基于關(guān)鍵參數(shù)耦合效應(yīng)的城市排澇設(shè)計方法

唐 明，許文斌，周涵杰，許文濤

(1.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院,江西 南昌 330099； 2.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院市政工程分院,江西 南昌 330038； 3.南昌市城市內(nèi)澇防治與河湖水質(zhì)調(diào)控工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330038； 4.江西省水利科學(xué)院江西省鄱陽湖水資源與環(huán)境重點實驗室，江西 南昌 330029)

21世紀(jì)以來，我國經(jīng)歷了空前迅猛的城市化進程，洪澇威脅對象、致災(zāi)機理、成災(zāi)模式與損失構(gòu)成均發(fā)生了顯著變化[1]。城市應(yīng)對短歷時強降雨的能力明顯不足，逢雨即澇問題普遍存在[2]。“城市看海”一直是社會關(guān)注的焦點[3]，也引起國家的高度重視。國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十四五”規(guī)劃明確提出增強城市防洪排澇能力，建設(shè)海綿城市、韌性城市，全國各地的城市內(nèi)澇防治又將迎來一輪新的建設(shè)熱潮。

在城市水利系統(tǒng)規(guī)劃或能力復(fù)核時，不論是城市水利排澇系統(tǒng)，還是源頭控制工程，往往需要通過設(shè)置不同的蓄澇水面率和暴雨歷時(以下簡稱關(guān)鍵參數(shù))的組合，進行多方案的設(shè)計與比選。但是，適合城市自身暴雨特性與下墊面特點的合理蓄澇水面率應(yīng)該在什么范圍，城市排澇流量、調(diào)蓄水深等指標(biāo)(以下簡稱設(shè)計指標(biāo))計算時如何選擇設(shè)計暴雨歷時，依據(jù)不同關(guān)鍵參數(shù)組合設(shè)計的水利排澇系統(tǒng)是否適應(yīng)短歷時強降雨，都是實踐中面臨的難題。

在城市排澇實踐中，水利排澇系統(tǒng)和市政排水系統(tǒng)是否協(xié)調(diào)，直接影響到內(nèi)澇防治系統(tǒng)的工作效率。然而，由水利部門主管的水利排澇系統(tǒng)和住建部門負(fù)責(zé)的市政排水系統(tǒng)，涉及不同學(xué)科領(lǐng)域，依據(jù)的行業(yè)規(guī)范也不相同，采用的暴雨選樣方法、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、頻率分布模型、設(shè)計流量計算方法等都有各自的特點[4]；如何在各自行業(yè)規(guī)范框架內(nèi)合理確定工程規(guī)模，解決兩個系統(tǒng)運行不協(xié)調(diào)問題，是很多學(xué)者的研究方向[3-9]。21世紀(jì)以來，水利部門和市政部門已經(jīng)多次修訂各自的規(guī)程規(guī)范，力圖適應(yīng)城市內(nèi)澇防治需求。其中，對暴雨歷時、蓄澇水面率選取的強調(diào)尤為引人注目。SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：澇區(qū)應(yīng)充分利用現(xiàn)有湖泊、洼地滯蓄澇水，合理確定蓄澇水面率或蓄澇容積率；設(shè)計暴雨歷時和澇水排除時間可采用24 h降雨24 h排除；水利排澇工程的排澇流量與城市排水要求不能完全銜接時，溝渠、河道、泵站等工程的設(shè)計流量可以按12 h排除或6 h排除的要求進行計算。GB 51222—2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》提出：為達到內(nèi)澇設(shè)計重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，就要保證一定的蓄澇水面率；進行城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治設(shè)施設(shè)計時，降雨歷時應(yīng)根據(jù)設(shè)施的服務(wù)面積，可采用3～24 h。GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》提出：用于削減峰值流量的雨水調(diào)蓄工程的調(diào)蓄量計算中，設(shè)計降雨歷時宜選用3～24 h。在城市內(nèi)澇防治系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、能力復(fù)核時，要全面考慮下墊面徑流系數(shù)、暴雨特性、蓄澇能力等因素的影響，特別是需要量化暴雨歷時、蓄澇水面率這2個關(guān)鍵參數(shù)對設(shè)計指標(biāo)的綜合影響。因此，盡管現(xiàn)行規(guī)范對上述2個關(guān)鍵參數(shù)的選取分別提供了原則性建議，但是在城市排澇設(shè)計時，依然面臨選擇難的問題。

綜上所述，尋求適合城市小流域匯流特點的排澇計算方法，快速計算出關(guān)鍵參數(shù)耦合條件下的設(shè)計指標(biāo),全景展現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)計指標(biāo)的關(guān)系，進而尋求確定關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)計指標(biāo)大小的辦法，將規(guī)程規(guī)范的原則性建議轉(zhuǎn)化為具體工程設(shè)計指標(biāo)的計算方法，已經(jīng)成為當(dāng)前亟須解決的技術(shù)問題。

1 城市排澇流量設(shè)計方法

1.1 小流域排澇流量的計算方法

小流域設(shè)計洪水經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由計算洪峰流量到計算洪量的發(fā)展過程，計算方法主要包括經(jīng)驗公式法、推理公式法、綜合單位線法、水文模型等[10-11]。小流域排澇流量設(shè)計實踐中，通過洪量推求排澇流量更為方便，一般多采用水量平衡法、平均排除法等。水量平衡法是一種過程排除法，適用于各種類型的排澇區(qū)，結(jié)合降雨過程進行排蓄試算，計算成果較為精確，但是需要尋找符合本地特點的不同歷時暴雨雨型；平均排除法適用于平原坡水區(qū)、濱河濱湖圩(垸)區(qū)、平原水網(wǎng)區(qū)、潮位頂托區(qū)等[8]，計算過程較簡單，具有計算快速的優(yōu)勢，滿足快速計算出關(guān)鍵參數(shù)耦合條件下的設(shè)計指標(biāo)的基本需求。

適應(yīng)城市排澇“小流域”特點的平均排除法，因計算過程簡單而得到較為廣泛的應(yīng)用。但其存在2個明顯的弱點：①當(dāng)設(shè)計暴雨歷時較小或者蓄澇水面率較高時，容易出現(xiàn)小排蓄比的計算結(jié)果，設(shè)計排澇流量偏小，不能滿足正常排澇需要；甚至結(jié)果出現(xiàn)負(fù)數(shù)，導(dǎo)致無法采用。②該方法基于設(shè)計暴雨總時段的水量平衡，當(dāng)蓄澇水面率較低、設(shè)計暴雨歷時較長時，計算結(jié)果偏小，難以適應(yīng)短歷時集中強降雨。在實踐中，往往需要通過基于雨洪過程的綜合單位線、水量平衡等計算方法來實現(xiàn)多情景調(diào)算，工作量巨大，一般情況下，調(diào)算出來的方案數(shù)量不足，代表性也不佳。

1.2 常規(guī)的平均排除法

城市集中式排水系統(tǒng)能夠快速收集與輸送雨洪，匯流時間短，而且下墊面硬化程度高、下滲較小，可以近似地認(rèn)為排水歷時與降雨歷時相等。因此，設(shè)計排水量為設(shè)計暴雨形成的凈雨量減去設(shè)計調(diào)蓄水量，使用常規(guī)平均排除法推算設(shè)計排澇流量，計算公式為

Qaij=(V凈i-V設(shè)調(diào))/0.36ti=

0.278[ψSf(ti)-1 000αjSh允]/ti

(1)

式中：Qaij為設(shè)計蓄澇水面率αj條件下，設(shè)計暴雨歷時ti對應(yīng)的排澇流量，m3/s;V凈i為設(shè)計暴雨歷時ti對應(yīng)的凈雨量，萬m3；V設(shè)調(diào)為設(shè)計調(diào)蓄水量，萬m3；ψ為地區(qū)綜合徑流系數(shù)；S為設(shè)計排水面積，km2；f(ti)為設(shè)計暴雨歷時ti對應(yīng)的暴雨量，mm；h允為主要蓄澇水體的最大允許調(diào)蓄水深，m，由城市豎向空間規(guī)劃給定。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，平均排除法計算出的設(shè)計排澇流量應(yīng)保證設(shè)計暴雨歷時內(nèi)，澇水排至不淹沒重要建筑物高程，即在設(shè)計歷時末，調(diào)蓄區(qū)水位應(yīng)排至最高設(shè)計蓄水位；并自設(shè)計歷時末，排空設(shè)計調(diào)蓄水量，將蓄澇區(qū)逐漸控制到正常水位。

1.3 基于過程約束的平均排除法改進

由式(1)可見，設(shè)計調(diào)蓄水量越大，設(shè)計排澇流量就越小。當(dāng)設(shè)計暴雨歷時較小或者蓄澇水面率較高時，調(diào)蓄量占比較高，排澇流量計算結(jié)果偏小，不足以排除下一時段的凈增雨洪量，導(dǎo)致蓄澇區(qū)水位上漲，并超過最高調(diào)蓄水位，從而影響正常排澇進程。這就是常規(guī)平均排除法在小排蓄比時，其成果不適應(yīng)城市排澇需求的根本原因。因此，需要著手設(shè)計暴雨的雨型構(gòu)建，從而結(jié)合設(shè)計暴雨的雨洪過程，細化排澇進程中的流量需求，對常規(guī)的平均排除法進行改進(以下簡稱改進的平均排除法)，協(xié)調(diào)較短歷時設(shè)計暴雨及其后續(xù)降水過程中的排蓄關(guān)系，使其能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)耦合條件下設(shè)計指標(biāo)的快速計算，提高多方案比選設(shè)計的時效性和準(zhǔn)確率。

a.設(shè)計暴雨的雨型構(gòu)建。結(jié)合規(guī)范與實踐需求進行相應(yīng)的雨型構(gòu)建，通常采用典型暴雨和綜合暴雨。典型暴雨同倍比或同頻率放大法都是規(guī)范推薦的計算方法，有著各自的優(yōu)缺點。同倍比放大法能保持典型降雨的基本形態(tài)不變，且計算簡單，便于時間刻度的細化，但是只能滿足設(shè)計歷時的頻率要求，與其他主要統(tǒng)計歷時降水量的重現(xiàn)期差異很大，難以客觀評價市政排水與水利排澇系統(tǒng)的能力；同頻率放大法能針對工程建設(shè)的設(shè)計或復(fù)核需要，控制主要時段的頻率，體現(xiàn)理論上的一致性，有明顯的集中降雨期，有利于排澇系統(tǒng)的能力復(fù)核，但需要細化時間刻度，同時，受典型暴雨時程隨機分布的影響，雨型調(diào)算過程較為復(fù)雜，降雨時程也存在較大差異。綜合暴雨是水利部門根據(jù)實測暴雨資料，運用統(tǒng)計分析推求出來的，不同歷時的最大降水量也不能達到同頻要求；但由于綜合暴雨時程系數(shù)是一種結(jié)構(gòu)化的人工分配，其同頻調(diào)算過程相對簡單。

以上方法構(gòu)造出來的24 h雨型，最大1 h、3 h、6 h、12 h降雨的時程分布沒有穩(wěn)定的規(guī)律，難以結(jié)合設(shè)計暴雨過程細化排澇進程中的流量需求。因此，為了能夠通過1個設(shè)計暴雨模擬不同時間尺度的雨洪規(guī)律，本文參照水文部門3 h、6 h、12 h雙倍步長的降雨資料統(tǒng)計規(guī)律，基于不同歷時暴雨成果，構(gòu)建集中暴雨雨型(圖1)，能夠直觀地呈現(xiàn)每個歷時后續(xù)不同時段內(nèi)可能出現(xiàn)的最大降雨，從而針對性地進行某個設(shè)計歷時暴雨及其后續(xù)降水過程中的排蓄關(guān)系調(diào)整。

為了同步考核大尺度水利排澇系統(tǒng)與小尺度市政排水系統(tǒng)的可靠性，按照長、短歷時暴雨雙向控制的構(gòu)想進行雨量細化[12-13]。將適應(yīng)本地市政系統(tǒng)的芝加哥雨型嵌入第一個45 min當(dāng)中，其余時段按三角分布處理，設(shè)計雨型主要時段的最大暴雨量依然滿足暴雨統(tǒng)計成果與歷時的關(guān)系(表1)。構(gòu)造出來的集中暴雨雨型既能從較長歷時降雨的角度考驗水利排澇系統(tǒng)的能力，又能從短歷時降雨的角度考驗排水管網(wǎng)的能力，從而兼顧市政排水與水利排澇兩個系統(tǒng)。

表1 集中暴雨雨型的時程變化

b.過程控制條件一。水文暴雨成果采用年最大值取樣法，表1所示的分段平均雨強呈衰減趨勢，如設(shè)計暴雨歷時分別為3 h、6 h、12 h、24 h時平均雨強逐漸減小(表1)。因此，如果采取平均排除法，按照暴雨歷時ti設(shè)計的排澇流量，只要在ti到ti+1時段能夠排除該時段的凈增雨洪(該時段已經(jīng)無調(diào)蓄容積可用)，就能滿足其后程排澇需要；反之，則影響后續(xù)排澇。即，此控制條件下的排澇流量Qbij為

Qbij=(V凈i+1-V凈i)/(ti+1-ti)=

0.278ψS[f(ti+1)-f(ti)]/(ti+1-ti)

(2)

其中

ti+1=2ti

式中：Qbij為排除ti+1-ti時段凈雨量所需的排澇流量，m3/s；V凈i+1為暴雨歷時ti+1對應(yīng)的凈雨量，萬m3；f(ti+1)為暴雨歷時ti+1對應(yīng)的暴雨量，mm。

當(dāng)Qaij

Qij=Q(i+1)j=(Qaij+Qbij)/2

(3)

式中：Qij為暴雨歷時ti與蓄澇水面率αj耦合條件下的排澇流量，m3/s。

調(diào)整后，如果還出現(xiàn)Q(i+1)j

c.過程控制條件二。依據(jù)SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》，針對20年一遇最大1 d(或最大24 h)暴雨， 1 d(或24 h)內(nèi)澇水排至不淹沒重要建筑物高程，并沒有明確規(guī)定騰出調(diào)蓄庫容的時間。因此，當(dāng)暴雨歷時ti+1增加到24 h，綜合考慮降水規(guī)律與實際需要，可以規(guī)定此時的設(shè)計排澇流量至少需滿足雨后 1～2 d騰出調(diào)蓄庫容(本文選擇雨后1 d騰出調(diào)蓄庫容)；則在第2天，排澇機組還應(yīng)具備完成排除第2天降雨與騰出調(diào)蓄庫容雙重任務(wù)的能力。即，從2 d的時間尺度來看，排澇流量應(yīng)滿足“2日暴雨2日排凈”(騰出調(diào)蓄庫容)的能力：

Qmin=0.278ψSf(tmax)/tmax

(4)

式中：tmax為城市的最大允許排澇時長，h，即從起排至騰出所有調(diào)蓄庫容所需的時間， 這里為48 h；f(tmax)為與tmax對應(yīng)的暴雨歷時累積雨量，mm；Qmin為滿足tmax所需的排澇流量，m3/s。

d.計算基于改進的平均排除法在任意組合下的設(shè)計排澇流量Qij：

(5)

e.計算基于改進的平均排除法在任意組合下的實際調(diào)蓄水深hij：

(6)

式中hij為不同暴雨歷時ti與蓄澇水面率αj耦合條件下的調(diào)蓄水深，m。

具體計算流程見圖2。

圖2 排澇流量計算流程

1.4 基于關(guān)鍵參數(shù)耦合的城市排澇系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)的確定方法

如前所述，當(dāng)蓄澇水面率較低且設(shè)計暴雨歷時較長時，常規(guī)的平均排除法計算結(jié)果偏小，難以適應(yīng)短歷時集中強降雨。因此，在改進的平均排除法得出關(guān)鍵參數(shù)耦合條件下設(shè)計指標(biāo)的基礎(chǔ)上，在3～24 h設(shè)計暴雨歷時的范圍內(nèi)，綜合考慮城市小流域排澇片的現(xiàn)狀蓄澇水面率、蓄澇水面率調(diào)整的客觀條件與內(nèi)生動力以及排蓄關(guān)系調(diào)整所需投資等情況，合理確定設(shè)計蓄澇水面率。利用式(5)、(6)的計算成果，選擇與設(shè)計蓄澇水面率相應(yīng)的設(shè)計暴雨歷時，進而得出設(shè)計排澇流量、調(diào)蓄水深等指標(biāo)的設(shè)計值。即：在選定設(shè)計蓄澇水面率αjd之后，利用該蓄澇水面率下不同暴雨歷時的排澇流量Qijd與調(diào)蓄水深hijd成果，確定設(shè)計暴雨歷時tid，其對應(yīng)的設(shè)計值滿足下述條件：

(7)

式中：Qid jd為蓄澇水面率αjd與設(shè)計暴雨歷時tid耦合條件下的排澇流量，m3/s；hid jd為相應(yīng)耦合條件下的調(diào)蓄水深，m；Qijd為蓄澇水面率αjd與不同暴雨歷時ti耦合條件下的排澇流量，m3/s；ti為規(guī)范推薦的設(shè)計暴雨歷時，分別取 3 h、6 h、12 h和24 h；hijd為同一耦合條件下的調(diào)蓄水深，m。

2 實例驗證

2.1 研究區(qū)概況

南昌市紅谷灘區(qū)是集商貿(mào)金融、行政辦公、信息、文化、居住等多功能為一體的現(xiàn)代化新型城市中心。地處中亞熱帶暖濕季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，4—6月為主雨季，降水量占多年平均降水量的51.3%，致災(zāi)性暴雨多發(fā)。紅谷灘沙井電排區(qū)處于沿江大堤和豐和聯(lián)圩共同組成的防洪保護圈內(nèi)，采用自排、調(diào)蓄和電排相結(jié)合的方式，排水面積約為7.95 km2；所有市政排水管網(wǎng)通過地下箱涵直接匯入泵站前池(調(diào)蓄區(qū))，泵站排澇流量為16.94 m3/s。建設(shè)初期，沒有保留區(qū)內(nèi)河湖水系；最初規(guī)劃的蓄澇區(qū)又被城市建設(shè)擠占，實際調(diào)蓄水面為6.67 hm2(蓄澇水面率為0.84%)，是低水面率城區(qū)的典型代表。

近20年的排澇實踐表明，根據(jù)當(dāng)時規(guī)范設(shè)計的排澇設(shè)施，無法適應(yīng)其低蓄澇水面率特點，不能滿足城市排澇需求。大暴雨期間，區(qū)內(nèi)受澇嚴(yán)重，泵站前池雍水過高，威脅到泵站的正常運行。區(qū)域排澇能力提升方案包括新增調(diào)蓄水面8.67 hm2，總調(diào)蓄水面達到15.33 hm2(蓄澇水面率1.93%)；同時，增加區(qū)域排澇流量。但是，在泵站規(guī)模核定時，在關(guān)鍵參數(shù)選取上爭論較多，分歧很大。最終通過多工況組合下的平均排除法、多雨型的過程排除法等方案比選，將區(qū)域排澇流量增加至40.4 m3/s。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)耦合條件下沙井電排區(qū)設(shè)計指標(biāo)的計算

根據(jù)沙井電排區(qū)內(nèi)的房屋屋頂、混凝土路面、瀝青路面等不透水覆蓋面所占面積比例，將該區(qū)域綜合徑流系數(shù)設(shè)為0.90；根據(jù)現(xiàn)狀管網(wǎng)布置及區(qū)域豎向空間規(guī)劃等因素，將最大調(diào)蓄深度設(shè)置為1.5 m。采用水文部門提供的代表站不同歷時的暴雨統(tǒng)計成果，由于治澇區(qū)域面積較小，點面折算系數(shù)取1。按式(1)進行常規(guī)的平均排除法(24 h暴雨，20年一遇，下同)計算出的排澇流量，為了全景展現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的耦合效應(yīng)，在現(xiàn)狀蓄澇水面率0.84%、擬改造提升后的蓄澇水面率1.93%之外，增設(shè)8個可能蓄澇水面率，結(jié)果見表2。由表2可見，隨著蓄澇水面率的提高，排澇流量逐漸減小，當(dāng)暴雨歷時進一步減小時，甚至出現(xiàn)較多負(fù)值。例如，在蓄澇水面率為5%、暴雨歷時為3 h條件下，設(shè)計流量為17.14 m3/s，不能排除下一個3 h的凈增洪量，則該情景就不再適用常規(guī)的平均排除法。

表2 常規(guī)的平均排除法不同排澇情景時的設(shè)計排澇流量

按照改進的平均排除法，可以快速計算出不同情景下的排澇流量(表3)。由表3可見，隨著蓄澇水面率的逐漸減小時，設(shè)計排澇流量呈增加趨勢。特別是在蓄澇水面率較小時，不同暴雨歷時的排澇流量需求差異隨著蓄澇水面率的減小而快速增加，這也說明，在蓄澇水面率偏低的情況下，排澇設(shè)施對短歷時強降雨的適應(yīng)性快速減弱。根據(jù)式(6)可以計算出相應(yīng)情景下的設(shè)計調(diào)蓄水深(表4)。高蓄澇水面率條件下，采用改進的平均排除法確定的排澇流量，實際上取決于式(4)，按照“2日暴雨2日排凈”(不扣除調(diào)蓄量)來控制，以便在2日末恢復(fù)調(diào)蓄庫容，應(yīng)對后續(xù)降雨。但是，排澇流量提升可以相應(yīng)地減小調(diào)蓄水深。

表3 改進的平均排除法不同排澇情景時的設(shè)計排澇流量

表4 改進的平均排除法不同排澇情景時的設(shè)計調(diào)蓄水深

根據(jù)式(7)選擇與設(shè)計蓄澇水面率相應(yīng)的設(shè)計暴雨歷時，進而得出設(shè)計排澇流量與調(diào)蓄水深(表5)。可以看出，當(dāng)蓄澇水面率較低(6%及以下)時，需要通過調(diào)整排澇流量來適應(yīng)短歷時強降雨；當(dāng)水面率較高(7%～10%)時，則可以通過調(diào)整設(shè)計調(diào)蓄水深來適應(yīng)短歷時強降雨。比如，當(dāng)蓄澇水面率為9%、設(shè)計暴雨歷時為24 h時，設(shè)計流量為 10.93 m3/s、設(shè)計調(diào)蓄水深為0.92 m，排澇過程中會出現(xiàn)超過設(shè)計調(diào)蓄水深現(xiàn)象，可以選擇設(shè)計暴雨歷時為12 h，設(shè)計調(diào)蓄水深可調(diào)整為1.12 m，即可改善城市排澇效果。

表5 沙井電排區(qū)不同蓄澇水面率的設(shè)計指標(biāo)

2.3 基于MIKE模型的分析

2.3.1MIKE模型應(yīng)用的工況設(shè)置

采用MIKE模型構(gòu)建雨洪模型，具體步驟可參考文獻[13-15]，這里不再贅述。僅介紹排澇系統(tǒng)運行工況的設(shè)置：①采取前文的集中暴雨雨型。②將最低調(diào)蓄水位16.5 m設(shè)計為初始水位；將泵站機組分3檔啟停：第一檔排澇流量占50%，第二檔占25%，第三檔占25%；24 h排澇過程分析時，調(diào)蓄水位第一檔17.0 m起排、16.9 m停機，第二檔16.8 m起排、16.7 m停機，第三檔16.6 m起排、16.5 m 停機；高蓄澇水面率的72 h排澇過程分析時，調(diào)蓄水位第一檔16.7 m起排、16.6 m停機，第二檔 16.65 m 起排、16.55 m停機，第三檔16.6 m起排、16.5 m停機。③選擇蓄澇水面率分別為1.93%、5%、9%情形下，按照方法改進前后的設(shè)計成果，設(shè)置6個模擬工況(模擬降雨時長為24 h)。另外，鑒于大蓄澇水面率下的排澇裝機較小，騰出庫容的時間較長，增設(shè)2個48 h的模擬工況(表6)。

表6 沙井電排區(qū)排澇系統(tǒng)模擬工況中的主要參數(shù)

2.3.2設(shè)計方法改進前后的排澇進程對比

表7為設(shè)計方法改進前后的設(shè)計流量及相應(yīng)排澇進程的主要特征參數(shù)。可以看出，改進后的方法可以將泵站前池最高水位控制到設(shè)計調(diào)蓄水位以下，并且可以大幅減少高水位的持續(xù)時間，從而減輕對市政排水系統(tǒng)的影響；24 h末的前池水位控制得更低，有利于后續(xù)排澇。

表7 設(shè)計方法改進前后計算結(jié)果對比

圖3為改進前后的不同蓄澇水面率條件下排澇進程。由圖3(a)可見，因為常規(guī)的平均排除法得出的排澇流量偏小，導(dǎo)致暴雨洪峰值高，高水位(17.5 m以上，下同)持續(xù)時間長。低蓄澇水面率(工況Ⅰ)條件下，最高泵站前池水位達到19.17 m，嚴(yán)重影響市政排水系統(tǒng)的運行效率，城區(qū)積水嚴(yán)重。更高蓄澇水面率(工況Ⅲ、Ⅴ)的條件下，由于排澇流量偏小，峰值之后的澇水排除速度也較慢，高水位的持續(xù)時間偏長，而且騰空庫容的時間長，24 h末的水位分別處在17.52 m和17.61 m的較高水位，對城區(qū)積水的影響依然較大。由圖2(b)可見，隨著改進的平均排除法設(shè)計排澇流量的增大，泵站前池最高水位普遍下降，高水位持續(xù)時間減小。低蓄澇水面率(工況Ⅱ)條件下，最高泵站前池水位只有17.93 m，低于設(shè)計調(diào)蓄水位(18.0 m)。同時，強大的外排能力可以在較短的時間內(nèi)將前池水位控制下來，高水位持續(xù)時間大為減小。較高蓄澇水面率(工況Ⅳ)條件下，削峰能力得到加強，泵站前池最高水位進一步降低，前池最高水位為17.60 m，高水位持續(xù)的時間大為減少。而且隨著外排能力的增加，騰空庫容速度加快，24 h末的水位降至16.57 m，基本完成騰空庫容的任務(wù)。高蓄澇水面率(工況Ⅵ)條件下，削峰能力更強，前池最高水位為17.36 m，受外排能力影響，24 h末的水位降至17.18 m，當(dāng)日不能完成騰空調(diào)蓄庫容任務(wù)(按2日暴雨2日排凈設(shè)計)。

(a) 改進前

高蓄澇水面率的排澇優(yōu)勢是強大的削峰能力，更容易適應(yīng)短歷時強降雨的沖擊。但是，相對偏低的外排能力影響到調(diào)蓄庫容的騰空效率。因此，為了進一步驗證改進的方法在高蓄澇水面率下的可靠性，采用9%蓄澇水面率，進行48 h排澇進程的模擬(圖4)。可以看出，按常規(guī)的平均排除法工況Ⅶ，雖然可以依靠調(diào)蓄能力強的優(yōu)勢，將泵站前池最高水位控制在17.64 m，減小對市政排水系統(tǒng)的影響；但由于設(shè)計排澇流量過小，至2 d末，泵站前池水位還是17.33 m，還有大部分調(diào)蓄庫容未騰出，不利于后續(xù)降雨的應(yīng)對。按照改進的方法工況Ⅷ，排澇能力有所提升，泵站前池最高水位控制在17.36 m，不影響市政排水系統(tǒng)；至2 d末，泵站前池水位16.5 m，完成騰空調(diào)蓄庫容，不影響后續(xù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)暴雨的應(yīng)對。

圖4 不同方案48 h排澇進程(9%蓄澇水面率)

3 結(jié) 論

a.基于暴雨過程控制的改進的平均排除法，可以協(xié)調(diào)較短歷時設(shè)計暴雨及其后續(xù)降水過程中的排蓄關(guān)系，從而彌補常規(guī)方法中當(dāng)設(shè)計暴雨歷時較小或者蓄澇水面率較高時，計算結(jié)果容易出現(xiàn)小排蓄比，甚至負(fù)數(shù)的缺陷，實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)耦合效應(yīng)的快速計算。

b.基于參數(shù)耦合的城市排澇流量設(shè)計方法是利用上述成果，合理確定設(shè)計蓄澇水面率及與之相應(yīng)的設(shè)計暴雨歷時，進而量化排澇流量、調(diào)蓄水深等設(shè)計指標(biāo)；可以解決常規(guī)方法中當(dāng)蓄澇水面率較低、設(shè)計暴雨歷時較長時，計算結(jié)果偏小，難以適應(yīng)短歷時集中強降雨的問題。

c.基于參數(shù)耦合的城市排澇流量設(shè)計方法得出的計算結(jié)果更加符合實際排澇需求；該方法確定的排澇流量，削峰能力得到加強，泵站前池最高水位控制在設(shè)計調(diào)蓄水位以內(nèi)，高水位持續(xù)的時間大為減少，騰空庫容速度加快。

d.對于蓄澇水面率偏低的城市排澇區(qū)域，設(shè)計降雨歷時宜選用3～6 h；同時，應(yīng)結(jié)合老城改造、新城未利用土地的調(diào)整等途徑，恢復(fù)部分水面、洼地，適度增加城市蓄澇水面率，增加內(nèi)澇防治系統(tǒng)應(yīng)對短歷時強降雨的彈性，有利于城市治澇效果的提升。

e.對于蓄澇水面率較高的城市排澇區(qū)域，按改進后方法確定的排澇流量，實際上是由“不扣除調(diào)蓄量”的“X日暴雨X日排凈”來控制，以便在X日末恢復(fù)調(diào)蓄庫容，迎接下一場暴雨襲擊；各地可結(jié)合排澇區(qū)域?qū)?nèi)澇的耐受能力確定相應(yīng)的X值，同時注意短歷時設(shè)計調(diào)蓄水深的復(fù)核。