對改進城鎮雨水系統設計的幾個問題探討

張志軍

城鎮汛期暴雨積水問題普遍存在，直接影響居民的出行，甚至造成事故。其中有排水設施維護管理的因素，如：管道淤積嚴重、部分排水無出路、管徑小、河道水位高、入河口未建設強排泵站、雨水口設置不合理等；更重要的需要改進和完善設計、優化設計、細化設計。城鎮暴雨盡快排除過程有3步：一是地面徑流雨水能盡快收進雨水口；二是能盡快進入管道、同時盡快排入水體；三是河道等水體內的水位能盡快向下游排放，不至于使水體升高過快，形成頂托。除河道防洪排瀝屬水利部門管理以外，城鎮雨水系統設計應考慮下屬因素：近年來，隨著城市景觀水面工程的實施，使河道常水位及洪水位普遍抬高；夏季降雨集中，60%～70%的降雨都集中在6、7、8三個月；如何既考慮河水頂托淹沒出水問題，又能通暢、在最短時間內排除城市區域暴雨徑流量，減少路面積水，且又不至于使管道斷面過大、提升泵站數量過多，就成為城市雨水管網設計所面臨的問題。

一、集流時間、降雨歷時的確定

通常設計中，集流時間 （τ）一般由雨水從匯水面積上最遠點的房屋屋面流到最近雨水口的集流時間 （t1） 和管道中的流行時間 （t2） 組成。 由于北方平原城市地面坡度比較平緩、地面覆蓋條件相似、降雨強度相近，則地面集水距離就成為影響t1的主要因素。多數設計中采用的集水距離不超過150m，t1取值為10～15min，而市政雨水管網系統往往以此為基礎進行計算，其實并不合理，原因如下：

1.道路雨水起點，并不是計算雨水系統的集流起點，真正的集流起點應是廠、礦、企業、居住區內雨水系統的起點，因此集流時間t1需考慮雨水在廠、礦、企業、居住區內雨水系統的集流時間及管道內的流行時間。

2.因短歷時暴雨強度公式僅適用小流域，在進行市政雨水系統設計時，所用暴雨強度公式是以極限強度法計算的雨水最大流量的基本原理為基礎。但由于該原理是以假設暴雨強度和面積增長速度均為常數為前提，沒有考慮實際的暴雨雨型與徑流面積隨暴雨歷時增長的水文形態對計算流量的影響。

式中，L——各管段的長度 （m）；

V——各管段滿流時的水流速度 （m/s）。

考慮到管道的調蓄作用對流量的影響，引入折減系數m。由此得出暴雨公式中降雨歷時的計算公式為 t=τ=t1+m×t2。

但在中小城市，因為整個城區匯水面積較小，對于局部的雨水系統而言，它的匯水面積就更小，可以認為在匯水面積內雨型是相同的；而在特大、大型平原城市中，雨水系統的匯水面積較大，雨型在匯水面積內會有所差異，計算的雨量結果與實際偏離相對較大。實踐表明：當設計區域的地表滲水性較好、集流時間較長，產生區域最大徑流的造峰歷時tmax，往往會小于區域的集流時間t（t=t1+m∑L/60V，m≠2）。取m=2算出的時間已經不是真實的集流時間，即不是全面積徑流所產生最大流量，而是部分面積徑流所產生最大流量。此外，畸形流域的最大流量也往往來自部分面積的徑流。

部分徑流的最大流量公式： Q=β×I×Ψ×F。

式中β——產生最大流量的徑流面積完全度系數。

β=f/F≤1，f為相應造峰歷時tmax的最大徑流面積，當徑流面積隨歷時不均勻增長時割除的面積（F-f）應是流域的尖角部分。

造峰歷時 tmax的推理公式： tmax=Ψ×b/(n-Ψ)。

式中b與n為暴雨強度公式中的參數 （公式適用于參數b>0，參數Ψ

根據以上分析，進行市政雨水系統計算時，雨水集流時間應增加雨水在廠、礦、企業、事業、居住小區內部雨水系統流行的時間；在計算匯水面積較大的雨水系統時，計算得出的集流時間較大，應與造峰歷時進行比較，集流時間大于造峰歷時，仍按計算所得集流時間正常計算，超過造峰歷時集流時間按造峰歷時計算。

二、匯水面積的確定

較大的市政雨水系統設計時，主要管道的定線非常關鍵，原則上使匯水面積內的雨水盡快收集進入管道，同時能在最短時間內由管道排入水體，因此要根據城市不同地形采用不同的管網布置形式，如：正交式、平行式、分區式、截流式等。而匯水面積的劃分需要考慮多方面因素影響，盡可能的平均劃分，使面積增長速度接近于常數。

通常設計中，往往將各個街區平均地劃分出匯水范圍，雨水平均排入四周街道雨水管網，但在地勢非常平坦并且街區規劃不完善的區域，這樣劃分是比較合理的。若街區地勢有一定的坡度或該街區內部有較詳細的規劃，匯水面積就不能簡單的平均劃分，應根據該區域內詳細規劃和地勢坡度來劃分雨水的匯水面積。地勢平坦區域及地勢坡度較大區域匯水面積劃分見圖1和圖2所示。

圖1 地勢平坦區域匯水面積劃分圖

圖2 地勢坡度較大區域匯水面積劃分圖

三、徑流系數的確定

匯水面積確定后，影響雨水設計流量的另一重要因素就是徑流系數。雨水降落到地面形成徑流，因匯水面積內的地面覆蓋情況不同而不同。此外影響徑流系數的因素還有地面坡度、降雨歷時、暴雨強度以及暴雨雨型。在其他條件相同的情況下，地面坡度大的區域，雨水流動較快，徑流系數必然要大。降雨歷時長的暴雨雨水在地面滲透損失減少，隨著時間的推移，徑流系數也就相對大些。暴雨強度越大和暴雨強度發生在前期的雨型徑流系數也大。

但在平常設計中，在計算某區域雨水量時，往往采用區域綜合徑流系數，這樣會造成設計的每段雨水管線的流量、管徑、坡度準確性不夠。

在北方平原城市雨水流量計算過程中，若區域控制性規劃已設計完成，徑流系數應根據控制性規劃的用地比例，分別計算出綠地、瀝青路面、混凝土路面、屋面、非鋪砌土路面以及鋪砌便道的面積，按照 《室外排水設計規范》中給定的各種地面種類的徑流系數加權平均計算而得。

四、暴雨重現期的確定

暴雨強度重現期的選擇，直接關系著雨水設計流量的大小。設計重現期選高了，雨量正常年份地面積水的可能性降低，雨水管網系統安全性增高，同時雨水管道斷面增大，投資增大；如果重現期選低了，雨水管道斷面減小，投資節省，但加大了地面積水的可能，嚴重的會給人們的生活、生產帶來損失。 《室外排水設計規范》給出的重現期參考值，見表。

在城市建設中，某區域的地理位置重要性質往往很難確定，因此選擇一個合理的重現期也較困難。為解決這個難題，在滿足各地區的要求及國家有關規范條件下，應結合以下兩方面來確定。

1.整個區域的暴雨重現期不統一的原則

計算區域面積較大的雨水流量時，各區域干管交匯點的上游管道，按各自的重要性與地形特點選定不同重現期，如重要廣場、下穿立交泵站、

行政中心、醫院、車站、大型住宅區以及地面坡度較大區域等處應選用較高重現期，但是干管交匯點下游管道的重現期不應小于交匯點上游管道中的最大重現期。對于干管交匯點的下游管道，因上游各區域所用暴雨重現期不同，需假設上游地區中所用較高重現期設計暴雨來臨時，此時上游較低重現期時所設計的管道，因泄水能力不夠而在該地區產生積水，管道將產生壓力流，所以實際泄水能力約為原設計流量的1.2倍 （經驗值）。因此全流域的設計流量，按照在較高重現期時計算的設計暴雨雨力Amax下各地區的當量泄量系數Ki=Ai/Amax，所以全流域的流量Q為：

2.小城市的暴雨設計重現期確定

在對北方中、小平原城市不同區域進行雨水計算時，應根據不同地區的重要性所確定的設計重現期作相應的常規計算。在地面坡度不大于0.002時，建議一般居住區、一般道路重現期選擇0.5年，中心區、干道、倉庫區、廣場重現期選擇1年，而鐵路立交、公路立交、重要干道等重要地區仍采用2～5年。

五、淹沒出流流速的確定

由于北方平原城市多數雨水管道出口淹沒在河道水面下，屬淹沒出流，其排水安全問題應特別注意，重力自流排水時，應校核水體水位高程、管道沿程地面高程和管道水力坡降線，以確保上游路面不因河水倒灌而冒水。且因受河水頂托影響，管道的實際排水能力能否達到設計要求，也必須進行校核。

設計重現期 （P）選擇一覽表

式中V為管內流速 （m/s）、v1為淹沒段上游（非淹沒段） 流速 （m/s）、d為管道直徑 （m）、L為淹沒段長度 （m）、λ為沿程阻力系數、Δh為淹沒段水力坡降、Z為河道水面至上游管段水面的垂直距離 （m）、/2g為行進水頭。

可見，在雨水管道淹沒段排水設計時，應校核其排水能力。當不能滿足設計排水能力要求時，應考慮加大管徑、減小坡度 （以減小Δh）等措施。甚至在重要地區，要考慮建設提升泵站 （或配備液壓式移動泵站）和止回閥。泵站的抽升能力按管道設計匯水量的50%即可，在降雨時一方面通過管道自流排放，同時也通過泵站抽升強排，既可大大節省泵站投資，又可縮短低洼地段積水時間。

六、雨水收水口形式的確定

雨水口的型式主要有平篦、立篦、聯合式平立篦結合三種。平篦水流通暢，但易被雜物堵塞，影響收水能力；立篦不宜堵塞，但邊溝需保持一定水深；聯合式兼顧平立篦優點，應優先選用。雨水口的布置應按以下原則：

1.雨水口的布置應根據地形及匯水面積，結合道路縱斷設計布置，將雨水口布置在低洼處。尤其在道路交叉口四周、街坊單位出入口處，要認真核算路面高程，確保將雨水口布置在低洼處。雨水口的布置數量還應考慮堵塞系數；

2.對于低洼和易積水地段，雨水徑流面積大，徑流量較大，為提高收水速度，需要適當增加雨水口數量，最好采用連續多篦的 “線形”收水井；

3.對于道路縱坡較大路段，尤其是立交橋的引道處，應采用平篦雨水口收水，且在上游就開始布置雨水口，在下游段相應設連續多篦雨水口，形成 “線形”收水井，讓徑流雨水從上游開始就收進管道，避免全部匯到下游或橋下后，造成積水；

4.為減少平篦雨水口被雜物堵塞，其安裝要有一定傾斜角度，4度為易，坡向路邊側；

5.為提高收水效果，應優先選用平立篦結合的聯合式雨水口，同時道路兩側的平石應向外有3CM坡度，不應采用無坡度的 “平石”，以形成邊溝；

6.雨水口下面應設30～50CM的沉淀池，以避免泥沙雜物進入管道。針對雨水過路管管徑小不宜清掏疏通的實際情況，其坡度應確保達到1%，坡向檢查井，以加大流速，避免雜物沉積。

七、結束語

科學分析、合理確定市政雨水系統設計中涉及的上述幾個要素取值，以對設計進行優化；同時應加快雨水入滲系統的設計和實際應用步伐，使雨水排放、入滲以及儲蓄利用三者有機結合起來；再者，還可以將各自獨立雨水系統之間連通起來，利用連通管調劑不同系統間雨水徑流量；此外，下穿立交雨水泵站應設獨立的排水管道、立交橋頭應有截流和分流客水設施、立交泵站抽升能力應考慮20%的客水匯集量；另，通過建設小區內的雨水管道、通過在局部低洼地段建設直通污水檢查井的雨水口 （汛期通過污水泵站抽升）等措施，均對提高城鎮雨水排除效果，減少路面積水時間，起重要作用。

[1]GB50014-2006室外排水設計規范.

[2]上海市政工程設計研究院.給排水設計手冊.北京：中國建筑工業出版社，2006.

[3]張志軍.優化城鎮排水系統運行的改進措施.城鎮供水,2009, （1）： 43-46.