山丘区城市排涝泵站雨水流量计算探讨

滕少华，王 明，林小斌

(怀化市水利电力勘测设计研究院,湖南 怀化 418000)

1 问题的提出

全球气候变暖、极端天气频发，伴随洪水过程的城市内涝灾害已成为威胁人们生命财产安全、滞缓社会经济发展的“顽疾”。我国当前多数城市治涝标准普遍偏低，与城市防洪标准不匹配，难以抵御较大内涝洪水的侵袭。随着国民经济的高速增长，高强度的城市集中开发，内涝灾害造成的损失愈来愈严重，给人民的生命财产安全造成严重威胁，甚至影响到地方经济发展与社会稳定。城市治涝既是重大民生工程，又是重大发展工程。内涝灾害防治能力的提升迫在眉睫。但现状存在涉及面广、自然调蓄空间不足、排水设施建设滞后、应急管理能力不强、行业标准不一、“信息孤岛”[1]持续存在、缺乏数字化、可视化成果等问题。特别是行业标准不一，会导致城市排涝泵站在排涝流量、装机容量等方面产生很大差异，并导致水泵选型、装机台数发生变化。难以抓住山丘区排涝泵站装机容量这个解决城市看海问题的牛鼻子。造成以上差别的主要原因是泵站的雨水设计流量相差极大。在设计暴雨重现期一致时，国标GB 50014—2021《室外排水设计标准》与水利的洪水设计流量为何有这样大差别，本文将依据2个县城排涝泵站工程实例进行些初浅的探讨，以期抛砖引玉，共同探讨山丘区城市小汇流面积(小于等于2km2)下的合理雨洪规律，寻求不同行业的技术标准和计算方法间的匹配衔接、改进与统一。不致造成“市政5年一遇的排水标准计算得到的泵站规模与水利20年一遇排涝标准计算得到的泵站规模相当”[2- 3]的矛盾。

2 问题的探讨

湖南会同县属亚热带季风湿润气候区，其基本特点是：气候温热湿润，雨量丰沛，多年平均降水量1265mm。降水月份分配不均匀，春夏多雨，4—8月降水达871.4mm，占全年63.55%，雨量偏多，特别是5—6月份，月均降水量达212mm以上，洪涝灾害时有发生；9—11月份降雨量仅256.7mm，占全年18.72%，雨量偏少，常发生秋旱。会同县城排水分为3个区域：Ⅰ区主要汇流县城西区，经由原老污水管网汇流到棕李排涝泵站，再抽排至会同河，汇流面积1.38km2。Ⅱ区主要汇流县城南区，汇流面积1.15km2。Ⅲ区为Ⅰ区以西的山地丘陵，汇流面积1.5km2，洪水汇流入右撇洪渠道后自排入渠水。I区干流(主排水管)长度2.64km、干流平均坡降2.46‰；Ⅰ区为老城区，Ⅱ区为新建城区，植被情况均不好，Ⅲ区为未开发区，植被良好。

国标雨水设计流量计算采用GB 50014—2021中4.1.7条的推理公式：

Qs=q×Ψ×F

(1)

式中，Qs—雨水设计流量，L/s；q—设计暴雨强度，L/(s·hm2)；Ψ—径流系数；F—汇水面积，hm2。

会同县城现行暴雨强度公式如下：

(2)

(3)

式中，P—设计重现期，年；t—降雨历时，min；i—设计暴雨强度，mm/min。

水利洪水设计流量计算采用湖南省水利厅2015年修编的《湖南省暴雨洪水查算手册》中的推理公式，洪峰流量(暴雨一致区第4区)通过试算Rt/t=τ求得：

Qm=0.278×F×Rt/t

(4)

m=0.123×θ0.52

(5)

θ=L/(F1/4×J1/3)(θ≤25)

(6)

(7)

式中：Qm—洪峰流量，m3/s；Rt—时段径流深，mm；t—时间，h；Ψ—地表水占总径流的比例系数；F—汇水面积，km2；L—流域干流长度，km；J—干流平均坡降；τ—汇流历时，h；θ—流域地理参数；m—流域汇流参数。

会同县城Ⅰ区20年一遇的暴雨产生的雨水设计流量计算见表1。

国标中计算降雨历时从5～180min共11个，设计暴雨强度相差3.96倍。降雨历时的选取根据集雨面积的大小，只有当降雨历时不小于集水时间(产汇流时间)，雨水流量为最大[4]。Ⅰ区地面集水时间按最大值15min，管渠内雨水流行时间按平均1m/s流速计算(2640/60)为44min。降雨历时按60min选取，雨水设计流量为21.37m3/s，远远大于手册计算的7.73m3/s。国标中的4.1.4条文说明虽然明确了内涝防治系统是为应对长降雨状态下的排水安全，但没有该工况下的设计雨水流量计算公式。其举例美国丹佛市(面积小于25.9km2，最小降雨历时为2h)和休斯敦市(面积小于0.8km2，最小降雨历时为3h)却相差甚大。4.1.7条文说明有欧盟规范要求：当排水系统面积大于2km2或汇流时间大于15min时，应采用非恒定流模拟进行城市雨水管网水力计算。其面积与汇流时间也难匹配。

从表1可知：降雨历时1h时和3h，国标与水利方法雨强分别只相差9%(79.47/72.32)和-7.1%(37.86/40.53)，总降雨量基本一致(小于5%)。可见2方法在计算20年一遇的暴雨时选取雨型基本一致。差别在于国标是随降雨历时延长引入暴雨衰减指数，而水利是对设计暴雨同时进行了时程分配，并以此计算确定了洪水过程线，如图1所示。该差别导致的雨水设计流量相差2.76倍。

图1 Ⅰ区20年一遇设计洪水过程线

表1 会同县城Ⅰ区雨水设计流量计算成果表

从图1可知，山丘区小集雨面积的洪水过程线十分“尖痩”。如果排涝泵站抽排的雨水流量不小于该洪峰流量，即便在没有雨水调节设施和滞洪库容时，也能满足国标要求的不涝标准。

国标和水利雨水设计流量计算均是采用推理公式。国标对设计暴雨的设定是在选取的降雨历时内，降雨强度不变。但其用于城市排涝泵站雨水流量计算时，却有以下不足：①缺少地面集水和管渠内雨水流行时间计算的指导性经验公式。GB 51222—2017《城镇内涝防治技术规范》的3.3.2条虽然有地面集水时间计算式，但无流域干流平均坡降、地理(地面)和汇流参数的引入，当地形坡度较大时，集水时间明显偏短。采用非恒定流模拟进行城市雨水管网水力计算，由于城市完整、准确的排水管网资料不易获得、初始状态和边界条件不易设置以及计算较为复杂等，对小型设计院设计的点多面广的小城镇项目，尚有难度。②考虑产汇流时间滞后影响不足。一次降雨过程扣除各种损失之后，经坡面漫流与管网汇流，在时程上起了2次再分配的作用，使形成的径流过程比降雨过程变化平缓，历时增长，时间滞后[5]。一次降雨过程产生最大洪峰流量与出现时间，受最大雨强、总降雨量和流域大小及其地理(地面)汇流参数的共同影响，而非仅仅降雨历时等于集水时间简单。这也可从改版的《排水工程》[6]进行的探索知晓。但水利方法计算的汇流历时5.89h也偏长，主要是其研究面对的一般是植被良好的未开发区。这可与李德师等[7]采用InfoWorks ICM模拟相佐证。③没有进行暴雨时程分配，也没提供洪水过程线的计算方法。在有雨水调节设施和滞洪时，洪量的问题不好解决。④国标中综合径流系数取值变化大(0.7/0.2)，相差3.5倍，对最终结果的影响也大。在设计过程中有选取困难。从下面的工程实例看，在城镇密集区偏大，在未开发区偏小，且偏离幅度较大。

3 工程实例

会同县棕李排涝泵站于1997年12月动工兴建，1998年6月投入运行，排水区域为Ⅰ区。根据CJJ 50—92《城市防洪工程设计规范》采用重现期50年一遇标准。设计共安装7台32SA- 19J水泵机组，总排洪流量9.6m3/s(排洪峰)。泵房前池长×宽×高：52m×28m×4.7m，容积6406m3。限于当时的条件和财力，1998年仅安装了4台。之后分别于2005、2008、2011年各安装1台。泵站自2011年以来至今，汛期基本能控制涝区内部水位，满足建筑物的底层不进水。只是排水管网局部梗阻，排水能力不足时，导致雨水上翻至公路，最后汇于泵站前池。Ⅲ区的撇洪渠长2206m，纵坡2‰，3面砼衬砌。按50年一遇最大洪峰流量分3段设计，尾端最大断面底宽1.5m，高2.5m，边坡m=0.5，设计水深2.0m，设计撇洪流量11.7m3/s。最大撇洪流量17.7m3/s(水位平渠顶)。1998年3月建成运行至今，经调查2012年出现最大洪水，离渠顶0.3m，推算流量13.9m3/s。大于按国标计算的6.6m3/s(20年一遇、降雨历时60min、综合径流系数0.2)。

麻阳县城北排涝泵站于2009年10月动工兴建，2011年5月投入运行。泵站控制集雨面积1.1km2，干流长度2.1km、干流平均坡降8.54‰。采用水利10年一遇24h暴雨24h排干(排洪量)标准，泵站排水流量2.1m3/s，滞洪洪量5.13万m3。考虑排水范围内民房密集，以80%范围不积水受涝为原则，确定泵站排水流量为5.5m3/s(峰量结合)，共安装4台700ZLB- 85型立式轴流泵。泵房前池尺寸原设计长×宽×高为30m×18m×5.3m，容积2700m3。但实施过程中，由于征地拆迁困难，前池实际容积只有600m3。自投入运行以来，造成城区较大面积淹没，部分地段积水深近1.0m，积水时间超过1h。2020年由于排水范围调整至2.2km2，在城北排涝泵站扩容工程中，我院改用GB 50014—2021标准：20年一遇暴雨建筑物的底层不进水。根据前期运行情况及调研会商，最终排水流量选定为采用水利计算的洪峰流量15.9m3/s。增设2台1400QZ- 85型潜水轴流泵，单机设计流量5.3m3/s。由于资金限制，目前仅安装1台。其运行控制内水位情况，我院会进一步跟踪验证。

4 结语

各地水利部门编制出版的暴雨洪水查算手册，在水利水电规划设计、工程复核中被广泛使用。并随气象水文资料系列的延长进行修编，取得了显著的经济与社会效益[8- 9]。其公式和参数的取用以实测资料反推的方法，不仅计算精度高，还可纠正理论假设引起的系统偏差。在暴雨频率雨型一致和汇水面积、干流长度、干流平均坡降、径流系数确定时，排涝泵站的最大雨水流量理应是个定值。但城市流域的坡面汇流与管(渠)流、地表糙率复杂多变、不透水面积覆盖率大等特征，必然有和天然流域不同的特点，其趋势是地面下渗变少、汇流时间减小、洪峰流量增大。在水动力学法[10- 15]暂难普及时，建议采用传统水文学法增加以上因子等进行率定和验证，达到技术标准间的一致[16]。