城市工程區(qū)域暴雨積澇深度分析

曲鳳垚，谷宏亮

（1．華北水利水電大學，河南 鄭州450011；2．中國水電建設集團國際工程有限公司，北京100048）

1 城市暴雨積澇分析的起因

隨著城市化進程的加快，城市洪澇災害的問題愈發(fā)突出。目前全國各大中型城市，受到澇災侵襲越來越頻繁。城市中的很多工程建筑物在設計的過程中既要考慮防御洪水又要考慮防御城市澇水的襲擊，防洪設計一般需要分析工程區(qū)域的河流洪水分析計算，而城市澇水分析則需要分析計算城市設計暴雨以及城市下墊面的產(chǎn)匯流條件和排水條件，確定設計暴雨產(chǎn)生的累積積澇澇水深度。

2 城市暴雨積澇條件

2．1 氣象條件

城市暴雨積澇主要由暴雨產(chǎn)生，暴雨導致的城市積澇首先與降水強度有關(guān)。按照暴雨的時空尺度特征，中國的暴雨大致可分為兩類。

（1）局地暴雨，一次過程幾小時到十幾小時，覆蓋幾千到幾萬平方米，中心強度大。

（2）大面積暴雨，持續(xù)時間長，范圍大，降雨總量大。城市積澇的產(chǎn)生大多數(shù)是由于短歷時強降雨或持續(xù)強降雨所導致的［1－2］。

2．2 下墊面條件

城市化進程加快，城市下墊面性質(zhì)的變化較大，由于城市的人口和社會經(jīng)濟活動的聚集效應，使得城市建設開始向郊區(qū)、空中和地下擴展，使原來的土路、林地、草原、水塘等生態(tài)環(huán)境改變?yōu)樗?、瀝青、磚石、玻璃、金屬等材料的建造物，致使城市下墊面滲透率降低，地表糙率變小，匯流時間大大縮短。另一方面由于城市大量開采地下水，國內(nèi)多數(shù)城市已經(jīng)開始出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，這也為積澇產(chǎn)生提供了條件［2］。

2．3 排水設施條件

城市排水管網(wǎng)作為城市排水的重要設施在城市建設之初就已經(jīng)開始設計和施工建設，最初設計時能夠滿足城市排水需要。然而隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程加快，特大城市、大城市、中等城市數(shù)量都迅速增加，城市規(guī)模在不斷地擴展，高樓林立、城市交通與建筑的立體化正是城市迅速擴展的表現(xiàn)。雖然城市快速發(fā)展，但是排水管網(wǎng)的規(guī)劃建設仍為城市建設之初的模式，且多數(shù)為雨污混排的模式，一旦遭遇短歷時強降雨很難及時排除道路積水，從而導致在城市低洼地段的道路大面積積水，形成災害［2］。

3 計算實例

本次以沈陽市渾南新區(qū)地鐵車輛段停車場建設地塊防澇計算為例，進行暴雨積澇分析。

3．1 工程所在地點暴雨積澇原因分析

3．1．1 氣象條件

沈陽市的局地暴雨與大面積暴雨、短歷時暴雨及持續(xù)暴雨均有發(fā)生。從統(tǒng)計特性上看，沈陽地區(qū)的短歷時暴雨比較集中，最大1h與最大3h暴雨占長時段的雨量比重均較大，長歷時暴雨雨量亦較大，最大12h雨量占最大24h雨量的87%。

3．1．2 下墊面條件

本場區(qū)工程地點位于沈陽市渾南新城區(qū)。該地塊總體上呈“梯形”，占地面積約32．1hm2。場址內(nèi)地勢平坦，自然地面標高在36．6m左右。場區(qū)建成以后，80%為水泥不透水地面、房屋等，20%為綠化的綠地，下墊面滲透率降低，地表糙率變小，匯流時間大大縮短。為積澇產(chǎn)生提供了便利條件。

3．1．3 排水設施條件

本車輛段（新址）位于以渾河大堤、白塔堡大堤、繞城高速及桂花街包圍的區(qū)域，該區(qū)域渾河下游處有1＃穿堤建筑物，該地段的澇水可以通過渾河下游1＃穿堤建筑物排除。

3．2 設計暴雨計算

3．2．1 排澇標準

參照《城市防洪工程設計規(guī)范》（GB／T 50805－2012），城市澇水指由城區(qū)降雨而形成的地表徑流，一般由城市排水工程排除?！爸螡场贝胧┲饕扇〗亍⑴?、滯，即：截，攔截排澇區(qū)域外部的徑流使其不進入本區(qū)域；排，將區(qū)內(nèi)澇水匯集起來排到區(qū)外；滯，充分利用區(qū)內(nèi)湖泊、洼淀臨時滯蓄澇水［3］。

沈陽市城市排澇標準按20a一遇。本次計算的地鐵9號線停車場新址位于沈陽市渾南新區(qū)，根據(jù)工程的重要性以及工程所處的地段，建議本場址排澇標準亦采用20a一遇，即20a一遇的24h設計暴雨在24h之內(nèi)平均排除。根據(jù)24h的降雨過程，按平均排除法累積計算澇水的最大積水深度。

3．2．2 設計暴雨計算成果

車輛段（新址）集水區(qū)域最大24h設計暴雨采用沈陽雨量站的計算成果，采用成果見表1。

表1 沈陽雨量站24h設計暴雨計算成果表 mm

3．2．3 設計凈雨深的確定

本場區(qū)的設計凈雨深度，采用各設計頻率的設計暴雨，按照相應的徑流系數(shù)折算而求得。場區(qū)水泥地面占80%，綠化地面占20%，按照城市規(guī)劃，未來該區(qū)域城市建筑密集，故，根據(jù)規(guī)范數(shù)據(jù)，一般硬化水泥地面的20a一遇暴雨徑流系數(shù)取0．9，綠化地面的徑流系數(shù)在0．4～0．6范圍內(nèi)，場區(qū)20a一遇暴雨徑流經(jīng)綜合分析，選取徑流系數(shù)為0．8，20a一遇暴雨的凈雨深度是152．6mm。

3．2．4 設計凈雨過程

根據(jù)實測的長系列資料統(tǒng)計分析，選擇實際發(fā)生的較大年份且降雨分布較不利于排水的1960年為典型年。按滑動最大24h設計凈雨將典型降雨過程進行放大，得到設計凈雨過程。

3．3 城市暴雨調(diào)蓄模型

車輛段（新址）集水面積內(nèi)的降水產(chǎn)流，一方面通過排水口排走，另一方面在坡面形成積水，其連續(xù)方程為：

式中：h為匯水面積內(nèi)的積水深度，mm；R（t）為凈雨深度，mm；h出（t）為每小時排澇水深，排澇標準為24h降雨24h排除，為6．4mm／h［4－7］。

3．4 設計澇水積水深度計算

根據(jù)式（1）的模型原理，以降雨過程分布最不利的1960年典型年為例，按照城市排澇能力20a標準，對20a一遇設計凈雨過程，采用平均每小時排除6．4mm，累積計算設計澇水積水深度，計算過程見表2。

由表中計算可知，1960年典型20a一遇暴雨積水深度為98．6mm。

表2 20a一遇積水深度計算表（1960年典型）

3．5 車輛段新址建成以及新城區(qū)建成以后設計澇水積水深度

在3．4節(jié)中計算的是在現(xiàn)狀地形條件下的澇水積水深度?，F(xiàn)狀地形條件是場區(qū)房屋和地上建筑物都沒有建成，場址內(nèi)地勢平坦，自然地面標高在36．6m左右，地塊內(nèi)以菜園和經(jīng)濟作物等種植用地為主，其間零星分布有民營企業(yè)的彩鋼板房和單層廠房。場區(qū)和新城區(qū)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間容積變小，故澇水積水水位與這個空間容積關(guān)系密切，假如樓房占場地面積的一半，那么水位就要在上述計算結(jié)果的基礎上上浮增加一倍。因此，在實際施工設計時，一定要考慮這個因素。

在本場區(qū)范圍內(nèi)，經(jīng)與地鐵工程的設計部門——上海交通設計院確認，查找設計報告，該場區(qū)上蓋（包括庫房、修理間、管理房等）的面積初步設定在23%～46%之間，場區(qū)將來要用水泥圍墻封閉，構(gòu)成一個相對封閉的區(qū)域。故1960年典型年經(jīng)計算的可能最大積雨深度可換算為129mm，場區(qū)地面標高采用36．6m，故場區(qū)的澇水水位可采用36．73m。

4 結(jié) 語

城區(qū)澇水積水深度計算，關(guān)系到建筑物的安全。在計算的過程中既要考慮設計暴雨在城市區(qū)域產(chǎn)生的設計凈雨，又要考慮城市的設計排水標準和排水能力，通過暴雨調(diào)蓄模型累積計算暴雨的積水深度。在實際工程確定積水深度的時候，還要考慮建筑物廠區(qū)廠址的地形條件，看澇水影響是否主要為降落到本區(qū)域范圍內(nèi)的降雨造成，受不受外區(qū)域的澇水匯集影響。澇水主要往區(qū)域內(nèi)的低洼部分蓄積，故而需要保證工程區(qū)的地面高程高于周圍的地面高程，才能保證本區(qū)域的澇水不往場址區(qū)蓄積，場地才不受淹。才能保證工程區(qū)域的防澇安全。

［1］陳鵬，張繼權(quán)，嚴登華，等．基于GIS技術(shù)的城市暴雨積澇數(shù)值模擬與可視化——以哈爾濱市道里區(qū)為例［J］．災害學，2011，26（3）：69－72．

［2］宋啟元，蘇功軍．淺析城市暴雨后積水原因與對策［J］．城市道橋與防洪，2010，10（10）：99－101．

［3］中華人民共和國城鄉(xiāng)和住房建設部．GB／T 50805－2012城市防洪工程設計規(guī)范［S］．北京：中國計劃出版社，2012．

［4］邵堯明，邵丹娜．城市暴雨積水過程的計算方法［J］．中國給水排水，2008，24（6）：53－55．

［5］楊弋，吳升．城市暴雨積水模擬方法分析及研究［J］．測繪信息與工程，2009，34（1）：35－57．

［6］朱元甡，金光炎．城市水文學［M］．北京：中國科學技術(shù)出版社，1991．

［7］徐向陽，劉俊，郝慶慶，等．城市暴雨積水過程的模擬［J］．水科學進展，2003，14（2）：193－196．