城市排澇泵站雨水流量計算研究

呂紹文

(廣州市從化區水務建設中心， 廣東 廣州 510900)

1 工程概況

廣東省某市排澇泵站皆為城區內的排澇區，考慮區域內整體規劃和不確定性的發展現狀，設計為20 a一遇、24 h暴雨1 d排除的排澇標準。按照實測的流域地形圖計算出流域特征參數。本工程附近有一個國家級水文站，搜集了該站1965年到2020年的56 a間實測年最大24 h的降雨數據，一最大年降水量24 h進行頻率計算，適線采用P-Ⅲ 型曲線，得出區域內20 a一遇設計降水量為206.1 mm。按照2003年廣東省水文局編制的《廣東省暴雨參數等值線圖》成果，根據廣東省點雨量的均值等值線圖和點雨量變差系數等值線圖，計算該區域內20 a一遇的設計暴雨值為212.4 mm,與實測降雨量頻率計算的結果207.1 mm。考慮到安全問題，本研究的的設計取值為兩者間的較大值，即20 a一遇24 h降雨量為212.4 mm。

2 排澇泵站雨水設計流量計算

2.1 排水閘設計流量

2.1.1 設計暴雨

按照防洪保護區內排澇水量計算需要，進行保護區內暴雨設計，采用某市水文站實測暴雨資料進行分析成果如表1所示。

表1 某泵站年最大暴雨頻率計算成果

2.1.2 排水流量

針對城市排水范圍內A排水區及B排水區，目前沒有計劃雨水管網走向，計算排水流量可采用推理公式法。重現期的排水流量，可根據排水區的自然環境、洪澇災害的程度以及影響力等因素，通過對經濟、技術方面的論證后確定，通常為5～10 a的標準。本次經過計算后的設計排澇標準為10 a一遇最大24 h暴雨情況下，遭遇外河洪水而不受淹[1-2]。

2.2 排澇泵站設計流量

本研究的案例城區片大暴雨與某河干流大洪水同時遭遇的幾率很小，為了掌握城區片暴雨與某河干流大洪水的相遇的狀況， 對有記載的1965—2020年共 56 a某河干流洪水和城區片暴雨進行有效統計。統計洪水的辦法是最先統計某河水位接近排渠出口處設計限制水位時，排水泵站具體的排水時段，然后進行相對應排水時段排水區的暴雨量統計，在借助產流匯流計算對應時段內排水區內內澇水的狀況，最后確定泵站排澇的流量。

2.2.1 限制水位

通常情況下，限制水位會以雨水管出水口的管頂高程為標準。在具體的操作過程中，從閘門的關閉到水泵的開啟存在間隔的時間，從安全的角度出發，關閘水位要設定在限制水位之下的 0.30 m左右。C泵站最高控制水位：排水口周圍村莊地面高程為61.15～61.78 m，以60.9 m作為河口的最高控制水位。排澇泵站的啟動條件：C泵站位于某河與外河匯合處附近，該處的洪水位主要受制于某河洪水位頂托。如果外河水位比最高控制水位低時，某溪的澇水自動排入外河，如果外河水位比最高控制水位高，就要關閉防洪排澇閘，啟動排澇泵將區域內澇水排出。基于排澇泵開啟時間的延后性，從安全考慮，選擇C河水位達到60.7 m水位時，泵站開啟。

2.2.2 典型暴雨選取

C泵站位置在C河水位為60.78 m時，對應某市水文站洪峰流量為7210 m3/s。統計某市水文站歷史洪水流量超過7210 m3/s的各次洪水出現的時段基于不利于工程的角度，選取2005年6月18日20時—6月19日23時的降雨實測過程作為規劃該流域10 a一遇降雨過程。

2.2.3 泵站排水流量

(1) 泵站排水量。 根據相關的設計降雨過程線，對C泵站排水區域的洪水過程線進行計算，包括某溪出口處的洪水過程線。

(2)可調節的水位庫容關系。 將某溪與某河匯合口段河道構建調節池，同時為了調節來水，將排水區域內的水面設置為部分調蓄庫容。經過計算得出調蓄容量與水位的關系。

(3)排澇過程調節計算。 綜合參考片區來水流量，發揮片區調蓄作用，進行試算排澇流量，通過聯解水量平衡方程，計算求得不同的排澇流量對應的河段最高水位。當外河水位超過60.78 m時，可關閉排澇閘，利用泵站強排出某溪來水。按照片區的來水過程，如果來水量低于泵站設計的來水量，要將內河澇水強排出去，為即將到來的洪峰提供最大化的調蓄容量。如果來水流量超過泵站設計的流量，則要根據設計流量排出，此刻會上漲片區內的水位。根據有效調蓄容積、洪水過程線以及片區內水位的關系，求得內河最高水位，通常不超過60.9 m。如果泵站設計流量超過來水量，就開始下降片區內水位，直到此次洪水過程結束。通過試算，排澇流量為18.85 m3/s時，最高水位已經達到接近限制水位的60.98 m。考慮到排澇壓力的降低以及水浸的緩解，必須在暴雨前及時搶排，預降的措施十分有效。

在雷雨天氣中，電力設施設備中往往會出現靜電現象，這樣很容易導致電力設備中的電荷大量積累，于是電力設備很容易出現電力故障。雷電定位系統具有自動排除線路故障點的功能，電力監測人員在對雷擊故障點的查詢方面要依靠先進的雷電定位技術進行輸電線路的故障查詢。由于輸電線路遭受雷擊后會出現跳閘的現象，雷電定位系統只需要確定跳閘故障和跳閘時間就可以精確地找到故障點并且保障電力繼續使用，讓電路網線正常運行。

2.3 暴雨的選樣方法及相互轉換關系

2.3.1 暴雨的選樣方法

(1)年最大值法。 選擇的資料為每年各歷時暴雨中雨量最大的一組，而且是N組資料是2015年資料的最大值。該方式不僅獨立性強、選樣簡單，收集資料也比其他方式簡單，在求得高重現期的雨量中具有明顯優勢，因此被廣泛應用在水利工程中。但該方式的缺陷是容易遺漏一些數值較大的暴雨資料，而這些資料都是在年內排名前三位的暴雨資料，對這些資料的遺漏會造成某些小重現期雨量較小，而在大重現期沒有明顯的雨量差異。《水電工程動能設計規范》(NB/T 35061—2015)中規定，所達到的治澇目標通常是以暴雨重現期過程中澇區不受澇為標準，重現期的標準通常為5～10 a，條件允許的區域可以提高為20 a一遇。

(2)年多個樣法。 選擇的6～8最大值降雨資料是每年各歷時的自記降雨資料，統計以資料的基礎是最大值年數大約3倍的最大值。該方式需要大量資料，不僅收集有難度，也不方便統計。但該模式的優點是暴雨的統計規律可以在小重現期客觀地反映出來，并且可以獲取重現期一年以下的暴雨樣。《室外排水設計標準》(GB 50014—2021)規定，重現期通常采用0.5～3.0 a，一些關鍵干道和地區以及暫短積水就可以造成嚴重后果的區域，可以采用2.0～5.0 a的重現期。基于重現期在城市排水中應用有限，一般為0.5～5.0 a，因此，年多個樣法更適合城市排水工程。

(3) 年超大值法。 將N年各周期的所有數據按大小順序排列，然后選取最大的N組降雨，組成各周期的降雨樣本，平均每年選取一組。該方法從大量的數據中考慮其發生的年份，其發生的概率意義也是期望值的平均值，在概率意義上與超定量方法和年多個樣法相差不大。

2.3.2 不同選樣法的相互轉換關系

按照計算概率的結果，年多個樣法和年最大值法之間的頻率關系如下式(1)：

PM=1-e-PE

(1)

式中:PM為年最大值法采取的選樣機率；PE為年多個樣法選擇的機率；按照重現期TM=1/PM，TE=1/PE代入式(1)得出式(2)：

(2)

(3)

根據式(3)實施計算，得出TE與TM的轉換關系。經過概率計算可以看出，唯有T≥10 a時,年多個樣法和年最大值選樣手段求得的暴雨強度才很小差距，可既有城市雨水道規劃慣用的強度為TE=1 a，這種狀態下TE與TM差距明顯，如果改用年最大值法后，則采取TM=158 a方可求得相當于TE=1 a的強度，如果還是選擇TM=1 a進行計算，就必須降低標準，降低幅度為不足0.5 a。

2.4 實例驗證

以某市的1965—2020年56 a暴雨資料中的5 min、20 min為標準，分別采用上述兩種模式，獲得i-lgT圖(見圖1)。

從圖1不難看出，如果T=1～5 a，兩種選樣方式求得的暴雨強度有明顯的差距，如果T≥10 a時，兩種選樣方式求得的暴雨強度不顯現明顯差距，符合研究的結論[3-4]。

圖1 不同選樣方法在t=5 min,t=20 min的暴雨強度機率曲線

3 結 語

在逐年完善的城市基礎設施中，怎樣完善和更新城市排水排澇系統，已經成為城市整體發展中的重要工程，而對城市排澇泵站雨水流量的有效計算是排澇工作的關鍵環節。本文通過對城市雨水流量的計算方式的研究，確定在暴雨天氣里的流量和相關河道的水位，在此基礎上進行泵站排水排澇管網的規劃設計。在進行泵站排水流量設計過程中，考慮了與外江、外河洪水遭遇的概率，采用了典型暴雨進行分析，同時有效利用了原有渠道的調蓄作用，縮減了排水泵站的設計規模，降低了費用，大大提升了泵站的實用性。