)從5～180min共11個(gè)，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度相差3.96倍。降雨歷時(shí)的選取根據(jù)集雨面積的大小，只有當(dāng)降雨歷時(shí)不小于集水時(shí)間(產(chǎn)匯流時(shí)間)，雨水流量為最大[4]。Ⅰ區(qū)地面集水時(shí)間按最大值15min，管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間按平均1m/s流速計(jì)算(2640/60)為44min。降雨歷時(shí)按60min選取，雨水設(shè)計(jì)流量為21.37m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手冊計(jì)算的7.73m3/s。國標(biāo)中的4.1.4條文說明雖然明確了內(nèi)澇防治系統(tǒng)是為應(yīng)對長降雨?duì)顟B(tài)下的排水安全，但沒有該工況下的設(shè)計(jì)雨水流量計(jì)算公式。其舉例美國丹佛市(面積小于25.9km2，最小降雨歷時(shí)為2h)和休斯敦市(面積小于0.8km2，最小降雨歷時(shí)為3h)卻相差甚大。4.1.7條文說明有歐盟規(guī)范要求：當(dāng)排水系統(tǒng)面積大于2km2或匯流時(shí)間大于15min時(shí)，應(yīng)采用非恒定流模擬進(jìn)行城市雨水管網(wǎng)水力計(jì)算。其面積與匯流時(shí)間也難匹配。

從表1可知：降雨歷時(shí)1h時(shí)和3h，國標(biāo)與水利方法雨強(qiáng)分別只相差9%(79.47/72.32)和-7.1%(37.86/40.53)，總降雨量基本一致(小于5%)?？梢?方法在計(jì)算20年一遇的暴雨時(shí)選取雨型基本一致。差別在于國標(biāo)是隨降雨歷時(shí)延長引入暴雨衰減指數(shù)，而水利是對設(shè)計(jì)暴雨同時(shí)進(jìn)行了時(shí)程分配，并以此計(jì)算確定了洪水過程線，如圖1所示。該差別導(dǎo)致的雨水設(shè)計(jì)流量相差2.76倍。

圖1 Ⅰ區(qū)20年一遇設(shè)計(jì)洪水過程線

表1 會同縣城Ⅰ區(qū)雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果表

從圖1可知，山丘區(qū)小集雨面積的洪水過程線十分“尖痩”。如果排澇泵站抽排的雨水流量不小于該洪峰流量，即便在沒有雨水調(diào)節(jié)設(shè)施和滯洪庫容時(shí)，也能滿足國標(biāo)要求的不澇標(biāo)準(zhǔn)。

國標(biāo)和水利雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算均是采用推理公式。國標(biāo)對設(shè)計(jì)暴雨的設(shè)定是在選取的降雨歷時(shí)內(nèi)，降雨強(qiáng)度不變。但其用于城市排澇泵站雨水流量計(jì)算時(shí)，卻有以下不足：①缺少地面集水和管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間計(jì)算的指導(dǎo)性經(jīng)驗(yàn)公式。GB 51222—2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》的3.3.2條雖然有地面集水時(shí)間計(jì)算式，但無流域干流平均坡降、地理(地面)和匯流參數(shù)的引入，當(dāng)?shù)匦纹露容^大時(shí)，集水時(shí)間明顯偏短。采用非恒定流模擬進(jìn)行城市雨水管網(wǎng)水力計(jì)算，由于城市完整、準(zhǔn)確的排水管網(wǎng)資料不易獲得、初始狀態(tài)和邊界條件不易設(shè)置以及計(jì)算較為復(fù)雜等，對小型設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的點(diǎn)多面廣的小城鎮(zhèn)項(xiàng)目，尚有難度。②考慮產(chǎn)匯流時(shí)間滯后影響不足。一次降雨過程扣除各種損失之后，經(jīng)坡面漫流與管網(wǎng)匯流，在時(shí)程上起了2次再分配的作用，使形成的徑流過程比降雨過程變化平緩，歷時(shí)增長，時(shí)間滯后[5]。一次降雨過程產(chǎn)生最大洪峰流量與出現(xiàn)時(shí)間，受最大雨強(qiáng)、總降雨量和流域大小及其地理(地面)匯流參數(shù)的共同影響，而非僅僅降雨歷時(shí)等于集水時(shí)間簡單。這也可從改版的《排水工程》[6]進(jìn)行的探索知曉。但水利方法計(jì)算的匯流歷時(shí)5.89h也偏長，主要是其研究面對的一般是植被良好的未開發(fā)區(qū)。這可與李德師等[7]采用InfoWorks ICM模擬相佐證。③沒有進(jìn)行暴雨時(shí)程分配，也沒提供洪水過程線的計(jì)算方法。在有雨水調(diào)節(jié)設(shè)施和滯洪時(shí)，洪量的問題不好解決。④國標(biāo)中綜合徑流系數(shù)取值變化大(0.7/0.2)，相差3.5倍，對最終結(jié)果的影響也大。在設(shè)計(jì)過程中有選取困難。從下面的工程實(shí)例看，在城鎮(zhèn)密集區(qū)偏大，在未開發(fā)區(qū)偏小，且偏離幅度較大。

3 工程實(shí)例

會同縣棕李排澇泵站于1997年12月動工興建，1998年6月投入運(yùn)行，排水區(qū)域?yàn)棰駞^(qū)。根據(jù)CJJ 50—92《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》采用重現(xiàn)期50年一遇標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)共安裝7臺32SA- 19J水泵機(jī)組，總排洪流量9.6m3/s(排洪峰)。泵房前池長×寬×高：52m×28m×4.7m，容積6406m3。限于當(dāng)時(shí)的條件和財(cái)力，1998年僅安裝了4臺。之后分別于2005、2008、2011年各安裝1臺。泵站自2011年以來至今，汛期基本能控制澇區(qū)內(nèi)部水位，滿足建筑物的底層不進(jìn)水。只是排水管網(wǎng)局部梗阻，排水能力不足時(shí)，導(dǎo)致雨水上翻至公路，最后匯于泵站前池。Ⅲ區(qū)的撇洪渠長2206m，縱坡2‰，3面砼襯砌。按50年一遇最大洪峰流量分3段設(shè)計(jì)，尾端最大斷面底寬1.5m，高2.5m，邊坡m=0.5，設(shè)計(jì)水深2.0m，設(shè)計(jì)撇洪流量11.7m3/s。最大撇洪流量17.7m3/s(水位平渠頂)。1998年3月建成運(yùn)行至今，經(jīng)調(diào)查2012年出現(xiàn)最大洪水，離渠頂0.3m，推算流量13.9m3/s。大于按國標(biāo)計(jì)算的6.6m3/s(20年一遇、降雨歷時(shí)60min、綜合徑流系數(shù)0.2)。

麻陽縣城北排澇泵站于2009年10月動工興建，2011年5月投入運(yùn)行。泵站控制集雨面積1.1km2，干流長度2.1km、干流平均坡降8.54‰。采用水利10年一遇24h暴雨24h排干(排洪量)標(biāo)準(zhǔn)，泵站排水流量2.1m3/s，滯洪洪量5.13萬m3?？紤]排水范圍內(nèi)民房密集，以80%范圍不積水受澇為原則，確定泵站排水流量為5.5m3/s(峰量結(jié)合)，共安裝4臺700ZLB- 85型立式軸流泵。泵房前池尺寸原設(shè)計(jì)長×寬×高為30m×18m×5.3m，容積2700m3。但實(shí)施過程中，由于征地拆遷困難，前池實(shí)際容積只有600m3。自投入運(yùn)行以來，造成城區(qū)較大面積淹沒，部分地段積水深近1.0m，積水時(shí)間超過1h。2020年由于排水范圍調(diào)整至2.2km2，在城北排澇泵站擴(kuò)容工程中，我院改用GB 50014—2021標(biāo)準(zhǔn)：20年一遇暴雨建筑物的底層不進(jìn)水。根據(jù)前期運(yùn)行情況及調(diào)研會商，最終排水流量選定為采用水利計(jì)算的洪峰流量15.9m3/s。增設(shè)2臺1400QZ- 85型潛水軸流泵，單機(jī)設(shè)計(jì)流量5.3m3/s。由于資金限制，目前僅安裝1臺。其運(yùn)行控制內(nèi)水位情況，我院會進(jìn)一步跟蹤驗(yàn)證。

4 結(jié)語

各地水利部門編制出版的暴雨洪水查算手冊，在水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程復(fù)核中被廣泛使用。并隨氣象水文資料系列的延長進(jìn)行修編，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會效益[8- 9]。其公式和參數(shù)的取用以實(shí)測資料反推的方法，不僅計(jì)算精度高，還可糾正理論假設(shè)引起的系統(tǒng)偏差。在暴雨頻率雨型一致和匯水面積、干流長度、干流平均坡降、徑流系數(shù)確定時(shí)，排澇泵站的最大雨水流量理應(yīng)是個(gè)定值。但城市流域的坡面匯流與管(渠)流、地表糙率復(fù)雜多變、不透水面積覆蓋率大等特征，必然有和天然流域不同的特點(diǎn)，其趨勢是地面下滲變少、匯流時(shí)間減小、洪峰流量增大。在水動力學(xué)法[10- 15]暫難普及時(shí)，建議采用傳統(tǒng)水文學(xué)法增加以上因子等進(jìn)行率定和驗(yàn)證，達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)間的一致[16]。