城市雨水管渠和排水泵站的排水设计流量手工计算方法浅析

邓超联，李小江，钟振亮

(深圳市广汇源水利勘测设计有限公司，广东 深圳 518020)

继近年暴雨暴露了各城市排水防涝的短板后，水务行业迎来了排水设施建设的热潮，各城市启动了城市雨水管渠和排水泵站的设计工作，其中确定泵站排水设计流量规模的工作十分重要。根据技术标准，城市排水泵站排水设计流量与以往的排水泵站排涝设计流量、排渍设计流量计算方法不同，当雨水管渠为进泵总管时，泵站的排水设计流量可根据进泵总管的雨水量的计算确定[1]。当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量；当汇水面积较小时，可采用推理公式法计算雨水设计流量[2]。传统的推理公式法，需要较少计算参数，同时也可用于校核数学模型法成果的合理性，其具有既简便又符合设计精度要求的特点，可应用于汇水面积较小的城市雨水管渠和排水泵站工程设计。

本文以汇水面积较小的雨水管渠和用于抽排雨水管渠的城市排水泵站为研究对象，分步骤总结推理公式法各参数的确定和计算，计算与雨水管渠设计重现期相应的设计排水流量，求得进泵总管的设计排水流量，最后确定排水泵站的排水设计流量。

1 设计洪水计算方法

1.1 原理

根据GB50265- 2010《泵站设计规范》3.1.2规定，城市排水泵站设计流量可根据雨水量计算确定[1]。根据GB50014- 2006(2016版)《室外排水设计规范》5.2.2规定，雨水泵站的设计流量应按泵站进水总管的设计流量计算确定；3.2.1条规定，采用推理公式法计算雨水流量，应按式(1)计算；当汇水面积超过2km2时，采用数学模型法计算雨水设计流量[2]。

推理公式：

QS=q×ψ×F

(1)

式中，QS—雨水设计流量，L/s；q—设计暴雨强度，可根据式(2)计算，深圳地区可查询《深圳市暴雨强度公式及查算图表》(2015年版)；ψ—径流系数，取值规定见表1，汇水面积的综合径流系数应按地面种类加权平均计算或核实地面种类的组成和比例按区域情况选值，但综合径流系数高于0.7的地区应采用渗透、调蓄的措施[2]；F—汇水面积，hm2。

设计暴雨强度公式：

q=[167×A1×(1+C×lgP)]/(t+b)n

(2)

式中，A1，C，b，n—参数，根据统计方法进行计算确定；P—重现期，根据《深圳市暴雨强度公式及查算图表》(2015年版)，包括了7个重新期下77种特定组合的暴雨强度查算表，8个重现期的暴雨强度分公式，8个重现期下1～180min暴雨强度查算表[3]；t—降雨历时，min，可按式(3)计算。

雨水管渠降雨历时计算公式：

t=t1+t2

(3)

t2=∑(L/60/v)

(4)

式中，t1—地面集水时间，min，从汇水面积最远点流到第1个雨水口的时间，主要取决于雨水流行距离的长度和地面坡度[4]，一般采用5～15min；t2—管渠内雨水流行时间，min；L—各管段的长度，m；v—各管段满流时的水流速度，m/s。

排水管渠的过流能力计算公式：

Q过=A×v

(5)

v=R2/3×I1/2/n1

(6)

式中，Q过—排水管渠的过流能力，m/s；A—水流有效断面面积，m2；v—流速，m/s；R—水力半径，m；I—水力坡降；n1—粗糙系数。

表1 径流系数的取值

根据GB51222- 2017《城镇内涝防治技术规范》规定，管渠系统中排水泵站的设计规模，应与城镇内涝防治系统的其他组成部分相协调，在满足内涝防治设计重现期要求的前提下，经技术经济比较后确定[5]。由于内涝防治系统包括雨水管渠、坡地、道路、河道和调蓄设施等，若要协调整个系统进行手工计算，编写和计算步骤复杂、工作量大。此外，规范要求工程的内涝防治设计应为独立文件[6]。因此，文本未开展内涝防治设计重现期讨论，仅分析雨水管渠设计重现期。

1.2 计算步骤

(1)按照高水高排、低水抽排，涝水就近排除的原则，分析泵站的服务面积以及各管渠的汇水面积F。

(2)根据GB50014- 2006(2016版)和《深圳市排水(雨水)防涝综合规划》《深圳市水务发展“十三五”规划》等相关规划确定雨水管渠的设计重现期。

(3)根据现状管渠的参数计算管渠的过流能力Q1和管渠内雨水流行时间t2，根据地面种类或区域情况确定径流系数ψ和地面集水时间t1，利用式(2)计算管渠设计暴雨强度q，或根据t和设计重现期P直接查询《深圳市暴雨强度公式及查算图表》(2015年版)，将F、q和ψ代入式(1)求出管渠的雨水流量QS1，当Q1≥Qs1时，可保留现状管渠；反之，则需改建，进行步骤4。

(4)综合现状管渠、路面坡度、地下管网铺设情况和可利用空间等因素，拟定管渠的设计长度、设计管径和设计坡度，求得管渠的设计输水能力Q2和管渠内雨水流行时间t2。根据规范，要求雨水管道应按满流计算、排水管渠粗糙系数分类确定、最大设计流速非金属管道小于5m/s和最小设计流速为0.75m/s等[2]。具体要求参考GB50014- 2006(2016版)4.2的水力计算。

(5)根据地面种类或区域情况确定径流系数ψ和地面集水时间t1，利用式(2)计算管渠设计暴雨强度q，或根据t和设计重现期直接查询《深圳市暴雨强度公式及查算图表》(2015年版)，将F、q和ψ代入公式(1)求出管渠的雨水设计流量Qs2。若Q

(6)泵站进水总管的设计流量则为泵站的设计流量。若有以往成果或现状周边泵站的情况下，可进一步进行合理性分析。

2 方法应用

以城市雨水管渠和抽排雨水管渠的城市排水泵站为研究对象，结合《深圳市暴雨强度公式及查算图表》(2015版)，利用推理公式法计算管渠的雨水设计流量，进而求得泵站设计流量。

2.1 研究对象

泵站位于城市非中心区，所在流域属于感潮河段，服务范围内的雨水管渠受潮水位顶托影响。泵站的服务对象为主干道路合围而成的区域，服务面积为0.62km2。服务范围的受涝原因主要有三点：现状地势为中间低四周高易形成明显的“锅底”低洼区、外江水位顶托高于部分区域的地面高程、片区雨水管网收集能力和过流能力较低。因此，拟新建泵站和改建服务范围内的主干管渠，利用泵站抽排管渠收集的雨水，减少片区积水点，减轻损失。

2.2 汇水面积分区

根据服务范围的地形地势、现状雨水管渠分布和结合规划，划分泵站和各管渠的汇水面积，各面积分区如图1所示。

表2 雨水管渠雨水设计流量和排水泵站排水设计流量计算表(P=5年)

图1 泵站服务范围内的雨水管渠汇水分区图

2.3 确定雨水管渠设计重现期

GB50265- 2010未提及泵站的设计重现期；GB50014- 2006(2016版)3.2.4规定了雨水管渠设计重现期，超大城市和特大城市的中心城区雨水管渠设计重现期为3～5年，非中心城区为2～3年[2]。从深圳市相关规划角度分析，《深圳市排水(雨水)防涝综合规划》明确了雨水管渠、泵站及附属设施设计标准——中心城区重现期为5年，非中心城区为3年[7]；《深圳市水务发展“十三五”规划》的约束性指标中“新建管渠采用暴雨重现期不低于5年”[8]。综合以上规定，新建雨水管渠的设计重现期不低于5年，非中心改建的现状雨水管渠的设计重现期可选3年。坚持科学发展观的理念，建议雨水管渠的设计重现期均不低于5年。

2.4 排水流量计算

(1)根据现有管渠的参数计算5年一遇的雨水设计流量Qs和管渠的过流能力Q过，判断现状管渠的过流能力是否满足5年一遇标准，若满足，则保留；若不满足，则改建。

(2)对需改建的管渠，拟定尺寸、坡度、管材、长度等参数，计算管渠的设计输水能力Q过、流速v和流行时间t2。接着，将各参数代入公式(1)～(3)，比较雨水设计流量Qs和设计输水能力Q过，满足则拟定的管渠参数合适，不满足则重新拟定管渠参数，直至各段管渠Q过≥Qs。

(3)求得的进水管渠总流量，即为排水泵站与雨水管渠设计重现期相应的排水设计流量。重现期5年一遇的雨水管渠雨水设计流量和排水泵站排水设计流量计算过程和结果详见表2(摘录)，可知，5年一遇标准下进水管渠的总雨水设计流量为14.8m3/s，即该泵站的排水设计流量为14.8m3/s。

3 结语

服务面积小于2km2的排水泵站的排水设计流量，可利用精度满足规范要求的推理公式法，手工计算雨水管渠的雨水设计流量，最后确定排水泵站的排水设计流量。本文采用推理公式法应用汇水面积小于2km2的工程，所选方法得当；引用的暴雨强度资料为深圳市官方最新汇编的参考资料，引用成果科学可靠；提出新建雨水管渠的重现期不低于5年的建议，符合标准、规划和深圳市发展要求；分析对象适用于为深圳市汇水面积小于2km2的城市排水泵站，普适性较强，可应用于深圳市类似工程设计。

由于篇幅所限，本文仅举例应用了面积叠加法的雨水管渠设计流量推理公式，关于流量叠加法[4]的计算应用及比较仍需在未来进一步分析；深圳已从积水时间、积水深度和积水范围三方面明确了内涝灾害标准[7]，从内涝防治系统的层面按内涝防治设计重现期手工校核泵站的排水流量方法也需在未来开展探讨。