城鎮(zhèn)暴雨排泄能力設(shè)計(jì)影響因素探討

王偉卓 王業(yè)福

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林 132012; 2.吉林市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，吉林吉林 132001)

0 引言

城鎮(zhèn)汛期暴雨已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，如不能妥善排放，將會造成人民群眾財(cái)產(chǎn)損失甚至威脅生命。2012年北京7·21特大暴雨不僅造成首都巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且190余萬人受災(zāi)［1］。因此，城市暴雨的排放已經(jīng)成為城市化建設(shè)的一個不容忽視的方面。

1 問題的提出

雨水管網(wǎng)系統(tǒng)是市政工程重要的組成部分，是城市發(fā)展重要的基礎(chǔ)設(shè)施，同時也是城市防洪工程中不可缺少的。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市生產(chǎn)力不斷擴(kuò)大，由此帶來的一系列環(huán)境問題愈發(fā)凸顯。這些問題主要體現(xiàn)在城市的水文效應(yīng)、水文環(huán)境的變化上，給城市的內(nèi)澇排泄、城市環(huán)境、城市防洪等帶來一系列新問題［2］。

例如，由于城市化的建設(shè)導(dǎo)致的公路覆蓋率提高，使得地面的保水、滯洪能力下降，雨水徑流量變大，最終使徑流系數(shù)變化而引起設(shè)計(jì)上參數(shù)選取的變化(見表1)。非鋪砌土地面與各種屋面、混凝土和瀝青路面的徑流系數(shù)分別為0.30和0.90。

由于城市化帶來的影響因素較多，各因素對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響程度并不一致，而且雨水系統(tǒng)同時存在新建和改造兩種情況，為了經(jīng)濟(jì)合理的配合城市化進(jìn)程，需要了解各影響因素的權(quán)重，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇方法。

表1 不同地面的徑流系數(shù)［3］

2 城市化對雨水系統(tǒng)主要影響

2.1 降雨量的變化

通過對北京市水文情態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)總結(jié)［4］，得出的結(jié)論主要有以下幾個方面:

1)市區(qū)降雨量大于郊區(qū)降雨量;2)城內(nèi)各區(qū)差異顯著，以市區(qū)為中心向外依次減小。

2.2 產(chǎn)流方面

由于城市化的加深，天然流域下墊面已經(jīng)變?yōu)橐晕菝?、混凝土和瀝青路面、廣場等不透水材料為主的地面，非鋪砌土地面大大減少，從而使地面下滲能力減弱，徑流總量、洪峰流量顯著增加［5］。

2.3 匯流方面

隨著城市化發(fā)展、城區(qū)擴(kuò)大，由于城市不透水地面面積的顯著增加，使徑流系數(shù)隨之提高，見表1。

3 雨水系統(tǒng)計(jì)算主要方法

3.1 設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度

我國采用的暴雨強(qiáng)度公式為［6］:

式中:q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度;

t——降雨歷時;

P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期;

A1，C，n，b——待定參數(shù)。

3.2 集水時間

集水時間由地面集水時間和雨水在管道中流到設(shè)計(jì)斷面所需的流行時間組成，公式為:

其中，t1為地面集水時間;m為折減系數(shù);Li為設(shè)計(jì)斷面上游各管道的長度;vi為上游各管道中設(shè)計(jì)流速。

3.3 管段設(shè)計(jì)流量

一般城市的雨水管道的匯水面積較小，在整個匯水面積上能產(chǎn)生全面積的徑流，稱為完全徑流，即雨水灌渠設(shè)計(jì)流量，或稱為實(shí)際地面徑流量，公式為:

其中，φ為徑流系數(shù);F為計(jì)算匯水面積。由式(1)～式(3)聯(lián)立，可以得到管段i設(shè)計(jì)流量為:

其中各符號意義同前。

由于雨水管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于管段設(shè)計(jì)流量的計(jì)算，故通過討論式(4)就可以得出對設(shè)計(jì)流量影響較大的參數(shù)，即雨水管道設(shè)計(jì)權(quán)重最大影響因素。

4 算例分析

分析式(4)容易看出:選取某一指定區(qū)域后，公式中A1，C，n，b為恒定值;折減系數(shù)m只與排放方式有關(guān);匯水面積Fk由選定的區(qū)域確定，在區(qū)域劃分不變的情況下，以上各參數(shù)均對設(shè)計(jì)流量計(jì)算無明顯影響。

地面集水時間t1由地形坡度和地面覆蓋情況決定，由于地面材料會影響徑流系數(shù)，故將t1與φ視為同一影響因子;徑流系數(shù)φ與暴雨重現(xiàn)期P均為需要主觀選取的指標(biāo)。

表2 北京市暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)表

現(xiàn)在以北京市為例子試著計(jì)算并且比較徑流系數(shù)φ與暴雨重現(xiàn)期P對設(shè)計(jì)流量的影響權(quán)重，北京市暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)如表2所示。

1)暴雨重現(xiàn)期是指在相當(dāng)長的時間序列中，不小于某個指標(biāo)出現(xiàn)的可能性，重現(xiàn)期越大，降雨強(qiáng)度就越大，其取值依照地區(qū)主要程度一般在0.5～5之間。

徑流系數(shù)φ保持不變時，分別按照一般重要地區(qū)和重要地區(qū)相應(yīng)取P=3和P=5計(jì)算如下:

2)徑流系數(shù)在工程師設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用“區(qū)域綜合徑流系數(shù)”進(jìn)行近似，其數(shù)值已經(jīng)考慮了植被、地面等因素，區(qū)域綜合徑流系數(shù)和城市區(qū)域綜合徑流系數(shù)分別見表3，表4［7］。

表3 區(qū)域綜合徑流系數(shù)

表4 城市區(qū)域綜合徑流系數(shù)

當(dāng)暴雨重現(xiàn)期不變的時候，分別按照城市郊區(qū)和城市市區(qū)或者按照建筑較稀和建筑稠密，相應(yīng)分別取φ=0.5和φ=0.7計(jì)算公式如下:

5 討論與結(jié)論

兩次計(jì)算均可得到，調(diào)整計(jì)算中暴雨強(qiáng)度和徑流系數(shù)參數(shù)后，計(jì)算結(jié)果差異顯著;在各計(jì)算因素都沒有發(fā)生改變的情況下，徑流系數(shù)取值的改變對設(shè)計(jì)流量的影響明顯高于暴雨重現(xiàn)期的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論:

1)對于城鎮(zhèn)雨水排放系統(tǒng)計(jì)算，主要方面之一在于設(shè)計(jì)流量的計(jì)算，而計(jì)算過程中參數(shù)以暴雨重現(xiàn)期和徑流系數(shù)對結(jié)果影響較大，準(zhǔn)確合理的選擇參數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵;

2)由兩次計(jì)算結(jié)果比較，對于設(shè)計(jì)流量計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)中，徑流系數(shù)權(quán)重高于暴雨重現(xiàn)期，且暴雨重現(xiàn)期取值范圍較小，對計(jì)算結(jié)果影響有限;

3)城市暴雨排放難度加大主要由于城市化進(jìn)程加快，大量郊區(qū)或者較稀居住區(qū)被城市擴(kuò)展吞并成為較為稠密的市中心地帶，使得不透水地面比例大幅上升，而非設(shè)計(jì)采用了較小暴雨重現(xiàn)期所致;

4)由于城市化過程中大量雨水管道均為原有，全部翻新并不現(xiàn)實(shí)，故在建設(shè)城市的同時，應(yīng)合理安排城市布局，建設(shè)公園綠地等公共設(shè)施，平衡不透水地面面積。

［1］ 李松濤.北京暴雨引發(fā)人身財(cái)產(chǎn)安全思考［N］.中國青年報(bào)，2012-07-27.

［2］ 21世紀(jì)的中國城市化發(fā)展信息來源［N］.中國經(jīng)濟(jì)時報(bào)，2006-12-14.

［3］ 嚴(yán)煦世，劉遂慶.給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］ 曾暢云.水環(huán)境安全及其指標(biāo)體系研究——以北京市為例［D］.北京：首都師范大學(xué)，2006.

［5］ 朱元生.城市水文學(xué)［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［6］ GB 50014-2006，室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］ 于爾捷，張 杰.給水排水工程快速設(shè)計(jì)手冊2：排水工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.