从城区排涝洪峰流量计算分析内涝成因

2011-08-08 08:23邓柏旺

城市道桥与防洪 2011年12期

邓柏旺

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 前言

面对多个城市因暴雨发生严重内涝，排涝系统遭质疑，现就排涝系统从设计角度分析其产生洪涝原因。城市排涝系统主要包含城市排水管道、城市河道、蓄滞洪区。通常一般城市由于用地紧张，不会留有蓄滞洪区，排涝系统常常由排水管道、泵站及河道组成。无论城市排涝系统有无蓄滞洪区，其最终排出城区的河道（或管道）出口断面规模，决定城区是否产生内涝。城区的河道（或管道）出口断面规模由设计洪峰流量确定。

1 常用排涝洪峰流量计算公式及适用条件

1.1 市政系统雨水流量公式[2]为：

式中：Q为雨水设计流量，L/s；ψ为径流系数；q 为设计降雨强度，L/(s·hm2)；F 为汇水面积，hm2；P 为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min；t1为地面集水时间，min；t2为管渠内雨水流行时间，min；m 为延缓系数；A1，C，n，b 为地方暴雨参数；v为管渠雨水流动速度，m/s。

1.2 水利系统的计算公式

1.2.1 单位线法[3]

式中：ρi为无因次单位线；F为流域面积，km2；Δt为单位时段；hi为时段净雨量，mm/s；Qi为时段流量，m3/s。

1.2.2 推理公式[4]

式中：Qm为设计洪峰流量，m3/s；ψ为洪峰流量径流系数；S为设计频率暴雨雨力，mm/h；τ为流域汇流时问，h；F为流域面积，km2；n为暴雨衰减指数；L为主河槽长度，km；m为汇流参数；J为主河槽坡降。

1.3 河道（管道）水力计算公式[6]

城区涝水由管道排入临近河道后，由河道进行汇流。河道水力计算公式如下：

式中：V为河道平均流速，m/s；R为河道水力半径，m；i为河底比降；n为河床糙率；L为河道长度，m；T为河道汇流时间，s。

1.4 适用条件

1.4.1 两个系统计算公式之间的差异

由于暴雨强度公式计算降雨历时采用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min共九个历时。计算降雨重现期一般按 0.25 a、0.33 a、0.5 a、1 a、2 a、3 a、5 a、10 a统计。水利系统公式计算历时采用近30 a逐年最大 1 h、3 h、6 h、24 h及最大 1 d、3 d、7 d、15 d、30 d、60 d、90 d雨量统计值；计算降雨重现期一般按 5 a、10 a、20 a、30 a、50 a、100 a、200 a、500 a等统计。故两个系统计算公式之间存在一定差异，主要体现在：

（1）暴雨强度公式和水利系统公式的推求方法存在差别。水利系统公式按照年最大值法推求，雨水流量公式采用年多个样法推求。

（2）市政系统公式采用短历时，水利系统公式采用长历时。简单举例说明：如果暴雨公式采用的1 h代表雨量，水利系统采用的是典型24 h降雨过程，水利系统采用的典型降雨过程峰值时刻的雨量不一定与暴雨公式采用的峰值时刻雨量一致，也就是说暴雨公式选用的典型雨量可能是在水利系统采用的典型暴雨历时里，也可能不是。汇流时间越短，两个系统计算公式计算成果相差越大。

（3）重现期选取市政系统与水利系统的防洪标准相差很大。防洪标准一般20 a一遇以上，雨水重现期一般取1～2 a。这是由于统计样本不一样而产生的差异。

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（4）对于设计雨型、汇水面积的假设条件也同实际存在差别。

1.4.2 两个系统计算公式适用条件

市政系统计算公式适用汇水面积较小 (一般小于100 km2)、集水时问在60～120 min的城镇或工厂的雨水管渠或排洪沟渠的设计雨水排放问题[7]。采用此公式计算城区排洪河道的设计洪峰流量将产生如下问题：暴雨重现期偏大，使设计降雨强度偏大，导致设计洪峰流量偏大；降雨强度在设计暴雨时段内是变化的，将导致降雨强度偏大也即是设计洪峰流量偏大；汇水面积随集流时间的增长速度可能不确定，对设计洪峰流量的影响也不确定。因此它直接用于城区排洪河道设计洪峰流量计算，成果将存在偏差。

水利系统计算公式适用于流域面积小于500 km2的区域；不适用于岩溶、泥石流及各种人为措施影响严重的地区[8]。产流阶段，其设计净雨和稳渗流率的推导是基于天然河流的降雨与径流关系推求的，而城区受到人为措施影响严重，改变了自然状态下的产流规律。汇流阶段，公式中流域汇流时间τ的计算也是基于自然状态情况下的汇流规律推求的，与城区条件不相适应。洪峰流量径流系数ψ同流域汇流时间τ、平均下渗滤等参数相关采用此公式计算，将导致如下问题：计算的稳渗流率较实际偏大而使设计净雨偏小即洪峰流量偏小；计算的流域汇流时间τ较实际偏大而使设计洪峰流量偏小；计算洪峰流量径流系数ψ较实际偏小而使设计洪峰流量偏小。由此可见，此公式用作城区排洪河道设计洪峰流量计算，也存在着不足。

通过以上分析，也有部分设计人员认为从重现期的选择上来看，防洪标准重现期远大于排水标准的重现期，意味着防洪标准的设计暴雨大多情况下大于排水系统所能承受的最大排水能力(尽管两者的推求方法不同)，即有部分雨量没有通过排水管网系统而直接汇流至排洪河道。本文认为，暴雨公式已经通过径流系数考虑该问题，它通过径流系数的调整来考虑汇流的流量大小，当雨水流量大于管道设计的流量，则意味着已经超过设计标准。水利系统计算公式也可以通过径流系数来调整稳渗流率及汇流时间的影响。当整片面积都为硬质，理论上径流系数可以取上限值1.0。径流系数，在城市雨水量估算中宜采用城市综合径流系数,一般取值在0.2～0.85。水利系统采用洪峰径流系数，等于形成洪峰的净雨量与降雨量之比值，一般在0.7～1.0。两个系统计算公式径流系数的取值应当通过工程当地实地测量确定，按规范取值区间较大。

两个系统计算公式主要区别还是在于在洪峰时段内的净雨量取值，如果市政系统在某个重现期下洪峰时段净雨与水利系统某个重现期下净雨相等，则计算的洪峰流量理论上是相等的。

通过以上分析及多个工程计算经验，城区排洪河道设计洪峰流量计算需要同时考虑管道排水及河道排水。河道两侧城区可根据每条主干管覆盖的集雨面积划分成若干区块，每个区块建议采用市政系统计算公式计算洪峰流量，根据洪峰流量采用简单的三角形法绘制流量过程线。各区块洪水通过主干管汇进河道后，按河道水力条件计算过流时间，出口断面的洪峰流量按考虑河道汇流时间影响后各控制断面流量叠加值。采用该方法既考虑了城区排水系统的洪峰流量计算成果，又考虑了水利系统的等流时线法原理，较符合实际。

2 计算工程实例

本文选用湖南省株洲市云龙示范区白石港流域里的某条支流为例进行计算。云龙示范区为长株潭“两型社会”的重点试验区，该片区东西及北面地势高，像带状地形，水流通过各大支流汇集于白石港河道，通过白石港河道向南流入湘江。选取的支流河道防洪标准100 a一遇，现状两岸为原始地貌，总汇水面积39.17 km2,上游28.16 km2汇水通过水库调蓄，从水库往下游将进行示范区建设，该区即将城市化。从水库至白石港河道长度为3.46 km，平均比降0.1% ，按排水管道布置情况，共设10个控制断面。

本文分别用两个系统计算方法计算设计标准下的洪峰流量，其结果见表1所列。市政系统公式统计了各控制断面的流量，设计暴雨重现期P=2 a，径流系数取0.6。选取了3种工况：考虑河道汇流时间影响后各控制断面流量叠加（见图1）、不考虑河道汇流时间影响各控制断面流量叠加、各控制断面面积累加后再进行流量计算。水利系统公式分别按单位线法及推理公式法进行统计，设计洪水标准采用100 a一遇，径流系数取0.85。本文分析了一场降雨历时长短（6 h、8 h、12 h、24 h）对设计洪峰流量的影响（见表2、图2）；分析了6 h降雨历时各控制断面之间河道1倍汇流时间、2倍汇流时间、3倍汇流时间等各控制断面汇流时间长短对洪峰流量影响（见表3、图3）。