城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇積水計(jì)算分析

陳勇

（東營(yíng)市水文中心，山東 東營(yíng) 257000）

1 研究區(qū)范圍

東營(yíng)區(qū)隸屬山東省東營(yíng)市，位于魯北平原黃河三角洲地區(qū)。研究分析范圍東起東青高速，西至西六路，北起六干排，南至新廣蒲河，面積81.85 km2，下墊面硬化面積70%，綠化面積30%，有排澇泵站（井）44座，劃分為44個(gè)集水區(qū)域。

2 技術(shù)路線

城市積水區(qū)排澇受市政排水管網(wǎng)排水能力的限制，泵站最大排水流量即為實(shí)際排入河道的流量，因此本次排澇時(shí)長(zhǎng)計(jì)算模型的推導(dǎo)主要取決于時(shí)段內(nèi)產(chǎn)流總量與管道排水能力、泵站排水能力的關(guān)系。技術(shù)路線見圖1。

3 典型暴雨分析

根據(jù)短歷時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)規(guī)律，選取2021年7月12日3時(shí)至7月13日3時(shí)降水過(guò)程作為典型暴雨過(guò)程，采用水文比擬同倍比放大法分別計(jì)算不同量級(jí)最大24 h雨量暴雨縮放倍比，推求最大24 h 降水量50、100、150、200、250 mm 設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程。城區(qū)典型暴雨過(guò)程由區(qū)內(nèi)5 個(gè)雨量站（耿井、六戶、西城、萬(wàn)泉、李宅）同期的降雨資料采用算術(shù)平均法推求。不同量級(jí)最大24 h暴雨縮放倍比成果見表1。

表1 不同量級(jí)最大24 h暴雨縮放倍比成果表

4 區(qū)域產(chǎn)流、匯流及排水流量計(jì)算

4.1 徑流系數(shù)選取

根據(jù)《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，不同種類下墊面的徑流系數(shù)應(yīng)依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，缺乏資料時(shí)可參照表格取值。

4.2 綜合徑流系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中綜合徑流系數(shù)公式，采用加權(quán)平均的方法計(jì)算建設(shè)前后項(xiàng)目區(qū)綜合徑流系數(shù)，公式如下：

式（1）中：Ψz—綜合徑流系數(shù)；F—匯水面積，m2；Fi—匯水面積上各類下墊面面積，m2；Ψi—各類下墊面徑流系數(shù)。

城市化進(jìn)程擠占了雨水的流通和蓄滯空間，使得區(qū)域不透水面積增大、坡面匯流的流程縮短、洪水沿程糙率變小，極大改變了城市雨洪水文、水動(dòng)力學(xué)特性，導(dǎo)致城區(qū)徑流系數(shù)與徑流量增加。由于研究區(qū)監(jiān)測(cè)資料缺乏，此次計(jì)算不再細(xì)化東營(yíng)區(qū)各不透水層面積，將下墊面分為綠化分區(qū)和建構(gòu)筑物區(qū)兩大類。通過(guò)調(diào)查，東營(yíng)區(qū)城區(qū)整體綠化率在30%左右，則建構(gòu)筑物區(qū)占地比例為70%。綠地區(qū)雨量徑流系數(shù)為0.15，建構(gòu)筑物區(qū)主要以混凝土和瀝青路面為主，取雨量徑流系數(shù)0.85。

通過(guò)以上下墊面類型權(quán)重，可計(jì)算出東營(yíng)區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.64，在合理區(qū)間內(nèi)，可予以采用。

4.3 雨水徑流總量計(jì)算

研究區(qū)雨水徑流總量根據(jù)《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照下式計(jì)算：

式（2）中：W—徑流總量，m3；Ψ—雨量徑流系數(shù)；H—設(shè)計(jì)降雨量，mm；F—匯水面積，hm2。

4.4 匯流計(jì)算

城市排水系統(tǒng)立體式分層結(jié)構(gòu)顯著，使得城市的匯流機(jī)制遠(yuǎn)比天然流域復(fù)雜。城區(qū)產(chǎn)流后，原則上要經(jīng)過(guò)坡面（地面）匯流進(jìn)入市政排水管網(wǎng)，再由管網(wǎng)匯流至泵站。但考慮到東營(yíng)區(qū)地下管網(wǎng)較為密集，匯水區(qū)域雨量全部就近進(jìn)入管網(wǎng)，每條地下排水管匯水面積相對(duì)較小，坡面（地面）匯流距離較短，匯流時(shí)間可忽略不計(jì)，排澇時(shí)長(zhǎng)計(jì)算模型不考慮坡面（地面）匯流過(guò)程。

4.5 排水流量計(jì)算

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，排水管渠的流量，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式（3）中：Q—設(shè)計(jì)流量（m3/s）；A—水流有效斷面面積；v—流速（m/s）。

此模型僅考慮排水管道下游段出水口輸水能力，在上游端輸水能力足夠大的條件下，排水管渠流動(dòng)可近似為恒定均勻流，其流速應(yīng)按照曼寧公式計(jì)算：

式（4）中：k—轉(zhuǎn)換常數(shù)，國(guó)際單位制中值為1；v—流速（m/s）；R—水力半徑（m）；I—水力坡度，采用排水管的坡度；n—管渠粗糙系數(shù)。

對(duì)于研究水力坡度采用排水管的坡度，根據(jù)調(diào)查東營(yíng)區(qū)排水管坡度一般為1.20‰～3.00‰，采用中值1.50‰；排水管道材質(zhì)為混凝土管，粗糙系數(shù)采用0.013。

5 城區(qū)內(nèi)澇積水分析

5.1 假定條件

管道輸水能力按新管道處理，不考慮破損、淤積影響。

5.2 計(jì)算模型

城市地區(qū)下墊面多樣，不透水面積占比為0.70，在城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，產(chǎn)流計(jì)算一般是采用徑流系數(shù)法。對(duì)于調(diào)蓄能力較小的管道排水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)規(guī)模受最大流量控制，只需推求城市排水系統(tǒng)管道末端連接泵站處的設(shè)計(jì)流量（管道輸水能力）即可，采用曼寧公式法推求。考慮到研究區(qū)域總面積僅有81.85 km2，又分成44個(gè)小片區(qū)，管道排水系統(tǒng)規(guī)模較小，管道調(diào)蓄功能較小，故調(diào)蓄功能不予考慮。把研究區(qū)看作一個(gè)封閉的流域系統(tǒng)，44個(gè)泵站及其配套集水、排水管線系統(tǒng)分別看作封閉獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別采用水量平衡方程式進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

流域水量平衡是一個(gè)流域在任一時(shí)段內(nèi)，其收入的水量等于支出的水量、時(shí)段始末蓄水變量和流域內(nèi)外交換水量的代數(shù)和。水量平衡方程式如下：

式中：Px—時(shí)段內(nèi)流域平均降水量；Rs—出口斷面流出的徑流量；Eb—時(shí)段內(nèi)流域平均蒸發(fā)量；△wr—流域內(nèi)外交換水量；△Vn—流域內(nèi)蓄水變量。

流域有閉合流域和非閉合流域之分，對(duì)于非閉合流域，由其他流域進(jìn)入研究流域的地表徑流和地下徑流均不等于零，需要使用上述未省略通用水量平衡方程。

若流域?yàn)殚]合流域時(shí)，則無(wú)流域內(nèi)外的交換水量，通用的水量平衡方程中△wr 為零，故其水量平衡方程式為：Px=Rs+Eb+△Vn。

在此研究分析計(jì)算中，將計(jì)算單元區(qū)域看作閉合流域，△wr—流域內(nèi)外交換水量為零；△Vn—流域內(nèi)蓄水變量，即為城區(qū)積水變量；Rs—出口斷面流出的徑流量，即為泵站外排水量。

降雨期間，當(dāng)時(shí)段凈雨量累計(jì)值等于管道納水能力時(shí)，地面即將開始產(chǎn)生積水，時(shí)段浄雨量累計(jì)值超過(guò)管道納水能力，排水泵站開啟工作；時(shí)段凈雨量減時(shí)段排水量的差值為正值，地面積水量不斷累計(jì)增大，反之減小，當(dāng)?shù)孛娣e水量減為零時(shí)，泵站關(guān)停。一場(chǎng)長(zhǎng)歷時(shí)降雨過(guò)程，不同時(shí)段降雨強(qiáng)度不同，變化復(fù)雜多樣，地面積水會(huì)反復(fù)多次出現(xiàn)。

5.3 數(shù)值計(jì)算

利用城市積水分析模型模擬城區(qū)降雨積水、排澇過(guò)程，經(jīng)分析計(jì)算對(duì)比，東營(yíng)區(qū)城區(qū)2021年“7·12”典型暴雨（24 h）積水最長(zhǎng)時(shí)間17.70 h，東營(yíng)區(qū)城區(qū)重現(xiàn)期為1 年最大24 h 暴雨（50 mm）收水區(qū)域積最長(zhǎng)水時(shí)間9.20 h，重現(xiàn)期為3年最大24 h暴雨（100 mm）收水區(qū)域積水最長(zhǎng)時(shí)間19.20 h，重現(xiàn)期為5年最大24 h暴雨（150 mm）收水區(qū)域積水最長(zhǎng)時(shí)間29.50 h，重現(xiàn)期為10年最大24 h暴雨（200 mm）收水區(qū)域積水最長(zhǎng)時(shí)間39.90 h，重現(xiàn)期為20年最大24 h暴雨（250 mm）收水區(qū)域積水最長(zhǎng)時(shí)間53.60 h。

6 對(duì)策與建議

定期維修維護(hù)排水設(shè)施，保證排水管網(wǎng)暢通，重新布設(shè)個(gè)別路段雨水管線。使用大管徑管道重新布設(shè)雨水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雨污分流的同時(shí)增強(qiáng)收水區(qū)收水能力。加強(qiáng)污水排放管理，設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，污水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后，方可排入管道，提高市政排水泵站信息化運(yùn)行與管理水平。實(shí)現(xiàn)排水泵站的智能化運(yùn)行與管理，可以有效提升防洪除澇的整體效率；實(shí)現(xiàn)城市管理向現(xiàn)代化、信息化、智能化科學(xué)發(fā)展，確保城市安瀾。