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市政排水与水利排涝关系探索

 GXF360 2017-11-11


市政排水与水利排涝关系探索

严婉玲

(广东粤水电勘测设计有限公司,广东佛山528000)

摘要:我国管道排水与河道排涝采用的是不一样的计算体系,因此,往往产生出50年或30年一遇的水利排涝体系下可以承接多少年一遇的市政雨水而不发生内涝的疑问。本次假设在不考虑管网排水能力,默认管网能够完全排除地面产生径流的前提下,计算以满足50年一遇排涝标准的排涝设施能抵御多少年一遇市政暴雨为目标,通过短历时暴雨过程计算、河涌水动力排涝演算展开研究,并以两种不同特征的涝区作为计算对比分析,得到主排河涌较均匀分布的涝区比河涌单一的涝区承接市政暴雨的能力强,其基本可以抵御5年一遇市政暴雨的结论。

关键词:排涝能力;市政排水;短历时雨型;排涝演算

近年来,随着城市的发展、变迁,不少学者对短历时设计暴雨雨型、排水标准与排涝标准的关系等方面的开展了大量研究。短历时设计暴雨雨型的研究在国外已经比较成熟,国内相关学者的研究短历时设计暴雨雨型一般采用Huff、Keifer&Chu法、Pilgrim&Cordery法与模式雨型法等。在排水标准与排涝标准衔接方面,已有不少研究者从两者重现期的转换关系、设计暴雨和设计洪水等方面均进行了较多的研究,部分研究结论[1-3]为水利排涝重现期与市政排水重现期存在着约5~10倍的关系。但对于具体排涝区域在某一水利标准下的排涝设施究竟是否能抵御研究相应市政标准下的暴雨仍是个未确定因素,相信对于不同排涝区域,得到的答案会不尽相同。为此开展本次探索研究,假设市政管网能够完全排除地面产生的径流,利用短历时市政设计暴雨的洪水过程输入已达到一定水利排涝标淮的河网水动力模型中进行演算,以两种不同涝区形态作计算成果对比分析。

1 计算方法

1.1 短历时暴雨计

1.1.1 设计暴雨公式

根据GB 50014—2006《室外排水规范》(2014版),采用城市水文学计算公式

Qm=ψ·F·q

(1)

式中 ψ—综合径流系数;F——汇水面积,hm2q——雨水暴雨强度。

本次研究区域为佛山市南海区,设计暴雨公式采用《佛山市暴雨公式及计算图表》[4]中南海区经验公式进行计算。

q= (L/s·hm)

(2)

式中 t——降雨历时和汇流历时之和,min。

对于重现期P=1~10,参数nbA计算公式[4]如下:

n=0.681-0.031 ln(P-0.599)

(3)

b=10.554-0.803 ln(P-0.695)

(4)

A=18.257-0.095 ln(P-0.807)

(5)

1.1.2 设计暴雨雨型

现行主要的城市暴雨设计雨型的通用方法主要有均匀雨型法、Huff法、Yen&Chou法、Pilgirm&Cordery法、Keifer&Chu法以及模式雨型法等。城市排水设计中应用最广、最简单的雨型是均匀雨型,但此雨型的计算结果常偏小。Huff法及Yen&Chou法的洪峰受历时影响非常显著,若历时选取不当,会造成较大误差。而Pilgrim&Cordery法及Keifer&Chu法受历时影响较小,特别是Keifer&Chu法,雨峰部分与历时无关。当历时增大或减小时,只增加或去掉雨头雨尾部分,因此计算的洪峰流量相当稳定,误差最小[5]。模式雨型与Keifer&Chu法相当,不同之处仅在于单一重现期暴雨公式型式的不同,瞬时强度与累计雨量的求算都是同样推导的[6]。对于资料短缺的城市建议采用推求较为简便的模式雨型。综合对比,本次计算选用模式雨型。

设计暴雨模式雨型具有以下特点:①表示暴雨平均强度与最强时段强度的规律性,雨峰时段内的平均强度与暴雨公式的强度相等,是同频率控制的:②反映了暴雨强度过程的平均趋势是先小继大、最后又小的过程,概括了强度先小后大或先大后小等特殊雨型;③雨峰位置可由当地暴雨资料统计确定,使能代表大多数暴雨的平均情况;④强度始终或雨终时强度最大的雨极为少见。暴雨强度过程的形态,是先小、继大,最后又小的过程[6]。国内外大量统计资料表明,暴雨强度过程的雨峰位置多半在降雨总历时的前1/3(r=0.35~0.45)[5,7],很少达到降雨的中点,一般取0.4。

令模式雨型强度过程的总历时为t0,峰前的瞬时强度曲线为Ia,相应的历时为ta,降雨累计量为Ha,峰后的瞬时强度曲线为Ib,相应历时为tb,降雨累计量为Hb,总降雨量HT=Ha+Hb。令t0=1,强度高峰点的位置为r(位于0~1之间),则t0==

取暴雨公式i=型,取雨峰时间坐标为0点,则雨峰前后的平均强度iaib

当0≤ttaia==

(6)

当0≤ttbib==

(7)

对平均强度进行求导得强度高峰前后的瞬时强度IaIb分别为:

当0≤tta

(8)

当0≤ttb

(9)

由瞬时强度进行积分得模式雨型降雨累计量过程线,如下:

当0≤tr TH=Iadt

(10)

rTtTH=rHTIbdt

(11)

HT=ir×t0=

(12)

1.2 排涝演算

排涝演算采用MIKE11水动力模型开展。Mike 11 是一款多功能的一维水动力学软件包,以求解圣维南方程组作为理论基础,并带有对流扩散,水质生态,泥沙传输,降雨径流,洪水预报,实时操作及溃坝模拟等多种模块[8]。MIKE11中一维非恒定流,采用Abbott 六点隐式格式求解方程组,该离散格式并不在每一个网格点同时计算水位和流量,而是按顺序交替计算水位或流量,分别称为h点和Q点。Abbott 六点隐式格式无条件稳定,可以在相当大的Courant 数下保持计算稳定,输入输出及操作界面均为可视化,功能较强大[8]

MIKE11排涝演算具体通过模型模拟文件将河网、断面、边界以及参数4个文件链接起来组合成一个水动力模型。河网文件需要设置河道属性(河道名、上下游端点里程、河道类型、河道流向、与其他河道连接信息以及断面最大间距等),断面文件中河名、里程以及TOPID需要与河网文件的河道相对应,输入断面宽、高等尺寸信息后自动计算得到水力参数、过流面积以及水力半径等数据。边界文件主要设置河道上游边界的入流量Q或旁侧入流的流量Q、下游边界的水位H或者Q/h边界。参数文件主要是设置初始水位流量值、河床糙率以及增加结果输出(如流速、河道蓄水量、水工建筑物、过流断面等)等。模拟文件除了集合各文件信息外还需设置模拟方法、时间步长和输出结果形式等。

2 应用实例——三山围与王芝涌片

2.1 计算任务

以城市暴雨公式计算的短历时洪水过程作为MIKE11模型输入边界,在计算涝区内排涝设施满足水利50年一遇24 h暴雨一天排完排涝标准以及默认排水管网排水能力充足的前提下,涝区遭遇市政不同重现期的短历时洪水(本次以180 min作为计算时长)时涝区内最高水位值,根据计算涝区的不涝水位以及相关内涝风险评估原则对计算结果进行分析,判断50年一遇排涝能力遭遇不同重现期的短历时暴雨时,是否均在不涝范围内,并以同属佛山市南海区两个面积相近但排涝特征相差较大的排涝片区——三山围与王芝涌片作为对比计算。

2.2 应用实例概述

2.2.1 三山围

三山新城含三山围及南顺联安围的林岳片区,位于中心组团东部,西面与北面为平洲水道,南面与顺德区陈村镇接壤,东面紧靠陈村水道,其中三山围与南顺联安围之间有橹尾橇水道穿过。三山围集雨面积10.82 km2,主要内河涌有涌源涌、社会主义河、关涌、大京包涌、红灯涌、沙巷涌、禾仰涌、四河与二河,坡降为0.000 18,涝区呈扇形,北侧较均匀分布4个排涝出口,南侧1个排涝出口,涝水出水路径较短。

根据《佛山市城市排水防涝设施建设规划大纲》三山围2025年排涝标准需达到50年一遇24 h暴雨一天排完。在此标准下计算得到相当的水利排涝设施包括排涝泵站5宗,总排涝流量为61.6 m3/s;调蓄区两处,调蓄水面共13 hm2;主要排涝河涌25条,河涌水面面积为20.93万m2,调蓄水深为1.2 m,不涝水位为1.20 m(珠基,下同)。

2.2.2 王芝涌片

王芝涌是佛山西站枢纽片区的主排涌,位于佛山市南海区狮山镇罗村,相当片区总排涝面积为9.5 km2,主要排涝河涌为王芝涌及其7条支涌。涝区呈细长型,排涝出口仅有王芝站,主干涌(王芝涌)河长较长,约5.15 km,坡降为0.000 1。

根据《佛山市城市排水防涝设施建设规划大纲》王芝涌片2025年排涝标准与三山围一样。在此标准下计算得到相当的水利排涝设施包括排涝泵站1宗,排涝流量为36 m3/s;调蓄区1处,调蓄水面23.33 hm2;主要排涝河涌8条,河涌水面面积为15.53万m2,调蓄水深为1.5 m,不涝水位为1.50 m。

2.3 设计洪水

根据计算片区所在的城市暴雨经验公式结合模式雨型推求短历时洪水:计算历时为180 min,峰现时间为0.4T=72 min→计算累积雨量H→求得平均强度i→计算雨水暴雨强度q→计算洪峰流量Qm→将各时间洪峰流量相连为洪水过程线。

代入研究区所在南海区的暴雨经验公式,可求得各重现期下180 min的累积雨量见表1。对比《广东省暴雨径流查算图表》设计暴雨查算成果,三山围与王芝涌设计雨型均为珠江三角洲雨型,50年一遇最大3 h暴雨值分别为106.5、107.8 mm,与市政3年一遇暴雨值105.96 mm很接近。

将排涝分区细分为若干个排水分区(分区划分见图1、2),以各排水分区洪水过程作为模型入流边界,三水围与王芝涌片区各排水分区的洪峰流量见表2、3。

表1 研究区各重现期暴雨值

项目重现期/a1235累积雨量Ht(t=180min)79.2297.22105.96116.73峰值处雨水暴雨强度/(L·s-1·hm-2)369.36427.89455.21487.66

表2 三山围各排水分区洪峰流量

分区编号分区面积/hm2径流系数洪峰流量/(m3·s-1)1a2a3a5aF139.50.659.511.011.712.5F258.30.6514.016.217.218.5F362.20.6514.917.318.419.7F453.00.6512.714.715.716.8F526.10.656.37.37.78.3F687.20.516.118.719.821.3F767.90.512.514.515.416.5F860.00.6514.416.717.719.0F975.50.6518.121.022.323.9F1029.50.55.46.36.77.2F1169.10.615.317.718.920.2F1293.80.5519.122.123.525.2F1363.60.614.116.317.418.6F1445.10.610.011.612.313.2F1577.70.5515.818.319.520.8F1662.30.511.513.314.215.2F1772.00.616.018.519.721.1F1826.80.555.46.36.77.2

表3 王芝涌各排水分区洪峰流量

分区编号分区面积/hm2径流系数洪峰流量/(m3·s-1)1a2a3a5aF199.80.6524.027.829.531.6F2130.660.62530.234.937.239.8F365.330.6515.718.219.320.7F4165.780.6539.846.149.152.5F5165.780.6539.846.149.152.5F694.330.62521.825.226.828.8F722.850.65.15.96.26.7F864.2750.6515.417.919.020.4F964.2750.62514.817.218.319.6F1056.490.6513.615.716.717.9F1128.160.656.87.88.38.9

图1 三山围片区划分

图2 王芝涌片区划分

2.4 模型模拟计算

a) 三山围。以各排水分区设计洪水过程作为模型边界入流数据,以常水位0.5 m作为下游边界(即各出水口水位边界),以三山围河涌分布以及断面属性作为断面数据,设置河道糙率系数、初始水位(0.5 m)和流量(0 m3/s),泵站调度规则为0.0 m为止排水位,常水位0.5 m,最高控制水位为1.2 m,当水位达到0.8 m,开启泵站的全部机组进行抢排(图3)。根据不同重现期入流情况进行模拟计算得到片区内水位变化情况。

b) 王芝涌片。计算方法与三山围类同,不同的在于王芝涌片区的不涝控制水位为1.5 m见图4。

根据三山围与王芝涌的模拟计算成果(表4),三山围可抵御水利排涝50年一遇24 h暴雨的标准下的排涝设施均满足市政重现期1~3 a下短历时暴雨不涝,而5年一遇短历时暴雨整个三山围最高水位均在1.21~1.33 m之间,超出不涝水位(1.20 m)0.01~0.13 m,超出不涝水位持续时间约为20 min。根据2014年版《室外排水设计规范》中积水面积、积水时间和积水深度3个指标确定三山围50年一遇的水利排涝能力遭遇5年一遇市政暴雨时内涝风险等级为中级,相应涝点见图5划圈位置所示。

图3 三山围河网建模

图4 王芝涌河涌建模

而王芝涌片区主要有3段河涌出现较高的水位(3处涝点),3段河涌涝点的计算水位在重现期1、2、3、5 a的情况下,水位均在不涝水位1.50 m以上,但3个涝点外的其余地方,在重现期1、2、3、5 a的情况下,水位均在不涝水位1.50 m以内,同时下游水位较低,满足要求。3个涝点所在河涌的服务面积合约3.9 km2,占总面积的40.7%,总体上看王芝涌片区50年一遇的排涝设施并不能满足市政排水要求,相应涝点位置见图6。

表4 模型计算结果对比

排涝片区重现期/a最高水位/m最低地面高程/m内涝时间/min内涝深度/cm内涝面积/万m2三山围10.891.2600021.111.2600031.211.2600051.331.26207.40.95王芝涌1235涝点3∶2.281.662561.921.04涝点2∶1.691.66153.328.06涝点1∶1.961.662530.212.70涝点3∶2.521.662586.121.04涝点2∶1.861.662020.128.06涝点1∶2.151.663249.712.70涝点3∶2.621.662596.821.14涝点2∶1.931.662227.628.06涝点1∶2.241.663258.612.70涝点3∶2.751.6642108.921.14涝点2∶2.021.662736.228.06涝点1∶2.351.66376912.70

结合两个排涝片区的计算成果,两个集雨面积相当的、河道坡降相当的片区,在各自同样可以抵遇水利50年一遇洪水的排涝设施配置下,所能抵遇的市政排水标准大为不同,水利排涝能力与市政排水标准不能一概而论,需要真正结合排涝片区实际情况。

图5 三山围涝点位置

图6 王芝涌片涝点位置

3 计算结果差异分析

a) 排涝特征。三山围呈扇形,涝水出口较均匀分布5个,涝水排水路径较短(小于2 km);王芝涌片区呈细长型,涝水出口只有1个,涝水排水路径较长(考虑支涌约8 km),源头的涝水难以快速排到泵站。

b) 河网分布方面。三山围内涌密布,且分布均匀,近似“井”字形的排水网,能上各河涌较均匀地随承接市政雨水,另外,片区“井”字形主排内河涌涌宽较平均地介于10~15 m,河涌的纵横交错下,划分的各个排水分区面积也较均匀。因此得到的计算成果是片区内河涌水面较平缓,没有局部突高或突低的情况。相反,王芝涌片区主排涌与支涌均较独立,水系近似“丫”字形,虽然计算成果显示主涌水位普遍较低,但支涌的涌宽大部分仅为4~6 m,且分布不均匀,局部小支涌所承接的排水面积相对较大,在市政暴雨猛急的情况下,河涌过流不足,容易导致涝水堵塞,由此会出现水位局部偏高或偏低的情况。

c) 暴雨计算。本次计算的两个片区,其排涝设施均满足水利50 a一遇24 h暴雨一天排完的标准,在水利计算当中,设计洪水是整个片区计算,并不独立计算单条河涌来水,在大片区计算下,其计算的雨型也偏向于矮胖型,跟市政暴雨的尖瘦形峰形有较大的差异,对于王芝涌片区,水利洪水计算下分配到支涌的洪峰值约为10~15 m3/s,而采用市政暴雨计算得某些支涌上洪峰均在25~40 m3/s,对于某些细河涌过流明显不足。而三山围河涌排涝涌均匀交叉分布且相对较宽,雨水并没有那么集中,其水利50年一遇的排涝能力可以满足市政3年一遇排水标准之余,忽略片区局部低佳点也基本可满足市政5年一遇的排水标准。

d) 模型建立误差。缺乏市政管网数据,本次建模计算主要考虑内河涌,没有充分考虑部分市政排水管网流向,较为理想化地将部分直排到主排涌的区域纳入到支涌中,让支涌来水出现猛增的趋势,这种情况对于王芝涌片区接近线型分布的河涌影响尤为显著,尤其在模型的上游与中游,河涌较单一,而下游甚至在5年一遇市政暴雨时,水位也比较低,这主要由于上游洪水来不及下放同时下游水系较均匀分布且接近泵站而造成。三山围河网较均匀,涝水排水路径较短,模型建立的误差在此种情况表现并不明显。

从以上4种原因分析可知,对于主排河涌较均匀分布的排涝片区承接市政暴雨的能力比较强,比较容易与排水标准有较好衔接,而对于较主排河涌较单一的片区其与排水标准的衔接除了对整体排涝能力的配匹外,局部河涌的过流与承接能力更需要做好衔接。王芝涌片区反映了水利大片区的涝水计算与市政小片区的暴雨计算存在的差异,虽然设计暴雨上两个片区的最大3 h累积雨量与所在地区市政3 a一遇暴雨基本一致,但是由于流域特征与河网分布特点,导致了两个集雨面积相当的片区,承接市政短历时暴雨的能力会截然不同。

4 结论

根据本次研究结果,市政排水标准与排涝标准的衔接关系并不能单独从设计雨量对比或重现期转换公式确定,而是需要更多地从具体计算区域结合分析,三山围的计算表现了水利排涝重现期50年一遇对应在市政排水重现期为3~5 a,相对而言从重现期转换得到的衔接关系偏于理想。水利设计洪水是对排涝片区的整体计算,而市政设计洪水则更多地从排水管网的过峰能力考虑,两者的衔接更多地停留在排水管出水口标高与河涌最高控制水位的关系层面上,缺乏水量上的衔接;另外,水利主要从主排水河涌大范围考虑,而市政排水主要针对局部排水小分区而设计,排涝片区越大、划分排水分区越多、河涌越稀疏、单个排水分区周边河涌越少体现出水利排涝与市政排水标准的矛盾越大。从三山围与王芝涌计算结果的反差明显突出了涝水路径短、涝水出口多与涝区内河涌交叉密布的优势,考虑排涝安全,城市发展应该为涝水创造更多的排水出路,以降低内涝风险。

本文只是通过两个典型应用例子对水利排涝与市政排水关系进行了初探,重点突出不同排涝区域特征下对两者关系的影响,也证明了水利排涝与市政排水标准的对应关系不能单一从重现期转换或设计雨量对比层面上确定。水文计算分析本来就带有太多潜在的不确定性,这些不确定性与我们研究区域特征相关、与计算方法相关,更与水文资料来源相关,在尚未能得到一个系统规律的时候,相关疑难有待研究突破。

参考文献:

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[7] KIBLER D F.Urban Stormwater Hydrology[J].American Geophysical union’s Water Resources Monograph, 1982(7):48-60.

[8] DHI water & environment.MIKE11 培训教材(RR、HD、SO、AD)[Z].2014.

(责任编辑:程茜)

Primary Study on the Relationships of Municipal Drainage and Water Drainage

YAN WanLing

(GuanDong YSD surveying and designing company,Foshan 528000,China)

Abstract:As pipe drainage uses different calculation system with river drainage in our country, there is question about how many years the municipal rainwater drainage can undertake without waterlogging, comparing to the water drainage system’s water drainage capacity of meeting every 50 years or 30 years drainage standard. Without considering the drainage capacity of pipe network, given that pipe network can completely drain the ground runoff, this paper will be aimed at the calculation of the years scale of the drainage facilities to withstand the municipal storm that meets the drainage standard of every 50 years. A study will be carried out through the calculation on short duration rainstorm process and hydrodynamic force drainage calculation in urban river, with a comparative analysis of the calculation based on the two different characteristics of the flood areas The result shows that waterlogging area with distributed main rivers have stronger capacity of drainage than the single river, which can basically meet 5 years municipal drainage standard.

Keywords:drainage capacity; municipal drainage; Short duration rainfall patterns; draining calculus

收稿日期:2016-12-24

作者简介:严婉玲,女,主要从事水文分析、排涝分析及水资源论证等工作。E-mail:Yan_wanling27@163.com

中图分类号:TU992

文献标识码:A

文章编号:1001-9235(2017)6-0043-06

严婉玲.市政排水与水利排涝关系探索[J].人民珠江,2017,38(6):43-48.

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