改進總量核算法在某排水河推求流量中的應用

史 春 王志富

隨著城市的逐步擴大、外延，新型小城鎮、開發區不斷建設，原農業河道服務范圍內的下墊面性質的變化，使得原有的一些農業河道在保留原農業排澇功能的同時逐步轉變為城市的雨水、中水河道使用。這就急需要探討一種兼有排除城市雨水、農業瀝水及中水多功能河道流量的計算方法來指導工程實踐。在我國的雨水設計流量中一直存在兩種不同的方法:一種是在給水排水專業的雨水管道流量設計中廣泛采用的極限強度法;另一種是水利專業的農業河道流量設計中廣泛采用的年最大值法。兩種計算方法的選樣標準不一樣，造成設計成果存在很大的不同。國內雖也做過兩種方法銜接的研究，基于不同地方多年統計資料提出一些關于極限強度法和年最大值法設計流量的線性關系，但存在一定的局限性，尚不能作為一種規范和標準指導工程設計［1］。在實際工程設計中，把河道按照年最大值方法進行流量計算時，流量將偏小。而將河道看作一條主干管道，按照極限強度法計算河道流量時，顯然是沒有考慮河道自身的調蓄能力，計算結果又嚴重偏大。基于以上的問題，本文將借鑒一種新的城市雨水河道的流量計算方法——總量核算法［2］，并對此方法加以改進用于指導天津市北塘排水河的工程設計。天津市北塘排水河的前身為北塘排污河，建于1958年，于1976年進行擴建。河道西起河北區趙沽里泵站，東至東麗區永定新河，主要穿越的河道有月牙河、外環河、西減河、東減河、新地河。現北塘排水河擔負著汛期雨水、農田瀝水及污水處理廠出水的排水任務。河道全長33 km，在起點下游21 km處有一座中途提升泵站——山嶺子泵站，裝機流量為44 m3/s。本次河道改造將根據新修編的天津市總體規劃的河道兩岸用地性質重新進行河道流量及終點外排泵站流量的計算。

1 河道排水區劃分

根據北塘排水河沿岸用地規劃，將河道兩岸服務地區的不同下墊面特性及排水性質的匯水區進行梳理，將匯水區按產流特性分為四種排水區，即排除雨水的城市化區、農業區、支流調蓄區和排除中水的污水處理廠出水區。

1)城市化區。城市化區的雨水是通過管道系統收集后經泵站提升后排入的，是組織化的快速排水，一般地區地面覆蓋物透水性差，徑流系數大，而且要求地面不能積水。現狀及規劃有民權門、增產道、祁連路、張貴莊南、華明工業園、華明新家園、東麗湖共7片排水區雨水排入北塘排水河。

2)農業區。農業區的雨水是渠道集流后排入的，雨水在被截流、下滲后匯集入渠道再集流的整個過程時間較長，易受蒸發、地形地質特性及植被覆蓋等情況的影響。現狀渤海石油生產基地、永和村兩片排水區的雨水仍然排入北塘排水河。

3)支流調蓄區。支流調蓄區為北塘排水河支流的服務地區，在排入北塘排水河前上游服務地區的雨水經過了河道、湖面的調蓄。現狀空港、橫溝兩片排水區屬于此種情況。

4)污水處理廠出水區。污水處理廠出水區是北塘排水河兩岸服務地區的污水經現狀及規劃的污水處理廠處理，達標后排入河道。河道接納沿線東郊、華明工業園、空港、張貴莊、東麗湖共5座污水處理廠的出水(見表1)。

表1 北塘排水河各排水區情況表

2 河道流量的模擬計算

北塘排水河兩岸不同性質、不同排入位置的分片地區流量進入河道水體后，不能以峰值疊加流量作為河道設計流量，需考慮調峰、錯峰對河道流量的削減。在這里可采用總量核算法進行模擬計算。

總量核算法的5個計算步驟分別為:用極限強度法求管道出口洪峰流量，繪制服務區Q—T曲線圖，修正Q—T曲線圖，將各個服務區Q—T曲線圖疊加為W—T總曲線圖，設計河道尺寸和控制參數。總量核算法原針對城市市內排水河道而應用，要求河道作用服務區應是上述產流區劃分中的第一種城市化區的適用條件，后三種區域不適用，有一定的使用局限。而采取改進后的總量核算法將其余三種情況也可以計入計算，拓寬了其應用條件。主要改進點如下:

1)農業區根據天津市平原地區農田除澇設計機排時間按2 d考慮，大于W—T總曲線圖中河道形成設計最大流量的時間。簡化計算可按農業瀝水萬畝測算模數乘以農業區面積計入河道總流量，疊加入W—T總曲線圖。2)支流調蓄區上游雖有管道、泵站等排水系統，但考慮其本身為調蓄后排入北塘排水河且調蓄外排時間無法調控，因此設計時將支流調蓄區流量折減50%后計入排入流量，疊加入W—T總曲線圖。3)污水處理廠為日平均排水，直接按處理廠處理規模計入流量，疊加入W—T總曲線圖。4)這樣就可以繪制出多功能河道的完整W—T總曲線圖來求得河道設計流量(見圖1)。取河口斷面，通過錯峰削減，河道降雨20 h后達到峰值流量79.02 m3/s為河道設計流量。

3 河道調蓄削減流量

在日常河道管理中往往利用河道自身容量的調蓄作用，以蓄代排，削減河道匯流峰值并減緩水位抬高速度，以緩解區域排水壓力，這種方法對河道終點外排泵站規模有直接的影響。我們把這種方法作為總量核算法的補充。

以北塘排水河為例，根據北塘排水河W—T曲線圖，汛期北塘排水河降雨初期為11.63 m3/s，逐漸遞增，降雨20 h后達到峰值流量79.02 m3/s，后逐漸遞減，降雨 24 h 后流量 62.41 m3/s，24 h內平均流量48.67 m3/s。綜合計算分析結果并比對現狀河道中途山嶺子泵站多年運行資料，確定北塘河口泵站遠期設計流量為48 m3/s。同時在設計上提出管理運行要求，即在河道匯水區內發生降雨時，擬建河道終點泵站開車排水。隨著降雨歷時的延長，泵站前水位的上漲增加開車臺數，達到調蓄的目的。

4 應用中應注意的問題

1)在設計前期收集資料時必須要準確掌握各個片區在河道排入點的位置，這是建立W—T總曲線圖的基礎。

2)在農業區排入流量計算時在按照農業流量模數計入的同時，可根據有關農田除澇中產流計算方法進行計算。

3)在支流調蓄區域排入流量計算時，對支流流量的計入應根據實際出口斷面統計資料綜合分析，在沒有統計資料時可采用本文的折減方法計入。折減計入時要分析支流的排水體制、調蓄能力、排水出路流量來綜合確定，為保證最終河道流量的安全，建議折減系數不低于50%。

4)在設計河道終點外排泵站時要利用河道自身容量調蓄削減峰值，并利用現狀河道運行資料進行校核。

5 結語

改進的總量核算法主要修正了原方法中對匯水區中的農業區、支流調蓄區、污水處理廠出水區不適用問題，并增加考慮了河道自身容量調蓄的措施。利用此種方法可克服按照年最大值方法進行流量計算時結果偏小，以及按照極限強度法計算時計算結果偏大的問題，使得理論計算的結果更趨于實際運行資料。雖然此種計算方法的合理性與準確性尚值得進一步探討，但仍希望對多功能河道的設計提供一定的參考。

［1］劉 俊，俞芳琴，張建濤，等.城市管道排水與河道排澇設計標準的關系［J］.中國給水排水，2007(2):35-36.

［2］李漢印，魯航線.采用“總量核算法”解決城市河道排水水力計算問題［J］.給水排水，2001(8):11-12.

［3］翁偉軍.探討城市河道整治與城市建設的融合［J］.山西建筑，2010，36(5):359-360.