煤炭、矿石码头堆场径流雨水量计算时降雨量取值探讨

2023-02-08汪悦平马瑞姜奇

中国港湾建设 2023年1期

汪悦平，马瑞，姜奇

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

0 引言

煤炭、矿石码头的含尘污水悬浮物含量较高，如未经处理直接排放会造成水体污染。为保护环境及节约水资源，煤炭、矿石码头的含尘污水应进行收集、处理和回用，而这部分污水的主体组成是堆场区径流雨水，因此煤炭、矿石码头需建设雨水收集储存设施[1-4]。一般来说，堆场面积越大，储存设施规模也会越大，投资越大。为了节约投资减小储存规模会造成含尘污水外溢排海，污染环境。近些年，地方环保部门对煤炭、矿石码头的污水排放进行了重点管控，运营方普遍反应现有的雨水储存设施规模偏小，容量不够，经常出现堆场雨水外溢排海的现象，给工程运营带来一定的环保问题。如何在不大幅提高工程投资的基础上，适当提高堆场径流雨水量计算标准，合理确定雨水储存设施的规模，使其符合当地降雨特征，最大限度满足含尘污水收集需求，是本文研究的重点。

1 现有计算公式降雨量取值分析

JTS 149—2018《水运工程环境保护设计规范》要求“煤炭、矿石码头含煤、矿污水应进行收集和处理，处理后的出水可用于堆场或带式输送机喷淋”[5]，并给出煤炭、矿石码头堆场径流雨水量的计算公式：

式中：V为径流雨水量，m3；φ为径流系数，取0.1～0.4，依据堆场场地铺砌类型确定；H为多年最大日降雨深的最小值，m，同时满足不小于港区排水设计重现期对应的降雨深度；F为汇水面积，m2。

公式中降雨深度H的取值是确定径流雨水量的关键数据（气象资料统计中的降雨量以某一时段内的降雨深度表示，单位为mm，即为公式中的降雨深度H）。H与煤炭、矿石码头的排水设计重现期有关，根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》第9.3.4条，煤炭、矿石码头的设计重现期一般为1～2 a[6]。超过重现期的雨水将会在低点积聚，造成积水[7]。1 a一遇日降雨深一般很小，故当重现期取1 a时，按规范H会取多年最大日降雨深的最小值。当重现期取2 a时，2 a一遇日降雨深与多年最大日降雨深的最小值做比较，H会取两者中的大值。因此，多年最大日降雨深的最小值是影响计算结果的关键数据。

研究发现，最大日降雨深的最小值与统计的降雨年限直接相关，统计年限越多，其值越小，统计年限足够多时，最大日降雨深的极端最小值便会出现。以河北省唐山市乐亭气象站数据为例，2010—2019年10 a间，年最大日降雨深的最小值为53.3 mm（出现在2014年），扩大统计年限为1990—2019年30 a间，则年最大日降雨深的最小值为28.4 mm（出现在1993年）。以河北省沧州市海兴气象站数据为例，2000—2009年10 a间，年最大日降雨深的最小值为49.2 mm（出现在2007年），1990—2019年30 a间，年最大日降雨深的最小值为28.2 mm（出现在2014年），两者差距很大。因此，统计年限越长，则出现极端最小值的概率越大，会造成降雨量取值与地区降雨特征严重不符，使计算径流雨水量严重偏小。因此降雨深度H取为多年最大日降雨深的最小值不合理。

2 典型港口所在地区降雨数值统计分析

我国现有大型煤炭港口、矿石码头主要坐落在营口港、锦州港、秦皇岛港、京唐港、曹妃甸港、天津港、黄骅港、烟台港、日照港、重庆港、太仓港、宁波舟山港、福州港、湛江港和防城港港，笔者通过中国气象数据网（国家气象信息中心）获取了上述港口所在地区气象台站1990—2019年30 a的降雨量数据，并加以统计、分析。这些气象站点分别为54471营口、54337锦州、54449秦皇岛、54539乐亭、54535曹妃甸、54623塘沽、54628海兴、54765烟台、54945日照、57516沙坪坝、58377太仓、58477定海、58847福州、59658湛江、59635防城港。

对各地区降雨数据进行统计处理，计算如下降雨量特征值（注：鉴于降雨量≤2 mm时不能形成径流，为了不影响统计结果的真实性，统计计算时均扣除了≤2 mm的降雨事件[8]）：

1）年最大日降雨量，mm；

2）年降雨量，mm，仅包括＞2 mm降雨；

3）年降雨天数，仅包括＞2 mm降雨；

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

5）每年2 mm以上降雨天数占年总降雨天数（包括≥0.1 mm降雨）的比例，%；

6）年平均日降雨量，mm，仅包括＞2 mm降雨；

7）每年日降雨量大于a的天数占2 mm以上降雨天数的比例，%；

8）每年日降雨量大于b的天数占2 mm以上降雨天数的比例，%；

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（采用皮尔逊-Ⅲ型分布计算[9]）。

以天津港所在的塘沽气象站为例，统计、计算数据结果见表1。

表1 天津港地区（塘沽站）降雨数据统计计算表Table 1 Statistical calculation of rainfall data in Tianjin Port area（Tanggu Station）

通过逐个地区数据统计（篇幅所限不全部列出），最终将上述各地区降雨数据计算结果汇总于表2，表格中汇总项目有：

表2 各地区降雨数据汇总分析表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的倍数；

4）2 a一遇日降雨量d，mm；

5）a比d的倍数；

6）多年2 mm以上降雨量占年总降雨量的平均比例，%；

7）多年2 mm以上降雨天数占年总降雨天数的平均比例，%；

8）多年平均日降雨量的平均值，mm，仅包括＞2 mm降雨；

9）多年日降雨量大于a的天数占2 mm以上降雨天数的平均比例，%；

10）多年日降雨量大于b的天数占2 mm以上降雨天数的平均比例，%；

11）多年日降雨量大于a的天数占2 mm以上降雨天数的最大比例，%；

12）多年日降雨量大于b的天数占2 mm以上降雨天数的最大比例，%。

根据降雨数据分析可以得出如下结论：

1）典型港口地区中辽宁、河北、天津、山东（表2中营口港—日照港地区）平均年总降雨量在800 mm以下、平均年总降雨天数在90 d以下，为雨水较少地区，基本分布在北方地区；四川、江苏、浙江、福建、广东、广西（表2中重庆港—防城港港地区）平均年总降雨量在1 100 mm以上、平均年总降雨天数在120 d以上，为雨水丰沛地区，基本分布在南方地区。

2）多年平均日降雨量的平均值（＞2 mm降雨）较小。

3）各地区多年2 mm以上降雨量占年总降雨量的平均比例均在95%以上，而多年2 mm以上降雨天数占年总降雨天数的平均比例约为52%～64%，说明平均每年有95%以上的降雨量会形成径流、需要收集处理，但仅有52%～64%的降雨天数雨水储存设施需要收集含尘雨水。

4）按JTS 149—2018《水运工程环境保护设计规范》要求，煤炭、矿石码头堆场径流量计算降雨深度H一般取为多年最大日降雨量的最小值b或2 a一遇日降雨量d。笔者对于各地区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的倍数关系、多年最大日降雨量的平均值a和2 a一遇日降雨量d的倍数关系做了计算和分析，结果见表2的列3）、列5）。根据计算，a较b会有较大提高，各地区a约为b的1.8～3.5倍；而a与d相比近似且略高，各地区a约为d的1～1.2倍。

5）各地区多年日降雨量大于a的天数占2 mm以上降雨天数的比例平均为0.43%～2.07%、最大为2.15%～8.33%，而各地区多年日降雨量大于b的天数占2 mm以上降雨天数的比例平均为3.24%～17.21%、最大为6.41%～38.71%，说明以多年最大日降雨量的最小值作为降雨量取值标准建设雨水储存设施时，有很大概率发生设施容量不够、堆场积水现象，且北方地区问题更为突出，若以多年最大日降雨量的平均值作为降雨量取值标准，日降雨量超越概率会大大降低。

3 对煤炭、矿石码头堆场径流雨水量计算降雨量取值的建议

基于以上计算和分析，多年最大日降雨量最小值b与统计年限相关性极大，其值不稳定，作为计算取值时，日降雨量大于b的天数超越概率可达38.71%，极易造成雨水外溢。多年最大日降雨量平均值a受统计年限影响较小，较2 a一遇日降雨量d近似且略高，日降雨量大于a的天数最大超越比例仅为8.33%，可以反映当地多年的综合降雨特征。如果以a作为煤炭、矿石码头堆场径流雨水量计算取值标准，既符合2 a一遇日降雨量取值要求，也大幅度减少雨水溢流概率。建议在计算煤炭、矿石码头堆场径流雨水量时，将计算降雨量H值由“多年最大日降雨深的最小值；同时满足不小于港区排水设计重现期对应的降雨深度”修改为“多年最大日降雨深的平均值”。