城市排水系統內澇積水計算分析

陳勇

（東營市水文中心，山東 東營 257000）

1 研究區范圍

東營區隸屬山東省東營市，位于魯北平原黃河三角洲地區。研究分析范圍東起東青高速，西至西六路，北起六干排，南至新廣蒲河，面積81.85 km2，下墊面硬化面積70%，綠化面積30%，有排澇泵站（井）44座，劃分為44個集水區域。

2 技術路線

城市積水區排澇受市政排水管網排水能力的限制，泵站最大排水流量即為實際排入河道的流量，因此本次排澇時長計算模型的推導主要取決于時段內產流總量與管道排水能力、泵站排水能力的關系。技術路線見圖1。

3 典型暴雨分析

根據短歷時暴雨統計規律，選取2021年7月12日3時至7月13日3時降水過程作為典型暴雨過程，采用水文比擬同倍比放大法分別計算不同量級最大24 h雨量暴雨縮放倍比，推求最大24 h 降水量50、100、150、200、250 mm 設計暴雨過程。城區典型暴雨過程由區內5 個雨量站（耿井、六戶、西城、萬泉、李宅）同期的降雨資料采用算術平均法推求。不同量級最大24 h暴雨縮放倍比成果見表1。

表1 不同量級最大24 h暴雨縮放倍比成果表

4 區域產流、匯流及排水流量計算

4.1 徑流系數選取

根據《建筑與小區雨水控制及利用工程設計規范》，不同種類下墊面的徑流系數應依據實測數據確定，缺乏資料時可參照表格取值。

4.2 綜合徑流系數計算

根據《建筑給水排水設計標準》中綜合徑流系數公式，采用加權平均的方法計算建設前后項目區綜合徑流系數，公式如下：

式（1）中：Ψz—綜合徑流系數；F—匯水面積，m2；Fi—匯水面積上各類下墊面面積，m2；Ψi—各類下墊面徑流系數。

城市化進程擠占了雨水的流通和蓄滯空間，使得區域不透水面積增大、坡面匯流的流程縮短、洪水沿程糙率變小，極大改變了城市雨洪水文、水動力學特性，導致城區徑流系數與徑流量增加。由于研究區監測資料缺乏，此次計算不再細化東營區各不透水層面積，將下墊面分為綠化分區和建構筑物區兩大類。通過調查，東營區城區整體綠化率在30%左右，則建構筑物區占地比例為70%。綠地區雨量徑流系數為0.15，建構筑物區主要以混凝土和瀝青路面為主，取雨量徑流系數0.85。

通過以上下墊面類型權重，可計算出東營區綜合徑流系數為0.64，在合理區間內，可予以采用。

4.3 雨水徑流總量計算

研究區雨水徑流總量根據《建筑與小區雨水控制及利用工程設計規范》，按照下式計算：

式（2）中：W—徑流總量，m3；Ψ—雨量徑流系數；H—設計降雨量，mm；F—匯水面積，hm2。

4.4 匯流計算

城市排水系統立體式分層結構顯著，使得城市的匯流機制遠比天然流域復雜。城區產流后，原則上要經過坡面（地面）匯流進入市政排水管網，再由管網匯流至泵站。但考慮到東營區地下管網較為密集，匯水區域雨量全部就近進入管網，每條地下排水管匯水面積相對較小，坡面（地面）匯流距離較短，匯流時間可忽略不計，排澇時長計算模型不考慮坡面（地面）匯流過程。

4.5 排水流量計算

根據《室外排水設計規范》，排水管渠的流量，應按下列公式計算：

式（3）中：Q—設計流量（m3/s）；A—水流有效斷面面積；v—流速（m/s）。

此模型僅考慮排水管道下游段出水口輸水能力，在上游端輸水能力足夠大的條件下，排水管渠流動可近似為恒定均勻流，其流速應按照曼寧公式計算：

式（4）中：k—轉換常數，國際單位制中值為1；v—流速（m/s）；R—水力半徑（m）；I—水力坡度，采用排水管的坡度；n—管渠粗糙系數。

對于研究水力坡度采用排水管的坡度，根據調查東營區排水管坡度一般為1.20‰～3.00‰，采用中值1.50‰；排水管道材質為混凝土管，粗糙系數采用0.013。

5 城區內澇積水分析

5.1 假定條件

管道輸水能力按新管道處理，不考慮破損、淤積影響。

5.2 計算模型

城市地區下墊面多樣，不透水面積占比為0.70，在城市排水系統的規劃設計中，產流計算一般是采用徑流系數法。對于調蓄能力較小的管道排水系統，設計規模受最大流量控制，只需推求城市排水系統管道末端連接泵站處的設計流量（管道輸水能力）即可，采用曼寧公式法推求。考慮到研究區域總面積僅有81.85 km2，又分成44個小片區，管道排水系統規模較小，管道調蓄功能較小，故調蓄功能不予考慮。把研究區看作一個封閉的流域系統，44個泵站及其配套集水、排水管線系統分別看作封閉獨立的子系統，分別采用水量平衡方程式進行調節計算。

流域水量平衡是一個流域在任一時段內，其收入的水量等于支出的水量、時段始末蓄水變量和流域內外交換水量的代數和。水量平衡方程式如下：

式中：Px—時段內流域平均降水量；Rs—出口斷面流出的徑流量；Eb—時段內流域平均蒸發量；△wr—流域內外交換水量；△Vn—流域內蓄水變量。

流域有閉合流域和非閉合流域之分，對于非閉合流域，由其他流域進入研究流域的地表徑流和地下徑流均不等于零，需要使用上述未省略通用水量平衡方程。

若流域為閉合流域時，則無流域內外的交換水量，通用的水量平衡方程中△wr 為零，故其水量平衡方程式為：Px=Rs+Eb+△Vn。

在此研究分析計算中，將計算單元區域看作閉合流域，△wr—流域內外交換水量為零；△Vn—流域內蓄水變量，即為城區積水變量；Rs—出口斷面流出的徑流量，即為泵站外排水量。

降雨期間，當時段凈雨量累計值等于管道納水能力時，地面即將開始產生積水，時段浄雨量累計值超過管道納水能力，排水泵站開啟工作；時段凈雨量減時段排水量的差值為正值，地面積水量不斷累計增大，反之減小，當地面積水量減為零時，泵站關停。一場長歷時降雨過程，不同時段降雨強度不同，變化復雜多樣，地面積水會反復多次出現。

5.3 數值計算

利用城市積水分析模型模擬城區降雨積水、排澇過程，經分析計算對比，東營區城區2021年“7·12”典型暴雨（24 h）積水最長時間17.70 h，東營區城區重現期為1 年最大24 h 暴雨（50 mm）收水區域積最長水時間9.20 h，重現期為3年最大24 h暴雨（100 mm）收水區域積水最長時間19.20 h，重現期為5年最大24 h暴雨（150 mm）收水區域積水最長時間29.50 h，重現期為10年最大24 h暴雨（200 mm）收水區域積水最長時間39.90 h，重現期為20年最大24 h暴雨（250 mm）收水區域積水最長時間53.60 h。

6 對策與建議

定期維修維護排水設施，保證排水管網暢通，重新布設個別路段雨水管線。使用大管徑管道重新布設雨水管網，實現雨污分流的同時增強收水區收水能力。加強污水排放管理，設置水質監測站點，污水經處理達標后，方可排入管道，提高市政排水泵站信息化運行與管理水平。實現排水泵站的智能化運行與管理，可以有效提升防洪除澇的整體效率；實現城市管理向現代化、信息化、智能化科學發展，確保城市安瀾。