平原水網區雨水管渠設計研究
——以蘇州市城市中心區為例

陸敏博，錢海平

（悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

平原水網區雨水管渠設計研究
——以蘇州市城市中心區為例

陸敏博，錢海平

（悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

以蘇州市城市中心區為例，分析了平原水網區排水防澇的特點，進行了恒定均勻流推理公式法和數學模型法兩種雨水管渠設計方法的適用性分析，通過數學模型法得出與城市內澇防治設計重現期相匹配的雨水管渠設計重現期。

平原水網區；雨水管渠設計重現期；內澇防治設計重現期；數學模型法

0　引　言

雨水管渠設計方法體現了設計的科學性和合理性，設計重現期體現了城市抵御內澇災害的能力，兩者之間也關系到雨水管渠的工程投資。合理選用雨水管渠設計方法和確定設計重現期，是當前城市排水防澇工作面臨的重要課題[1]。

蘇州市城市中心區設立防洪包圍圈，總面積89.26 km2。包圍圈西面以黃花涇、京杭大運河為界，東面以蘇嘉杭高速公路為界，南面以京杭大運河為界，北面以西塘河、滬寧高速公路為界，如圖1所示。本文以蘇州市城市中心區為例，分析了平原水網區排水防澇的特點，進行了恒定均勻流推理公式法和數學模型法兩種雨水管渠設計方法的適用性分析，最后通過數學模型法，得出與城市內澇防治設計重現期相匹配的雨水管渠設計重現期。

圖1　蘇州市城市中心區范圍示意圖

1　平原水網區排水防澇特點

平原水網區水系發達、地勢低平，因而河流比降小，致使水流平緩、迂回。蘇州市城市中心區雨水排水系統采用自排為主，機排為輔的排水模式。包圍圈內水系周邊地塊降雨徑流基本上就近、分散、自流直接排入內河水系；市政道路及距離河道較遠地塊的降雨徑流經雨水管渠收集后就近排入內河水系；部分低洼地在雨水管渠末端設置強排至周邊管渠或水系。包圍圈內的澇水通過排澇泵站抽排至外河水系。

由于雨水管渠出水口普遍采用淹沒出流，所以實際排水能力受內河水系水位的制約顯著，而內河水系水位則由排澇泵站控制。若遇超標暴雨，且排澇泵站能力不足，雨水管渠就來不及排除降雨徑流，地面積水甚至內澇就產生了。雨水管渠系統是城市排水防澇體系中最重要的部分之一，因此，雨水管渠設計重現期需要和城市內澇防治設計重現期相匹配。

平原水網區的排水防澇體系顯著特點之一是單個雨水口的匯水區面積較小。以蘇州市城市中心區為例，內河水系的間距一般不超過2 km，雨水管渠就近排入內河水系，其長度一般不超過1 km，整個蘇州市城市中心區約1 500個雨水匯水區，每個雨水口的匯水區面積一般在5～15 hm2，最大的匯水區面積不足30 hm2。

2　雨水管渠設計方法選用

目前，雨水管渠設計常用的方法有恒定均勻流推理公式法和數學模型法兩種。推理公式法適用于較小規模排水系統的計算，當應用于較大規模排水系統的計算時會產生較大誤差。美國一些城市規定的推理公式適用范圍分別為：奧斯汀4 km2，芝加哥0.8 km2，紐約1.6 km2，丹佛6.4 km2且匯流時間小于10 min；歐盟的排水設計規范要求當排水系統面積大于2 km2或匯流時間大于15 min時，應采用非恒定流模擬進行城市雨水管網水力計算[2]。我國現行《室外排水設計規范》（GB 50014—2006，2014年版）提出當匯水面積超過2 km2時，雨水設計流量宜采用數學模型進行確定。

由于蘇州市城市中心區的每個雨水口的匯水區面積遠小于2 km2，因此蘇州市城市中心區雨水管渠設計建議采用恒定均勻流推理公式法進行。

排水工程設計常用的數學模型一般由降雨模型、產流模型、匯流模型、管網水動力模型等一系列模型組成，涵蓋了排水系統的多個環節[2]。數學模型可以更加準確地反映雨水管渠系統與地表收納水體之間的相互關系，當對已建雨水管渠系統所處區域的下墊面、河網水系、地形高程、管道布置、管道參數等資料掌握充分的情況下，可以采用數學模型法進行復核。

3　雨水管渠設計重現期的選用

3.1典型匯水區及推理公式法設計

選取蘇州市城市中心區典型匯水區10 hm2為例，具體形態詳見圖2。

圖2　典型匯水區示意圖

相關參數如下：道路設計標高4.4～4.9 m（吳淞高程，下同），縱坡0.3%；管道設計標準采用蘇州暴雨強度公式3 a一遇2 h雨量，綜合徑流系數按照新建地區不超過0.5的標準取0.5，最小覆土1.5 m。按照推理公式法進行雨水管渠設計，管徑-坡度為d600-1.2‰～d1 350-0.7‰，設計道路和管道情況見圖3。

3.2數學模型法復核

2015年3月蘇州市人民政府在江蘇省率先出臺《蘇州市城市中心區排水（雨水）防澇規劃》。利用該規劃中所建立的InfoWorks ICM數學模型和設計雨型，對典型匯水區設計方案進行長歷時24 h 50 a一遇設計降雨雨型復核。

圖3　設計道路及管道方案

復核分析設計了兩個方案，方案1不考慮管道沉積，方案2根據目前養護標準設定沉積率。復核采用的綜合徑流系數采用偏不利值0.8，下游河道水位按照蘇州城市中心區最高排澇控制水位3.4 m（水位淹沒出水口管頂以上0.8 m）取值。復核方案詳見表1。

表1　長歷時大重現期降雨雨型復核方案

方案1模擬結果表明，管網呈壓力流狀態，但地面不積水（見圖4）。分析原因，主要是實際管網內的壓力流態和設計時的滿管無壓流態的排水能力差別引起。當管道形成壓力流時，其排水能力依然可以按照曼寧公式計算，只是此時坡度不再是管道的敷設坡度，而應該是其實際的水力坡度。如圖中的末端管，設計管徑d1 350，設計坡度0.7‰，而此時水力坡度為2‰，管道過流能力提升61%，達到2 276.7 L/s。另一方面，管道設計時，最低點也有1.5 m的覆土厚度，這無形中又為管道的水力坡度提供了一定的增長空間，從而造成3 a一遇設計管道50 a一遇降雨地面亦不積水。盡管此時地面不積水，但管道處于壓力流狀態，隨著水力坡度的增大，管道所承受的壓力也隨之增大，長此以往不利于管道維護，安全系數也很低。

圖4　方案1復核結果

方案2模擬結果表明，地面會產生積水，但最大積水深度為11 cm（見圖5），未超過內澇防治標準定義的15 cm限值。分析其原因，主要是管網實際運行過程中發生的淤積現象，一方面減小了管道過流能力，另一方面加大管道糙率。過流斷面的縮小，水力坡度增長的更快，造成了管網部分檢查井冒溢。

TU992

B

1009-7716（2016）04-0111-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.034

2015-12-11

陸敏博（1982-），男，江蘇張家港人，碩士，工程師，從事給排水工程和綜合管廊工程的規劃設計工作。