山丘區城市排澇泵站雨水流量計算探討

滕少華，王 明，林小斌

(懷化市水利電力勘測設計研究院,湖南 懷化 418000)

1 問題的提出

全球氣候變暖、極端天氣頻發，伴隨洪水過程的城市內澇災害已成為威脅人們生命財產安全、滯緩社會經濟發展的“頑疾”。我國當前多數城市治澇標準普遍偏低，與城市防洪標準不匹配，難以抵御較大內澇洪水的侵襲。隨著國民經濟的高速增長，高強度的城市集中開發，內澇災害造成的損失愈來愈嚴重，給人民的生命財產安全造成嚴重威脅，甚至影響到地方經濟發展與社會穩定。城市治澇既是重大民生工程，又是重大發展工程。內澇災害防治能力的提升迫在眉睫。但現狀存在涉及面廣、自然調蓄空間不足、排水設施建設滯后、應急管理能力不強、行業標準不一、“信息孤島”[1]持續存在、缺乏數字化、可視化成果等問題。特別是行業標準不一，會導致城市排澇泵站在排澇流量、裝機容量等方面產生很大差異，并導致水泵選型、裝機臺數發生變化。難以抓住山丘區排澇泵站裝機容量這個解決城市看海問題的牛鼻子。造成以上差別的主要原因是泵站的雨水設計流量相差極大。在設計暴雨重現期一致時，國標GB 50014—2021《室外排水設計標準》與水利的洪水設計流量為何有這樣大差別，本文將依據2個縣城排澇泵站工程實例進行些初淺的探討，以期拋磚引玉，共同探討山丘區城市小匯流面積(小于等于2km2)下的合理雨洪規律，尋求不同行業的技術標準和計算方法間的匹配銜接、改進與統一。不致造成“市政5年一遇的排水標準計算得到的泵站規模與水利20年一遇排澇標準計算得到的泵站規模相當”[2- 3]的矛盾。

2 問題的探討

湖南會同縣屬亞熱帶季風濕潤氣候區，其基本特點是：氣候溫熱濕潤，雨量豐沛，多年平均降水量1265mm。降水月份分配不均勻，春夏多雨，4—8月降水達871.4mm，占全年63.55%，雨量偏多，特別是5—6月份，月均降水量達212mm以上，洪澇災害時有發生；9—11月份降雨量僅256.7mm，占全年18.72%，雨量偏少，常發生秋旱。會同縣城排水分為3個區域：Ⅰ區主要匯流縣城西區，經由原老污水管網匯流到棕李排澇泵站，再抽排至會同河，匯流面積1.38km2。Ⅱ區主要匯流縣城南區，匯流面積1.15km2。Ⅲ區為Ⅰ區以西的山地丘陵，匯流面積1.5km2，洪水匯流入右撇洪渠道后自排入渠水。I區干流(主排水管)長度2.64km、干流平均坡降2.46‰；Ⅰ區為老城區，Ⅱ區為新建城區，植被情況均不好，Ⅲ區為未開發區，植被良好。

國標雨水設計流量計算采用GB 50014—2021中4.1.7條的推理公式：

Qs=q×Ψ×F

(1)

式中，Qs—雨水設計流量，L/s；q—設計暴雨強度，L/(s·hm2)；Ψ—徑流系數；F—匯水面積，hm2。

會同縣城現行暴雨強度公式如下：

(2)

(3)

式中，P—設計重現期，年；t—降雨歷時，min；i—設計暴雨強度，mm/min。

水利洪水設計流量計算采用湖南省水利廳2015年修編的《湖南省暴雨洪水查算手冊》中的推理公式，洪峰流量(暴雨一致區第4區)通過試算Rt/t=τ求得：

Qm=0.278×F×Rt/t

(4)

m=0.123×θ0.52

(5)

θ=L/(F1/4×J1/3)(θ≤25)

(6)

(7)

式中：Qm—洪峰流量，m3/s；Rt—時段徑流深，mm；t—時間，h；Ψ—地表水占總徑流的比例系數；F—匯水面積，km2；L—流域干流長度，km；J—干流平均坡降；τ—匯流歷時，h；θ—流域地理參數；m—流域匯流參數。

會同縣城Ⅰ區20年一遇的暴雨產生的雨水設計流量計算見表1。

國標中計算降雨歷時從5～180min共11個，設計暴雨強度相差3.96倍。降雨歷時的選取根據集雨面積的大小，只有當降雨歷時不小于集水時間(產匯流時間)，雨水流量為最大[4]。Ⅰ區地面集水時間按最大值15min，管渠內雨水流行時間按平均1m/s流速計算(2640/60)為44min。降雨歷時按60min選取，雨水設計流量為21.37m3/s，遠遠大于手冊計算的7.73m3/s。國標中的4.1.4條文說明雖然明確了內澇防治系統是為應對長降雨狀態下的排水安全，但沒有該工況下的設計雨水流量計算公式。其舉例美國丹佛市(面積小于25.9km2，最小降雨歷時為2h)和休斯敦市(面積小于0.8km2，最小降雨歷時為3h)卻相差甚大。4.1.7條文說明有歐盟規范要求：當排水系統面積大于2km2或匯流時間大于15min時，應采用非恒定流模擬進行城市雨水管網水力計算。其面積與匯流時間也難匹配。

從表1可知：降雨歷時1h時和3h，國標與水利方法雨強分別只相差9%(79.47/72.32)和-7.1%(37.86/40.53)，總降雨量基本一致(小于5%)。可見2方法在計算20年一遇的暴雨時選取雨型基本一致。差別在于國標是隨降雨歷時延長引入暴雨衰減指數，而水利是對設計暴雨同時進行了時程分配，并以此計算確定了洪水過程線，如圖1所示。該差別導致的雨水設計流量相差2.76倍。

圖1 Ⅰ區20年一遇設計洪水過程線

表1 會同縣城Ⅰ區雨水設計流量計算成果表

從圖1可知，山丘區小集雨面積的洪水過程線十分“尖痩”。如果排澇泵站抽排的雨水流量不小于該洪峰流量，即便在沒有雨水調節設施和滯洪庫容時，也能滿足國標要求的不澇標準。

國標和水利雨水設計流量計算均是采用推理公式。國標對設計暴雨的設定是在選取的降雨歷時內，降雨強度不變。但其用于城市排澇泵站雨水流量計算時，卻有以下不足：①缺少地面集水和管渠內雨水流行時間計算的指導性經驗公式。GB 51222—2017《城鎮內澇防治技術規范》的3.3.2條雖然有地面集水時間計算式，但無流域干流平均坡降、地理(地面)和匯流參數的引入，當地形坡度較大時，集水時間明顯偏短。采用非恒定流模擬進行城市雨水管網水力計算，由于城市完整、準確的排水管網資料不易獲得、初始狀態和邊界條件不易設置以及計算較為復雜等，對小型設計院設計的點多面廣的小城鎮項目，尚有難度。②考慮產匯流時間滯后影響不足。一次降雨過程扣除各種損失之后，經坡面漫流與管網匯流，在時程上起了2次再分配的作用，使形成的徑流過程比降雨過程變化平緩，歷時增長，時間滯后[5]。一次降雨過程產生最大洪峰流量與出現時間，受最大雨強、總降雨量和流域大小及其地理(地面)匯流參數的共同影響，而非僅僅降雨歷時等于集水時間簡單。這也可從改版的《排水工程》[6]進行的探索知曉。但水利方法計算的匯流歷時5.89h也偏長，主要是其研究面對的一般是植被良好的未開發區。這可與李德師等[7]采用InfoWorks ICM模擬相佐證。③沒有進行暴雨時程分配，也沒提供洪水過程線的計算方法。在有雨水調節設施和滯洪時，洪量的問題不好解決。④國標中綜合徑流系數取值變化大(0.7/0.2)，相差3.5倍，對最終結果的影響也大。在設計過程中有選取困難。從下面的工程實例看，在城鎮密集區偏大，在未開發區偏小，且偏離幅度較大。

3 工程實例

會同縣棕李排澇泵站于1997年12月動工興建，1998年6月投入運行，排水區域為Ⅰ區。根據CJJ 50—92《城市防洪工程設計規范》采用重現期50年一遇標準。設計共安裝7臺32SA- 19J水泵機組，總排洪流量9.6m3/s(排洪峰)。泵房前池長×寬×高：52m×28m×4.7m，容積6406m3。限于當時的條件和財力，1998年僅安裝了4臺。之后分別于2005、2008、2011年各安裝1臺。泵站自2011年以來至今，汛期基本能控制澇區內部水位，滿足建筑物的底層不進水。只是排水管網局部梗阻，排水能力不足時，導致雨水上翻至公路，最后匯于泵站前池。Ⅲ區的撇洪渠長2206m，縱坡2‰，3面砼襯砌。按50年一遇最大洪峰流量分3段設計，尾端最大斷面底寬1.5m，高2.5m，邊坡m=0.5，設計水深2.0m，設計撇洪流量11.7m3/s。最大撇洪流量17.7m3/s(水位平渠頂)。1998年3月建成運行至今，經調查2012年出現最大洪水，離渠頂0.3m，推算流量13.9m3/s。大于按國標計算的6.6m3/s(20年一遇、降雨歷時60min、綜合徑流系數0.2)。

麻陽縣城北排澇泵站于2009年10月動工興建，2011年5月投入運行。泵站控制集雨面積1.1km2，干流長度2.1km、干流平均坡降8.54‰。采用水利10年一遇24h暴雨24h排干(排洪量)標準，泵站排水流量2.1m3/s，滯洪洪量5.13萬m3。考慮排水范圍內民房密集，以80%范圍不積水受澇為原則，確定泵站排水流量為5.5m3/s(峰量結合)，共安裝4臺700ZLB- 85型立式軸流泵。泵房前池尺寸原設計長×寬×高為30m×18m×5.3m，容積2700m3。但實施過程中，由于征地拆遷困難，前池實際容積只有600m3。自投入運行以來，造成城區較大面積淹沒，部分地段積水深近1.0m，積水時間超過1h。2020年由于排水范圍調整至2.2km2，在城北排澇泵站擴容工程中，我院改用GB 50014—2021標準：20年一遇暴雨建筑物的底層不進水。根據前期運行情況及調研會商，最終排水流量選定為采用水利計算的洪峰流量15.9m3/s。增設2臺1400QZ- 85型潛水軸流泵，單機設計流量5.3m3/s。由于資金限制，目前僅安裝1臺。其運行控制內水位情況，我院會進一步跟蹤驗證。

4 結語

各地水利部門編制出版的暴雨洪水查算手冊，在水利水電規劃設計、工程復核中被廣泛使用。并隨氣象水文資料系列的延長進行修編，取得了顯著的經濟與社會效益[8- 9]。其公式和參數的取用以實測資料反推的方法，不僅計算精度高，還可糾正理論假設引起的系統偏差。在暴雨頻率雨型一致和匯水面積、干流長度、干流平均坡降、徑流系數確定時，排澇泵站的最大雨水流量理應是個定值。但城市流域的坡面匯流與管(渠)流、地表糙率復雜多變、不透水面積覆蓋率大等特征，必然有和天然流域不同的特點，其趨勢是地面下滲變少、匯流時間減小、洪峰流量增大。在水動力學法[10- 15]暫難普及時，建議采用傳統水文學法增加以上因子等進行率定和驗證，達到技術標準間的一致[16]。