城市排水系统内涝积水计算分析

陈勇

（东营市水文中心，山东 东营 257000）

1 研究区范围

东营区隶属山东省东营市，位于鲁北平原黄河三角洲地区。研究分析范围东起东青高速，西至西六路，北起六干排，南至新广蒲河，面积81.85 km2，下垫面硬化面积70%，绿化面积30%，有排涝泵站（井）44座，划分为44个集水区域。

2 技术路线

城市积水区排涝受市政排水管网排水能力的限制，泵站最大排水流量即为实际排入河道的流量，因此本次排涝时长计算模型的推导主要取决于时段内产流总量与管道排水能力、泵站排水能力的关系。技术路线见图1。

3 典型暴雨分析

根据短历时暴雨统计规律，选取2021年7月12日3时至7月13日3时降水过程作为典型暴雨过程，采用水文比拟同倍比放大法分别计算不同量级最大24 h雨量暴雨缩放倍比，推求最大24 h 降水量50、100、150、200、250 mm 设计暴雨过程。城区典型暴雨过程由区内5 个雨量站（耿井、六户、西城、万泉、李宅）同期的降雨资料采用算术平均法推求。不同量级最大24 h暴雨缩放倍比成果见表1。

表1 不同量级最大24 h暴雨缩放倍比成果表

4 区域产流、汇流及排水流量计算

4.1 径流系数选取

根据《建筑与小区雨水控制及利用工程设计规范》，不同种类下垫面的径流系数应依据实测数据确定，缺乏资料时可参照表格取值。

4.2 综合径流系数计算

根据《建筑给水排水设计标准》中综合径流系数公式，采用加权平均的方法计算建设前后项目区综合径流系数，公式如下：

式（1）中：Ψz—综合径流系数；F—汇水面积，m2；Fi—汇水面积上各类下垫面面积，m2；Ψi—各类下垫面径流系数。

城市化进程挤占了雨水的流通和蓄滞空间，使得区域不透水面积增大、坡面汇流的流程缩短、洪水沿程糙率变小，极大改变了城市雨洪水文、水动力学特性，导致城区径流系数与径流量增加。由于研究区监测资料缺乏，此次计算不再细化东营区各不透水层面积，将下垫面分为绿化分区和建构筑物区两大类。通过调查，东营区城区整体绿化率在30%左右，则建构筑物区占地比例为70%。绿地区雨量径流系数为0.15，建构筑物区主要以混凝土和沥青路面为主，取雨量径流系数0.85。

通过以上下垫面类型权重，可计算出东营区综合径流系数为0.64，在合理区间内，可予以采用。

4.3 雨水径流总量计算

研究区雨水径流总量根据《建筑与小区雨水控制及利用工程设计规范》，按照下式计算：

式（2）中：W—径流总量，m3；Ψ—雨量径流系数；H—设计降雨量，mm；F—汇水面积，hm2。

4.4 汇流计算

城市排水系统立体式分层结构显著，使得城市的汇流机制远比天然流域复杂。城区产流后，原则上要经过坡面（地面）汇流进入市政排水管网，再由管网汇流至泵站。但考虑到东营区地下管网较为密集，汇水区域雨量全部就近进入管网，每条地下排水管汇水面积相对较小，坡面（地面）汇流距离较短，汇流时间可忽略不计，排涝时长计算模型不考虑坡面（地面）汇流过程。

4.5 排水流量计算

根据《室外排水设计规范》，排水管渠的流量，应按下列公式计算：

式（3）中：Q—设计流量（m3/s）；A—水流有效断面面积；v—流速（m/s）。

此模型仅考虑排水管道下游段出水口输水能力，在上游端输水能力足够大的条件下，排水管渠流动可近似为恒定均匀流，其流速应按照曼宁公式计算：

式（4）中：k—转换常数，国际单位制中值为1；v—流速（m/s）；R—水力半径（m）；I—水力坡度，采用排水管的坡度；n—管渠粗糙系数。

对于研究水力坡度采用排水管的坡度，根据调查东营区排水管坡度一般为1.20‰～3.00‰，采用中值1.50‰；排水管道材质为混凝土管，粗糙系数采用0.013。

5 城区内涝积水分析

5.1 假定条件

管道输水能力按新管道处理，不考虑破损、淤积影响。

5.2 计算模型

城市地区下垫面多样，不透水面积占比为0.70，在城市排水系统的规划设计中，产流计算一般是采用径流系数法。对于调蓄能力较小的管道排水系统，设计规模受最大流量控制，只需推求城市排水系统管道末端连接泵站处的设计流量（管道输水能力）即可，采用曼宁公式法推求。考虑到研究区域总面积仅有81.85 km2，又分成44个小片区，管道排水系统规模较小，管道调蓄功能较小，故调蓄功能不予考虑。把研究区看作一个封闭的流域系统，44个泵站及其配套集水、排水管线系统分别看作封闭独立的子系统，分别采用水量平衡方程式进行调节计算。

流域水量平衡是一个流域在任一时段内，其收入的水量等于支出的水量、时段始末蓄水变量和流域内外交换水量的代数和。水量平衡方程式如下：

式中：Px—时段内流域平均降水量；Rs—出口断面流出的径流量；Eb—时段内流域平均蒸发量；△wr—流域内外交换水量；△Vn—流域内蓄水变量。

流域有闭合流域和非闭合流域之分，对于非闭合流域，由其他流域进入研究流域的地表径流和地下径流均不等于零，需要使用上述未省略通用水量平衡方程。

若流域为闭合流域时，则无流域内外的交换水量，通用的水量平衡方程中△wr 为零，故其水量平衡方程式为：Px=Rs+Eb+△Vn。

在此研究分析计算中，将计算单元区域看作闭合流域，△wr—流域内外交换水量为零；△Vn—流域内蓄水变量，即为城区积水变量；Rs—出口断面流出的径流量，即为泵站外排水量。

降雨期间，当时段净雨量累计值等于管道纳水能力时，地面即将开始产生积水，时段浄雨量累计值超过管道纳水能力，排水泵站开启工作；时段净雨量减时段排水量的差值为正值，地面积水量不断累计增大，反之减小，当地面积水量减为零时，泵站关停。一场长历时降雨过程，不同时段降雨强度不同，变化复杂多样，地面积水会反复多次出现。

5.3 数值计算

利用城市积水分析模型模拟城区降雨积水、排涝过程，经分析计算对比，东营区城区2021年“7·12”典型暴雨（24 h）积水最长时间17.70 h，东营区城区重现期为1 年最大24 h 暴雨（50 mm）收水区域积最长水时间9.20 h，重现期为3年最大24 h暴雨（100 mm）收水区域积水最长时间19.20 h，重现期为5年最大24 h暴雨（150 mm）收水区域积水最长时间29.50 h，重现期为10年最大24 h暴雨（200 mm）收水区域积水最长时间39.90 h，重现期为20年最大24 h暴雨（250 mm）收水区域积水最长时间53.60 h。

6 对策与建议

定期维修维护排水设施，保证排水管网畅通，重新布设个别路段雨水管线。使用大管径管道重新布设雨水管网，实现雨污分流的同时增强收水区收水能力。加强污水排放管理，设置水质监测站点，污水经处理达标后，方可排入管道，提高市政排水泵站信息化运行与管理水平。实现排水泵站的智能化运行与管理，可以有效提升防洪除涝的整体效率；实现城市管理向现代化、信息化、智能化科学发展，确保城市安澜。