城镇暴雨排泄能力设计影响因素探讨

王伟卓 王业福

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林 132012; 2.吉林市市政设计研究院有限责任公司，吉林吉林 132001)

0 引言

城镇汛期暴雨已经成为制约经济发展的重要因素，如不能妥善排放，将会造成人民群众财产损失甚至威胁生命。2012年北京7·21特大暴雨不仅造成首都巨大经济损失，而且190余万人受灾［1］。因此，城市暴雨的排放已经成为城市化建设的一个不容忽视的方面。

1 问题的提出

雨水管网系统是市政工程重要的组成部分，是城市发展重要的基础设施，同时也是城市防洪工程中不可缺少的。随着城市化进程的不断加快，城市生产力不断扩大，由此带来的一系列环境问题愈发凸显。这些问题主要体现在城市的水文效应、水文环境的变化上，给城市的内涝排泄、城市环境、城市防洪等带来一系列新问题［2］。

例如，由于城市化的建设导致的公路覆盖率提高，使得地面的保水、滞洪能力下降，雨水径流量变大，最终使径流系数变化而引起设计上参数选取的变化(见表1)。非铺砌土地面与各种屋面、混凝土和沥青路面的径流系数分别为0.30和0.90。

由于城市化带来的影响因素较多，各因素对设计结果的影响程度并不一致，而且雨水系统同时存在新建和改造两种情况，为了经济合理的配合城市化进程，需要了解各影响因素的权重，以便改进设计参数选择方法。

表1 不同地面的径流系数［3］

2 城市化对雨水系统主要影响

2.1 降雨量的变化

通过对北京市水文情态调查数据总结［4］，得出的结论主要有以下几个方面:

1)市区降雨量大于郊区降雨量;2)城内各区差异显著，以市区为中心向外依次减小。

2.2 产流方面

由于城市化的加深，天然流域下垫面已经变为以屋面、混凝土和沥青路面、广场等不透水材料为主的地面，非铺砌土地面大大减少，从而使地面下渗能力减弱，径流总量、洪峰流量显著增加［5］。

2.3 汇流方面

随着城市化发展、城区扩大，由于城市不透水地面面积的显著增加，使径流系数随之提高，见表1。

3 雨水系统计算主要方法

3.1 设计暴雨强度

我国采用的暴雨强度公式为［6］:

式中:q——设计暴雨强度;

t——降雨历时;

P——设计重现期;

A1，C，n，b——待定参数。

3.2 集水时间

集水时间由地面集水时间和雨水在管道中流到设计断面所需的流行时间组成，公式为:

其中，t1为地面集水时间;m为折减系数;Li为设计断面上游各管道的长度;vi为上游各管道中设计流速。

3.3 管段设计流量

一般城市的雨水管道的汇水面积较小，在整个汇水面积上能产生全面积的径流，称为完全径流，即雨水灌渠设计流量，或称为实际地面径流量，公式为:

其中，φ为径流系数;F为计算汇水面积。由式(1)～式(3)联立，可以得到管段i设计流量为:

其中各符号意义同前。

由于雨水管道设计的基础在于管段设计流量的计算，故通过讨论式(4)就可以得出对设计流量影响较大的参数，即雨水管道设计权重最大影响因素。

4 算例分析

分析式(4)容易看出:选取某一指定区域后，公式中A1，C，n，b为恒定值;折减系数m只与排放方式有关;汇水面积Fk由选定的区域确定，在区域划分不变的情况下，以上各参数均对设计流量计算无明显影响。

地面集水时间t1由地形坡度和地面覆盖情况决定，由于地面材料会影响径流系数，故将t1与φ视为同一影响因子;径流系数φ与暴雨重现期P均为需要主观选取的指标。

表2 北京市暴雨强度公式参数表

现在以北京市为例子试着计算并且比较径流系数φ与暴雨重现期P对设计流量的影响权重，北京市暴雨强度公式参数如表2所示。

1)暴雨重现期是指在相当长的时间序列中，不小于某个指标出现的可能性，重现期越大，降雨强度就越大，其取值依照地区主要程度一般在0.5～5之间。

径流系数φ保持不变时，分别按照一般重要地区和重要地区相应取P=3和P=5计算如下:

2)径流系数在工程师设计中经常采用“区域综合径流系数”进行近似，其数值已经考虑了植被、地面等因素，区域综合径流系数和城市区域综合径流系数分别见表3，表4［7］。

表3 区域综合径流系数

表4 城市区域综合径流系数

当暴雨重现期不变的时候，分别按照城市郊区和城市市区或者按照建筑较稀和建筑稠密，相应分别取φ=0.5和φ=0.7计算公式如下:

5 讨论与结论

两次计算均可得到，调整计算中暴雨强度和径流系数参数后，计算结果差异显著;在各计算因素都没有发生改变的情况下，径流系数取值的改变对设计流量的影响明显高于暴雨重现期的影响。根据计算结果，可以得到如下结论:

1)对于城镇雨水排放系统计算，主要方面之一在于设计流量的计算，而计算过程中参数以暴雨重现期和径流系数对结果影响较大，准确合理的选择参数是设计的关键;

2)由两次计算结果比较，对于设计流量计算的各项参数中，径流系数权重高于暴雨重现期，且暴雨重现期取值范围较小，对计算结果影响有限;

3)城市暴雨排放难度加大主要由于城市化进程加快，大量郊区或者较稀居住区被城市扩展吞并成为较为稠密的市中心地带，使得不透水地面比例大幅上升，而非设计采用了较小暴雨重现期所致;

4)由于城市化过程中大量雨水管道均为原有，全部翻新并不现实，故在建设城市的同时，应合理安排城市布局，建设公园绿地等公共设施，平衡不透水地面面积。

［1］ 李松涛.北京暴雨引发人身财产安全思考［N］.中国青年报，2012-07-27.

［2］ 21世纪的中国城市化发展信息来源［N］.中国经济时报，2006-12-14.

［3］ 严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［4］ 曾畅云.水环境安全及其指标体系研究——以北京市为例［D］.北京：首都师范大学，2006.

［5］ 朱元生.城市水文学［M］.北京：中国科学技术出版社，1991.

［6］ GB 50014-2006，室外排水设计规范［S］.

［7］ 于尔捷，张 杰.给水排水工程快速设计手册2：排水工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.