城鎮暴雨排泄能力設計影響因素探討

王偉卓 王業福

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林 132012; 2.吉林市市政設計研究院有限責任公司，吉林吉林 132001)

0 引言

城鎮汛期暴雨已經成為制約經濟發展的重要因素，如不能妥善排放，將會造成人民群眾財產損失甚至威脅生命。2012年北京7·21特大暴雨不僅造成首都巨大經濟損失，而且190余萬人受災［1］。因此，城市暴雨的排放已經成為城市化建設的一個不容忽視的方面。

1 問題的提出

雨水管網系統是市政工程重要的組成部分，是城市發展重要的基礎設施，同時也是城市防洪工程中不可缺少的。隨著城市化進程的不斷加快，城市生產力不斷擴大，由此帶來的一系列環境問題愈發凸顯。這些問題主要體現在城市的水文效應、水文環境的變化上，給城市的內澇排泄、城市環境、城市防洪等帶來一系列新問題［2］。

例如，由于城市化的建設導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，最終使徑流系數變化而引起設計上參數選取的變化(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，各因素對設計結果的影響程度并不一致，而且雨水系統同時存在新建和改造兩種情況，為了經濟合理的配合城市化進程，需要了解各影響因素的權重，以便改進設計參數選擇方法。

表1 不同地面的徑流系數［3］

2 城市化對雨水系統主要影響

2.1 降雨量的變化

通過對北京市水文情態調查數據總結［4］，得出的結論主要有以下幾個方面:

1)市區降雨量大于郊區降雨量;2)城內各區差異顯著，以市區為中心向外依次減小。

2.2 產流方面

由于城市化的加深，天然流域下墊面已經變為以屋面、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

隨著城市化發展、城區擴大，由于城市不透水地面面積的顯著增加，使徑流系數隨之提高，見表1。

3 雨水系統計算主要方法

3.1 設計暴雨強度

我國采用的暴雨強度公式為［6］:

式中:q——設計暴雨強度;

t——降雨歷時;

P——設計重現期;

A1，C，n，b——待定參數。

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計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;Li為設計斷面上游各管道的長度;vi為上游各管道中設計流速。

3.3 管段設計流量

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生全面積的徑流，稱為完全徑流，即雨水灌渠設計流量，或稱為實際地面徑流量，公式為:

其中，φ為徑流系數;F為計算匯水面積。由式(1)～式(3)聯立，可以得到管段i設計流量為:

其中各符號意義同前。

由于雨水管道設計的基礎在于管段設計流量的計算，故通過討論式(4)就可以得出對設計流量影響較大的參數，即雨水管道設計權重最大影響因素。

4 算例分析

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

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，故將t1與φ視為同一影響因子;徑流系數φ與暴雨重現期P均為需要主觀選取的指標。

表2 北京市暴雨強度公式參數表

現在以北京市為例子試著計算并且比較徑流系數φ與暴雨重現期P對設計流量的影響權重，北京市暴雨強度公式參數如表2所示。

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

徑流系數φ保持不變時，分別按照一般重要地區和重要地區相應取P=3和P=5計算如下:

2)徑流系數在工程師設計中經常采用“區域綜合徑流系數”進行近似，其數值已經考慮了植被、地面等因素，區域綜合徑流系數和城市區域綜合徑流系數分別見表3，表4［7］。

表3 區域綜合徑流系數

表4 城市區域綜合徑流系數

當暴雨重現期不變的時候，分別按照城市郊區和城市市區或者按照建筑較稀和建筑稠密，相應分別取φ=0.5和φ=0.7計算公式如下:

5 討論與結論

兩次計算均可得到，調整計算中暴雨強度和徑流系數參數后，計算結果差異顯著;在各計算因素都沒有發生改變的情況下，徑流系數取值的改變對設計流量的影響明顯高于暴雨重現期的影響。根據計算結果，可以得到如下結論:

1)對于城鎮雨水排放系統計算，主要方面之一在于設計流量的計算，而計算過程中參數以暴雨重現期和徑流系數對結果影響較大，準確合理的選擇參數是設計的關鍵;

2)由兩次計算結果比較，對于設計流量計算的各項參數中，徑流系數權重高于暴雨重現期，且暴雨重現期取值范圍較小，對計算結果影響有限;

3)城市暴雨排放難度加大主要由于城市化進程加快，大量郊區或者較稀居住區被城市擴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，而非設計采用了較小暴雨重現期所致;

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

［1］ 李松濤.北京暴雨引發人身財產安全思考［N］.中國青年報，2012-07-27.

［2］ 21世紀的中國城市化發展信息來源［N］.中國經濟時報，2006-12-14.

［3］ 嚴煦世，劉遂慶.給水排水管網系統［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

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

［5］ 朱元生.城市水文學［M］.北京：中國科學技術出版社，1991.

［6］ GB 50014-2006，室外排水設計規范［S］.

［7］ 于爾捷，張 杰.給水排水工程快速設計手冊2：排水工程［M］.北京：中國建筑工業出版社，2000.