城市河道排澇流量計(jì)算方法研究

冀 琨

（太原市城鄉(xiāng)管理委員會 排水管理處，太原 030000）

?

城市河道排澇流量計(jì)算方法研究

冀 琨

（太原市城鄉(xiāng)管理委員會 排水管理處，太原 030000）

［摘 要］本文通過區(qū)分城市排水和排澇，對城市排澇流量的計(jì)算方法進(jìn)行了分析研究。以太原市迎澤西大街為研究對象，進(jìn)行了排澇流量的計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，對虎峪河的部分路段河道的控制水位進(jìn)行了分析研究。

［關(guān)鍵詞］城市河道；排澇；流量計(jì)算

0　引 言

由于城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市現(xiàn)代化建設(shè)要求越來越高，以及近年來大雨暴雨帶來的內(nèi)澇問題日益凸顯，排澇設(shè)計(jì)不合理、沒有準(zhǔn)確預(yù)測和估算大雨暴雨等帶來的流量劇增壓力，使城市排水成為我國城市普遍的一個難題。因此，對城市河道排澇的研究成為我國廣大學(xué)者研究的一個熱點(diǎn)。對于城市河道排澇的研究，能夠?yàn)槌鞘信潘芫W(wǎng)的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也是解決城市排水的必要基礎(chǔ)。只有徹底解決城市排澇的問題，才能保障人民財(cái)產(chǎn)人身安全，為城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供必要的基礎(chǔ)。而對排澇流量的計(jì)算，是合理規(guī)劃城市排水管網(wǎng)的前提。因此，對于排澇流量的計(jì)算具有十分重要的意義。

1　城市排澇與排水的主要區(qū)別

城市主要解決的是歷時較長、積水面積較大的城市河道排水的問題。因此，相對于城市排水問題來講，解決排澇問題在中觀層面更具有現(xiàn)實(shí)意義。比如:1996年夏天8月初，虎峪河由于暴雨連降而導(dǎo)致水位劇增沖垮了河壩，洪水沖到了迎澤大街，造成了洪水災(zāi)害，就是排澇設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)吸取的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。盡管，我國對于城市排澇還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，但是在管網(wǎng)設(shè)計(jì)等方面應(yīng)當(dāng)依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。城市排澇和排水的區(qū)別見表1。

表1　城市排澇與排水比較分析表

2　洪峰流量計(jì)算的主要方法分析

2.1推理公式法的原理

計(jì)算公式為:

其中，x∈（0.275，0.280），是一個可變系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況可以進(jìn)行大小的調(diào)節(jié)，一般選取中間數(shù)為系數(shù)，比如:取0.278。

Qm為洪峰流量值，單位是立方米每秒（m3/s）；Ψ為洪峰流量徑流系數(shù)；t為各處洪流的匯流時間；Ht是時段最大的凈雨，單位一般為毫米（mm）；F是流域的面積，單位是平方千米（km2）。如果進(jìn)一步簡化，將看作是降雨強(qiáng)度q，可得到公式Qm=ΨqF。

洪峰流量的計(jì)算中，徑流系數(shù)分為部分流域面積和全部流域面積兩種不同的情況區(qū)分計(jì)算，根據(jù)具體實(shí)際情況進(jìn)行。一般來講，這種計(jì)算方法適合小流域洪峰情況下的城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，不適合南方平原地帶城市的設(shè)計(jì)，而較適合北方降雨量較小的城市。但是，隨著近幾年北方強(qiáng)降雨天氣的增加，暴雨天氣帶來的危害威脅較之于以前有加大的趨勢，在排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合分析，在客觀科學(xué)評估的前提下運(yùn)用計(jì)算來設(shè)計(jì)排水管網(wǎng)。

2.2地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式的原理

這類方法較為簡單，雖地域性較強(qiáng)，但也得到了廣泛的應(yīng)用。我國各城市普遍習(xí)慣采用的公式為:Qm=KFn。其中，Qm為洪峰流量值，單位是立方米每秒（m3/s）；F是流域的面積，單位是平方千米（km2）；K是地區(qū)系數(shù)，具體到某個城市，根據(jù)以往的實(shí)際情況來判斷確定；n是指數(shù)系數(shù)，同樣根據(jù)具體實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷來確定。這種方法相較于推理公式法計(jì)算較為簡單，精度要求較低。但由于地區(qū)差異大，所以在及時應(yīng)用中對于K和n確定需要很多以往的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)來進(jìn)行必要的支撐。此類方法普遍應(yīng)用于規(guī)模較小、人口相對稀少的城市，在排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中精度要求也不是很高，不至于引發(fā)洪澇災(zāi)害。

2.3調(diào)蓄計(jì)算法

一般來講，按照最大洪峰來設(shè)計(jì)城市排水管網(wǎng)能力，不會引發(fā)城市洪澇災(zāi)害，但是，考慮到投資和經(jīng)濟(jì)效益，那樣的話，就會投資巨大，造成資源的浪費(fèi)。因此，考慮河道的蓄水能力是十分有必要的，特別是城市中地勢較低的排水區(qū)，積水不能自然排放，需要設(shè)計(jì)合理的排澇泵來進(jìn)行排水，在兼顧經(jīng)濟(jì)適用的情況下，合理地確定排澇量就有十分重要的意義。

計(jì)算公式:

其中，V2、V1為計(jì)算時段末、始的河道蓄水量，q為假設(shè)的排水能力，Q1，Q2為計(jì)算始末的入流流量。在實(shí)際的計(jì)算中，蓄水量低于起調(diào)水位的蓄水量則不排水，因?yàn)楹拥烙幸欢ǖ男钏芰Α?/p>

上述的3種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的差異。比如:推理公式法主要以自然形成的小流域河道排水計(jì)算洪峰流量來進(jìn)行排澇能力設(shè)計(jì)，但計(jì)算的結(jié)果在一定程度上偏小，所以實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)城市河道的具體情況調(diào)節(jié)放大系數(shù)。推理法比較直接簡單，省略了很多水文地理方面的考慮，直接采用了流量最大的計(jì)算作為依據(jù)設(shè)計(jì)，所以應(yīng)用也較為廣泛。

3　城市河道排澇流量實(shí)例分析

3.1排澇流量計(jì)算

太原市迎澤西大街東起迎澤橋西，西到南寒廣場西客站，長約5公里，道路規(guī)劃寬度70米，其中機(jī)動車道寬31米的雙向十車道，是太原市標(biāo)志性、景觀性、交通性的現(xiàn)代化道路，是太原市的主干道之一。但是，由于迎澤西大街位于太原市西南部的萬柏林區(qū)，地勢相對較低，通過歷年暴雨的資料得知，此地段是歷年夏季暴雨頻發(fā)期洪水災(zāi)害較為嚴(yán)重的地段，部分地段積水高達(dá)70多厘米，給城市交通等帶來了諸多的問題。迎澤西街從迎澤橋西到迎澤西大街千峰路口長約29 00多米，總匯水面積大約5.5平方千米，是積水最為嚴(yán)重的地段之一。

根據(jù)給排水設(shè)計(jì)手冊，確定太原市短歷時的最大強(qiáng)度公式為:

如果重現(xiàn)期取5年，一小時降雨量取48.7～54.0毫米，雨停時道路無積水或不影響通行，按照公式Qm=ΨqF計(jì)算，則有不同匯流面積情況下要求主管道的流量見表2。

3.2河道控制水位計(jì)算

進(jìn)一步選取虎峪河下元河段到迎澤橋西河段作為分析對象進(jìn)行研究。虎峪河位于太原西山，北面鄰接玉門河，南面則是與九院沙河相鄰，流經(jīng)大虎峪、小虎峪河龍灣等地，從山區(qū)流出向東流入太原盆地。虎峪河流經(jīng)面積約47 平方千米，流經(jīng)長度約22千米，最大落差約1.1千米，由西向東流入汾河。特別是1996年夏季8月的暴雨沖毀河岸淹沒迎澤大街，引發(fā)了城建系統(tǒng)和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的極大關(guān)注。因此，在確定暴雨天氣排澇流量的情況下，有必要對虎峪河關(guān)鍵路段的控制水位進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。只有將排澇流量與河道控制水位緊密結(jié)合，才能從本質(zhì)上解決排澇的問題，以免洪災(zāi)重現(xiàn)和發(fā)生。

利用公式z=▽-lj-0.3計(jì)算虎峪河的斷面控制水位見表3。

表2　迎澤西大街管道匯流流量設(shè)計(jì)計(jì)算表

表3　虎峪河斷面控制水位計(jì)算表

4　結(jié) 語

隨著城鎮(zhèn)化步伐的不斷加快，現(xiàn)代化設(shè)施的不斷完善，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的排水排澇系統(tǒng)成為影響城市發(fā)展的一個重要問題。因此，通過對城市排水排澇的流量計(jì)算方法研究，確定排水排澇暴雨天氣的流量和河道控制水位，以此為依據(jù)進(jìn)行城市排水排澇管網(wǎng)和泵站系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

主要參考文獻(xiàn)

［1］張芳，宋娟，金羽.城市排澇與城市排水網(wǎng)絡(luò)關(guān)系研究［J］.中國水運(yùn)月刊，2013（4）.

［2］許文君.城市排水系統(tǒng)的整合與優(yōu)化研究［D］.揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2012.

［3］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（1）.

［4］蘇選軍.西安市城市雨水與城市排澇流量計(jì)算比較研究［D］.西安：長安大學(xué)，2006.

doi:10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.12.149

［中圖分類號］TU998.4

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

［文章編號］1673-0194（2016）12-0216-02

［收稿日期］2016-05-08