城市排水與城市排澇流量的比較研究

何飛

城市排水與城市排澇流量的比較研究

何飛

（湖北省氣象服務(wù)中心，湖北 武漢 430025）

隨著城市化進程的加快，城市排水與城市排澇均成為城市建設(shè)發(fā)展的一項重要基礎(chǔ)工程，但城市排水與排澇分屬于兩個不同行業(yè)，遵循不同的規(guī)范，采用的重現(xiàn)期、暴雨歷時和設(shè)計流量計算均不同。將兩者從定義、適用范圍、選樣范圍、暴雨歷時、成果表達和流量計算幾個方面進行了區(qū)分比較，最后也分析了兩者的聯(lián)系，為兩者的對接提供了一定的參考。

城市排水；城市排澇；重現(xiàn)期；比較

基于湖北省氣象服務(wù)中心2019年開展的城市暴雨強度公式編制的業(yè)務(wù)工作，在實際工作中，由湖北市政部門依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）計算得出的城市雨水流量是城市雨水排水管道設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)，常常與水利部門依據(jù)《防洪標準》（GB 50201—94）得到的城市防洪暴雨流量在相同重現(xiàn)期下得到的計算結(jié)果有一定差別。這樣的差別給兩部門人員造成了一定的困惑，同時也造成工程技術(shù)人員在設(shè)計中缺乏依據(jù)。因此，本文從概念、應(yīng)用范圍和計算方法等方面明確城市排水與城市防洪之間的關(guān)系，以期從理論上解決城市防洪計算中的含混問題，同時將兩種流量的計算方法進行比較，也有利于兩個部門在管道排水排澇工作中的對接。

1 定義與適用范圍

城市排水與城市排澇雖然都是城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展中城市水文學(xué)的重要組成部分，但由于行業(yè)標準與學(xué)科側(cè)重點不同，導(dǎo)致兩者的計算結(jié)果有較大的出入。以下從定義和適用范圍上對兩者進行梳理和區(qū)分。

城市排水在《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006，2014版）中，將城市排水系統(tǒng)定義為“收集、輸送、處理、再生和處置污水和雨水的設(shè)施以一定方式組合成的總體”[1]。如果將水災(zāi)劃分為洪災(zāi)和澇災(zāi)，城市排水的目標是為了解決城市內(nèi)澇問題，即由于強降雨或者連續(xù)性降雨超過城鎮(zhèn)排水能力而導(dǎo)致地面產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象。所以城鎮(zhèn)排水的適用范圍主要是城鎮(zhèn)內(nèi)部、小區(qū)域地面、短歷時暴雨造成的城市災(zāi)害。對于城市排水工程來說，其服務(wù)對象為雨水管渠服務(wù)范圍內(nèi)的城市區(qū)域。同時，如果出現(xiàn)超標暴雨情況，則其所導(dǎo)致的損失與范圍均相對有限，而且在雨水調(diào)蓄池以及滯洪區(qū)等設(shè)施的幫助下，雨水可由其來進行調(diào)蓄排放。所以，對于排水工程來說，其需要對城市常規(guī)降雨問題予以有效解決，而且設(shè)計標準也可低于排澇標準[2]。

由城鎮(zhèn)排澇在《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB 50318—2000）的定義可知，城鎮(zhèn)排澇的目標是為了解決城市內(nèi)部及外部引起的洪災(zāi)問題[3]。對于城市排水來說，如需解決城市排澇問題，則需要借助大排水系統(tǒng)的幫助，并且要借助內(nèi)河、蓄滯洪水區(qū)的幫助來及時排除澇水險情。另外，隨著城市化進程的不斷加快，對于城市排澇系統(tǒng)的要求也更加嚴格。通常來說，當(dāng)超標暴雨來臨時，鑒于其危害廣、破壞大，所以對于城市排澇工程來說，其設(shè)計標準應(yīng)高于排水標準[4]。

兩種工程雖然在定義和服務(wù)對象上有所區(qū)別，但并不是孤立的兩個系統(tǒng)。城市排水系統(tǒng)中各個區(qū)域的雨水在管網(wǎng)的作用下，排入城市內(nèi)河道，隨后通過泵站或排澇閘的幫助下匯集至城市外圍河道。所以，城市排澇的暴雨流量也需要部分依據(jù)城市排水量的大小為設(shè)計指標。

2 選樣方法

為了獲取準確的城市排水量，相關(guān)人員要對城市短歷時暴雨資料統(tǒng)計、計算，由此推算出城市暴雨強度公式。隨后，根據(jù)城市雨水管渠系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計，從中對排水管的規(guī)格加以確定。此外，水利部門計算城市排澇流量時所運用的方法有頻率分析法、水文比擬法、瞬時單位線法、推理公式法等。最后，為了更有效對比兩者的雨水流量，本文采用推理公式法來計算城市排澇流量，有助于更好對比兩者的區(qū)別。

降雨資料選樣是計算雨強的基礎(chǔ)，只有選擇正確、合適的樣本系列，才能使編制的公式具有較強的代表性及可用性。在《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006，2014版）城市排水的雨水量的公式計算中，暴雨強度公式的編制中取樣方法有年多個樣法和年最大值法兩種，當(dāng)?shù)貐^(qū)的降雨資料能夠達到20年以上時，推薦使用年最大值法，10年以上20年以下時還是推薦使用年多個樣法。城市排澇流量依據(jù)《防洪標準》（GB 50201—94）[5]在使用推理公式法時多選用年最大值法，因為對于水利工程來說，在工程正常工作期間，堅決不能讓其受到破壞，一旦遭受破壞，則勢必會導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失，甚至威脅相關(guān)人員的生命與財產(chǎn)安全，因此，為保證資料的獨立性，宜用年最大值法。雖然新的排水規(guī)范已經(jīng)推薦使用年最大值法，在選樣方法上使兩者能有較好的對接，但是目前很多地區(qū)使用的暴雨公式使用的是舊標準非年最大值法，在資料短缺的地區(qū)仍然使用年多個樣法進行公式計算，因此還是有必要將兩種選樣方法進行對比。

2.1 年最大值法

年最大值法選樣比較簡單，只需要將各個歷時每年選取一個最大值，這種選樣方法只需要年份足夠長的不同歷時的年最大雨量系列，主要考慮雨量的年際變化。

這種方法的優(yōu)點在于樣本數(shù)據(jù)之間相對獨立，理論上比較嚴密，按極值理論，當(dāng)資料年份很長時，它近似于全部資料系列。同時目前市政部門開始推薦這種選樣方法，也可保證市政和水利部門在暴雨重現(xiàn)期的統(tǒng)一性。這種方法的不足之處是如果遇到大雨年，雨量的次大值會被遺漏，從而使較小重現(xiàn)期部分的降雨強度偏小。

2.2 年多個樣法

年多個樣法對資料要求較高，同時對資料處理的能力也要求較高。按不同歷時每年取最大的組雨樣，在現(xiàn)行的《室外排水設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定，統(tǒng)計各歷時每年最大的6或8次雨量，然后不分年份按大小排序，選取各歷時最大的/2次雨量作為樣本。這種方法的優(yōu)點是避免了某年年雨量次大值大于另一年雨量最大值而漏選的情況，并且考慮了年內(nèi)降雨量的變化，在低重現(xiàn)期比較符合降雨規(guī)律。這種方法的不足之處是樣本資料很難直接獲取，需要做專門分析提取，統(tǒng)計相對復(fù)雜和困難，并且自20世紀60年代后期起，國內(nèi)水文部門及水利部分只分析年最大值法提取的暴雨資料。

3 重現(xiàn)期

鑒于選樣方法的不同，兩者在重現(xiàn)期上也存在一定的差別。由于年最大值法選樣時以1年為最小單位，所以最小的重現(xiàn)期只能算到1年，但年多個樣法（一般采用一年8個樣本，=8），最小重現(xiàn)期可能算到0.25年。對于不同選樣方法來說，針對暴雨強度相同的個案，年多個樣法樣本的排序肯定會不小于年最大值法排序的次序。另外，針對同一暴雨強度來說，其重現(xiàn)期與排序有著密切聯(lián)系。因此，在同一暴雨強度下，采用年最大值法重現(xiàn)期往往大于年多個樣法的重現(xiàn)期。

現(xiàn)階段，中國對于城市排澇與城市排水的設(shè)計標準仍存在許多不同意見。目前，根據(jù)對已有研究成果進行分析后發(fā)現(xiàn)，其中的側(cè)重點主要還是關(guān)于兩個標準之間如何“相當(dāng)”地研究，即一年一遇的城市排水標準與多少年一遇的城市排澇標準相當(dāng)。以下從數(shù)理統(tǒng)計的角度分析兩種研究方法。

3.1 概率計算

年最大值法與年多個樣法（非年最大值法）的頻率關(guān)系為[7]：

式（1）中：M為年最大值法選樣的機率；E為年多個樣法選樣的機率。

對式（2）兩邊取對數(shù)，整理得到年最大值法與年多個樣法的重現(xiàn)期關(guān)系式為：

由此可得到兩種取樣方法重現(xiàn)期的轉(zhuǎn)換如表1所示。

表1 年多個樣法與年最大值法重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換表

TE/年0.250.330.5135102050100 TM/年1.021.051.161.583.355.5410.5220.450.5100.5

由表1可知，當(dāng)重現(xiàn)期在大于等于10年時，兩種選樣方法所得到的強度比較相近，而當(dāng)城市雨水管道設(shè)計用到1年的強度時，這兩種選樣方法計算所得結(jié)果還是存在相當(dāng)?shù)牟罹啵褂媚曜畲笾捣ê笮枰玫?.58年的計算強度才能相當(dāng)于以前年多個樣法1年的強度。按照舊的《室外排水設(shè)計規(guī)范》，短歷時暴雨重現(xiàn)期按暴雨強度公式編制方法取樣（年多個樣法）計算，其設(shè)計重現(xiàn)期一般選用0.5～3年，重要干道、重要地區(qū)一般選用2～5年。

但新頒布的《室外排水設(shè)計規(guī)范》開始推薦年最大值法的選樣方法，因此其設(shè)計重現(xiàn)期也出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，對于大城市而言，中心城區(qū)的設(shè)計重現(xiàn)期一選用2～5年，而重要地區(qū)一般選用5～10年，相比舊標準有一定的提高。水利部分通常是按照《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50288—99）的相關(guān)要求，采用10年一遇，24 h暴雨產(chǎn)生的徑流為排水設(shè)計標準。

3.2 累計頻率統(tǒng)計法

對于年降雨資料而言，同一暴雨強度在容量為×的樣本中（年多個樣法），其累計頻率為E，則年頻率=E；而在容量為的樣本（年最大值法）中，其出現(xiàn)一次的累計概率也為E，則每次不出的概率為1－E，根據(jù)概率相乘定理，每年都不出現(xiàn)的概率為（1－E）a，一年至少發(fā)生一次的概率為1－（1－E）a。E越大，年多個樣法和年最大值法的差別越大。

重現(xiàn)期越大（頻率越小），兩個年頻率越接近；重現(xiàn)期越小，兩個年頻率越接近于倍數(shù)。研究結(jié)果指出，對要求不高的工程，重現(xiàn)期可由1～倍來推算[6]。

4 暴雨歷時

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006），市政部門計算暴雨歷時，分別要使用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min共11個歷時，而水利部分在統(tǒng)計不同地區(qū)的暴雨歷時時，會綜合考慮河、溝、田、塘等的調(diào)蓄功能，負擔(dān)較大區(qū)域暴雨澇水的排除，所以暴雨通常會以24 h、72 h為控制時段，城市化區(qū)域多以24 h最大暴雨為控制[7]，以安徽省為例，統(tǒng)計分析10 min、1 h、6 h、24 h和72 h這5個暴雨歷時。

5 計算結(jié)果表達形式

城市排水的重點計算步驟在重現(xiàn)期、降雨強度和降雨歷時這三點存在明確的關(guān)系，利用三者的關(guān)系根據(jù)解析法或圖解法得出暴雨強度公式中所需要的參數(shù)。而水利部分的暴雨頻率計算結(jié)果一般包括暴雨資料的統(tǒng)計參數(shù)與不同頻率所對應(yīng)的暴雨量。而對于城市中集雨面積相對較小的區(qū)域，分析的暴雨成果可以采用區(qū)域等值線圖的形式表達[8]。

6 流量計算

在城市排水設(shè)計中，降雨產(chǎn)生的流量是通過綜合徑流系數(shù)和匯水面積與設(shè)計暴雨強度相乘而求得，這種排水的產(chǎn)流計算方法單一，過程簡單，所以計算的精度較低，這種方法只適用于集水面積較小、匯流時間較短、調(diào)蓄作用不大的區(qū)域。采用推理公式法計算雨水設(shè)計流量一般設(shè)定匯水面積小于2 km2，其計算公式如下：

s=（3）

式（3）中：s為雨水設(shè)計流量，L/s；為設(shè)計暴雨強度，L/（s·hm2）；為徑流系數(shù)；為匯水面積，hm2。

其中徑流系數(shù)是按規(guī)范查取值，若綜合徑流系數(shù)高于0.7的地區(qū)應(yīng)采用滲透、調(diào)蓄等措施。當(dāng)匯水面積超過2 km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學(xué)模型法計算雨水設(shè)計流量。在城市排澇中，水利部門的降雨產(chǎn)流計算方法一般會分為蓄滿產(chǎn)流模式與超滲產(chǎn)流計算模式兩種，計算方法有降雨徑流相關(guān)法、平均損失率法與下滲曲線扣損法等，水利部分在計算產(chǎn)流時需要考慮扣除一定的損失，所以計算精度相對較高，但因為計算復(fù)雜，所需的資料也相對更多。水利部分所使用的推理公式如下：

式（4）中：m為河渠規(guī)劃斷面處的洪峰流量，m3/s；為洪峰徑流系數(shù)；P為設(shè)計頻率為時的相應(yīng)最大一小時的降雨量，mm/h；為暴雨衰減指數(shù)；為匯流面積，km2。

=s+g（5）

式（5）中：為流域匯流歷時，h；s為地面集流時間，h；為折減系數(shù)（明渠取1.2，暗管取2.0）；g為洪水在管渠中運行時間，h。

7 結(jié)語

從定義、使用范圍和計算方法來看，城市排水與城市排澇在使用范圍及計算方法上均不同，城市排水是排除地面雨水的過程，排水標準側(cè)重于按雨水管渠短歷時暴雨重現(xiàn)期來確定，而城市排澇是排除雨水骨干管道、河道溝渠、湖泊水塘等水體超出正常蓄水量的過程，排澇標準是針對長歷時暴雨重現(xiàn)期而言的。所以相應(yīng)標準之間不能進行嚴格的定量換算[9]，只需要建立一個大致的對應(yīng)關(guān)系。實際上，由于兩者應(yīng)用于不同對象，因此并不需要建立嚴格的對應(yīng)關(guān)系，只需要建立起兩者的大致銜接關(guān)系。

對于城市排水體系與城市排澇體系來說，其屬于兩個截然不同的城市防災(zāi)體系，但是同樣也存在某些必然的聯(lián)系，而聯(lián)系點則在于排水管網(wǎng)的出口。通常來說，內(nèi)河、湖泊以及渠系等多是排水管網(wǎng)出口所選擇設(shè)置的區(qū)域，并且對于內(nèi)河、湖泊以及渠系來說，其同樣也是市政排水系統(tǒng)中承擔(dān)泄洪任務(wù)的關(guān)鍵區(qū)域。此外，城鎮(zhèn)排澇區(qū)規(guī)劃是否合理以及河道疏排水能力的高低，均可從排水管網(wǎng)出口布局以及排水流量來加以衡量。另外，在計算河網(wǎng)水力時，排水口可認定為匯流點之一。與此同時，從城市排水與城市排澇標準上來分析，兩者存在一定的銜接性，并且在同一強度的暴雨過后，城市中的積水可從城區(qū)雨水管渠快速地流進內(nèi)河，最后在排水口匯集，并在排澇站或排澇閘的作用下，最終排放至承泄區(qū)域。總之，盡管城市排水與城市排澇系統(tǒng)存在些許差異，但是如果可對結(jié)點問題予以有針對性的處理，則勢必可將兩個體系在設(shè)計上的差異予以徹底消除，并且有良好的對接。

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TU992

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.010

2095－6835（2019）15－0029－03

何飛（1986—），女，工程師，研究方向為應(yīng)用氣象。

〔編輯：嚴麗琴〕