關(guān)于大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)計算的探討

何志剛，胡君

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市200030）

關(guān)于大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)計算的探討

何志剛，胡君

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市200030）

對于大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，目前發(fā)達(dá)國家已普遍引入了計算機(jī)水力模型輔助設(shè)計，但我國目前由于受種種條件限制，尚無法全面推廣采用水力計算模擬軟件對大型雨水管網(wǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確計算。結(jié)合推理公式法及時間滯后疊加法，對大型排水管網(wǎng)系統(tǒng)提出了一種新的計算思路和計算方法，以期在類似工程項目中可結(jié)合其工程自身特點予以參考和運用。

大流域面積；雨水管網(wǎng)系統(tǒng)；時間滯后疊加；計算

0　引言

關(guān)于市政雨水管道設(shè)計流量，目前我國室外排水規(guī)范推薦采用恒定均勻流推理公式法進(jìn)行計算。推理公式法雖然簡便實用，但由于該計算方法所基于的三個假設(shè)條件（即在計算雨量過程中徑流系數(shù)是常數(shù)；降雨強(qiáng)度在選定的降雨時段內(nèi)均勻不變；匯水面積隨集流時間增長的速度為常數(shù)）引起設(shè)計雨水管渠的精度不夠高，尤其不適用于大型排水系統(tǒng)設(shè)計。

目前，發(fā)達(dá)國家在雨水管渠設(shè)計尤其是大型排水系統(tǒng)設(shè)計過程中已普遍引入了計算機(jī)水力模型輔助設(shè)計，從而對雨水管渠內(nèi)水力狀況的描述更為細(xì)致和準(zhǔn)確。我國雖然在2014年版室外排水規(guī)范中提出當(dāng)匯水面積超過2 km2時，宜采用數(shù)學(xué)模型法計算雨水設(shè)計流量，但規(guī)范中未給出可供操作的具體計算方法。據(jù)了解，我國現(xiàn)已有相關(guān)科研單位引進(jìn)了國外的水力計算模擬軟件，上述軟件在計算過程中需要輸入降雨的雨型等重要相關(guān)參數(shù)，而目前我國大部分地區(qū)尚未發(fā)布可供參考的降雨雨型等資料，因此即使具備了水力計算模擬軟件，但缺乏上述重要參數(shù)和資料，也無法采用水力計算模擬軟件對大型雨水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確計算。然而，在實際工程中，經(jīng)常會遇到大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計算問題，特別是北方地區(qū)，河道很少，從而相應(yīng)雨水系統(tǒng)的服務(wù)面積較大，已超出了推理公式法的適用范圍。因此本文針對大流域面積雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合某工程實例介紹一種較為簡便實用的計算方法。

1　工程概況

北方某A城市，東西向長度為4 km，南北向長度為8 km，城市總體豎向高程分布特點為西高東低，南高北低，東西向及南北向地形坡度分別為0.3%及1%左右，現(xiàn)狀河道位于城市最北端，具體情況參見圖1所示。

圖1　A市路網(wǎng)及豎向高程分布示意圖

2　雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

2.1雨水管網(wǎng)系統(tǒng)布局

該工程中雖然A市雨水系統(tǒng)的匯水面積達(dá)32 km2，但根據(jù)河道水位資料及城市豎向高程情況，上述范圍內(nèi)雨水均可利用地形高差，采用重力流的形式，由東西向的6～8號路上所敷設(shè)雨水管道，分段接至南北向的1～4號路后，由南向北匯集至5號路，經(jīng)5號路雨水總管向東至下游河道排放。

2.2雨水管網(wǎng)系統(tǒng)計算

上例中雖然雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的布局比較簡單，但若采用常規(guī)的推理公式法進(jìn)行計算，最明顯的問題就是由于雨水排放線路很長（最長線路達(dá)9 km左右），其所對應(yīng)管道內(nèi)雨水流行時間將明顯大于降雨歷時，而根據(jù)推理公式法的極限強(qiáng)度理論，只有在管道內(nèi)雨水流行時間等于降雨歷時的情況下，系統(tǒng)內(nèi)全面積參與徑流，此時產(chǎn)生的最大徑流量作為管道內(nèi)雨水設(shè)計流量，而本例中由于管道內(nèi)雨水流行時間明顯大于降雨歷時，故已不適合簡單套用推理公式法進(jìn)行雨水管網(wǎng)系統(tǒng)計算。

為解決上述難題，該工程中擬采用“化整為零”的處理方式，即根據(jù)路網(wǎng)分布等情況，將整個系統(tǒng)劃分為若干個小的雨水計算單元，使每個單元基本都能夠適用于推理公式法的使用條件，再對相關(guān)單元的流量進(jìn)行計算后，確定相應(yīng)雨水干管的設(shè)計規(guī)模；對于雨水總管的設(shè)計規(guī)模，則可在上述雨水干管水力計算的基礎(chǔ)上，采用時間滯后疊加法，確定其設(shè)計流量及設(shè)計規(guī)模。接下來本文將具體計算方法介紹如下。

2.2.1雨水干管設(shè)計規(guī)模的確定

采用本計算方法首先須設(shè)定降雨歷時，本例中設(shè)定為120min，同時將其作為計算單元中管道內(nèi)雨水流行的最長時間。如圖2所示，F(xiàn)A和FB為兩個相對獨立的雨水計算單元，F(xiàn)B區(qū)域內(nèi)節(jié)點1～2段管道內(nèi)雨水的流行時間tB為120min，其他已知條件如下：

圖2　A市雨水管網(wǎng)水力計算示意圖

（1）P=1 a時的設(shè)計暴雨強(qiáng)度公式為q=1 803.6/（t+8.64）0.8（L /s ·hm2）；

（2）綜合徑流系數(shù)ψ=0.6；

（3）FA=80 hm2，tA=65min，F(xiàn)B=250 hm2，tB=120min。

根據(jù)上述已知條件可以求出［1］：

（1）FA面積產(chǎn)生最大流量

QA=ψqF=0.6×1 803.6 /（tA+8.64）0.8×FA

（2）FB面積產(chǎn)生最大流量

QB=ψqF=0.6×1 803.6 /（tB+8.64）0.8×FB

FA面積上最大流量流到節(jié)點2的集水時間為tA，F(xiàn)B面積上最大流量流到節(jié)點2的集水時間為tB，如果tA= tB，則節(jié)點2處最大流量Q= QA+ QB。但tA≠tB，故節(jié)點2處的最大流量可能發(fā)生在FA面積或FB面積單獨出現(xiàn)最大流量時。根據(jù)已知條件，tA＜tB，節(jié)點2最大流量可按下面兩種情況分別計算。

（1）第一種情況

當(dāng)t=tA時，此時全部FA面積參與節(jié)點2徑流，F(xiàn)B中僅部分面積的雨水能流達(dá)節(jié)點2同時參與徑流，該情況下節(jié)點2處匯水面積的疊加情況可概括為“支線全部面積疊加主線部分面積”，相應(yīng)節(jié)點2的最大流量為：

式中：FB′為FB區(qū)域上在tA時間內(nèi)能夠流到節(jié)點2參與徑流的那部分面積。FB/tB為1min的匯水面積，所以FB′=FB/tB×tA=250/120×65=135（hm2），代入上式得出：

（2）第二種情況

當(dāng)t=tB時，此時全部FB面積參與徑流，F(xiàn)A的最大流量已流過節(jié)點2，該情況下節(jié)點2處匯水面積的疊加情況可概括為“主線全部面積疊加支線部分面積”，相應(yīng)節(jié)點2的最大流量為：

Q2=0.6×1 803.6 /（tB+8.64）0.8×FB+0.6×1 803.6 /（tB+8.64）0.8×FA=5 555.6 + 1 777.8 = 7 333.4（L/s）

按上述兩種情況計算結(jié)果，本例中選擇其中最大流量Q1=7 465.2 L/s作為節(jié)點2處的設(shè)計流量。

關(guān)于節(jié)點2以后管段設(shè)計流量的計算，可根據(jù)Q1和Q2的數(shù)值大小分為以下兩種情況。

（1）第一種情況

如Q1＞Q2，即在t= tA，“支線全部面積疊加主線部分面積”時節(jié)點2點出現(xiàn)最大流量，此時節(jié)點2點以前參與徑流的匯水面積為FA+ F′B，用該面積再疊加節(jié)點2點以后的沿線匯水面積，進(jìn)行計算至管道內(nèi)流行時間t=120min時所對應(yīng)的節(jié)點14，此時即可確定2～14管段的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，設(shè)該段終點設(shè)計管徑為D1，坡度為I1。

對于節(jié)點14以后的管段，可以該節(jié)點為起點，采用前文所述的計算方法，對相關(guān)雨水計算單元重新開始試算至該單元終點15點，并可確定14～15管段終點設(shè)計管徑為D2，坡度為I2，最后比較D2、I2與D1、I1，取大者作為14～15管段的設(shè)計管徑及坡度。對于節(jié)點15以后的管段，采用同樣方法進(jìn)行計算即可。

（2）第二種情況

如Q1＜Q2，即在t= tB，“主線全部面積疊加支線部分面積”時節(jié)點2處出現(xiàn)最大流量，此時由于主線雨水計算流行時間已超過降雨歷時120min，即降雨已停止，理論上主線雨水管道沿線不會再有雨水流量匯入，故節(jié)點2以后設(shè)計流量可取為Q2。但該情況下還存在另一種可能性，即FA的最大流量到節(jié)點2的時間為tA=65min，小于降雨歷時120min，也就是說，雖然Q1＜Q2，但由于計算Q1時，F(xiàn)A的最大流量到節(jié)點2的時間小于降雨歷時，因此Q1會與2點以后的沿線流量相疊加，故有可能超過Q2。所以，本文建議可按照Q2確定2點以后管段的設(shè)計管徑（D1）及坡度（I1），同時須按照計算Q1時節(jié)點6到節(jié)點2的流行時間及此時節(jié)點2處所對應(yīng)的匯水面積，并疊加2點以后沿線匯水面積，對上述管徑及坡度進(jìn)行核算至流行時間達(dá)到120min。假設(shè)該節(jié)點編號為14，如此便可確定經(jīng)過核算后2～14管段的最大管徑（D2）及坡度（I2），最后比較D2、I2與D1、I1，取大者作為2～14管段的設(shè)計管徑及坡度。節(jié)點14以后管段的計算方法同上文第一種情況。

2.2.2雨水總管設(shè)計規(guī)模的確定

上例中1～4號路雨水干管的設(shè)計規(guī)模均可采用前文所述的方法進(jìn)行確定，然而1～4號路的雨水量匯集至5號路雨水總管后，就涉及到上述流量該如何疊加的問題。按照前文所述計算方法，1～4號路會以120min左右作為管道內(nèi)雨水的最長流行時間，形成數(shù)個峰值流量，這些峰值流量匯集至5號路后該如何疊加，該問題顯得十分復(fù)雜。如果僅簡單地將1～4號路所形成的最大峰值流量相加，將會引起5號路的設(shè)計流量及其相應(yīng)雨水管涵的設(shè)計斷面尺寸很大，如此既不經(jīng)濟(jì)也不合理。

為解決該問題，該工程中考慮采用時間滯后疊加法對5號路的設(shè)計流量進(jìn)行計算，只是對相互疊加的情況進(jìn)行簡單化處理。如圖2所示，F(xiàn)C=250 hm2，F(xiàn)D=200 hm2，t5-11=20min，其中FC、FD分別為1號和2號路沿線匯水面積最大的一個計算單元，并設(shè)它們的終點分別位于5號路上的節(jié)點5和節(jié)點11。由于此時所假設(shè)的流量疊加情況是1號和2號路沿線匯水面積最大的一個計算單元在降雨末期發(fā)生的峰值流量疊加情況（此時實際的降雨強(qiáng)度低于由暴雨強(qiáng)度公式所算得的強(qiáng)度值），因此若仍采用t=120min作為降雨歷時及管道內(nèi)雨水流行的最長時間，則會由于上述諸多因素的累積效應(yīng)，引起5號路設(shè)計流量的計算值偏于保守，未能充分體現(xiàn)1號和2號路峰值流量在5號路的滯后疊加現(xiàn)象。因此，在采用本文所述的時間滯后疊加法對雨水總管的設(shè)計流量進(jìn)行計算時，本文建議t值可取為90min，則相應(yīng)對于總管上節(jié)點11最大流量的計算可分為以下兩種情況。

（1）第一種情況

（2）第二種情況

當(dāng)t=tC′+t5-11=110min時，此時全部FC′面積參與徑流，這時FD′的最大流量已流過節(jié)點11，參與節(jié)點11徑流的面積FD″=FD′/tD′×［tD′-（110-tD′）］，相應(yīng)節(jié)點11的最大流量為：

根據(jù)以上兩種情況分別算得兩個流量，可選擇其中最大流量作為節(jié)點11處的設(shè)計流量。對于節(jié)點12及13處的設(shè)計流量，可參照上述方法分別進(jìn)行計算即可。

2.3關(guān)于部分參數(shù)取值的討論

（1）降雨歷時

本計算方法中須預(yù)先設(shè)定降雨歷時，由于其直接影響到雨水干管及總管的設(shè)計規(guī)模，因此該參數(shù)的取值非常關(guān)鍵。本文建議在具體工程的設(shè)計過程中，可根據(jù)工程項目所處地區(qū)的降雨情況及雨水系統(tǒng)內(nèi)管網(wǎng)的布局情況進(jìn)行確定，建議其取值可介于90～120min，雖然降雨強(qiáng)度的大小與降雨歷時成反比，但根據(jù)極限強(qiáng)度理論，匯水面積隨降雨歷時的增長較降雨強(qiáng)度隨降雨歷時增長而減小的速度更快，因此考慮到工程的安全性和種種不確定因素，同時兼顧到工程方案的經(jīng)濟(jì)性及合理性，本文建議在雨水干管和總管的水力計算過程中，降雨歷時的取值可結(jié)合工程具體情況，分別取為接近上限值和下限值。

（2）計算單元面積

每個計算單元面積的大小可根據(jù)計算單元的形狀及單元內(nèi)管網(wǎng)的分布情況，并結(jié)合上述降雨歷時（即為計算單元內(nèi)的雨水最長流行時間）進(jìn)行確定，但每個計算單元的面積不宜大于300 hm2。如根據(jù)上述情況所確定的計算單元面積較大，則可適當(dāng)縮短單元內(nèi)雨水最長流行時間，從而使計算單元面積的大小處于較合理范圍內(nèi)。

3　結(jié)語

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，排水管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)也越來越被社會和各級政府部門所重視，而如何建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)適用的大型排水管網(wǎng)系統(tǒng)，是擺在市政排水規(guī)劃設(shè)計人員面前的一個重大課題。本文結(jié)合了推理公式法及時間滯后疊加法，對超出推理公式法適用范圍的大型排水管網(wǎng)系統(tǒng)提出了上述計算思路和計算方法，以期在類似項目中可結(jié)合其工程自身特點予以參考和運用。

［1］ 孫慧修， 郝以瓊， 龍騰銳.排水工程（上冊）［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

TU990.3

A

1009-7716（2015）01-0083-04

2014-08-12

何志剛（1977-），男，江蘇揚(yáng)州人，高級工程師，從事給排水設(shè)計工作。