一種基于極限強度理論計算初期雨水量的新方法

劉濟陽

一種基于極限強度理論計算初期雨水量的新方法

劉濟陽

（南京工大環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210037；江蘇省化工污染控制與事故應(yīng)急工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210037）

初期雨水池作為控制雨水面源污染的設(shè)施，其有效容積的合理確定對控制污染和節(jié)省投資至關(guān)重要。從雨水計算的極限強度理論出發(fā)，推導(dǎo)出一定條件下初期雨水容積的計算方法，并與常見計算方法進行對比，提出極限強度法和暴雨強度法計算中的臨界降雨歷時的概念，得出兩種方法的適用前提，方便后續(xù)應(yīng)用。

極限強度理論；初期雨水量；面源污染；臨界降雨歷時

在雨水系統(tǒng)設(shè)計中，初期雨水的收集越來越受到社會大眾和監(jiān)管部門的重視。初期雨水一般為降雨過程前10～ 20 min的降雨量，部分行業(yè)按降雨厚度法計算初期雨水 量[1-2]。兩種方法得出的初期雨水量差異較大，設(shè)計人員難以把握。

本文從雨水計算的極限強度理論出發(fā)，根據(jù)筆者的設(shè)計經(jīng)驗，對初期雨水量的確定進行探討。

1 極限強度法推理過程

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（2016年版）可知，化工廠污染區(qū)匯水面積一般不超2 km2，可采用推理公式法，即依據(jù)極限強度理論[3]計算雨水流量。對于小面積匯水區(qū)域，可將初期雨水收集池視為一個集流點。

雨水匯流如圖1所示。

圖1 雨水匯流圖示

設(shè)污染區(qū)匯水面積為，集流時間為0，降雨歷時為（＞0），則降雨歷時中的任意時刻，集流點的雨水設(shè)計流量為：

則初期雨水量為：

由式（3）可知，影響某一地區(qū)初期雨水量的因素主要有徑流系數(shù)、場地面積、暴雨重現(xiàn)期、降雨歷時和場地集水時間。而對確定的污染場地，初期雨水量僅與暴雨重現(xiàn)期和降雨歷時有關(guān)。

2 其他常見計算法

計算初期雨水量的其他常見方法有降雨厚度法和暴雨強度法[4]。

其計算過程和結(jié)果如表1所示。

表1 初期雨水量的常用計算方法對比

污染區(qū)匯水面積F=（200 m×115 m）2.3 hm2，徑流系數(shù)Ψ=0.95，降雨厚度取20 mm，南京市設(shè)計暴雨強度，地面集水時間τ0=5 min 降雨厚度法初期雨水量V1 =2.3 hm2×20 mm=460 m3 暴雨強度法初期雨水量V2=qψFt=0.131 1qt （4）（降雨歷時t，min；暴雨強度q，L/（s·hm2 ）） 降雨歷時/min81010.6212.341520 V2/m3（P=2a）330.3393.4411.8460.1527.9636.6 V2/m3（P=3a）369.2439.7460.3514.2590.0711.6

暴雨強度法的關(guān)鍵參數(shù)為降雨歷時，且暴雨強度隨時變化，而式（4）將降雨歷時的雨水流量視為定值，其計算結(jié)果不能令人信服。表1中，當(dāng)初期雨水量取460 m3時，降雨歷時分別為12.34 min（=2）和10.62 min（=3），對應(yīng)的平均降雨厚度為24.6 mm（=2）和24.2 mm（=3）。

3 極限強度法與暴雨強度法的對比

本節(jié)極限強度法計算采用的各參數(shù)均與表1相同。按式（3）計算的初期雨水量結(jié)果如圖2所示。圖2將暴雨強度法計算初期雨水量的結(jié)果一并繪出。

圖2 初期雨水計算結(jié)果簡圖

由圖2可知，當(dāng)降雨歷時為5 min時，匯水面積全流域參與徑流，其設(shè)計雨水流量最大，隨后雨水流量逐步減少。在同一重現(xiàn)期下，當(dāng)采用兩種計算方法得出的初期雨水量相同時，對應(yīng)的降雨歷時暫且稱為臨界降雨歷時0。本算例0=16.4 min（圖2標(biāo)注點），初期雨水總量分別為560 m3（=2）和626 m3（=3）。當(dāng)降雨歷時＜0時，暴雨強度法計算結(jié)果大于極限強度法計算結(jié)果，設(shè)計中采用暴雨強度法計算初期雨水量較為穩(wěn)妥。而當(dāng)降雨歷時＞0時，情形恰好相反。

4 關(guān)于臨界降雨歷時

由式（3）和式（4）知，臨界降雨歷時0僅與暴雨強度公式中，和污染場地集水時間0有關(guān)。對于特定地區(qū)，臨界降雨歷時僅與場地集水時間0有關(guān)。

由圖2可知，計算初期雨水量時，若降雨歷時＜0= 16.4 min，采用暴雨強度法比較穩(wěn)妥；而降雨歷時＞0= 16.4 min，則采用極限強度法穩(wěn)妥。

根據(jù)式（3）和式（4），采用單變量求解可得出場地集水時間和臨界降雨歷時的對應(yīng)關(guān)系。

5 極限強度法的應(yīng)用

暴雨強度法修正系數(shù)如圖3所示。設(shè)計時可根據(jù)項目所在地、場地集水時間和相應(yīng)臨界降雨歷時，選用相應(yīng)的方法確定初期雨水池容積。為使極限強度法方便實用，設(shè)計時可按照暴雨強度法計算初期雨水池容積，然后查圖3（僅限南京地區(qū)），根據(jù)數(shù)據(jù)點落入的區(qū)域?qū)⒈┯陱姸确ㄓ嬎憬Y(jié)果進行修正，即得出初期雨水池的有效容積。但是，無論采用何種計算方法，初期雨水池的有效容積均不應(yīng)小于按降雨厚度法得出的計算結(jié)果。

圖3 暴雨強度法修正系數(shù)

6 結(jié)束語

計算初期雨水池有效容積時，降雨厚度法和暴雨強度法的使用較為廣泛，但均存在不足。本文從降雨過程和雨水流量的動態(tài)變化出發(fā)，推導(dǎo)出計算初期雨水量的新方法（暫稱為極限強度法），并將其與暴雨強度法對比，得出如下論斷：對特定地區(qū)而言，臨界降雨歷時0僅與污染場地的集水時間0有關(guān)；若降雨歷時＜0，采用暴雨強度法穩(wěn)妥；而降雨歷時＞0，則采用極限強度法穩(wěn)妥；極限強度法計算過程較為煩瑣，但對暴雨強度法計算結(jié)果進行適當(dāng)修正，即可快速穩(wěn)妥地確定初期雨水池的有效容積。

［1］劉進龍，何小娟，李瑾，等.SH/T 3024—2017石油化工環(huán)境保護設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國石化出版社，2017.

［2］中國石油和化工勘察設(shè)計協(xié)會，東華工程科技股份有限公司，中國成達工程公司，等.GB 50684—2011化學(xué)工業(yè)污水處理與回用設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［3］孫慧修.排水工程（上冊）［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］王棟成，王靜，林國棟.建設(shè)項目應(yīng)急事故水池容積確定技術(shù)方法研究及應(yīng)用［J］.環(huán)境工程，2011，29（2）：112-115.

TU992

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.014

2095－6835（2020）08－0039－02

劉濟陽（1983—），男，湖北京山人，東南大學(xué)環(huán)境工程碩士，工程師（注冊給排水工程師），從事建筑給排水及市政給排水相關(guān)設(shè)計工作。

〔編輯：嚴麗琴〕