不同破壞率條件下排水管道和河道排澇的關(guān)系

白 丹

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

1 引言

在管道設(shè)計時，一般優(yōu)先考慮管道排水能力，當(dāng)排水能力滿足時才會考慮管道排水出口水位設(shè)計是否對管道排水產(chǎn)生頂托破壞[1～3]；當(dāng)城市發(fā)生特大暴雨或者暴雨時，即使管道排水能力滿足排水要求，但是如果管道出水口和河道銜接處水文條件不相符時，就會出現(xiàn)管道受頂托破壞，積水無法正常排出，出現(xiàn)城市洪水內(nèi)澇[4]，同時如果排水能力過高會造成經(jīng)濟(jì)成本過高，與現(xiàn)代社會高質(zhì)量發(fā)展背道而馳。

2 研究方法

本次研究以宿遷市為例，宿遷地處江蘇省西北部，北緯32°58′～34°25′、東經(jīng)117°56′～119°10′。全市總面積為8555km2，其中陸地面積占77.6%。

本次研究方法如下：

(1)選取具有代表性的雨量站。宿遷市可供選擇的雨量站較多，本次研究盡量選取具有代表性的雨量站(則以宿遷閘站為代表站)，進(jìn)而對宿遷閘站的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、審查，使之滿足可靠性、一致性和代表性。

(2)次暴雨劃分。根據(jù)以往次暴雨劃分經(jīng)驗，對整理的降雨數(shù)據(jù)以特征因子進(jìn)行劃分，特征因子包括次暴雨間隔時間和間隔時間內(nèi)雨量[5]。

(3)整理不同時長的降雨。從上述步驟劃分的次暴雨，統(tǒng)計典型降雨場次的最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h降雨，記錄每場降雨起始時間及24 h降雨中的連續(xù)最大1 h雨量，記為X1。

(4)利用年最大值法繪制頻率曲線。根據(jù)步驟3選取的初篩降雨，采用年最大值法選取各個時段的樣本，在此基礎(chǔ)上，將各個歷時降雨的樣本進(jìn)行從大到小的排序[6]，并對排序的樣本進(jìn)行P-Ⅲ曲線配線[7]，利用參數(shù)和經(jīng)驗得出最佳配合的曲線，記錄得到的統(tǒng)計參數(shù)，此時的頻率曲線和統(tǒng)計參數(shù)就是河道實際頻率曲線和統(tǒng)計參數(shù)，用于步驟(5)讀數(shù)。

(5)以2a重現(xiàn)期說明此步驟：在步驟(4)中繪制的頻率曲線圖中，讀出時段為1 h的頻率曲線上重現(xiàn)期為2a的設(shè)計雨量值，將這個雨量記為X1p。如果在場次降雨中最大1 h的降雨量大于記錄的X1p，那么說明此時管道已經(jīng)發(fā)生頂托破壞，不再具有排水能力，此次降雨被記為不合格降雨，從所選樣本中剔除，留下所有小于記錄值X1p的樣本，此時的樣本不會使管道發(fā)生頂托破壞能夠進(jìn)行正常排水[8]。重復(fù)此步驟，選出符合條件的降雨，組成新的24 h時段降雨過程的樣本。

(6)采用年最大值法，步驟(5)中符合條件的降雨過程中每年選出一個24 h最大降雨量，組成一個新的樣本，并在幾率格紙上點繪頻率曲線，這個曲線圖就是管道正常排水條件下的暴雨頻率曲線。把這個頻率也稱為管道在正常排水條件下，河道澇水影響管道正常排水的破壞頻率[9]。

(7)在步驟(6)中頻率曲線圖上讀取24 h破壞率(10%、5%、3.33%)相對應(yīng)的設(shè)計雨量，該設(shè)計雨量就是步驟(6)中提到的不同設(shè)計時段下河道對管道具有頂托作用的設(shè)計雨量Xp。在步驟(4)中繪制的天然條件下河道排澇暴雨頻率曲線中在各自對應(yīng)時段的頻率曲線上查出Xp對應(yīng)的頻率P，并根據(jù)查得的頻率算出不同破壞率下管道不同重現(xiàn)期下對應(yīng)河道排澇標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計重現(xiàn)期T(T=1/P)[10，11]。

3 破壞率曲線的繪制

破壞率是指河道排澇對管道排水產(chǎn)生影響的頻率(例如，當(dāng)破壞率為5%，管道受河道高水位頂托的情況平均每20年發(fā)生一次，那么，對于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為2年一遇的管道，正常排水受到破壞的次數(shù)從20年發(fā)生10次增加到了20年發(fā)生11次，發(fā)生的重現(xiàn)期為1.82年。根據(jù)宿遷閘站設(shè)計時段為1 h不同重現(xiàn)期下的設(shè)計雨量值X1p。每年選出一個滿足最大1 h雨量但不大于X1p的最大24 h雨量來點繪頻率曲線，這時的頻率代表當(dāng)管道處于正常排水條件下河道澇水影響管道正常排水的破壞率。

根據(jù)上述步驟，梳理篩選出符合條件的24 h雨量的新樣本，見下表1；破壞率頻率曲線分布見圖1～圖3。

表1 符合條件的24 h雨量 mm

4 分析管道排水與河道排澇標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系

根據(jù)圖1～圖3的破壞頻率曲線,通過多次讀數(shù)(避免產(chǎn)生由個人原因?qū)е碌淖x數(shù)誤差)，得出在不同重現(xiàn)期下24 h設(shè)計雨量對應(yīng)的不同破壞率下的河道排澇設(shè)計雨量。讀出其設(shè)計雨量。

通過所讀數(shù)據(jù)可知：管道排水設(shè)計重現(xiàn)期相同，破壞率隨著河道排澇設(shè)計雨量減小而增大，即降雨量越小，管道和河道銜接處水文條件相差越大，管道越容易發(fā)生頂托破壞；相同降雨歷時、破壞率，管道排水設(shè)計重現(xiàn)期隨著河道排澇設(shè)計雨量的增大而增大，即河道排澇設(shè)計雨量越大要求管道排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)越高，此時兩者的水文條件一致，可以銜接排澇。

根據(jù)圖1～圖3的破壞頻率曲線,通過多次讀數(shù)，得出的宿遷閘站河道排澇對應(yīng)的重現(xiàn)期。

圖3 宿遷閘站5a重現(xiàn)期下破壞頻率曲線

通過所讀數(shù)據(jù)可知，當(dāng)管道排水設(shè)計重現(xiàn)期為2年一遇時，3種破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期分別為5.2 a、8.5 a、11.6 a；當(dāng)管道排水設(shè)計重現(xiàn)期為3年一遇時，3種破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期分別為6.0 a、10.2 a、13.4 a；當(dāng)管道排水設(shè)計重現(xiàn)期為5年一遇時，3種破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期分別為8.4 a、16.9 a、28.4 a。

圖2 宿遷閘站3a重現(xiàn)期下破壞頻率曲線

由以上分析可知，管道排水設(shè)計重現(xiàn)期一定，河道排澇的重現(xiàn)期增大，要使管道正常排水，要求管道具有更高的排水標(biāo)準(zhǔn)，且破壞率越小道排澇重現(xiàn)期越大，則管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)越大；重現(xiàn)期越大，相同破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期越大，要管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更高；重現(xiàn)期越小，破壞率越小，河道排澇重現(xiàn)期遞增的越快，即重現(xiàn)期越小，管道排水與河道排澇銜接處水文條件差異越大，越容易發(fā)生頂托破壞。

5 與既有成果的比較

(1)2015年江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室根據(jù)新形勢下江蘇省城市排水防澇規(guī)劃建設(shè)的要求，對城市管網(wǎng)排水與河道排澇標(biāo)準(zhǔn)相銜接的計算方法及成果進(jìn)行復(fù)核。

通過對比發(fā)現(xiàn)，江蘇省管道排水與河道排澇重現(xiàn)期的關(guān)系與本次研究一致，即：管道排水設(shè)計重現(xiàn)期相同，破壞率隨著河道排澇設(shè)計雨量減小而增大；相同降雨歷時、破壞率，管道排水設(shè)計重現(xiàn)期隨著河道排澇設(shè)計雨量的增大而增大。

(2)再將本次宿遷市研究成果與江蘇省研究成果進(jìn)行對比，對比結(jié)果見圖4。

圖4 不同重現(xiàn)期下宿遷閘站與江蘇省研究成果對比

通過對2、3、5 a的重現(xiàn)期下的宿遷市閘站與江蘇省研究成果的柱狀圖比可知：宿遷市和江蘇省變化趨勢一致，即相同重現(xiàn)期下，河道排澇設(shè)計暴雨重現(xiàn)期隨著破壞率的減小而增加[12～16]。

6 結(jié)論與討論

本文選擇宿遷市作為研究對象，引入破壞率對暴雨資料進(jìn)行統(tǒng)計選樣，采用P-Ⅲ頻率曲線對其進(jìn)行配線，得出在不同破壞率條件下的管道排水與河道排澇的關(guān)系，研究表明：管道排水設(shè)計重現(xiàn)期一定，河道排澇的重現(xiàn)期增大，要使管道正常排水，要求管道具有更高的排水標(biāo)準(zhǔn)，且破壞率越小道排澇重現(xiàn)期越大，則管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)越大；重現(xiàn)期越大，相同破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期越大，要管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更高；重現(xiàn)期越小，破壞率越小，河道排澇重現(xiàn)期遞增的越快，即重現(xiàn)期越小，管道排水與河道排澇銜接處水文條件差異越大，越容易發(fā)生頂托破壞，故而對于重現(xiàn)期越小的降雨更注重管道排水的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。。因此要使管道排水與河道排澇銜接順利，排水不發(fā)生頂托破壞，往往要求河道排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更高。