不同破壞率條件下排水管道和河道排澇的關系

白 丹

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

1 引言

在管道設計時，一般優(yōu)先考慮管道排水能力，當排水能力滿足時才會考慮管道排水出口水位設計是否對管道排水產(chǎn)生頂托破壞[1～3]；當城市發(fā)生特大暴雨或者暴雨時，即使管道排水能力滿足排水要求，但是如果管道出水口和河道銜接處水文條件不相符時，就會出現(xiàn)管道受頂托破壞，積水無法正常排出，出現(xiàn)城市洪水內(nèi)澇[4]，同時如果排水能力過高會造成經(jīng)濟成本過高，與現(xiàn)代社會高質(zhì)量發(fā)展背道而馳。

2 研究方法

本次研究以宿遷市為例，宿遷地處江蘇省西北部，北緯32°58′～34°25′、東經(jīng)117°56′～119°10′。全市總面積為8555km2，其中陸地面積占77.6%。

本次研究方法如下：

(1)選取具有代表性的雨量站。宿遷市可供選擇的雨量站較多，本次研究盡量選取具有代表性的雨量站(則以宿遷閘站為代表站)，進而對宿遷閘站的雨量數(shù)據(jù)進行梳理、審查，使之滿足可靠性、一致性和代表性。

(2)次暴雨劃分。根據(jù)以往次暴雨劃分經(jīng)驗，對整理的降雨數(shù)據(jù)以特征因子進行劃分，特征因子包括次暴雨間隔時間和間隔時間內(nèi)雨量[5]。

(3)整理不同時長的降雨。從上述步驟劃分的次暴雨，統(tǒng)計典型降雨場次的最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h降雨，記錄每場降雨起始時間及24 h降雨中的連續(xù)最大1 h雨量，記為X1。

(4)利用年最大值法繪制頻率曲線。根據(jù)步驟3選取的初篩降雨，采用年最大值法選取各個時段的樣本，在此基礎上，將各個歷時降雨的樣本進行從大到小的排序[6]，并對排序的樣本進行P-Ⅲ曲線配線[7]，利用參數(shù)和經(jīng)驗得出最佳配合的曲線，記錄得到的統(tǒng)計參數(shù)，此時的頻率曲線和統(tǒng)計參數(shù)就是河道實際頻率曲線和統(tǒng)計參數(shù)，用于步驟(5)讀數(shù)。

(5)以2a重現(xiàn)期說明此步驟：在步驟(4)中繪制的頻率曲線圖中，讀出時段為1 h的頻率曲線上重現(xiàn)期為2a的設計雨量值，將這個雨量記為X1p。如果在場次降雨中最大1 h的降雨量大于記錄的X1p，那么說明此時管道已經(jīng)發(fā)生頂托破壞，不再具有排水能力，此次降雨被記為不合格降雨，從所選樣本中剔除，留下所有小于記錄值X1p的樣本，此時的樣本不會使管道發(fā)生頂托破壞能夠進行正常排水[8]。重復此步驟，選出符合條件的降雨，組成新的24 h時段降雨過程的樣本。

(6)采用年最大值法，步驟(5)中符合條件的降雨過程中每年選出一個24 h最大降雨量，組成一個新的樣本，并在幾率格紙上點繪頻率曲線，這個曲線圖就是管道正常排水條件下的暴雨頻率曲線。把這個頻率也稱為管道在正常排水條件下，河道澇水影響管道正常排水的破壞頻率[9]。

(7)在步驟(6)中頻率曲線圖上讀取24 h破壞率(10%、5%、3.33%)相對應的設計雨量，該設計雨量就是步驟(6)中提到的不同設計時段下河道對管道具有頂托作用的設計雨量Xp。在步驟(4)中繪制的天然條件下河道排澇暴雨頻率曲線中在各自對應時段的頻率曲線上查出Xp對應的頻率P，并根據(jù)查得的頻率算出不同破壞率下管道不同重現(xiàn)期下對應河道排澇標準的設計重現(xiàn)期T(T=1/P)[10，11]。

3 破壞率曲線的繪制

破壞率是指河道排澇對管道排水產(chǎn)生影響的頻率(例如，當破壞率為5%，管道受河道高水位頂托的情況平均每20年發(fā)生一次，那么，對于設計標準為2年一遇的管道，正常排水受到破壞的次數(shù)從20年發(fā)生10次增加到了20年發(fā)生11次，發(fā)生的重現(xiàn)期為1.82年。根據(jù)宿遷閘站設計時段為1 h不同重現(xiàn)期下的設計雨量值X1p。每年選出一個滿足最大1 h雨量但不大于X1p的最大24 h雨量來點繪頻率曲線，這時的頻率代表當管道處于正常排水條件下河道澇水影響管道正常排水的破壞率。

根據(jù)上述步驟，梳理篩選出符合條件的24 h雨量的新樣本，見下表1；破壞率頻率曲線分布見圖1～圖3。

表1 符合條件的24 h雨量 mm

4 分析管道排水與河道排澇標準關系

根據(jù)圖1～圖3的破壞頻率曲線,通過多次讀數(shù)(避免產(chǎn)生由個人原因?qū)е碌淖x數(shù)誤差)，得出在不同重現(xiàn)期下24 h設計雨量對應的不同破壞率下的河道排澇設計雨量。讀出其設計雨量。

通過所讀數(shù)據(jù)可知：管道排水設計重現(xiàn)期相同，破壞率隨著河道排澇設計雨量減小而增大，即降雨量越小，管道和河道銜接處水文條件相差越大，管道越容易發(fā)生頂托破壞；相同降雨歷時、破壞率，管道排水設計重現(xiàn)期隨著河道排澇設計雨量的增大而增大，即河道排澇設計雨量越大要求管道排水設計標準越高，此時兩者的水文條件一致，可以銜接排澇。

根據(jù)圖1～圖3的破壞頻率曲線,通過多次讀數(shù)，得出的宿遷閘站河道排澇對應的重現(xiàn)期。

圖3 宿遷閘站5a重現(xiàn)期下破壞頻率曲線

通過所讀數(shù)據(jù)可知，當管道排水設計重現(xiàn)期為2年一遇時，3種破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期分別為5.2 a、8.5 a、11.6 a；當管道排水設計重現(xiàn)期為3年一遇時，3種破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期分別為6.0 a、10.2 a、13.4 a；當管道排水設計重現(xiàn)期為5年一遇時，3種破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期分別為8.4 a、16.9 a、28.4 a。

圖2 宿遷閘站3a重現(xiàn)期下破壞頻率曲線

由以上分析可知，管道排水設計重現(xiàn)期一定，河道排澇的重現(xiàn)期增大，要使管道正常排水，要求管道具有更高的排水標準，且破壞率越小道排澇重現(xiàn)期越大，則管道設計標準越大；重現(xiàn)期越大，相同破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期越大，要管道設計標準更高；重現(xiàn)期越小，破壞率越小，河道排澇重現(xiàn)期遞增的越快，即重現(xiàn)期越小，管道排水與河道排澇銜接處水文條件差異越大，越容易發(fā)生頂托破壞。

5 與既有成果的比較

(1)2015年江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室根據(jù)新形勢下江蘇省城市排水防澇規(guī)劃建設的要求，對城市管網(wǎng)排水與河道排澇標準相銜接的計算方法及成果進行復核。

通過對比發(fā)現(xiàn)，江蘇省管道排水與河道排澇重現(xiàn)期的關系與本次研究一致，即：管道排水設計重現(xiàn)期相同，破壞率隨著河道排澇設計雨量減小而增大；相同降雨歷時、破壞率，管道排水設計重現(xiàn)期隨著河道排澇設計雨量的增大而增大。

(2)再將本次宿遷市研究成果與江蘇省研究成果進行對比，對比結(jié)果見圖4。

圖4 不同重現(xiàn)期下宿遷閘站與江蘇省研究成果對比

通過對2、3、5 a的重現(xiàn)期下的宿遷市閘站與江蘇省研究成果的柱狀圖比可知：宿遷市和江蘇省變化趨勢一致，即相同重現(xiàn)期下，河道排澇設計暴雨重現(xiàn)期隨著破壞率的減小而增加[12～16]。

6 結(jié)論與討論

本文選擇宿遷市作為研究對象，引入破壞率對暴雨資料進行統(tǒng)計選樣，采用P-Ⅲ頻率曲線對其進行配線，得出在不同破壞率條件下的管道排水與河道排澇的關系，研究表明：管道排水設計重現(xiàn)期一定，河道排澇的重現(xiàn)期增大，要使管道正常排水，要求管道具有更高的排水標準，且破壞率越小道排澇重現(xiàn)期越大，則管道設計標準越大；重現(xiàn)期越大，相同破壞率下的河道排澇重現(xiàn)期越大，要管道設計標準更高；重現(xiàn)期越小，破壞率越小，河道排澇重現(xiàn)期遞增的越快，即重現(xiàn)期越小，管道排水與河道排澇銜接處水文條件差異越大，越容易發(fā)生頂托破壞，故而對于重現(xiàn)期越小的降雨更注重管道排水的設計標準。。因此要使管道排水與河道排澇銜接順利，排水不發(fā)生頂托破壞，往往要求河道排水設計標準更高。