從城區(qū)排澇洪峰流量計算分析內(nèi)澇成因

鄧柏旺

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 前言

面對多個城市因暴雨發(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)計洪峰流量確定。

1 常用排澇洪峰流量計算公式及適用條件

1.1 市政系統(tǒng)雨水流量公式[2]為：

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

1.2 水利系統(tǒng)的計算公式

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為單位時段；hi為時段凈雨量，mm/s；Qi為時段流量，m3/s。

1.2.2 推理公式[4]

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

1.3 河道（管道）水力計算公式[6]

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

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為河道長度，m；T為河道匯流時間，s。

1.4 適用條件

1.4.1 兩個系統(tǒng)計算公式之間的差異

由于暴雨強度公式計算降雨歷時采用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min共九個歷時。計算降雨重現(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。水利系統(tǒng)公式計算歷時采用近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)計值；計算降雨重現(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。故兩個系統(tǒng)計算公式之間存在一定差異，主要體現(xiàn)在：

（1）暴雨強度公式和水利系統(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樣法推求。

（2）市政系統(tǒng)公式采用短歷時，水利系統(tǒng)公式采用長歷時。簡單舉例說明：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刻的雨量不一定與暴雨公式采用的峰值時刻雨量一致，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里，也可能不是。匯流時間越短，兩個系統(tǒng)計算公式計算成果相差越大。

（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下，各地鄉(xiāng)村旅游獲得了長足發(fā)展?！敝芰釓娬f，一些先進地區(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)村旅游實現(xiàn)了人居環(huán)境改善、生活品質(zhì)提升，并逐步推動鄉(xiāng)村旅游提質(zhì)升級。

（4）對于設(shè)計雨型、匯水面積的假設(shè)條件也同實際存在差別。

1.4.2 兩個系統(tǒng)計算公式適用條件

市政系統(tǒng)計算公式適用匯水面積較小 (一般小于100 km2)、集水時問在60～120 min的城鎮(zhèn)或工廠的雨水管渠或排洪溝渠的設(shè)計雨水排放問題[7]。采用此公式計算城區(qū)排洪河道的設(shè)計洪峰流量將產(chǎn)生如下問題：暴雨重現(xiàn)期偏大，使設(shè)計降雨強度偏大，導(dǎo)致設(shè)計洪峰流量偏大；降雨強度在設(shè)計暴雨時段內(nèi)是變化的，將導(dǎo)致降雨強度偏大也即是設(shè)計洪峰流量偏大；匯水面積隨集流時間的增長速度可能不確定，對設(shè)計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)計洪峰流量計算，成果將存在偏差。

水利系統(tǒng)計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，公式中流域匯流時間τ的計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同流域匯流時間τ、平均下滲濾等參數(shù)相關(guān)采用此公式計算，將導(dǎo)致如下問題：計算的穩(wěn)滲流率較實際偏大而使設(shè)計凈雨偏小即洪峰流量偏?。挥嬎愕牧饔騾R流時間τ較實際偏大而使設(shè)計洪峰流量偏?。挥嬎愫榉辶髁繌搅飨禂?shù)ψ較實際偏小而使設(shè)計洪峰流量偏小。由此可見，此公式用作城區(qū)排洪河道設(shè)計洪峰流量計算，也存在著不足。

通過以上分析，也有部分設(shè)計人員認(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)計的流量，則意味著已經(jīng)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。水利系統(tǒng)計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。兩個系統(tǒng)計算公式徑流系數(shù)的取值應(yīng)當(dāng)通過工程當(dāng)?shù)貙嵉販y量確定，按規(guī)范取值區(qū)間較大。

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

通過以上分析及多個工程計算經(jīng)驗，城區(qū)排洪河道設(shè)計洪峰流量計算需要同時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，每個區(qū)塊建議采用市政系統(tǒng)計算公式計算洪峰流量，根據(jù)洪峰流量采用簡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河道后，按河道水力條件計算過流時間，出口斷面的洪峰流量按考慮河道匯流時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)的洪峰流量計算成果，又考慮了水利系統(tǒng)的等流時線法原理，較符合實際。

2 計算工程實例

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行計算。云龍示范區(qū)為長株潭“兩型社會”的重點試驗區(qū)，該片區(qū)東西及北面地勢高，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匯水通過水庫調(diào)蓄，從水庫往下游將進行示范區(qū)建設(shè)，該區(qū)即將城市化。從水庫至白石港河道長度為3.46 km，平均比降0.1% ，按排水管道布置情況，共設(shè)10個控制斷面。

本文分別用兩個系統(tǒng)計算方法計算設(shè)計標(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)計了各控制斷面的流量，設(shè)計暴雨重現(xiàn)期P=2 a，徑流系數(shù)取0.6。選取了3種工況：考慮河道匯流時間影響后各控制斷面流量疊加（見圖1）、不考慮河道匯流時間影響各控制斷面流量疊加、各控制斷面面積累加后再進行流量計算。水利系統(tǒng)公式分別按單位線法及推理公式法進行統(tǒng)計，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 a一遇，徑流系數(shù)取0.85。本文分析了一場降雨歷時長短（6 h、8 h、12 h、24 h）對設(shè)計洪峰流量的影響（見表2、圖2）；分析了6 h降雨歷時各控制斷面之間河道1倍匯流時間、2倍匯流時間、3倍匯流時間等各控制斷面匯流時間長短對洪峰流量影響（見表3、圖3）。

表1 洪峰流量計算成果一覽表

圖1 工況1之考慮河道匯流時間影響后通過各控制斷面的流量過程圖

表2 各降雨歷時對應(yīng)洪峰流量計算成果一覽表

圖2 降雨歷時與洪峰流量關(guān)系曲線圖

表3 6 h降雨歷時各倍比河道匯流時間對應(yīng)洪峰流量計算成果一覽表

圖3 區(qū)間匯流時間與洪峰流量關(guān)系曲線圖

3 結(jié)果分析

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

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

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

（4）同一河道匯流時間，降雨歷時越短，洪峰流量越小，反之越大。

（6）市政排水設(shè)計主要滿足短歷時排澇，對于長歷時降雨，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，加長匯流時間和蓄洪水量；其二設(shè)計過程中采用長歷時降雨校核，或水利系統(tǒng)計算成果校核，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應(yīng)采用當(dāng)?shù)亟?jīng)常性的降雨歷時進行匯流計算，避免簡單的按短歷時計算，避免簡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)計算理論，采用統(tǒng)一的峰值降雨量和降雨歷時，兩個系統(tǒng)計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時進行科學(xué)統(tǒng)計后，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行城市排澇設(shè)計。

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