城市排水与城市排涝流量的比较研究

2019-08-22何飞

科技与创新 2019年15期

何飞

城市排水与城市排涝流量的比较研究

何飞

（湖北省气象服务中心，湖北武汉 430025）

随着城市化进程的加快，城市排水与城市排涝均成为城市建设发展的一项重要基础工程，但城市排水与排涝分属于两个不同行业，遵循不同的规范，采用的重现期、暴雨历时和设计流量计算均不同。将两者从定义、适用范围、选样范围、暴雨历时、成果表达和流量计算几个方面进行了区分比较，最后也分析了两者的联系，为两者的对接提供了一定的参考。

城市排水；城市排涝；重现期；比较

基于湖北省气象服务中心2019年开展的城市暴雨强度公式编制的业务工作，在实际工作中，由湖北市政部门依据《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）计算得出的城市雨水流量是城市雨水排水管道设计的基础和依据，常常与水利部门依据《防洪标准》（GB 50201—94）得到的城市防洪暴雨流量在相同重现期下得到的计算结果有一定差别。这样的差别给两部门人员造成了一定的困惑，同时也造成工程技术人员在设计中缺乏依据。因此，本文从概念、应用范围和计算方法等方面明确城市排水与城市防洪之间的关系，以期从理论上解决城市防洪计算中的含混问题，同时将两种流量的计算方法进行比较，也有利于两个部门在管道排水排涝工作中的对接。

1 定义与适用范围

城市排水与城市排涝虽然都是城镇建设发展中城市水文学的重要组成部分，但由于行业标准与学科侧重点不同，导致两者的计算结果有较大的出入。以下从定义和适用范围上对两者进行梳理和区分。

城市排水在《室外排水设计规范》（GB 50014—2006，2014版）中，将城市排水系统定义为“收集、输送、处理、再生和处置污水和雨水的设施以一定方式组合成的总体”[1]。如果将水灾划分为洪灾和涝灾，城市排水的目标是为了解决城市内涝问题，即由于强降雨或者连续性降雨超过城镇排水能力而导致地面产生积水灾害的现象。所以城镇排水的适用范围主要是城镇内部、小区域地面、短历时暴雨造成的城市灾害。对于城市排水工程来说，其服务对象为雨水管渠服务范围内的城市区域。同时，如果出现超标暴雨情况，则其所导致的损失与范围均相对有限，而且在雨水调蓄池以及滞洪区等设施的帮助下，雨水可由其来进行调蓄排放。所以，对于排水工程来说，其需要对城市常规降雨问题予以有效解决，而且设计标准也可低于排涝标准[2]。

由城镇排涝在《城市排水工程规划规范》（GB 50318—2000）的定义可知，城镇排涝的目标是为了解决城市内部及外部引起的洪灾问题[3]。对于城市排水来说，如需解决城市排涝问题，则需要借助大排水系统的帮助，并且要借助内河、蓄滞洪水区的帮助来及时排除涝水险情。另外，随着城市化进程的不断加快，对于城市排涝系统的要求也更加严格。通常来说，当超标暴雨来临时，鉴于其危害广、破坏大，所以对于城市排涝工程来说，其设计标准应高于排水标准[4]。

两种工程虽然在定义和服务对象上有所区别，但并不是孤立的两个系统。城市排水系统中各个区域的雨水在管网的作用下，排入城市内河道，随后通过泵站或排涝闸的帮助下汇集至城市外围河道。所以，城市排涝的暴雨流量也需要部分依据城市排水量的大小为设计指标。

2 选样方法

为了获取准确的城市排水量，相关人员要对城市短历时暴雨资料统计、计算，由此推算出城市暴雨强度公式。随后，根据城市雨水管渠系统规划与设计，从中对排水管的规格加以确定。此外，水利部门计算城市排涝流量时所运用的方法有频率分析法、水文比拟法、瞬时单位线法、推理公式法等。最后，为了更有效对比两者的雨水流量，本文采用推理公式法来计算城市排涝流量，有助于更好对比两者的区别。

降雨资料选样是计算雨强的基础，只有选择正确、合适的样本系列，才能使编制的公式具有较强的代表性及可用性。在《室外排水设计规范》（GB 50014—2006，2014版）城市排水的雨水量的公式计算中，暴雨强度公式的编制中取样方法有年多个样法和年最大值法两种，当地区的降雨资料能够达到20年以上时，推荐使用年最大值法，10年以上20年以下时还是推荐使用年多个样法。城市排涝流量依据《防洪标准》（GB 50201—94）[5]在使用推理公式法时多选用年最大值法，因为对于水利工程来说，在工程正常工作期间，坚决不能让其受到破坏，一旦遭受破坏，则势必会导致严重的经济损失，甚至威胁相关人员的生命与财产安全，因此，为保证资料的独立性，宜用年最大值法。虽然新的排水规范已经推荐使用年最大值法，在选样方法上使两者能有较好的对接，但是目前很多地区使用的暴雨公式使用的是旧标准非年最大值法，在资料短缺的地区仍然使用年多个样法进行公式计算，因此还是有必要将两种选样方法进行对比。

2.1 年最大值法

年最大值法选样比较简单，只需要将各个历时每年选取一个最大值，这种选样方法只需要年份足够长的不同历时的年最大雨量系列，主要考虑雨量的年际变化。

这种方法的优点在于样本数据之间相对独立，理论上比较严密，按极值理论，当资料年份很长时，它近似于全部资料系列。同时目前市政部门开始推荐这种选样方法，也可保证市政和水利部门在暴雨重现期的统一性。这种方法的不足之处是如果遇到大雨年，雨量的次大值会被遗漏，从而使较小重现期部分的降雨强度偏小。

2.2 年多个样法

年多个样法对资料要求较高，同时对资料处理的能力也要求较高。按不同历时每年取最大的组雨样，在现行的《室外排水设计规范》中明确规定，统计各历时每年最大的6或8次雨量，然后不分年份按大小排序，选取各历时最大的/2次雨量作为样本。这种方法的优点是避免了某年年雨量次大值大于另一年雨量最大值而漏选的情况，并且考虑了年内降雨量的变化，在低重现期比较符合降雨规律。这种方法的不足之处是样本资料很难直接获取，需要做专门分析提取，统计相对复杂和困难，并且自20世纪60年代后期起，国内水文部门及水利部分只分析年最大值法提取的暴雨资料。

3 重现期

鉴于选样方法的不同，两者在重现期上也存在一定的差别。由于年最大值法选样时以1年为最小单位，所以最小的重现期只能算到1年，但年多个样法（一般采用一年8个样本，=8），最小重现期可能算到0.25年。对于不同选样方法来说，针对暴雨强度相同的个案，年多个样法样本的排序肯定会不小于年最大值法排序的次序。另外，针对同一暴雨强度来说，其重现期与排序有着密切联系。因此，在同一暴雨强度下，采用年最大值法重现期往往大于年多个样法的重现期。

现阶段，中国对于城市排涝与城市排水的设计标准仍存在许多不同意见。目前，根据对已有研究成果进行分析后发现，其中的侧重点主要还是关于两个标准之间如何“相当”地研究，即一年一遇的城市排水标准与多少年一遇的城市排涝标准相当。以下从数理统计的角度分析两种研究方法。

3.1 概率计算

年最大值法与年多个样法（非年最大值法）的频率关系为[7]：

式（1）中：M为年最大值法选样的机率；E为年多个样法选样的机率。

对式（2）两边取对数，整理得到年最大值法与年多个样法的重现期关系式为：

由此可得到两种取样方法重现期的转换如表1所示。

表1 年多个样法与年最大值法重现期转换表

TE/年0.250.330.5135102050100 TM/年1.021.051.161.583.355.5410.5220.450.5100.5

由表1可知，当重现期在大于等于10年时，两种选样方法所得到的强度比较相近，而当城市雨水管道设计用到1年的强度时，这两种选样方法计算所得结果还是存在相当的差距，使用年最大值法后需要用到1.58年的计算强度才能相当于以前年多个样法1年的强度。按照旧的《室外排水设计规范》，短历时暴雨重现期按暴雨强度公式编制方法取样（年多个样法）计算，其设计重现期一般选用0.5～3年，重要干道、重要地区一般选用2～5年。

但新颁布的《室外排水设计规范》开始推荐年最大值法的选样方法，因此其设计重现期也出现了相应的变化，对于大城市而言，中心城区的设计重现期一选用2～5年，而重要地区一般选用5～10年，相比旧标准有一定的提高。水利部分通常是按照《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99）的相关要求，采用10年一遇，24 h暴雨产生的径流为排水设计标准。

3.2 累计频率统计法

对于年降雨资料而言，同一暴雨强度在容量为×的样本中（年多个样法），其累计频率为E，则年频率=E；而在容量为的样本（年最大值法）中，其出现一次的累计概率也为E，则每次不出的概率为1－E，根据概率相乘定理，每年都不出现的概率为（1－E）a，一年至少发生一次的概率为1－（1－E）a。E越大，年多个样法和年最大值法的差别越大。

重现期越大（频率越小），两个年频率越接近；重现期越小，两个年频率越接近于倍数。研究结果指出，对要求不高的工程，重现期可由1～倍来推算[6]。

4 暴雨历时

根据《室外排水设计规范》（GB 50014—2006），市政部门计算暴雨历时，分别要使用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min共11个历时，而水利部分在统计不同地区的暴雨历时时，会综合考虑河、沟、田、塘等的调蓄功能，负担较大区域暴雨涝水的排除，所以暴雨通常会以24 h、72 h为控制时段，城市化区域多以24 h最大暴雨为控制[7]，以安徽省为例，统计分析10 min、1 h、6 h、24 h和72 h这5个暴雨历时。

5 计算结果表达形式

城市排水的重点计算步骤在重现期、降雨强度和降雨历时这三点存在明确的关系，利用三者的关系根据解析法或图解法得出暴雨强度公式中所需要的参数。而水利部分的暴雨频率计算结果一般包括暴雨资料的统计参数与不同频率所对应的暴雨量。而对于城市中集雨面积相对较小的区域，分析的暴雨成果可以采用区域等值线图的形式表达[8]。

6 流量计算

在城市排水设计中，降雨产生的流量是通过综合径流系数和汇水面积与设计暴雨强度相乘而求得，这种排水的产流计算方法单一，过程简单，所以计算的精度较低，这种方法只适用于集水面积较小、汇流时间较短、调蓄作用不大的区域。采用推理公式法计算雨水设计流量一般设定汇水面积小于2 km2，其计算公式如下：

s=（3）

式（3）中：s为雨水设计流量，L/s；为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；为径流系数；为汇水面积，hm2。

其中径流系数是按规范查取值，若综合径流系数高于0.7的地区应采用渗透、调蓄等措施。当汇水面积超过2 km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。在城市排涝中，水利部门的降雨产流计算方法一般会分为蓄满产流模式与超渗产流计算模式两种，计算方法有降雨径流相关法、平均损失率法与下渗曲线扣损法等，水利部分在计算产流时需要考虑扣除一定的损失，所以计算精度相对较高，但因为计算复杂，所需的资料也相对更多。水利部分所使用的推理公式如下：

式（4）中：m为河渠规划断面处的洪峰流量，m3/s；为洪峰径流系数；P为设计频率为时的相应最大一小时的降雨量，mm/h；为暴雨衰减指数；为汇流面积，km2。

=s+g（5）

式（5）中：为流域汇流历时，h；s为地面集流时间，h；为折减系数（明渠取1.2，暗管取2.0）；g为洪水在管渠中运行时间，h。

7 结语

从定义、使用范围和计算方法来看，城市排水与城市排涝在使用范围及计算方法上均不同，城市排水是排除地面雨水的过程，排水标准侧重于按雨水管渠短历时暴雨重现期来确定，而城市排涝是排除雨水骨干管道、河道沟渠、湖泊水塘等水体超出正常蓄水量的过程，排涝标准是针对长历时暴雨重现期而言的。所以相应标准之间不能进行严格的定量换算[9]，只需要建立一个大致的对应关系。实际上，由于两者应用于不同对象，因此并不需要建立严格的对应关系，只需要建立起两者的大致衔接关系。

对于城市排水体系与城市排涝体系来说，其属于两个截然不同的城市防灾体系，但是同样也存在某些必然的联系，而联系点则在于排水管网的出口。通常来说，内河、湖泊以及渠系等多是排水管网出口所选择设置的区域，并且对于内河、湖泊以及渠系来说，其同样也是市政排水系统中承担泄洪任务的关键区域。此外，城镇排涝区规划是否合理以及河道疏排水能力的高低，均可从排水管网出口布局以及排水流量来加以衡量。另外，在计算河网水力时，排水口可认定为汇流点之一。与此同时，从城市排水与城市排涝标准上来分析，两者存在一定的衔接性，并且在同一强度的暴雨过后，城市中的积水可从城区雨水管渠快速地流进内河，最后在排水口汇集，并在排涝站或排涝闸的作用下，最终排放至承泄区域。总之，尽管城市排水与城市排涝系统存在些许差异，但是如果可对结点问题予以有针对性的处理，则势必可将两个体系在设计上的差异予以彻底消除，并且有良好的对接。

［1］张辰，王秀朵，孔令勇，等.GB 50014—2006 室外排水设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2014.

［2］攀红霞.试论城市排水与排涝计算［J］.科技向导，2001（2）：151.

［3］韩文斌，张明生，李小林，等.GB 50318—2000 城市排水工程规划规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［4］陈斌.城市排涝与排水研究［J］.中国农村水利水电，1997（2）：33-35，48.

［5］中华人民共和国水利部.GB 50201—94 防洪标准［S］.北京：中国计划出版社，1994.

［6］高学珑.城市排涝标准与排水标准衔接的探讨［J］.给水排水，2014，6（40）：18-21.

［7］苏选军.西安市城市雨水与城市排涝流量计算比较研究［D］.南京：长安大学，2006.

［8］王锡祥.城市市政排水和水利排涝中的设计流量计算方法［J］.建筑工程技术与设计，2014（7）：506.

［9］王永，燕少平.城市排水与排涝计算研究［J］.江淮水利科技，2006（3）：15-17.

TU992

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.010

2095－6835（2019）15－0029－03