城市工程区域暴雨积涝深度分析

曲凤垚，谷宏亮

（1．华北水利水电大学，河南 郑州450011；2．中国水电建设集团国际工程有限公司，北京100048）

1 城市暴雨积涝分析的起因

随着城市化进程的加快，城市洪涝灾害的问题愈发突出。目前全国各大中型城市，受到涝灾侵袭越来越频繁。城市中的很多工程建筑物在设计的过程中既要考虑防御洪水又要考虑防御城市涝水的袭击，防洪设计一般需要分析工程区域的河流洪水分析计算，而城市涝水分析则需要分析计算城市设计暴雨以及城市下垫面的产汇流条件和排水条件，确定设计暴雨产生的累积积涝涝水深度。

2 城市暴雨积涝条件

2．1 气象条件

城市暴雨积涝主要由暴雨产生，暴雨导致的城市积涝首先与降水强度有关。按照暴雨的时空尺度特征，中国的暴雨大致可分为两类。

（1）局地暴雨，一次过程几小时到十几小时，覆盖几千到几万平方米，中心强度大。

（2）大面积暴雨，持续时间长，范围大，降雨总量大。城市积涝的产生大多数是由于短历时强降雨或持续强降雨所导致的［1－2］。

2．2 下垫面条件

城市化进程加快，城市下垫面性质的变化较大，由于城市的人口和社会经济活动的聚集效应，使得城市建设开始向郊区、空中和地下扩展，使原来的土路、林地、草原、水塘等生态环境改变为水泥、沥青、砖石、玻璃、金属等材料的建造物，致使城市下垫面渗透率降低，地表糙率变小，汇流时间大大缩短。另一方面由于城市大量开采地下水，国内多数城市已经开始出现地面沉降现象，这也为积涝产生提供了条件［2］。

2．3 排水设施条件

城市排水管网作为城市排水的重要设施在城市建设之初就已经开始设计和施工建设，最初设计时能够满足城市排水需要。然而随着国民经济的快速发展，城市化进程加快，特大城市、大城市、中等城市数量都迅速增加，城市规模在不断地扩展，高楼林立、城市交通与建筑的立体化正是城市迅速扩展的表现。虽然城市快速发展，但是排水管网的规划建设仍为城市建设之初的模式，且多数为雨污混排的模式，一旦遭遇短历时强降雨很难及时排除道路积水，从而导致在城市低洼地段的道路大面积积水，形成灾害［2］。

3 计算实例

本次以沈阳市浑南新区地铁车辆段停车场建设地块防涝计算为例，进行暴雨积涝分析。

3．1 工程所在地点暴雨积涝原因分析

3．1．1 气象条件

沈阳市的局地暴雨与大面积暴雨、短历时暴雨及持续暴雨均有发生。从统计特性上看，沈阳地区的短历时暴雨比较集中，最大1h与最大3h暴雨占长时段的雨量比重均较大，长历时暴雨雨量亦较大，最大12h雨量占最大24h雨量的87%。

3．1．2 下垫面条件

本场区工程地点位于沈阳市浑南新城区。该地块总体上呈“梯形”，占地面积约32．1hm2。场址内地势平坦，自然地面标高在36．6m左右。场区建成以后，80%为水泥不透水地面、房屋等，20%为绿化的绿地，下垫面渗透率降低，地表糙率变小，汇流时间大大缩短。为积涝产生提供了便利条件。

3．1．3 排水设施条件

本车辆段（新址）位于以浑河大堤、白塔堡大堤、绕城高速及桂花街包围的区域，该区域浑河下游处有1＃穿堤建筑物，该地段的涝水可以通过浑河下游1＃穿堤建筑物排除。

3．2 设计暴雨计算

3．2．1 排涝标准

参照《城市防洪工程设计规范》（GB／T 50805－2012），城市涝水指由城区降雨而形成的地表径流，一般由城市排水工程排除。“治涝”措施主要采取截、排、滞，即：截，拦截排涝区域外部的径流使其不进入本区域；排，将区内涝水汇集起来排到区外；滞，充分利用区内湖泊、洼淀临时滞蓄涝水［3］。

沈阳市城市排涝标准按20a一遇。本次计算的地铁9号线停车场新址位于沈阳市浑南新区，根据工程的重要性以及工程所处的地段，建议本场址排涝标准亦采用20a一遇，即20a一遇的24h设计暴雨在24h之内平均排除。根据24h的降雨过程，按平均排除法累积计算涝水的最大积水深度。

3．2．2 设计暴雨计算成果

车辆段（新址）集水区域最大24h设计暴雨采用沈阳雨量站的计算成果，采用成果见表1。

表1 沈阳雨量站24h设计暴雨计算成果表 mm

3．2．3 设计净雨深的确定

本场区的设计净雨深度，采用各设计频率的设计暴雨，按照相应的径流系数折算而求得。场区水泥地面占80%，绿化地面占20%，按照城市规划，未来该区域城市建筑密集，故，根据规范数据，一般硬化水泥地面的20a一遇暴雨径流系数取0．9，绿化地面的径流系数在0．4～0．6范围内，场区20a一遇暴雨径流经综合分析，选取径流系数为0．8，20a一遇暴雨的净雨深度是152．6mm。

3．2．4 设计净雨过程

根据实测的长系列资料统计分析，选择实际发生的较大年份且降雨分布较不利于排水的1960年为典型年。按滑动最大24h设计净雨将典型降雨过程进行放大，得到设计净雨过程。

3．3 城市暴雨调蓄模型

车辆段（新址）集水面积内的降水产流，一方面通过排水口排走，另一方面在坡面形成积水，其连续方程为：

式中：h为汇水面积内的积水深度，mm；R（t）为净雨深度，mm；h出（t）为每小时排涝水深，排涝标准为24h降雨24h排除，为6．4mm／h［4－7］。

3．4 设计涝水积水深度计算

根据式（1）的模型原理，以降雨过程分布最不利的1960年典型年为例，按照城市排涝能力20a标准，对20a一遇设计净雨过程，采用平均每小时排除6．4mm，累积计算设计涝水积水深度，计算过程见表2。

由表中计算可知，1960年典型20a一遇暴雨积水深度为98．6mm。

表2 20a一遇积水深度计算表（1960年典型）

3．5 车辆段新址建成以及新城区建成以后设计涝水积水深度

在3．4节中计算的是在现状地形条件下的涝水积水深度。现状地形条件是场区房屋和地上建筑物都没有建成，场址内地势平坦，自然地面标高在36．6m左右，地块内以菜园和经济作物等种植用地为主，其间零星分布有民营企业的彩钢板房和单层厂房。场区和新城区建成以后，由于地上突出的地面建筑物增加，因此地面上同一水位下的空间容积变小，故涝水积水水位与这个空间容积关系密切，假如楼房占场地面积的一半，那么水位就要在上述计算结果的基础上上浮增加一倍。因此，在实际施工设计时，一定要考虑这个因素。

在本场区范围内，经与地铁工程的设计部门——上海交通设计院确认，查找设计报告，该场区上盖（包括库房、修理间、管理房等）的面积初步设定在23%～46%之间，场区将来要用水泥围墙封闭，构成一个相对封闭的区域。故1960年典型年经计算的可能最大积雨深度可换算为129mm，场区地面标高采用36．6m，故场区的涝水水位可采用36．73m。

4 结 语

城区涝水积水深度计算，关系到建筑物的安全。在计算的过程中既要考虑设计暴雨在城市区域产生的设计净雨，又要考虑城市的设计排水标准和排水能力，通过暴雨调蓄模型累积计算暴雨的积水深度。在实际工程确定积水深度的时候，还要考虑建筑物厂区厂址的地形条件，看涝水影响是否主要为降落到本区域范围内的降雨造成，受不受外区域的涝水汇集影响。涝水主要往区域内的低洼部分蓄积，故而需要保证工程区的地面高程高于周围的地面高程，才能保证本区域的涝水不往场址区蓄积，场地才不受淹。才能保证工程区域的防涝安全。

［1］陈鹏，张继权，严登华，等．基于GIS技术的城市暴雨积涝数值模拟与可视化——以哈尔滨市道里区为例［J］．灾害学，2011，26（3）：69－72．

［2］宋启元，苏功军．浅析城市暴雨后积水原因与对策［J］．城市道桥与防洪，2010，10（10）：99－101．

［3］中华人民共和国城乡和住房建设部．GB／T 50805－2012城市防洪工程设计规范［S］．北京：中国计划出版社，2012．

［4］邵尧明，邵丹娜．城市暴雨积水过程的计算方法［J］．中国给水排水，2008，24（6）：53－55．

［5］杨弋，吴升．城市暴雨积水模拟方法分析及研究［J］．测绘信息与工程，2009，34（1）：35－57．

［6］朱元甡，金光炎．城市水文学［M］．北京：中国科学技术出版社，1991．

［7］徐向阳，刘俊，郝庆庆，等．城市暴雨积水过程的模拟［J］．水科学进展，2003，14（2）：193－196．