山地雨水量計算分析

文/稅蓮 中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計研究院有限公司 重慶 400016

山地特殊的地形條件，容易呈現(xiàn)降雨集中、雨型急促、降雨歷時短、雨水徑流量大，極易短時形成暴雨。按照國家暴雨標(biāo)準(zhǔn)定義，站點(diǎn)24 小時降水量≥50mm 稱為暴雨，但對于我國西部新疆及四川的山地區(qū)域，一般日降雨量≥25mm 的天氣足以構(gòu)成地質(zhì)災(zāi)害，因此新疆將日降雨量≥24mm 作為暴雨標(biāo)準(zhǔn)，而四川甘孜、阿壩地區(qū)將日降雨量≥25mm作為暴雨標(biāo)準(zhǔn)；暴雨標(biāo)準(zhǔn)因山區(qū)地形和氣候條件作了較大調(diào)整，亦印證了山地雨水產(chǎn)流與平原地區(qū)的顯著差異。

在常規(guī)的室外雨水設(shè)計中，通常采用暴雨強(qiáng)度公式和匯流面積求取計算區(qū)域的雨水量。暴雨強(qiáng)度指單位面積上某一歷時降水的體積，用于室外排水設(shè)計的短歷時強(qiáng)降水。暴雨強(qiáng)度公式即為用于計算某一城市或某一區(qū)域暴雨強(qiáng)度的表達(dá)式：

q=1.67A(1+clgP）/（t+b）n

其中，q-設(shè)計降雨強(qiáng)度（L/S.100 m2）；

P=設(shè)計重現(xiàn)期（a）；

t=降雨歷時（min）；

A,b,c,n 為當(dāng)?shù)亟涤陞?shù)，各地根據(jù)地形氣候條件不同制定。

明確暴雨強(qiáng)度公式后，根據(jù)徑流系數(shù)和匯水面積計算雨水設(shè)計流量：

Q=ψqF

ψ：徑流系數(shù) F：匯水面積（100 m2）

計算山地雨水量時，根據(jù)山地雨水排放特點(diǎn)，結(jié)合地形環(huán)境，對暴雨公式中設(shè)計參數(shù)逐項分析如下：

1、設(shè)計重現(xiàn)期

排水設(shè)計重現(xiàn)期是根據(jù)建筑物的重要程度、匯水區(qū)域性質(zhì)、地形特點(diǎn)、氣象特征等因素確定。山區(qū)地形有坡度大、易短時形成暴雨、區(qū)域短時呈現(xiàn)積水特點(diǎn)、甚至因惡劣天氣引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，宜比普通建筑采用較大的重現(xiàn)期。借鑒湖南省坡面匯流計算方法，此方法多用于山地渠道防洪、開挖截洪溝、公路涵洞的洪水計算中，將排水區(qū)域集雨面概化為矩形，并假定山坡為均一坡度，按全面匯流計算（即在坡面匯流時間段內(nèi)將最大凈降雨量乘以集雨面積作為山坡的洪峰流量）。相同區(qū)域雨水計算中，與室外排水計算法比較，略大于室外排水法重現(xiàn)期取3年時的雨水量。實際工程計算山地小區(qū)雨水量時，也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件、氣候條件來考慮設(shè)計重現(xiàn)期的取值，并適當(dāng)考慮防洪要求，山地雨水設(shè)計重現(xiàn)期的取值不宜小于3年。

2、折減系數(shù)

在城市雨水系統(tǒng)設(shè)計中，折減系數(shù)用于計算雨水流域的匯流時間，雨水管道的設(shè)計降雨歷時按t=t1+Mt2計算，其中：

t：降雨歷時（min）

t1：地面集水時間（min），一般選用5min-10min

M：折減系數(shù),小區(qū)支管和接戶管：M=1;小區(qū)干管、暗管M=2，明溝M=1.2；

t2：排水管內(nèi)雨水流行時間（min）

實際降雨過程中，雨水管道中的雨水并非一開始就達(dá)到滿流狀態(tài)，隨著降雨歷時增加，管道中會逐漸達(dá)到滿流狀態(tài)，實際管道內(nèi)的雨水流行時間要大于按滿流設(shè)計計算的雨水流行時間；同時，當(dāng)某一管段達(dá)到滿流時，其他管段尤其是上游管段很可能并非滿流狀態(tài)，上游管道存在空隙空間去儲存因下游滿流管段壓力回流的雨水量、減慢雨水流速，這種管道內(nèi)空隙容量利用也增加了管道內(nèi)雨水的流行時間。折減系數(shù)就是針對以上兩種情況對對雨水管道內(nèi)流行時間進(jìn)行修正，以便更切合實際的計算流量和管徑。由暴雨強(qiáng)度公式可知，暴雨強(qiáng)度與折減系數(shù)成反比關(guān)系，計算管道流行時間越長、暴雨強(qiáng)度越小。

對于山地雨水匯流而言，管道內(nèi)空隙容量利用與地形坡度有密切關(guān)系，坡度越大上游管道的空隙容量越不容易被利用，雨水在管道內(nèi)流行時間縮短，所以山地地區(qū)的折減系數(shù)應(yīng)小于平原地區(qū)的折減系數(shù)。《室外排水設(shè)計規(guī)范》中陡坡暗管折減系數(shù)1.2，可作為計算參考。

3、徑流系數(shù)

徑流系數(shù)分為地表徑流系數(shù)和地下水徑流系數(shù)，地表徑流系數(shù)是指任意時段內(nèi)的徑流深度（或徑流總量）與同一時段的降水深度（或降水總量）的比值，徑流系數(shù)說明了降水量轉(zhuǎn)化為徑流量的比例，反映了流域內(nèi)自然地理要素對降水-徑流關(guān)系的影響，適用于地表雨水匯流計算。徑流系數(shù)根據(jù)下墊面性質(zhì)取值，范圍在0.1-0.9 之間，例如公園和綠地取值0.10-0.20、碎石路面取值范圍0.35-0.50、混凝土及瀝青路面取值0.85-0.95，下墊面性質(zhì)極大影響了雨水徑流。

實際工程中，在不同坡度、不同下墊面類型下，雨水管網(wǎng)設(shè)計中徑流系數(shù)和集水時間都有相應(yīng)的變化。坡度增大、集水時間減小、下墊面吸收的雨水量減小、徑流系數(shù)會增大。借鑒相關(guān)山地雨水系統(tǒng)模擬實驗結(jié)論，以水泥道路和綠地為例，在坡度15°左右，水泥道路的徑流系數(shù)約為0.85-0.99，大于規(guī)范取值范圍0.85-0.95；綠地在坡度15°左右，徑流系數(shù)約為0.12-0.42，大于規(guī)范取值范圍0.10-0.20；在山地雨水設(shè)計過程中，宜根據(jù)實際地形坡度變化對應(yīng)下墊面類型合理增加徑流系數(shù)的取值。

結(jié)語：

綜上所述，在進(jìn)行山地雨水排水設(shè)計時，宜從地形地貌、氣候條件、設(shè)計重現(xiàn)期、折減系數(shù)、徑流系數(shù)等多種因素考慮雨水量計算，尤其在容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害、氣候惡劣地區(qū)，防止持續(xù)性降雨形成山洪泥石流。山地住宅小區(qū)可利用空閑場地進(jìn)行綠化，將部分降雨匯流到綠地，綠地是一種天然的滲透設(shè)施、對雨水起到儲蓄、凈化作用，并節(jié)省綠地灌溉用水量；道路的墊層可采用透水性較好的天然級配石和無機(jī)料；坡地較大的空閑地區(qū)可設(shè)置層級式綠化平臺；這些做法可以增加雨水滲透，減少雨水徑流量，補(bǔ)充地下水資源、減少水澇、改變山區(qū)生態(tài)環(huán)境。