对改进城镇雨水系统设计的几个问题探讨

张志军

城镇汛期暴雨积水问题普遍存在，直接影响居民的出行，甚至造成事故。其中有排水设施维护管理的因素，如：管道淤积严重、部分排水无出路、管径小、河道水位高、入河口未建设强排泵站、雨水口设置不合理等；更重要的需要改进和完善设计、优化设计、细化设计。城镇暴雨尽快排除过程有3步：一是地面径流雨水能尽快收进雨水口；二是能尽快进入管道、同时尽快排入水体；三是河道等水体内的水位能尽快向下游排放，不至于使水体升高过快，形成顶托。除河道防洪排沥属水利部门管理以外，城镇雨水系统设计应考虑下属因素：近年来，随着城市景观水面工程的实施，使河道常水位及洪水位普遍抬高；夏季降雨集中，60%～70%的降雨都集中在6、7、8三个月；如何既考虑河水顶托淹没出水问题，又能通畅、在最短时间内排除城市区域暴雨径流量，减少路面积水，且又不至于使管道断面过大、提升泵站数量过多，就成为城市雨水管网设计所面临的问题。

一、集流时间、降雨历时的确定

通常设计中，集流时间 （τ）一般由雨水从汇水面积上最远点的房屋屋面流到最近雨水口的集流时间 （t1） 和管道中的流行时间 （t2） 组成。 由于北方平原城市地面坡度比较平缓、地面覆盖条件相似、降雨强度相近，则地面集水距离就成为影响t1的主要因素。多数设计中采用的集水距离不超过150m，t1取值为10～15min，而市政雨水管网系统往往以此为基础进行计算，其实并不合理，原因如下：

1.道路雨水起点，并不是计算雨水系统的集流起点，真正的集流起点应是厂、矿、企业、居住区内雨水系统的起点，因此集流时间t1需考虑雨水在厂、矿、企业、居住区内雨水系统的集流时间及管道内的流行时间。

2.因短历时暴雨强度公式仅适用小流域，在进行市政雨水系统设计时，所用暴雨强度公式是以极限强度法计算的雨水最大流量的基本原理为基础。但由于该原理是以假设暴雨强度和面积增长速度均为常数为前提，没有考虑实际的暴雨雨型与径流面积随暴雨历时增长的水文形态对计算流量的影响。

式中，L——各管段的长度 （m）；

V——各管段满流时的水流速度 （m/s）。

考虑到管道的调蓄作用对流量的影响，引入折减系数m。由此得出暴雨公式中降雨历时的计算公式为 t=τ=t1+m×t2。

但在中小城市，因为整个城区汇水面积较小，对于局部的雨水系统而言，它的汇水面积就更小，可以认为在汇水面积内雨型是相同的；而在特大、大型平原城市中，雨水系统的汇水面积较大，雨型在汇水面积内会有所差异，计算的雨量结果与实际偏离相对较大。实践表明：当设计区域的地表渗水性较好、集流时间较长，产生区域最大径流的造峰历时tmax，往往会小于区域的集流时间t（t=t1+m∑L/60V，m≠2）。取m=2算出的时间已经不是真实的集流时间，即不是全面积径流所产生最大流量，而是部分面积径流所产生最大流量。此外，畸形流域的最大流量也往往来自部分面积的径流。

部分径流的最大流量公式： Q=β×I×Ψ×F。

式中β——产生最大流量的径流面积完全度系数。

β=f/F≤1，f为相应造峰历时tmax的最大径流面积，当径流面积随历时不均匀增长时割除的面积（F-f）应是流域的尖角部分。

造峰历时 tmax的推理公式： tmax=Ψ×b/(n-Ψ)。

式中b与n为暴雨强度公式中的参数 （公式适用于参数b>0，参数Ψ

根据以上分析，进行市政雨水系统计算时，雨水集流时间应增加雨水在厂、矿、企业、事业、居住小区内部雨水系统流行的时间；在计算汇水面积较大的雨水系统时，计算得出的集流时间较大，应与造峰历时进行比较，集流时间大于造峰历时，仍按计算所得集流时间正常计算，超过造峰历时集流时间按造峰历时计算。

二、汇水面积的确定

较大的市政雨水系统设计时，主要管道的定线非常关键，原则上使汇水面积内的雨水尽快收集进入管道，同时能在最短时间内由管道排入水体，因此要根据城市不同地形采用不同的管网布置形式，如：正交式、平行式、分区式、截流式等。而汇水面积的划分需要考虑多方面因素影响，尽可能的平均划分，使面积增长速度接近于常数。

通常设计中，往往将各个街区平均地划分出汇水范围，雨水平均排入四周街道雨水管网，但在地势非常平坦并且街区规划不完善的区域，这样划分是比较合理的。若街区地势有一定的坡度或该街区内部有较详细的规划，汇水面积就不能简单的平均划分，应根据该区域内详细规划和地势坡度来划分雨水的汇水面积。地势平坦区域及地势坡度较大区域汇水面积划分见图1和图2所示。

图1 地势平坦区域汇水面积划分图

图2 地势坡度较大区域汇水面积划分图

三、径流系数的确定

汇水面积确定后，影响雨水设计流量的另一重要因素就是径流系数。雨水降落到地面形成径流，因汇水面积内的地面覆盖情况不同而不同。此外影响径流系数的因素还有地面坡度、降雨历时、暴雨强度以及暴雨雨型。在其他条件相同的情况下，地面坡度大的区域，雨水流动较快，径流系数必然要大。降雨历时长的暴雨雨水在地面渗透损失减少，随着时间的推移，径流系数也就相对大些。暴雨强度越大和暴雨强度发生在前期的雨型径流系数也大。

但在平常设计中，在计算某区域雨水量时，往往采用区域综合径流系数，这样会造成设计的每段雨水管线的流量、管径、坡度准确性不够。

在北方平原城市雨水流量计算过程中，若区域控制性规划已设计完成，径流系数应根据控制性规划的用地比例，分别计算出绿地、沥青路面、混凝土路面、屋面、非铺砌土路面以及铺砌便道的面积，按照 《室外排水设计规范》中给定的各种地面种类的径流系数加权平均计算而得。

四、暴雨重现期的确定

暴雨强度重现期的选择，直接关系着雨水设计流量的大小。设计重现期选高了，雨量正常年份地面积水的可能性降低，雨水管网系统安全性增高，同时雨水管道断面增大，投资增大；如果重现期选低了，雨水管道断面减小，投资节省，但加大了地面积水的可能，严重的会给人们的生活、生产带来损失。 《室外排水设计规范》给出的重现期参考值，见表。

在城市建设中，某区域的地理位置重要性质往往很难确定，因此选择一个合理的重现期也较困难。为解决这个难题，在满足各地区的要求及国家有关规范条件下，应结合以下两方面来确定。

1.整个区域的暴雨重现期不统一的原则

计算区域面积较大的雨水流量时，各区域干管交汇点的上游管道，按各自的重要性与地形特点选定不同重现期，如重要广场、下穿立交泵站、

行政中心、医院、车站、大型住宅区以及地面坡度较大区域等处应选用较高重现期，但是干管交汇点下游管道的重现期不应小于交汇点上游管道中的最大重现期。对于干管交汇点的下游管道，因上游各区域所用暴雨重现期不同，需假设上游地区中所用较高重现期设计暴雨来临时，此时上游较低重现期时所设计的管道，因泄水能力不够而在该地区产生积水，管道将产生压力流，所以实际泄水能力约为原设计流量的1.2倍 （经验值）。因此全流域的设计流量，按照在较高重现期时计算的设计暴雨雨力Amax下各地区的当量泄量系数Ki=Ai/Amax，所以全流域的流量Q为：

2.小城市的暴雨设计重现期确定

在对北方中、小平原城市不同区域进行雨水计算时，应根据不同地区的重要性所确定的设计重现期作相应的常规计算。在地面坡度不大于0.002时，建议一般居住区、一般道路重现期选择0.5年，中心区、干道、仓库区、广场重现期选择1年，而铁路立交、公路立交、重要干道等重要地区仍采用2～5年。

五、淹没出流流速的确定

由于北方平原城市多数雨水管道出口淹没在河道水面下，属淹没出流，其排水安全问题应特别注意，重力自流排水时，应校核水体水位高程、管道沿程地面高程和管道水力坡降线，以确保上游路面不因河水倒灌而冒水。且因受河水顶托影响，管道的实际排水能力能否达到设计要求，也必须进行校核。

设计重现期 （P）选择一览表

式中V为管内流速 （m/s）、v1为淹没段上游（非淹没段） 流速 （m/s）、d为管道直径 （m）、L为淹没段长度 （m）、λ为沿程阻力系数、Δh为淹没段水力坡降、Z为河道水面至上游管段水面的垂直距离 （m）、/2g为行进水头。

可见，在雨水管道淹没段排水设计时，应校核其排水能力。当不能满足设计排水能力要求时，应考虑加大管径、减小坡度 （以减小Δh）等措施。甚至在重要地区，要考虑建设提升泵站 （或配备液压式移动泵站）和止回阀。泵站的抽升能力按管道设计汇水量的50%即可，在降雨时一方面通过管道自流排放，同时也通过泵站抽升强排，既可大大节省泵站投资，又可缩短低洼地段积水时间。

六、雨水收水口形式的确定

雨水口的型式主要有平篦、立篦、联合式平立篦结合三种。平篦水流通畅，但易被杂物堵塞，影响收水能力；立篦不宜堵塞，但边沟需保持一定水深；联合式兼顾平立篦优点，应优先选用。雨水口的布置应按以下原则：

1.雨水口的布置应根据地形及汇水面积，结合道路纵断设计布置，将雨水口布置在低洼处。尤其在道路交叉口四周、街坊单位出入口处，要认真核算路面高程，确保将雨水口布置在低洼处。雨水口的布置数量还应考虑堵塞系数；

2.对于低洼和易积水地段，雨水径流面积大，径流量较大，为提高收水速度，需要适当增加雨水口数量，最好采用连续多篦的 “线形”收水井；

3.对于道路纵坡较大路段，尤其是立交桥的引道处，应采用平篦雨水口收水，且在上游就开始布置雨水口，在下游段相应设连续多篦雨水口，形成 “线形”收水井，让径流雨水从上游开始就收进管道，避免全部汇到下游或桥下后，造成积水；

4.为减少平篦雨水口被杂物堵塞，其安装要有一定倾斜角度，4度为易，坡向路边侧；

5.为提高收水效果，应优先选用平立篦结合的联合式雨水口，同时道路两侧的平石应向外有3CM坡度，不应采用无坡度的 “平石”，以形成边沟；

6.雨水口下面应设30～50CM的沉淀池，以避免泥沙杂物进入管道。针对雨水过路管管径小不宜清掏疏通的实际情况，其坡度应确保达到1%，坡向检查井，以加大流速，避免杂物沉积。

七、结束语

科学分析、合理确定市政雨水系统设计中涉及的上述几个要素取值，以对设计进行优化；同时应加快雨水入渗系统的设计和实际应用步伐，使雨水排放、入渗以及储蓄利用三者有机结合起来；再者，还可以将各自独立雨水系统之间连通起来，利用连通管调剂不同系统间雨水径流量；此外，下穿立交雨水泵站应设独立的排水管道、立交桥头应有截流和分流客水设施、立交泵站抽升能力应考虑20%的客水汇集量；另，通过建设小区内的雨水管道、通过在局部低洼地段建设直通污水检查井的雨水口 （汛期通过污水泵站抽升）等措施，均对提高城镇雨水排除效果，减少路面积水时间，起重要作用。

[1]GB50014-2006室外排水设计规范.

[2]上海市政工程设计研究院.给排水设计手册.北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]张志军.优化城镇排水系统运行的改进措施.城镇供水,2009, （1）： 43-46.