流量折減系數對雨水系統(tǒng)設計標準的影響

周玉文，翁窈瑤，汪明明

（1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京100124；2.安徽工業(yè)大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山243002）

近年來我國大城市暴雨積水災害頻發(fā)，造成了巨大的財產損失和不良的社會影響，引發(fā)了社會各界對城市雨水排水系統(tǒng)設計標準的反思.造成我國大城市暴雨積水災害的原因很多，諸如城市化的影響、氣候變化的影響、忽視地下基礎設施建設的影響和管理因素等，但是我國城市雨水管渠系統(tǒng)設計理論和設計方法比較落后，尤其是在設計中采用雨水管渠流量折減系數對雨水系統(tǒng)實際的設計標準造成的影響不容忽視.

1 我國城市雨水排水系統(tǒng)設計方法與國外的差別

根據我國室外排水設計規(guī)范推薦采用推理公式法計算雨水管渠的設計流量為［1］

式中：ψ為徑流系數；F為匯水面積；q為設計暴雨強度.

我國室外排水設計規(guī)范推薦的暴雨強度公式為

式中：A1，c，b，n分別為暴雨強度公式地方統(tǒng)計參數；p為設計重現(xiàn)期；t為匯水時間；t＝t1＋mt2；t1為地面匯水時間；t2＝∑L／v為管內流行時間；L為設計管段長度；v為管道內水流速度；m為雨水管渠流量折減系數.

我國室外排水設計規(guī)范中沒有對使用推理公式法的條件進行任何限制，而是沿襲原蘇聯(lián)1954年排水設計規(guī)范，將雨水管渠流量折減系數m的相關計算方法引入了我國設計規(guī)范.

雨水管渠流量折減系數m的相關理論依據是考慮對流速變化和管道空隙容量進行利用.當任一管段發(fā)生設計流量時，其上游管道可能都不是滿流，所以可以利用上游管道存在的空隙容量，暫時貯存一部分水量，而起到調蓄管段內最大流量的作用.而這種調蓄作用，只有在該管道內水流處于壓力流條件下，才可能實現(xiàn).因為只有處于壓力流管段的水位高于其上游管段未滿流時的水位足夠大時，才能在此水位差作用下形成回水，迫使水流逐漸向上游管段空隙處流動并填充空隙.

由于我國采用的暴雨強度公式與原蘇聯(lián)的暴雨強度公式形式不同，如何沿用原蘇聯(lián)的規(guī)范存在爭議.所以在上世紀80 年代由同濟大學鄧培德教授［2］、哈爾濱工業(yè)大學孟昭魯教授［3］和北京市市政工程設計研究總院張嘉祥高級工程師牽頭［4］，基于理論計算和北京市百萬莊小區(qū)雨水觀測資料，對雨水管渠空隙容量利用和折減系數m值進行了系統(tǒng)研究，指出空隙容量的利用與地形、坡度有密切關系，坡度過大，空隙容量難以利用.折減系數m值為一變數，其變化范圍為1.8～2.2.

折減系數m是雨水管渠設計涉及到的重要參數［5］.m值直接關系到雨水管渠設計的標準，進而影響雨水管渠的建設投資和抵御城市暴雨積水災害的風險.歐盟、原蘇聯(lián)、美國、日本以及我國的m取值都不一樣.原蘇聯(lián)，1974年排水規(guī)范對m值作了重新規(guī)定：當n＝0.50時，m＝2.8；當n＝0.51～0.60時，m＝2.5；當n＝0.61～0.70時，m＝2.2；當n＞0.70時，m＝2.0.我國的排水規(guī)范建議折減系數為：暗管m＝2，明渠m＝1.2；陡坡地區(qū)，暗管m＝1.2～2.0.在歐盟、美國和日本，該值取1，實際上都未考慮利用空隙容量.

由于引入m值之后管網的設計狀態(tài)不再是無壓滿管流，而是壓力滿管流.采用這種設計狀態(tài)雖然有節(jié)省投資的作用，但是降低了管網從無壓滿管流到壓力滿管流的設計系統(tǒng)冗余量.

2 對設計匯水時間的影響

2.1 縮小了城市暴雨強度公式的適用范圍

由于引入m值之后，使管網的設計管內流行時間擴大了m倍，根據我國現(xiàn)行的暴雨強度公式，集水時間t＝t1＋mt2，按規(guī)范暗管m＝2，當t1＝10min，t2＝60min時，則t＝130min，這個值已經超出了編制暴雨強度公式的最大降雨歷時（最大采樣歷時為120 min，共9 個降雨時段，分別為5，10，15，20，30，45，60，90，120 min），從而導致超出暴雨強度公式的適用范圍；而在城市排水區(qū)域，t2取值60 min完全有可能.因此，反向思維就是應推求更長歷時的城市暴雨強度公式，從而混淆了流域匯水時間的概念.

2.2 超出使用范圍使用經驗公式導致的錯誤

在經典的教科書和設計手冊中，都詳細地介紹了地面匯水時間t1和管內流行時間t2的取值和計算方法.設計工程師經常利用有物理意義的tc＝t1＋t2來計算流域匯水時間.當采用該公式的計算結果tc來判別城市暴雨強度公式的適用范圍時，具有確切的物理意義.而利用集水時間t＝t1＋mt2計算超出城市暴雨強度公式的降雨歷時適用范圍時，就會導致致命的錯誤，計算結果可能沒有科學根據.

3 對設計標準的影響

3.1 設計流量的差別

根據推理公式法計算設計流量，設采用折減系數m的流域設計流量為Qm，不采用折減系數m的流域設計流量為Q0，則

式中：p0為Q0對應設計重現(xiàn)期；pm為Qm對應設計重現(xiàn)期.

當流域匯水面積和流域特性相同，并且設計重現(xiàn)期相同時，則

以現(xiàn)行采用m值的計算設計流量為基礎，在其他條件均相同的條件下，與未采用m值的計算雨水相比較，則設計流量減少的情況如圖1所示.

圖1 管內流行時間t2 對北京市雨水管渠設計流量減少百分比的影響Fig.1 The effect of pipe flow time t2on declined percentage of stormwater design flow in Beijing

從圖1可以看出，采用m后，削減的設計流量的變化規(guī)律，其數值變化在20%～50%，隨t2增大而變大，可以達到50%左右，其影響還是很大的，對設計安全造成的影響不容忽視.

3.2 設計重現(xiàn)期的關系

假設在同一個排水流域，管道的定線、流域的匯水面積劃分和流域特性條件均相同的情況下，并且采用相同的t1和t2，分析采用m＝1和m＝2造成的設計標準差異.

首 先，假設以m＝2作為設計條件，以m＝1作為校核條件，分析設計重現(xiàn)期的差異.

令Q0＝Qm，則

化簡整理后有

其次，假設以m＝1作為設計條件，以m＝2作為校核條件，分析設計重現(xiàn)期的差異.理論推導過程類似，有

根據以上關系式可以采用數值方法計算重現(xiàn)期的對應關系.

3 實例分析

以北京的暴雨強度公式為例：北京市1980版城市暴雨強度公式地方參數如下：A1＝2 001，c＝0.811，b＝8min，n＝0.711.采用t1＝10min，m＝2，在管內設計流速相同和流域面積相同的條件下，則有如表1和表2所示的數值計算結果.

表1 不同管內匯水時間對應的m＝2時的計算重現(xiàn)期Tab.1 The return period（m＝2）corresponding to different pipe flow time

根據表1中計算結果可以發(fā)現(xiàn)，當m＝1時設計重現(xiàn)期為1年的不同時刻的設計流量相當于m＝2時的重現(xiàn)期1.531～4.028年，重現(xiàn)期為10 年的計算結果則更是差別巨大，都超出了10年，歷時越長，則差別越大.

根據表2中計算結果可以看出，當m＝2時設計重現(xiàn)期為1年的不同時刻的設計流量僅相當于m＝1時的重現(xiàn)期0.69～0.393年，重現(xiàn)期為10年的計算結果僅相當于5.111～1.840年，歷時越長則差別越大.根據不同匯水時間選用重現(xiàn)期2～5年，才能達到m＝1時重現(xiàn)期為1年的設計標準.可見由于引入折減系數對設計標準的影響不容忽視.

表2 不同管內匯水時間對應的m＝1時的計算重現(xiàn)期Tab.2 The return period（m＝1）corresponding to different pipe flow time

4 修正室外排水規(guī)范的建議

4.1 采用流量折減系數后對排水系統(tǒng)抗災能力的影響

根據城市雨水排水管網設計水力計算的基本假設，設計工況為滿管無壓恒定流狀態(tài)，引入折減系數后形成了整個管網系統(tǒng)的壓力流狀態(tài)，人為減小了從無壓滿管流到超載有壓滿管流的系統(tǒng)安全度，增加了系統(tǒng)的抗災風險.

由表1和表2的計算結果可以看出，引入折減系數對設計重現(xiàn)期標準的影響很大，人為降低了排水系統(tǒng)的抗災能力.

在歐盟的室外排水設計標準EN 752中明確地規(guī)定了系統(tǒng)設計工況和系統(tǒng)超載工況的差別，并給出了建議的超載校核標準.由于引入折減系數而使系統(tǒng)在設計工況條件下就處于超載有壓滿管流的狀態(tài)，減小了排水系統(tǒng)的抗災能力.

4.2 取消關于折減系數的相關規(guī)定

鑒于以上分析，同時考慮到我國經過改革開放后城市的經濟實力及暴雨積水災害頻發(fā)的現(xiàn)實，從保證排水安全的角度出發(fā)，建議在有條件的地區(qū)取消現(xiàn)行排水設計規(guī)范中關于采用折減系數的相關規(guī)定.匯水時間的計算公式修正為tc＝t1＋t2，其中t2＝∑L／v.

4.3 使用計算機模擬技術改進傳統(tǒng)設計方法

應當指出，由于雨水匯流過程實際上的非恒定流特性，在匯流過程中會造成一定的洪峰衰減，引入折減系數也有一定的積極作用和合理性.但是，由于其物理意義很難解釋，并且造成人為加大匯水時間的問題，所以應該采用其他方法考慮洪峰衰減問題.

近年來在國際上已經普及的基于非恒定流理論計算機模擬技術可以改進傳統(tǒng)設計方法，并且可以考慮洪峰衰減問題，其物理意義明確，更具有科學性.

在折減系數的推導過程中，研究者充分考慮了雨水管道排水系統(tǒng)的排水過程存在非恒定流運行條件和系統(tǒng)調蓄作用的影響.如果采用計算機模型軟件計算管道系統(tǒng)的匯流過程，雨水管道排水系統(tǒng)的排水過程存在非恒定流運行條件和系統(tǒng)調蓄作用的影響可以充分加以考慮，使設計工況更加符合實際，并且可以保證安全.

建議增加利用計算機模型進行城市雨水管網系統(tǒng)設計的相關條款，這樣可以使設計的雨水排水系統(tǒng)更加科學合理.

5 結語

本文對由于引入折減系數而造成的設計標準降低問題進行了較系統(tǒng)的分析，指出了由于引入折減系數而造成的縮小了城市暴雨強度公式的適用范圍，當t1取10min時，t2應小于55 min.根據實例分析，當m＝1時設計重現(xiàn)期為1年的不同時刻的設計流量相當于m＝2時的重現(xiàn)期1.531～4.028年的標準；當m＝2時設計重現(xiàn)期為1年的不同時刻的設計流量僅相當于m＝1 時的重現(xiàn)期0.690～0.393年標準.由于引入折減系數而造成了雨水排水系統(tǒng)設計標準的實質性降低，使城市區(qū)域形成洪澇災害的風險增加.

由于我國設計方法引入了折減系數的特殊性，造成我國城市雨水排水系統(tǒng)在相同設計標準條件下與國外發(fā)達國家和水利部門的類似工程進行比較抗災能力偏低.為保證我國城市雨水排水系統(tǒng)的設計標準和抗災能力的真實性，建議在建設資金充裕并且抗災標準要求較高的地區(qū)取消流量折減系數.

［1］ 上海市市政設計院等.GB50014—2006 室外排水設計規(guī)范［S］.北京：標準出版社，2006.Shanghai Municipal Engineering Design Institute （GROUP）Co.LTD.GB50014—2006 code for design of outdoor wastewater engineering［S］.Beijing：Standards Press of China，2006.

［2］ 鄧培德.雨水溝道容量平衡調節(jié)法設計流量的研究［J］.土木工程學報，1983，15（1）：63.DENG Peide.A study on the design flow of storm water sewers by method of balance capacity［J］.China Civil Engineering Journal，1983，15（1）：63.

［3］ 孟昭魯，曲祥瑞.關于q＝A／（t＋b）n型暴雨強度公式雨水管渠空隙容量利用的討論［J］.土木工程學報，1983，15（1）：75.MENG Zhaolu，QU Xiangrui.Discuss on utilization of storm sewer free volume withq＝A／（t＋b）ntype intensity－durationfrequency relationship equation［J］.China Civil Engineering Journal，1983，15（1）：75.

［4］ 北京市市政設計院.城市雨水溝管空隙容量的利用［J］.土木工程學報，1983，15（1）：91.Beijing Municipal Engineering Design Institute Co LTD.Utilization of urban storm sewer free volume［J］.China Civil Engineering Journal，1983，15（1）：91.

［5］ 汪明明.雨水池設計理論研究［D］.北京：北京工業(yè)大學建筑工程學院，2008.WANG Mingming.The theoretical research on design of rainwater tanks［D］.Beijing：Beijing University of Technology.College of Architecture and Civil Engineering，2008.