從城區排澇洪峰流量計算分析內澇成因

2011-08-08 08:23:12鄧柏旺

城市道橋與防洪 2011年12期

鄧柏旺

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 前言

面對多個城市因暴雨發生嚴重內澇，排澇系統遭質疑，現就排澇系統從設計角度分析其產生洪澇原因。城市排澇系統主要包含城市排水管道、城市河道、蓄滯洪區。通常一般城市由于用地緊張，不會留有蓄滯洪區，排澇系統常常由排水管道、泵站及河道組成。無論城市排澇系統有無蓄滯洪區，其最終排出城區的河道（或管道）出口斷面規模，決定城區是否產生內澇。城區的河道（或管道）出口斷面規模由設計洪峰流量確定。

1 常用排澇洪峰流量計算公式及適用條件

1.1 市政系統雨水流量公式[2]為：

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

1.2 水利系統的計算公式

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為設計洪峰流量，m3/s；ψ為洪峰流量徑流系數；S為設計頻率暴雨雨力，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；L為主河槽長度，km；m為匯流參數；J為主河槽坡降。

1.3 河道（管道）水力計算公式[6]

城區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。計算降雨重現期一般按 0.25 a、0.33 a、0.5 a、1 a、2 a、3 a、5 a、10 a統計。水利系統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雨量統計值；計算降雨重現期一般按 5 a、10 a、20 a、30 a、50 a、100 a、200 a、500 a等統計。故兩個系統計算公式之間存在一定差異，主要體現在：

（1）暴雨強度公式和水利系統公式的推求方法存在差別。水利系統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）市政系統公式采用短歷時，水利系統公式采用長歷時。簡單舉例說明：如果暴雨公式采用的1 h代表雨量，水利系統采用的是典型24 h降雨過程，水利系統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，兩個系統計算公式計算成果相差越大。

（3）重現期選取市政系統與水利系統的防洪標準相差很大。防洪標準一般20 a一遇以上，雨水重現期一般取1～2 a。這是由于統計樣本不一樣而產生的差異。

“近年來，在中央及地方的大力推動下，各地鄉村旅游獲得了長足發展。”周玲強說，一些先進地區涌現了度假、休閑、康養等業態，鄉村旅游進入新的發展階段；一些后發地區，通過發展鄉村旅游實現了人居環境改善、生活品質提升，并逐步推動鄉村旅游提質升級。

（4）對于設計雨型、匯水面積的假設條件也同實際存在差別。

1.4.2 兩個系統計算公式適用條件

市政系統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的城鎮或工廠的雨水管渠或排洪溝渠的設計雨水排放問題[7]。采用此公式計算城區排洪河道的設計洪峰流量將產生如下問題：暴雨重現期偏大，使設計降雨強度偏大，導致設計洪峰流量偏大；降雨強度在設計暴雨時段內是變化的，將導致降雨強度偏大也即是設計洪峰流量偏大；匯水面積隨集流時間的增長速度可能不確定，對設計洪峰流量的影響也不確定。因此它直接用于城區排洪河道設計洪峰流量計算，成果將存在偏差。

水利系統計算公式適用于流域面積小于500 km2的區域；不適用于巖溶、泥石流及各種人為措施影響嚴重的地區[8]。產流階段，其設計凈雨和穩滲流率的推導是基于天然河流的降雨與徑流關系推求的，而城區受到人為措施影響嚴重，改變了自然狀態下的產流規律。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情況下的匯流規律推求的，與城區條件不相適應。洪峰流量徑流系數ψ同流域匯流時間τ、平均下滲濾等參數相關采用此公式計算，將導致如下問題：計算的穩滲流率較實際偏大而使設計凈雨偏小即洪峰流量偏小；計算的流域匯流時間τ較實際偏大而使設計洪峰流量偏小；計算洪峰流量徑流系數ψ較實際偏小而使設計洪峰流量偏小。由此可見，此公式用作城區排洪河道設計洪峰流量計算，也存在著不足。

通過以上分析，也有部分設計人員認為從重現期的選擇上來看，防洪標準重現期遠大于排水標準的重現期，意味著防洪標準的設計暴雨大多情況下大于排水系統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系統而直接匯流至排洪河道。本文認為，暴雨公式已經通過徑流系數考慮該問題，它通過徑流系數的調整來考慮匯流的流量大小，當雨水流量大于管道設計的流量，則意味著已經超過設計標準。水利系統計算公式也可以通過徑流系數來調整穩滲流率及匯流時間的影響。當整片面積都為硬質，理論上徑流系數可以取上限值1.0。徑流系數，在城市雨水量估算中宜采用城市綜合徑流系數,一般取值在0.2～0.85。水利系統采用洪峰徑流系數，等于形成洪峰的凈雨量與降雨量之比值，一般在0.7～1.0。兩個系統計算公式徑流系數的取值應當通過工程當地實地測量確定，按規范取值區間較大。

兩個系統計算公式主要區別還是在于在洪峰時段內的凈雨量取值，如果市政系統在某個重現期下洪峰時段凈雨與水利系統某個重現期下凈雨相等，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驗，城區排洪河道設計洪峰流量計算需要同時考慮管道排水及河道排水。河道兩側城區可根據每條主干管覆蓋的集雨面積劃分成若干區塊，每個區塊建議采用市政系統計算公式計算洪峰流量，根據洪峰流量采用簡單的三角形法繪制流量過程線。各區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排水系統的洪峰流量計算成果，又考慮了水利系統的等流時線法原理，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白石港流域里的某條支流為例進行計算。云龍示范區為長株潭“兩型社會”的重點試驗區，該片區東西及北面地勢高，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準100 a一遇，現狀兩岸為原始地貌，總匯水面積39.17 km2,上游28.16 km2匯水通過水庫調蓄，從水庫往下游將進行示范區建設，該區即將城市化。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10個控制斷面。

本文分別用兩個系統計算方法計算設計標準下的洪峰流量，其結果見表1所列。市政系統公式統計了各控制斷面的流量，設計暴雨重現期P=2 a，徑流系數取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。水利系統公式分別按單位線法及推理公式法進行統計，設計洪水標準采用100 a一遇，徑流系數取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）。