煤炭、礦石碼頭堆場徑流雨水量計算時降雨量取值探討

汪悅平，馬瑞，姜奇

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

0 引言

煤炭、礦石碼頭的含塵污水懸浮物含量較高，如未經處理直接排放會造成水體污染。為保護環境及節約水資源，煤炭、礦石碼頭的含塵污水應進行收集、處理和回用，而這部分污水的主體組成是堆場區徑流雨水，因此煤炭、礦石碼頭需建設雨水收集儲存設施[1-4]。一般來說，堆場面積越大，儲存設施規模也會越大，投資越大。為了節約投資減小儲存規模會造成含塵污水外溢排海，污染環境。近些年，地方環保部門對煤炭、礦石碼頭的污水排放進行了重點管控，運營方普遍反應現有的雨水儲存設施規模偏小，容量不夠，經常出現堆場雨水外溢排海的現象，給工程運營帶來一定的環保問題。如何在不大幅提高工程投資的基礎上，適當提高堆場徑流雨水量計算標準，合理確定雨水儲存設施的規模，使其符合當地降雨特征，最大限度滿足含塵污水收集需求，是本文研究的重點。

1 現有計算公式降雨量取值分析

JTS 149—2018《水運工程環境保護設計規范》要求“煤炭、礦石碼頭含煤、礦污水應進行收集和處理，處理后的出水可用于堆場或帶式輸送機噴淋”[5]，并給出煤炭、礦石碼頭堆場徑流雨水量的計算公式：

式中：V為徑流雨水量，m3；φ為徑流系數，取0.1～0.4，依據堆場場地鋪砌類型確定；H為多年最大日降雨深的最小值，m，同時滿足不小于港區排水設計重現期對應的降雨深度；F為匯水面積，m2。

公式中降雨深度H的取值是確定徑流雨水量的關鍵數據（氣象資料統計中的降雨量以某一時段內的降雨深度表示，單位為mm，即為公式中的降雨深度H）。H與煤炭、礦石碼頭的排水設計重現期有關，根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》第9.3.4條，煤炭、礦石碼頭的設計重現期一般為1～2 a[6]。超過重現期的雨水將會在低點積聚，造成積水[7]。1 a一遇日降雨深一般很小，故當重現期取1 a時，按規范H會取多年最大日降雨深的最小值。當重現期取2 a時，2 a一遇日降雨深與多年最大日降雨深的最小值做比較，H會取兩者中的大值。因此，多年最大日降雨深的最小值是影響計算結果的關鍵數據。

研究發現，最大日降雨深的最小值與統計的降雨年限直接相關，統計年限越多，其值越小，統計年限足夠多時，最大日降雨深的極端最小值便會出現。以河北省唐山市樂亭氣象站數據為例，2010—2019年10 a間，年最大日降雨深的最小值為53.3 mm（出現在2014年），擴大統計年限為1990—2019年30 a間，則年最大日降雨深的最小值為28.4 mm（出現在1993年）。以河北省滄州市海興氣象站數據為例，2000—2009年10 a間，年最大日降雨深的最小值為49.2 mm（出現在2007年），1990—2019年30 a間，年最大日降雨深的最小值為28.2 mm（出現在2014年），兩者差距很大。因此，統計年限越長，則出現極端最小值的概率越大，會造成降雨量取值與地區降雨特征嚴重不符，使計算徑流雨水量嚴重偏小。因此降雨深度H取為多年最大日降雨深的最小值不合理。

2 典型港口所在地區降雨數值統計分析

我國現有大型煤炭港口、礦石碼頭主要坐落在營口港、錦州港、秦皇島港、京唐港、曹妃甸港、天津港、黃驊港、煙臺港、日照港、重慶港、太倉港、寧波舟山港、福州港、湛江港和防城港港，筆者通過中國氣象數據網（國家氣象信息中心）獲取了上述港口所在地區氣象臺站1990—2019年30 a的降雨量數據，并加以統計、分析。這些氣象站點分別為54471營口、54337錦州、54449秦皇島、54539樂亭、54535曹妃甸、54623塘沽、54628海興、54765煙臺、54945日照、57516沙坪壩、58377太倉、58477定海、58847福州、59658湛江、59635防城港。

對各地區降雨數據進行統計處理，計算如下降雨量特征值（注：鑒于降雨量≤2 mm時不能形成徑流，為了不影響統計結果的真實性，統計計算時均扣除了≤2 mm的降雨事件[8]）：

1）年最大日降雨量，mm；

2）年降雨量，mm，僅包括＞2 mm降雨；

3）年降雨天數，僅包括＞2 mm降雨；

4）每年2 mm以上降雨量占年總降雨量（包括≥0.1 mm降雨）的比例，%；

5）每年2 mm以上降雨天數占年總降雨天數（包括≥0.1 mm降雨）的比例，%；

6）年平均日降雨量，mm，僅包括＞2 mm降雨；

7）每年日降雨量大于a的天數占2 mm以上降雨天數的比例，%；

8）每年日降雨量大于b的天數占2 mm以上降雨天數的比例，%；

9）多年最大日降雨量的平均值a，mm；

10）多年最大日降雨量的最小值b，mm；

11）2 a一遇日降雨量d，mm（采用皮爾遜-Ⅲ型分布計算[9]）。

以天津港所在的塘沽氣象站為例，統計、計算數據結果見表1。

表1 天津港地區（塘沽站）降雨數據統計計算表Table 1 Statistical calculation of rainfall data in Tianjin Port area（Tanggu Station）

通過逐個地區數據統計（篇幅所限不全部列出），最終將上述各地區降雨數據計算結果匯總于表2，表格中匯總項目有：

表2 各地區降雨數據匯總分析表Table 2 Summary and analysis of rainfall data in various areas

1）多年最大日降雨量的平均值a，mm；

2）多年最大日降雨量的最小值b，mm；

3）a比b的倍數；

4）2 a一遇日降雨量d，mm；

5）a比d的倍數；

6）多年2 mm以上降雨量占年總降雨量的平均比例，%；

7）多年2 mm以上降雨天數占年總降雨天數的平均比例，%；

8）多年平均日降雨量的平均值，mm，僅包括＞2 mm降雨；

9）多年日降雨量大于a的天數占2 mm以上降雨天數的平均比例，%；

10）多年日降雨量大于b的天數占2 mm以上降雨天數的平均比例，%；

11）多年日降雨量大于a的天數占2 mm以上降雨天數的最大比例，%；

12）多年日降雨量大于b的天數占2 mm以上降雨天數的最大比例，%。

根據降雨數據分析可以得出如下結論：

1）典型港口地區中遼寧、河北、天津、山東（表2中營口港—日照港地區）平均年總降雨量在800 mm以下、平均年總降雨天數在90 d以下，為雨水較少地區，基本分布在北方地區；四川、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西（表2中重慶港—防城港港地區）平均年總降雨量在1 100 mm以上、平均年總降雨天數在120 d以上，為雨水豐沛地區，基本分布在南方地區。

2）多年平均日降雨量的平均值（＞2 mm降雨）較小。

3）各地區多年2 mm以上降雨量占年總降雨量的平均比例均在95%以上，而多年2 mm以上降雨天數占年總降雨天數的平均比例約為52%～64%，說明平均每年有95%以上的降雨量會形成徑流、需要收集處理，但僅有52%～64%的降雨天數雨水儲存設施需要收集含塵雨水。

4）按JTS 149—2018《水運工程環境保護設計規范》要求，煤炭、礦石碼頭堆場徑流量計算降雨深度H一般取為多年最大日降雨量的最小值b或2 a一遇日降雨量d。筆者對于各地區多年最大日降雨量的平均值a和多年最大日降雨量的最小值b的倍數關系、多年最大日降雨量的平均值a和2 a一遇日降雨量d的倍數關系做了計算和分析，結果見表2的列3）、列5）。根據計算，a較b會有較大提高，各地區a約為b的1.8～3.5倍；而a與d相比近似且略高，各地區a約為d的1～1.2倍。

5）各地區多年日降雨量大于a的天數占2 mm以上降雨天數的比例平均為0.43%～2.07%、最大為2.15%～8.33%，而各地區多年日降雨量大于b的天數占2 mm以上降雨天數的比例平均為3.24%～17.21%、最大為6.41%～38.71%，說明以多年最大日降雨量的最小值作為降雨量取值標準建設雨水儲存設施時，有很大概率發生設施容量不夠、堆場積水現象，且北方地區問題更為突出，若以多年最大日降雨量的平均值作為降雨量取值標準，日降雨量超越概率會大大降低。

3 對煤炭、礦石碼頭堆場徑流雨水量計算降雨量取值的建議

基于以上計算和分析，多年最大日降雨量最小值b與統計年限相關性極大，其值不穩定，作為計算取值時，日降雨量大于b的天數超越概率可達38.71%，極易造成雨水外溢。多年最大日降雨量平均值a受統計年限影響較小，較2 a一遇日降雨量d近似且略高，日降雨量大于a的天數最大超越比例僅為8.33%，可以反映當地多年的綜合降雨特征。如果以a作為煤炭、礦石碼頭堆場徑流雨水量計算取值標準，既符合2 a一遇日降雨量取值要求，也大幅度減少雨水溢流概率。建議在計算煤炭、礦石碼頭堆場徑流雨水量時，將計算降雨量H值由“多年最大日降雨深的最小值；同時滿足不小于港區排水設計重現期對應的降雨深度”修改為“多年最大日降雨深的平均值”。

4 結語

煤炭、礦石碼頭的堆場雨水（尤其是初期雨水）需要收集、處理和回用，嚴禁流入海域，已建的煤炭、礦石碼頭普遍反應含塵雨水儲存設施規模偏小、容量不夠，從而構成環保風險。本文通過收集15個典型港口地區降雨量資料，進行統計計算等研究，提出了煤炭、礦石碼頭堆場徑流雨水量計算降雨量取值標準建議。主要結論如下：

1）“多年最大日降雨深的最小值”受統計年限影響較大，易出現極端最小值，往往無法反映當地多年的降雨特征，以此值計算易造成雨水儲存設施設計規模偏小。

2）通過數據統計分析，提出以“多年最大日降雨量平均值”作為計算降雨量取值標準。該值受統計年限影響較小，可很好地反映當地多年的綜合降雨特征，且與2 a一遇日降雨量值近似略高，不會造成雨水儲存設施設計規模大幅度提高。日降雨量大于此值的天數最大超越比例僅為8.33%，可大幅度減少堆場雨水溢流概率。

3）建議在計算煤炭、礦石碼頭堆場徑流雨水量時，將計算降雨量H值由“多年最大日降雨深的最小值；同時滿足不小于港區排水設計重現期對應的降雨深度”修改為“多年最大日降雨深的平均值”。