于鳳存，王友貞，蔣尚明，沈瑞

(1.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽蚌埠233000; 2.安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠233000)

基于設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度城市河道排澇與管渠排水標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系研究*

于鳳存1，2，王友貞1，2，蔣尚明1，2，沈瑞1，2

(1.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽蚌埠233000; 2.安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠233000)

城市化地區(qū)河道排澇系統(tǒng)與管渠排水系統(tǒng)，分屬不同的管理部門，遵循不同的行業(yè)規(guī)范。該文分析了城市河道排澇與城市管渠排水的功能及關(guān)系，從排水系統(tǒng)的特點(diǎn)及計(jì)算方法探析了城市河道排澇與管渠排水的區(qū)別。還討論了排澇標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)主要因素暴雨歷時(shí)、排澇時(shí)間和設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期的擬定，探討了城市河道排澇與城市管渠排水標(biāo)準(zhǔn)的銜接方法，并以合肥市十五里河為例，通過推求設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度擬定河道排澇和管渠排澇設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期之間的定量關(guān)系，為城市排水工程規(guī)劃提供了參考依據(jù)。

排澇;管渠排水;河道排澇;排澇標(biāo)準(zhǔn)

河道排澇，主要是依靠內(nèi)河、排澇溝渠、泵站和閘壩等水利設(shè)施，解決較大匯流面積上、較長歷時(shí)暴雨產(chǎn)生的澇水排放問題，即把城市內(nèi)水及過境客水排入行洪干河(或外海)。

管渠排水，主要是依靠地面返坡、落水井、雨水管網(wǎng)等市政排水設(shè)施，解決小匯流面積上、較短歷時(shí)的暴雨積水排放問題，即把城市內(nèi)水排入內(nèi)河或湖泊。

河道排澇與管渠排水是城市建設(shè)發(fā)展的重要建設(shè)任務(wù)，同屬于城市防災(zāi)體系，城市河道排澇多由水利部門主管，而城市管渠排水由城建部門主管［1-3］。河道排澇系統(tǒng)及管渠排水系統(tǒng)分別遵循不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，在設(shè)計(jì)暴雨選樣、設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)等方面存在很多差異，各自形成獨(dú)立的方法體系，造成兩者的計(jì)算結(jié)果難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一，因此，嘗試從推求設(shè)計(jì)暴雨方面研究河道排澇與管渠排水標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系。

1 排水系統(tǒng)特點(diǎn)及計(jì)算方法

1.1 城市管渠排水系統(tǒng)的特點(diǎn)及計(jì)算方法

盡管排水計(jì)算方法已經(jīng)有很大的發(fā)展，尤其是近年來很多精細(xì)的城市雨洪排水計(jì)算模型和軟件的出現(xiàn)，為分析城市排水問題提供了強(qiáng)大的較準(zhǔn)確的依據(jù)。其中推理公式計(jì)算簡便、滿足精度要求、基本原理與現(xiàn)代水文流域匯流的卷積概念完全一致，因此推理公式得到廣泛的應(yīng)用。我國《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］將推理公式法作為常規(guī)的排水設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

式中:Q為雨水設(shè)計(jì)流量(L/s);q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度(L·s-1·hm-2);ψ為徑流系數(shù);F為匯水面積(hm2);設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q按下式推求。

推理公式法是現(xiàn)有雨水管道設(shè)計(jì)方法中最直接最簡單的方法，但是它在選擇系數(shù)時(shí)需要大量的人工判斷和經(jīng)驗(yàn)以提供合理的結(jié)果，由于它只是考慮最大流量的設(shè)計(jì)，簡化了很多雨水管道設(shè)計(jì)的水文現(xiàn)象，在國內(nèi)外城市現(xiàn)行排水規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)用很普遍。

1.2 區(qū)域排水系統(tǒng)的特點(diǎn)及計(jì)算方法

對于地面坡度較大的區(qū)域，河道呈樹枝狀，河道上下游水流方向明顯，水流基本為單一方向，河道水位一般對管道排水影響不大。對于平原河網(wǎng)地區(qū)和感潮河網(wǎng)地區(qū)，由于地勢平坦，水流方向順逆不定，與潮汐相位、水利工程調(diào)度等多種因素有關(guān)，水系呈網(wǎng)狀分布，水文特性較為復(fù)雜，汛期河道水位較高時(shí)會(huì)對管道系統(tǒng)的排水產(chǎn)生頂托，造成地面積水。

河道排水主要有馬斯京根法、調(diào)蓄演算法、曼寧公式法、水面曲線法、非恒定流法、推理公式法等［5］。對調(diào)蓄能力較弱的區(qū)域，河道排澇計(jì)算通常采用推理公式法。

式中:Qm為洪峰流量(m3/s);hτ為相應(yīng)于τ時(shí)段的最大凈雨量(mm);τ為匯流時(shí)間(h);F為流域面積(km2);L為沿主河道從出口斷面至分水嶺的最長距離(km);Vτ為匯流速度(m/s);J為沿流程L的平均比降;m為經(jīng)驗(yàn)性匯流參數(shù)。

2 管渠排水與河道排澇標(biāo)準(zhǔn)選定

排澇標(biāo)準(zhǔn)包含三方面的要素:設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期和排澇時(shí)間。任何一個(gè)排澇標(biāo)準(zhǔn)完整、準(zhǔn)確的表述都應(yīng)該包含這三方面的內(nèi)容。

2.1 河道排澇標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)。采用暴雨歷時(shí)長短，視流域面積大小、地形及植被等條件而定，一般選取設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)1 d或者最大24 h。

(2)排澇時(shí)間。排澇時(shí)間應(yīng)根據(jù)保護(hù)對象的耐淹能力，即耐淹歷時(shí)和水深確定，排澇時(shí)間不應(yīng)超過保護(hù)對象的耐淹歷時(shí)，普遍選取24 h。

(3)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期。《GB/T50805-2012城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］規(guī)定，不同防洪保護(hù)對象設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)一般選取5～20年一遇;《國務(wù)院辦公廳關(guān)于做好城市排水防洪設(shè)施建設(shè)工作的通知》［7］、《城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制大綱》［8］提出不同城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為:直轄市、省會(huì)城市和計(jì)劃單列市中心城區(qū)能有效應(yīng)對不低于50年一遇暴雨，地級(jí)城市中心城區(qū)能有效應(yīng)對不低于30年一遇的暴雨，其他城市中心城區(qū)能有效應(yīng)對不低于20年一遇的暴雨，對經(jīng)濟(jì)條件較好且暴雨內(nèi)澇易發(fā)的城市可視具體情況采取更高的城市排水防澇標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期。目前現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的暴雨重現(xiàn)期，根據(jù)工程性質(zhì)，一般地區(qū)采用1～3年，重要地區(qū)或短時(shí)積水會(huì)造成嚴(yán)重后果的地區(qū)采用3～5年，特別重要地區(qū)可采用10年以上。

(2)設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)。一般取1 h。

(3)徑流系數(shù)。根據(jù)匯水范圍內(nèi)不同的地貌分別計(jì)算:公園綠地為0.1～0.2，各種屋面、混凝土或?yàn)r青路面為0.85～0.95。在匯水范圍內(nèi)規(guī)劃地面類型不明確時(shí)，采用綜合徑流系數(shù)。

3 標(biāo)準(zhǔn)銜接確定方法

城市排澇與管渠排水設(shè)計(jì)均以一定頻率的設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)流量，由于暴雨選樣方法、由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)流量的產(chǎn)匯流計(jì)算方法不同，分析所得的設(shè)計(jì)暴雨、流量也不相同，導(dǎo)致城市管渠排水流量與城市排澇流量不銜接［1］。

針對上述問題，目前主要通過兩種思路來解決:一是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率論等原理，推導(dǎo)出城市排澇標(biāo)準(zhǔn)與排水標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系;二是根據(jù)實(shí)測資料，采用不同的選樣方法選樣，然后通過頻率計(jì)算或者利用不同的雨洪計(jì)算方法得出城市排澇與排水標(biāo)準(zhǔn)銜接的關(guān)系。具體有以下三種方法:

(1)流量的對比銜接

水利設(shè)計(jì)洪水的推求。通過設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算、產(chǎn)匯流計(jì)算得出設(shè)計(jì)排澇流量，或者根據(jù)綜合單位線法、推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式來推求設(shè)計(jì)洪水。

市政設(shè)計(jì)流量的推求。根據(jù)市政排水暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式推求設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，再綜合徑流系數(shù)、匯水面積和設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，計(jì)算出設(shè)計(jì)流量。

用計(jì)算的澇水流量分別點(diǎn)繪流量～重現(xiàn)期關(guān)系兩條曲線，根據(jù)同一設(shè)計(jì)流量在兩條曲線上查重現(xiàn)期值，對比水利設(shè)計(jì)洪水與市政設(shè)計(jì)流量，擬定水利排澇標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)排水標(biāo)準(zhǔn)的銜接關(guān)系［9-10］。

(2)設(shè)計(jì)頻率對比銜接

市政部門選樣方法為超定量法，采用的是次頻率，在計(jì)算時(shí)，要根據(jù)公式把重現(xiàn)期轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的次頻率，然后才能從次雨量頻率曲線上讀取相應(yīng)的設(shè)計(jì)值［11］。這樣，與年最大值法選樣的頻率(或重現(xiàn)期)才能一致。

水利部門采用年最大值法，采用的是年頻率，可以直接從頻率曲線上讀取。

由超定量法各種重現(xiàn)期(0.33、0.5、1、2、3、5、10、20年)的設(shè)計(jì)值，查年最大值法頻率曲線得出年最大值法對應(yīng)的重現(xiàn)期，從而得出兩種選樣法相同歷時(shí)暴雨設(shè)計(jì)值重現(xiàn)期之間的對應(yīng)關(guān)系。

(3)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度對比銜接

在降雨資料摘錄資料不夠詳盡或者研究區(qū)資料不夠詳實(shí)的情況下，可采用該方法。對河道排澇，選取長歷時(shí)年最大24 h降雨量進(jìn)行頻率計(jì)算，通過歷史上的降雨統(tǒng)計(jì)資料，找出不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨值，同時(shí)整理出相應(yīng)的最大4～6 h的降雨值。根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式，反推出管渠排水計(jì)算中的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期。

4 管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)與河道排澇標(biāo)準(zhǔn)銜接計(jì)算

以安徽省合肥市十五里河流域?yàn)槔ㄟ^推求設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度來研究河道排澇與管渠排澇之間的關(guān)系。

4.1 推求降雨歷時(shí)t

雨水設(shè)計(jì)流量采用式(1)。合肥市設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式為:

式中:q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度(L·s-1·hm-2)，P為重現(xiàn)期(年)，t為降雨歷時(shí)(min)，t=t1+t2，其中t1為地面集水時(shí)間，一般城市道路排水設(shè)計(jì)取t1=10 min，m為折減系數(shù)，暗渠折減系數(shù)m=2，明確折減系數(shù)m=1.2;t2為管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間(min)。

由《合肥市雨水專項(xiàng)規(guī)劃(2006-2020)》［12］查得里河分區(qū)匯水面積及出口流量，徑流系數(shù)j取值0.75，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=1.5，通過式(1)計(jì)算出設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，再由式(2)推求降雨歷時(shí)t。具體見表1。

由表1可見，降雨歷時(shí)為120～327 min不等，均值為212 min，若降雨歷時(shí)取值210 min，則地面積水時(shí)間為10 min，管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間為167 min。

4.2 計(jì)算合肥站最大24 h設(shè)計(jì)暴雨

由合肥站長歷時(shí)最大24 h降雨資料，進(jìn)行頻率計(jì)算，結(jié)果見表2。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)銜接計(jì)算

由4.1節(jié)中，推求降雨歷時(shí)t均值為212 min，則為3.5 h左右，擬取最大4 h、6 h為計(jì)算時(shí)段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)銜接計(jì)算。

表1 十五里河主要雨水控制節(jié)點(diǎn)的降雨歷時(shí)統(tǒng)計(jì)表

表2 合肥站最大24 h設(shè)計(jì)暴雨

選取最大24 h降雨設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期3～20年的14場次降雨，并計(jì)算出每場次暴雨內(nèi)最大6 h降雨量，采用最大6 h降雨均值通過式(6)推求管渠對應(yīng)的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，具體見表3。以最大4 h為統(tǒng)計(jì)單位，計(jì)算對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

偏于安全起見，試算了最大4 h降雨量占最大24 h降雨50％情況下，對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期;最大6 h降雨量占最大24 h降雨量70％情況下，對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期。

綜合表3和表4，可以得出，暴雨雨型不同，十五里河河道排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)暴雨對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，有時(shí)候還會(huì)差別很大，導(dǎo)致河道排澇標(biāo)準(zhǔn)與管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系不是一個(gè)定數(shù)。在滿足一般設(shè)計(jì)暴雨雨型的情況下，得出合肥市管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)和河道排澇標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系:河道排澇標(biāo)準(zhǔn)50年一遇對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)為2.5～8.1年一遇;河道排澇標(biāo)準(zhǔn)20年一遇對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)為2.5～3.4年一遇;河道排澇標(biāo)準(zhǔn)10年一遇對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)為1.1～2.5年一遇;河道排澇標(biāo)準(zhǔn)5年一遇對應(yīng)的管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)為0.4～1.1年一遇。

表3 最大24 h降雨河道排澇標(biāo)準(zhǔn)與最大6 h管渠設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期銜接

表4 最大24 h降雨河道排澇標(biāo)準(zhǔn)與最大4 h管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)銜接

5 結(jié)論

城市是國家和地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心和重要的交通樞紐，在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市規(guī)模將不斷擴(kuò)大，河道排澇與管網(wǎng)排水關(guān)系更為密切［13］。近年來，城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，澇災(zāi)害損失所占的比重越來越大，不僅嚴(yán)重影響了城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和居民正常的生產(chǎn)生活，還對整個(gè)社會(huì)發(fā)展造成嚴(yán)重惡劣的影響，甚至影響和諧社會(huì)的建設(shè)與社會(huì)穩(wěn)定。

河道排澇與管渠排水，分別遵循不同的行業(yè)規(guī)范，隸屬于不同的管理部門，各自成為體系，從設(shè)計(jì)暴雨選擇、設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、排澇歷時(shí)、產(chǎn)匯流計(jì)算等各方面存在著較大差別，本文從河道排澇標(biāo)準(zhǔn)與管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)的差異性進(jìn)行了分析，并以安徽省合肥市十五里河流域?yàn)槔ㄟ^推求設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度研究了河道排澇與管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。從結(jié)果可以看出，河道排澇標(biāo)準(zhǔn)與管渠排澇標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系與暴雨雨型分布密切相關(guān)，對于異常暴雨情況也要另作分析計(jì)算。

［1］謝華，黃介生.城市化地區(qū)市政排水與區(qū)域排澇關(guān)系研究［J］.灌溉排水學(xué)報(bào)，2007，26(5):10-13.

［2］范威，黃程.城建部門與水利部門排澇標(biāo)準(zhǔn)差別［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013(5):20-22，46.

［3］曹利軍，徐曙光.城市排水與河道排澇標(biāo)準(zhǔn)的銜接計(jì)算方法探討［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，12(3): 16-18.

［4］GB50014-2006室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2014.

［5］葉守澤，詹道江.工程水文學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［6］GB/T50805-2012城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2012.

［7］國務(wù)院辦公廳.國務(wù)院辦公廳關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知(國辦發(fā)〔2013〕23號(hào))［Z］.2013-03-25.

［8］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于印發(fā)城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制大綱的通知(建城［2013］98號(hào))［Z］.2013-06-18.

［9］張理，梁偉，高俊發(fā)，等.西安市城市雨水與城市排澇流量計(jì)算比較研究［J］.城市道橋與防洪，2007，2(2):47-49.

［10］謝淑琴.城市小區(qū)管網(wǎng)排水及區(qū)域排澇水文計(jì)算方法初步探討［J］.人民珠江，2003(6):30-32.

［11］劉俊，俞芳琴，張建濤，等.城市管道排水與河道排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系［J］.中國給水排水，2007，23(2):43-45.

［12］上海市政工程涉及研究總院.合肥市雨水專項(xiàng)規(guī)劃(2006-2020)［R］.上海:上海市政工程涉及研究總院，2008.

［13］張冬冬，嚴(yán)登華，王義成，等.城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及綜合應(yīng)對研究進(jìn)展［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29(1):144-149.

Study on the Relationship between the River and Pipe Drainage System Based on the Strength of Design Storm

Yu Fengcun1，2，Wang Youzhen1，2，Jiang Shangming1，2and Shen Rui1，2
(1．Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Bengbu 233000，China; 2．Anhui Province Key Laboratory ofWater Conservancy and Water Resources，Bengbu 233000，China)

The drainage systems of urbanized area include river drainage systems and rain pipe drainage system，and they are belonged to the differentmanagement department，and following the different design standards. The roles and the relationships between the river and pipe drainage systems are analyzed，and the differences are discussed from the characteristics of the drainage systems and calculation methods.It is discussed about the drainage standard including return period，duration of design storm and the drainage time，and then the methods are summarized to quantify the relationship of the return period of design storm.Taking Shiwuli River in Hefei City as example，the quantitative relationship between the river and pipe drainage system is determined through deriving the strength of design storm，which provides a reference for urban drainage planning.

water-logging drainage;pipe drainage system;river drainage system;drainage standard

TV212.5+3;X43

A

1000-811X(2015)01-0021-04

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.01.005

于鳳存，王友貞，蔣尚明，等.基于設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度城市河道排澇與管渠排水標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30(1):21 -24.［Yu Fengcun，Wang Youzhen，Jiang Shangming，et al.Study on the relationship between the river and pipe drainage system based on the strength of design storm［J］.Journal of Catastrophology，2015，30(1):21-24.］

2014-08-12

2014-09-26

國家自然科學(xué)基金(51209001);安徽省水利重大項(xiàng)目前期工作經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“安徽省平原圩區(qū)排澇水文計(jì)算辦法”(NS201210)

于鳳存(1979-)，女，山東聊城人，博士，工程師，從事農(nóng)田水利、水旱災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境方面的研究工作. E-mail:fcyhhu@126.com