不同破坏率条件下排水管道和河道排涝的关系

白 丹

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 引言

在管道设计时，一般优先考虑管道排水能力，当排水能力满足时才会考虑管道排水出口水位设计是否对管道排水产生顶托破坏[1～3]；当城市发生特大暴雨或者暴雨时，即使管道排水能力满足排水要求，但是如果管道出水口和河道衔接处水文条件不相符时，就会出现管道受顶托破坏，积水无法正常排出，出现城市洪水内涝[4]，同时如果排水能力过高会造成经济成本过高，与现代社会高质量发展背道而驰。

2 研究方法

本次研究以宿迁市为例，宿迁地处江苏省西北部，北纬32°58′～34°25′、东经117°56′～119°10′。全市总面积为8555km2，其中陆地面积占77.6%。

本次研究方法如下：

(1)选取具有代表性的雨量站。宿迁市可供选择的雨量站较多，本次研究尽量选取具有代表性的雨量站(则以宿迁闸站为代表站)，进而对宿迁闸站的雨量数据进行梳理、审查，使之满足可靠性、一致性和代表性。

(2)次暴雨划分。根据以往次暴雨划分经验，对整理的降雨数据以特征因子进行划分，特征因子包括次暴雨间隔时间和间隔时间内雨量[5]。

(3)整理不同时长的降雨。从上述步骤划分的次暴雨，统计典型降雨场次的最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h降雨，记录每场降雨起始时间及24 h降雨中的连续最大1 h雨量，记为X1。

(4)利用年最大值法绘制频率曲线。根据步骤3选取的初筛降雨，采用年最大值法选取各个时段的样本，在此基础上，将各个历时降雨的样本进行从大到小的排序[6]，并对排序的样本进行P-Ⅲ曲线配线[7]，利用参数和经验得出最佳配合的曲线，记录得到的统计参数，此时的频率曲线和统计参数就是河道实际频率曲线和统计参数，用于步骤(5)读数。

(5)以2a重现期说明此步骤：在步骤(4)中绘制的频率曲线图中，读出时段为1 h的频率曲线上重现期为2a的设计雨量值，将这个雨量记为X1p。如果在场次降雨中最大1 h的降雨量大于记录的X1p，那么说明此时管道已经发生顶托破坏，不再具有排水能力，此次降雨被记为不合格降雨，从所选样本中剔除，留下所有小于记录值X1p的样本，此时的样本不会使管道发生顶托破坏能够进行正常排水[8]。重复此步骤，选出符合条件的降雨，组成新的24 h时段降雨过程的样本。

(6)采用年最大值法，步骤(5)中符合条件的降雨过程中每年选出一个24 h最大降雨量，组成一个新的样本，并在几率格纸上点绘频率曲线，这个曲线图就是管道正常排水条件下的暴雨频率曲线。把这个频率也称为管道在正常排水条件下，河道涝水影响管道正常排水的破坏频率[9]。

(7)在步骤(6)中频率曲线图上读取24 h破坏率(10%、5%、3.33%)相对应的设计雨量，该设计雨量就是步骤(6)中提到的不同设计时段下河道对管道具有顶托作用的设计雨量Xp。在步骤(4)中绘制的天然条件下河道排涝暴雨频率曲线中在各自对应时段的频率曲线上查出Xp对应的频率P，并根据查得的频率算出不同破坏率下管道不同重现期下对应河道排涝标准的设计重现期T(T=1/P)[10，11]。

3 破坏率曲线的绘制

破坏率是指河道排涝对管道排水产生影响的频率(例如，当破坏率为5%，管道受河道高水位顶托的情况平均每20年发生一次，那么，对于设计标准为2年一遇的管道，正常排水受到破坏的次数从20年发生10次增加到了20年发生11次，发生的重现期为1.82年。根据宿迁闸站设计时段为1 h不同重现期下的设计雨量值X1p。每年选出一个满足最大1 h雨量但不大于X1p的最大24 h雨量来点绘频率曲线，这时的频率代表当管道处于正常排水条件下河道涝水影响管道正常排水的破坏率。

根据上述步骤，梳理筛选出符合条件的24 h雨量的新样本，见下表1；破坏率频率曲线分布见图1～图3。

表1 符合条件的24 h雨量 mm

4 分析管道排水与河道排涝标准关系

根据图1～图3的破坏频率曲线,通过多次读数(避免产生由个人原因导致的读数误差)，得出在不同重现期下24 h设计雨量对应的不同破坏率下的河道排涝设计雨量。读出其设计雨量。

通过所读数据可知：管道排水设计重现期相同，破坏率随着河道排涝设计雨量减小而增大，即降雨量越小，管道和河道衔接处水文条件相差越大，管道越容易发生顶托破坏；相同降雨历时、破坏率，管道排水设计重现期随着河道排涝设计雨量的增大而增大，即河道排涝设计雨量越大要求管道排水设计标准越高，此时两者的水文条件一致，可以衔接排涝。

根据图1～图3的破坏频率曲线,通过多次读数，得出的宿迁闸站河道排涝对应的重现期。

图3 宿迁闸站5a重现期下破坏频率曲线

通过所读数据可知，当管道排水设计重现期为2年一遇时，3种破坏率下的河道排涝重现期分别为5.2 a、8.5 a、11.6 a；当管道排水设计重现期为3年一遇时，3种破坏率下的河道排涝重现期分别为6.0 a、10.2 a、13.4 a；当管道排水设计重现期为5年一遇时，3种破坏率下的河道排涝重现期分别为8.4 a、16.9 a、28.4 a。

图2 宿迁闸站3a重现期下破坏频率曲线

由以上分析可知，管道排水设计重现期一定，河道排涝的重现期增大，要使管道正常排水，要求管道具有更高的排水标准，且破坏率越小道排涝重现期越大，则管道设计标准越大；重现期越大，相同破坏率下的河道排涝重现期越大，要管道设计标准更高；重现期越小，破坏率越小，河道排涝重现期递增的越快，即重现期越小，管道排水与河道排涝衔接处水文条件差异越大，越容易发生顶托破坏。

5 与既有成果的比较

(1)2015年江苏省水利工程规划办公室根据新形势下江苏省城市排水防涝规划建设的要求，对城市管网排水与河道排涝标准相衔接的计算方法及成果进行复核。

通过对比发现，江苏省管道排水与河道排涝重现期的关系与本次研究一致，即：管道排水设计重现期相同，破坏率随着河道排涝设计雨量减小而增大；相同降雨历时、破坏率，管道排水设计重现期随着河道排涝设计雨量的增大而增大。

(2)再将本次宿迁市研究成果与江苏省研究成果进行对比，对比结果见图4。

图4 不同重现期下宿迁闸站与江苏省研究成果对比

通过对2、3、5 a的重现期下的宿迁市闸站与江苏省研究成果的柱状图比可知：宿迁市和江苏省变化趋势一致，即相同重现期下，河道排涝设计暴雨重现期随着破坏率的减小而增加[12～16]。

6 结论与讨论

本文选择宿迁市作为研究对象，引入破坏率对暴雨资料进行统计选样，采用P-Ⅲ频率曲线对其进行配线，得出在不同破坏率条件下的管道排水与河道排涝的关系，研究表明：管道排水设计重现期一定，河道排涝的重现期增大，要使管道正常排水，要求管道具有更高的排水标准，且破坏率越小道排涝重现期越大，则管道设计标准越大；重现期越大，相同破坏率下的河道排涝重现期越大，要管道设计标准更高；重现期越小，破坏率越小，河道排涝重现期递增的越快，即重现期越小，管道排水与河道排涝衔接处水文条件差异越大，越容易发生顶托破坏，故而对于重现期越小的降雨更注重管道排水的设计标准。。因此要使管道排水与河道排涝衔接顺利，排水不发生顶托破坏，往往要求河道排水设计标准更高。