城市排涝泵站雨水流量计算研究

吕绍文

(广州市从化区水务建设中心， 广东 广州 510900)

1 工程概况

广东省某市排涝泵站皆为城区内的排涝区，考虑区域内整体规划和不确定性的发展现状，设计为20 a一遇、24 h暴雨1 d排除的排涝标准。按照实测的流域地形图计算出流域特征参数。本工程附近有一个国家级水文站，搜集了该站1965年到2020年的56 a间实测年最大24 h的降雨数据，一最大年降水量24 h进行频率计算，适线采用P-Ⅲ 型曲线，得出区域内20 a一遇设计降水量为206.1 mm。按照2003年广东省水文局编制的《广东省暴雨参数等值线图》成果，根据广东省点雨量的均值等值线图和点雨量变差系数等值线图，计算该区域内20 a一遇的设计暴雨值为212.4 mm,与实测降雨量频率计算的结果207.1 mm。考虑到安全问题，本研究的的设计取值为两者间的较大值，即20 a一遇24 h降雨量为212.4 mm。

2 排涝泵站雨水设计流量计算

2.1 排水闸设计流量

2.1.1 设计暴雨

按照防洪保护区内排涝水量计算需要，进行保护区内暴雨设计，采用某市水文站实测暴雨资料进行分析成果如表1所示。

表1 某泵站年最大暴雨频率计算成果

2.1.2 排水流量

针对城市排水范围内A排水区及B排水区，目前没有计划雨水管网走向，计算排水流量可采用推理公式法。重现期的排水流量，可根据排水区的自然环境、洪涝灾害的程度以及影响力等因素，通过对经济、技术方面的论证后确定，通常为5～10 a的标准。本次经过计算后的设计排涝标准为10 a一遇最大24 h暴雨情况下，遭遇外河洪水而不受淹[1-2]。

2.2 排涝泵站设计流量

本研究的案例城区片大暴雨与某河干流大洪水同时遭遇的几率很小，为了掌握城区片暴雨与某河干流大洪水的相遇的状况， 对有记载的1965—2020年共 56 a某河干流洪水和城区片暴雨进行有效统计。统计洪水的办法是最先统计某河水位接近排渠出口处设计限制水位时，排水泵站具体的排水时段，然后进行相对应排水时段排水区的暴雨量统计，在借助产流汇流计算对应时段内排水区内内涝水的状况，最后确定泵站排涝的流量。

2.2.1 限制水位

通常情况下，限制水位会以雨水管出水口的管顶高程为标准。在具体的操作过程中，从闸门的关闭到水泵的开启存在间隔的时间，从安全的角度出发，关闸水位要设定在限制水位之下的 0.30 m左右。C泵站最高控制水位：排水口周围村庄地面高程为61.15～61.78 m，以60.9 m作为河口的最高控制水位。排涝泵站的启动条件：C泵站位于某河与外河汇合处附近，该处的洪水位主要受制于某河洪水位顶托。如果外河水位比最高控制水位低时，某溪的涝水自动排入外河，如果外河水位比最高控制水位高，就要关闭防洪排涝闸，启动排涝泵将区域内涝水排出。基于排涝泵开启时间的延后性，从安全考虑，选择C河水位达到60.7 m水位时，泵站开启。

2.2.2 典型暴雨选取

C泵站位置在C河水位为60.78 m时，对应某市水文站洪峰流量为7210 m3/s。统计某市水文站历史洪水流量超过7210 m3/s的各次洪水出现的时段基于不利于工程的角度，选取2005年6月18日20时—6月19日23时的降雨实测过程作为规划该流域10 a一遇降雨过程。

2.2.3 泵站排水流量

(1) 泵站排水量。 根据相关的设计降雨过程线，对C泵站排水区域的洪水过程线进行计算，包括某溪出口处的洪水过程线。

(2)可调节的水位库容关系。 将某溪与某河汇合口段河道构建调节池，同时为了调节来水，将排水区域内的水面设置为部分调蓄库容。经过计算得出调蓄容量与水位的关系。

(3)排涝过程调节计算。 综合参考片区来水流量，发挥片区调蓄作用，进行试算排涝流量，通过联解水量平衡方程，计算求得不同的排涝流量对应的河段最高水位。当外河水位超过60.78 m时，可关闭排涝闸，利用泵站强排出某溪来水。按照片区的来水过程，如果来水量低于泵站设计的来水量，要将内河涝水强排出去，为即将到来的洪峰提供最大化的调蓄容量。如果来水流量超过泵站设计的流量，则要根据设计流量排出，此刻会上涨片区内的水位。根据有效调蓄容积、洪水过程线以及片区内水位的关系，求得内河最高水位，通常不超过60.9 m。如果泵站设计流量超过来水量，就开始下降片区内水位，直到此次洪水过程结束。通过试算，排涝流量为18.85 m3/s时，最高水位已经达到接近限制水位的60.98 m。考虑到排涝压力的降低以及水浸的缓解，必须在暴雨前及时抢排，预降的措施十分有效。

在雷雨天气中，电力设施设备中往往会出现静电现象，这样很容易导致电力设备中的电荷大量积累，于是电力设备很容易出现电力故障。雷电定位系统具有自动排除线路故障点的功能，电力监测人员在对雷击故障点的查询方面要依靠先进的雷电定位技术进行输电线路的故障查询。由于输电线路遭受雷击后会出现跳闸的现象，雷电定位系统只需要确定跳闸故障和跳闸时间就可以精确地找到故障点并且保障电力继续使用，让电路网线正常运行。

2.3 暴雨的选样方法及相互转换关系

2.3.1 暴雨的选样方法

(1)年最大值法。 选择的资料为每年各历时暴雨中雨量最大的一组，而且是N组资料是2015年资料的最大值。该方式不仅独立性强、选样简单，收集资料也比其他方式简单，在求得高重现期的雨量中具有明显优势，因此被广泛应用在水利工程中。但该方式的缺陷是容易遗漏一些数值较大的暴雨资料，而这些资料都是在年内排名前三位的暴雨资料，对这些资料的遗漏会造成某些小重现期雨量较小，而在大重现期没有明显的雨量差异。《水电工程动能设计规范》(NB/T 35061—2015)中规定，所达到的治涝目标通常是以暴雨重现期过程中涝区不受涝为标准，重现期的标准通常为5～10 a，条件允许的区域可以提高为20 a一遇。

(2)年多个样法。 选择的6～8最大值降雨资料是每年各历时的自记降雨资料，统计以资料的基础是最大值年数大约3倍的最大值。该方式需要大量资料，不仅收集有难度，也不方便统计。但该模式的优点是暴雨的统计规律可以在小重现期客观地反映出来，并且可以获取重现期一年以下的暴雨样。《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)规定，重现期通常采用0.5～3.0 a，一些关键干道和地区以及暂短积水就可以造成严重后果的区域，可以采用2.0～5.0 a的重现期。基于重现期在城市排水中应用有限，一般为0.5～5.0 a，因此，年多个样法更适合城市排水工程。

(3) 年超大值法。 将N年各周期的所有数据按大小顺序排列，然后选取最大的N组降雨，组成各周期的降雨样本，平均每年选取一组。该方法从大量的数据中考虑其发生的年份，其发生的概率意义也是期望值的平均值，在概率意义上与超定量方法和年多个样法相差不大。

2.3.2 不同选样法的相互转换关系

按照计算概率的结果，年多个样法和年最大值法之间的频率关系如下式(1)：

PM=1-e-PE

(1)

式中:PM为年最大值法采取的选样机率；PE为年多个样法选择的机率；按照重现期TM=1/PM，TE=1/PE代入式(1)得出式(2)：

(2)

(3)

根据式(3)实施计算，得出TE与TM的转换关系。经过概率计算可以看出，唯有T≥10 a时,年多个样法和年最大值选样手段求得的暴雨强度才很小差距，可既有城市雨水道规划惯用的强度为TE=1 a，这种状态下TE与TM差距明显，如果改用年最大值法后，则采取TM=158 a方可求得相当于TE=1 a的强度，如果还是选择TM=1 a进行计算，就必须降低标准，降低幅度为不足0.5 a。

2.4 实例验证

以某市的1965—2020年56 a暴雨资料中的5 min、20 min为标准，分别采用上述两种模式，获得i-lgT图(见图1)。

从图1不难看出，如果T=1～5 a，两种选样方式求得的暴雨强度有明显的差距，如果T≥10 a时，两种选样方式求得的暴雨强度不显现明显差距，符合研究的结论[3-4]。

图1 不同选样方法在t=5 min,t=20 min的暴雨强度机率曲线

3 结 语

在逐年完善的城市基础设施中，怎样完善和更新城市排水排涝系统，已经成为城市整体发展中的重要工程，而对城市排涝泵站雨水流量的有效计算是排涝工作的关键环节。本文通过对城市雨水流量的计算方式的研究，确定在暴雨天气里的流量和相关河道的水位，在此基础上进行泵站排水排涝管网的规划设计。在进行泵站排水流量设计过程中，考虑了与外江、外河洪水遭遇的概率，采用了典型暴雨进行分析，同时有效利用了原有渠道的调蓄作用，缩减了排水泵站的设计规模，降低了费用，大大提升了泵站的实用性。