平原水網(wǎng)區(qū)雨水管渠設(shè)計研究
——以蘇州市城市中心區(qū)為例

陸敏博，錢海平

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

平原水網(wǎng)區(qū)雨水管渠設(shè)計研究
——以蘇州市城市中心區(qū)為例

陸敏博，錢海平

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

以蘇州市城市中心區(qū)為例，分析了平原水網(wǎng)區(qū)排水防澇的特點，進(jìn)行了恒定均勻流推理公式法和數(shù)學(xué)模型法兩種雨水管渠設(shè)計方法的適用性分析，通過數(shù)學(xué)模型法得出與城市內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期相匹配的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期。

平原水網(wǎng)區(qū)；雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期；內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期；數(shù)學(xué)模型法

0　引　言

雨水管渠設(shè)計方法體現(xiàn)了設(shè)計的科學(xué)性和合理性，設(shè)計重現(xiàn)期體現(xiàn)了城市抵御內(nèi)澇災(zāi)害的能力，兩者之間也關(guān)系到雨水管渠的工程投資。合理選用雨水管渠設(shè)計方法和確定設(shè)計重現(xiàn)期，是當(dāng)前城市排水防澇工作面臨的重要課題[1]。

蘇州市城市中心區(qū)設(shè)立防洪包圍圈，總面積89.26 km2。包圍圈西面以黃花涇、京杭大運河為界，東面以蘇嘉杭高速公路為界，南面以京杭大運河為界，北面以西塘河、滬寧高速公路為界，如圖1所示。本文以蘇州市城市中心區(qū)為例，分析了平原水網(wǎng)區(qū)排水防澇的特點，進(jìn)行了恒定均勻流推理公式法和數(shù)學(xué)模型法兩種雨水管渠設(shè)計方法的適用性分析，最后通過數(shù)學(xué)模型法，得出與城市內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期相匹配的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期。

圖1　蘇州市城市中心區(qū)范圍示意圖

1　平原水網(wǎng)區(qū)排水防澇特點

平原水網(wǎng)區(qū)水系發(fā)達(dá)、地勢低平，因而河流比降小，致使水流平緩、迂回。蘇州市城市中心區(qū)雨水排水系統(tǒng)采用自排為主，機(jī)排為輔的排水模式。包圍圈內(nèi)水系周邊地塊降雨徑流基本上就近、分散、自流直接排入內(nèi)河水系；市政道路及距離河道較遠(yuǎn)地塊的降雨徑流經(jīng)雨水管渠收集后就近排入內(nèi)河水系；部分低洼地在雨水管渠末端設(shè)置強(qiáng)排至周邊管渠或水系。包圍圈內(nèi)的澇水通過排澇泵站抽排至外河水系。

由于雨水管渠出水口普遍采用淹沒出流，所以實際排水能力受內(nèi)河水系水位的制約顯著，而內(nèi)河水系水位則由排澇泵站控制。若遇超標(biāo)暴雨，且排澇泵站能力不足，雨水管渠就來不及排除降雨徑流，地面積水甚至內(nèi)澇就產(chǎn)生了。雨水管渠系統(tǒng)是城市排水防澇體系中最重要的部分之一，因此，雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期需要和城市內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期相匹配。

平原水網(wǎng)區(qū)的排水防澇體系顯著特點之一是單個雨水口的匯水區(qū)面積較小。以蘇州市城市中心區(qū)為例，內(nèi)河水系的間距一般不超過2 km，雨水管渠就近排入內(nèi)河水系，其長度一般不超過1 km，整個蘇州市城市中心區(qū)約1 500個雨水匯水區(qū)，每個雨水口的匯水區(qū)面積一般在5～15 hm2，最大的匯水區(qū)面積不足30 hm2。

2　雨水管渠設(shè)計方法選用

目前，雨水管渠設(shè)計常用的方法有恒定均勻流推理公式法和數(shù)學(xué)模型法兩種。推理公式法適用于較小規(guī)模排水系統(tǒng)的計算，當(dāng)應(yīng)用于較大規(guī)模排水系統(tǒng)的計算時會產(chǎn)生較大誤差。美國一些城市規(guī)定的推理公式適用范圍分別為：奧斯汀4 km2，芝加哥0.8 km2，紐約1.6 km2，丹佛6.4 km2且匯流時間小于10 min；歐盟的排水設(shè)計規(guī)范要求當(dāng)排水系統(tǒng)面積大于2 km2或匯流時間大于15 min時，應(yīng)采用非恒定流模擬進(jìn)行城市雨水管網(wǎng)水力計算[2]。我國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006，2014年版）提出當(dāng)匯水面積超過2 km2時，雨水設(shè)計流量宜采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行確定。

由于蘇州市城市中心區(qū)的每個雨水口的匯水區(qū)面積遠(yuǎn)小于2 km2，因此蘇州市城市中心區(qū)雨水管渠設(shè)計建議采用恒定均勻流推理公式法進(jìn)行。

排水工程設(shè)計常用的數(shù)學(xué)模型一般由降雨模型、產(chǎn)流模型、匯流模型、管網(wǎng)水動力模型等一系列模型組成，涵蓋了排水系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié)[2]。數(shù)學(xué)模型可以更加準(zhǔn)確地反映雨水管渠系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互關(guān)系，當(dāng)對已建雨水管渠系統(tǒng)所處區(qū)域的下墊面、河網(wǎng)水系、地形高程、管道布置、管道參數(shù)等資料掌握充分的情況下，可以采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行復(fù)核。

3　雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期的選用

3.1典型匯水區(qū)及推理公式法設(shè)計

選取蘇州市城市中心區(qū)典型匯水區(qū)10 hm2為例，具體形態(tài)詳見圖2。

圖2　典型匯水區(qū)示意圖

相關(guān)參數(shù)如下：道路設(shè)計標(biāo)高4.4～4.9 m（吳淞高程，下同），縱坡0.3%；管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用蘇州暴雨強(qiáng)度公式3 a一遇2 h雨量，綜合徑流系數(shù)按照新建地區(qū)不超過0.5的標(biāo)準(zhǔn)取0.5，最小覆土1.5 m。按照推理公式法進(jìn)行雨水管渠設(shè)計，管徑-坡度為d600-1.2‰～d1 350-0.7‰，設(shè)計道路和管道情況見圖3。

3.2數(shù)學(xué)模型法復(fù)核

2015年3月蘇州市人民政府在江蘇省率先出臺《蘇州市城市中心區(qū)排水（雨水）防澇規(guī)劃》。利用該規(guī)劃中所建立的InfoWorks ICM數(shù)學(xué)模型和設(shè)計雨型，對典型匯水區(qū)設(shè)計方案進(jìn)行長歷時24 h 50 a一遇設(shè)計降雨雨型復(fù)核。

圖3　設(shè)計道路及管道方案

復(fù)核分析設(shè)計了兩個方案，方案1不考慮管道沉積，方案2根據(jù)目前養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定沉積率。復(fù)核采用的綜合徑流系數(shù)采用偏不利值0.8，下游河道水位按照蘇州城市中心區(qū)最高排澇控制水位3.4 m（水位淹沒出水口管頂以上0.8 m）取值。復(fù)核方案詳見表1。

表1　長歷時大重現(xiàn)期降雨雨型復(fù)核方案

方案1模擬結(jié)果表明，管網(wǎng)呈壓力流狀態(tài)，但地面不積水（見圖4）。分析原因，主要是實際管網(wǎng)內(nèi)的壓力流態(tài)和設(shè)計時的滿管無壓流態(tài)的排水能力差別引起。當(dāng)管道形成壓力流時，其排水能力依然可以按照曼寧公式計算，只是此時坡度不再是管道的敷設(shè)坡度，而應(yīng)該是其實際的水力坡度。如圖中的末端管，設(shè)計管徑d1 350，設(shè)計坡度0.7‰，而此時水力坡度為2‰，管道過流能力提升61%，達(dá)到2 276.7 L/s。另一方面，管道設(shè)計時，最低點也有1.5 m的覆土厚度，這無形中又為管道的水力坡度提供了一定的增長空間，從而造成3 a一遇設(shè)計管道50 a一遇降雨地面亦不積水。盡管此時地面不積水，但管道處于壓力流狀態(tài)，隨著水力坡度的增大，管道所承受的壓力也隨之增大，長此以往不利于管道維護(hù)，安全系數(shù)也很低。

圖4　方案1復(fù)核結(jié)果

方案2模擬結(jié)果表明，地面會產(chǎn)生積水，但最大積水深度為11 cm（見圖5），未超過內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)定義的15 cm限值。分析其原因，主要是管網(wǎng)實際運行過程中發(fā)生的淤積現(xiàn)象，一方面減小了管道過流能力，另一方面加大管道糙率。過流斷面的縮小，水力坡度增長的更快，造成了管網(wǎng)部分檢查井冒溢。

TU992

B

1009-7716（2016）04-0111-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.034

2015-12-11

陸敏博（1982-），男，江蘇張家港人，碩士，工程師，從事給排水工程和綜合管廊工程的規(guī)劃設(shè)計工作。