城市雨水管渠和排水泵站的排水設(shè)計流量手工計算方法淺析

鄧超聯(lián)，李小江，鐘振亮

(深圳市廣匯源水利勘測設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518020)

繼近年暴雨暴露了各城市排水防澇的短板后，水務(wù)行業(yè)迎來了排水設(shè)施建設(shè)的熱潮，各城市啟動了城市雨水管渠和排水泵站的設(shè)計工作，其中確定泵站排水設(shè)計流量規(guī)模的工作十分重要。根據(jù)技術(shù)標準，城市排水泵站排水設(shè)計流量與以往的排水泵站排澇設(shè)計流量、排漬設(shè)計流量計算方法不同，當雨水管渠為進泵總管時，泵站的排水設(shè)計流量可根據(jù)進泵總管的雨水量的計算確定[1]。當匯水面積超過2km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學(xué)模型法計算雨水設(shè)計流量；當匯水面積較小時，可采用推理公式法計算雨水設(shè)計流量[2]。傳統(tǒng)的推理公式法，需要較少計算參數(shù)，同時也可用于校核數(shù)學(xué)模型法成果的合理性，其具有既簡便又符合設(shè)計精度要求的特點，可應(yīng)用于匯水面積較小的城市雨水管渠和排水泵站工程設(shè)計。

本文以匯水面積較小的雨水管渠和用于抽排雨水管渠的城市排水泵站為研究對象，分步驟總結(jié)推理公式法各參數(shù)的確定和計算，計算與雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期相應(yīng)的設(shè)計排水流量，求得進泵總管的設(shè)計排水流量，最后確定排水泵站的排水設(shè)計流量。

1 設(shè)計洪水計算方法

1.1 原理

根據(jù)GB50265- 2010《泵站設(shè)計規(guī)范》3.1.2規(guī)定，城市排水泵站設(shè)計流量可根據(jù)雨水量計算確定[1]。根據(jù)GB50014- 2006(2016版)《室外排水設(shè)計規(guī)范》5.2.2規(guī)定，雨水泵站的設(shè)計流量應(yīng)按泵站進水總管的設(shè)計流量計算確定；3.2.1條規(guī)定，采用推理公式法計算雨水流量，應(yīng)按式(1)計算；當匯水面積超過2km2時，采用數(shù)學(xué)模型法計算雨水設(shè)計流量[2]。

推理公式：

QS=q×ψ×F

(1)

式中，QS—雨水設(shè)計流量，L/s；q—設(shè)計暴雨強度，可根據(jù)式(2)計算，深圳地區(qū)可查詢《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015年版)；ψ—徑流系數(shù)，取值規(guī)定見表1，匯水面積的綜合徑流系數(shù)應(yīng)按地面種類加權(quán)平均計算或核實地面種類的組成和比例按區(qū)域情況選值，但綜合徑流系數(shù)高于0.7的地區(qū)應(yīng)采用滲透、調(diào)蓄的措施[2]；F—匯水面積，hm2。

設(shè)計暴雨強度公式：

q=[167×A1×(1+C×lgP)]/(t+b)n

(2)

式中，A1，C，b，n—參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計方法進行計算確定；P—重現(xiàn)期，根據(jù)《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015年版)，包括了7個重新期下77種特定組合的暴雨強度查算表，8個重現(xiàn)期的暴雨強度分公式，8個重現(xiàn)期下1～180min暴雨強度查算表[3]；t—降雨歷時，min，可按式(3)計算。

雨水管渠降雨歷時計算公式：

t=t1+t2

(3)

t2=∑(L/60/v)

(4)

式中，t1—地面集水時間，min，從匯水面積最遠點流到第1個雨水口的時間，主要取決于雨水流行距離的長度和地面坡度[4]，一般采用5～15min；t2—管渠內(nèi)雨水流行時間，min；L—各管段的長度，m；v—各管段滿流時的水流速度，m/s。

排水管渠的過流能力計算公式：

Q過=A×v

(5)

v=R2/3×I1/2/n1

(6)

式中，Q過—排水管渠的過流能力，m/s；A—水流有效斷面面積，m2；v—流速，m/s；R—水力半徑，m；I—水力坡降；n1—粗糙系數(shù)。

表1 徑流系數(shù)的取值

根據(jù)GB51222- 2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，管渠系統(tǒng)中排水泵站的設(shè)計規(guī)模，應(yīng)與城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治系統(tǒng)的其他組成部分相協(xié)調(diào)，在滿足內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期要求的前提下，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定[5]。由于內(nèi)澇防治系統(tǒng)包括雨水管渠、坡地、道路、河道和調(diào)蓄設(shè)施等，若要協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)進行手工計算，編寫和計算步驟復(fù)雜、工作量大。此外，規(guī)范要求工程的內(nèi)澇防治設(shè)計應(yīng)為獨立文件[6]。因此，文本未開展內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期討論，僅分析雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期。

1.2 計算步驟

(1)按照高水高排、低水抽排，澇水就近排除的原則，分析泵站的服務(wù)面積以及各管渠的匯水面積F。

(2)根據(jù)GB50014- 2006(2016版)和《深圳市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》《深圳市水務(wù)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等相關(guān)規(guī)劃確定雨水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期。

(3)根據(jù)現(xiàn)狀管渠的參數(shù)計算管渠的過流能力Q1和管渠內(nèi)雨水流行時間t2，根據(jù)地面種類或區(qū)域情況確定徑流系數(shù)ψ和地面集水時間t1，利用式(2)計算管渠設(shè)計暴雨強度q，或根據(jù)t和設(shè)計重現(xiàn)期P直接查詢《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015年版)，將F、q和ψ代入式(1)求出管渠的雨水流量QS1，當Q1≥Qs1時，可保留現(xiàn)狀管渠；反之，則需改建，進行步驟4。

(4)綜合現(xiàn)狀管渠、路面坡度、地下管網(wǎng)鋪設(shè)情況和可利用空間等因素，擬定管渠的設(shè)計長度、設(shè)計管徑和設(shè)計坡度，求得管渠的設(shè)計輸水能力Q2和管渠內(nèi)雨水流行時間t2。根據(jù)規(guī)范，要求雨水管道應(yīng)按滿流計算、排水管渠粗糙系數(shù)分類確定、最大設(shè)計流速非金屬管道小于5m/s和最小設(shè)計流速為0.75m/s等[2]。具體要求參考GB50014- 2006(2016版)4.2的水力計算。

(5)根據(jù)地面種類或區(qū)域情況確定徑流系數(shù)ψ和地面集水時間t1，利用式(2)計算管渠設(shè)計暴雨強度q，或根據(jù)t和設(shè)計重現(xiàn)期直接查詢《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015年版)，將F、q和ψ代入公式(1)求出管渠的雨水設(shè)計流量Qs2。若Q

(6)泵站進水總管的設(shè)計流量則為泵站的設(shè)計流量。若有以往成果或現(xiàn)狀周邊泵站的情況下，可進一步進行合理性分析。

2 方法應(yīng)用

以城市雨水管渠和抽排雨水管渠的城市排水泵站為研究對象，結(jié)合《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015版)，利用推理公式法計算管渠的雨水設(shè)計流量，進而求得泵站設(shè)計流量。

2.1 研究對象

泵站位于城市非中心區(qū)，所在流域?qū)儆诟谐焙佣危?wù)范圍內(nèi)的雨水管渠受潮水位頂托影響。泵站的服務(wù)對象為主干道路合圍而成的區(qū)域，服務(wù)面積為0.62km2。服務(wù)范圍的受澇原因主要有三點：現(xiàn)狀地勢為中間低四周高易形成明顯的“鍋底”低洼區(qū)、外江水位頂托高于部分區(qū)域的地面高程、片區(qū)雨水管網(wǎng)收集能力和過流能力較低。因此，擬新建泵站和改建服務(wù)范圍內(nèi)的主干管渠，利用泵站抽排管渠收集的雨水，減少片區(qū)積水點，減輕損失。

2.2 匯水面積分區(qū)

根據(jù)服務(wù)范圍的地形地勢、現(xiàn)狀雨水管渠分布和結(jié)合規(guī)劃，劃分泵站和各管渠的匯水面積，各面積分區(qū)如圖1所示。

表2 雨水管渠雨水設(shè)計流量和排水泵站排水設(shè)計流量計算表(P=5年)

圖1 泵站服務(wù)范圍內(nèi)的雨水管渠匯水分區(qū)圖

2.3 確定雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期

GB50265- 2010未提及泵站的設(shè)計重現(xiàn)期；GB50014- 2006(2016版)3.2.4規(guī)定了雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期，超大城市和特大城市的中心城區(qū)雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期為3～5年，非中心城區(qū)為2～3年[2]。從深圳市相關(guān)規(guī)劃角度分析，《深圳市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》明確了雨水管渠、泵站及附屬設(shè)施設(shè)計標準——中心城區(qū)重現(xiàn)期為5年，非中心城區(qū)為3年[7]；《深圳市水務(wù)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的約束性指標中“新建管渠采用暴雨重現(xiàn)期不低于5年”[8]。綜合以上規(guī)定，新建雨水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期不低于5年，非中心改建的現(xiàn)狀雨水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期可選3年。堅持科學(xué)發(fā)展觀的理念，建議雨水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期均不低于5年。

2.4 排水流量計算

(1)根據(jù)現(xiàn)有管渠的參數(shù)計算5年一遇的雨水設(shè)計流量Qs和管渠的過流能力Q過，判斷現(xiàn)狀管渠的過流能力是否滿足5年一遇標準，若滿足，則保留；若不滿足，則改建。

(2)對需改建的管渠，擬定尺寸、坡度、管材、長度等參數(shù)，計算管渠的設(shè)計輸水能力Q過、流速v和流行時間t2。接著，將各參數(shù)代入公式(1)～(3)，比較雨水設(shè)計流量Qs和設(shè)計輸水能力Q過，滿足則擬定的管渠參數(shù)合適，不滿足則重新擬定管渠參數(shù)，直至各段管渠Q過≥Qs。

(3)求得的進水管渠總流量，即為排水泵站與雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期相應(yīng)的排水設(shè)計流量。重現(xiàn)期5年一遇的雨水管渠雨水設(shè)計流量和排水泵站排水設(shè)計流量計算過程和結(jié)果詳見表2(摘錄)，可知，5年一遇標準下進水管渠的總雨水設(shè)計流量為14.8m3/s，即該泵站的排水設(shè)計流量為14.8m3/s。

3 結(jié)語

服務(wù)面積小于2km2的排水泵站的排水設(shè)計流量，可利用精度滿足規(guī)范要求的推理公式法，手工計算雨水管渠的雨水設(shè)計流量，最后確定排水泵站的排水設(shè)計流量。本文采用推理公式法應(yīng)用匯水面積小于2km2的工程，所選方法得當；引用的暴雨強度資料為深圳市官方最新匯編的參考資料，引用成果科學(xué)可靠；提出新建雨水管渠的重現(xiàn)期不低于5年的建議，符合標準、規(guī)劃和深圳市發(fā)展要求；分析對象適用于為深圳市匯水面積小于2km2的城市排水泵站，普適性較強，可應(yīng)用于深圳市類似工程設(shè)計。

由于篇幅所限，本文僅舉例應(yīng)用了面積疊加法的雨水管渠設(shè)計流量推理公式，關(guān)于流量疊加法[4]的計算應(yīng)用及比較仍需在未來進一步分析；深圳已從積水時間、積水深度和積水范圍三方面明確了內(nèi)澇災(zāi)害標準[7]，從內(nèi)澇防治系統(tǒng)的層面按內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期手工校核泵站的排水流量方法也需在未來開展探討。