城市排澇泵站雨水流量計(jì)算研究

呂紹文

(廣州市從化區(qū)水務(wù)建設(shè)中心， 廣東 廣州 510900)

1 工程概況

廣東省某市排澇泵站皆為城區(qū)內(nèi)的排澇區(qū)，考慮區(qū)域內(nèi)整體規(guī)劃和不確定性的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)為20 a一遇、24 h暴雨1 d排除的排澇標(biāo)準(zhǔn)。按照實(shí)測(cè)的流域地形圖計(jì)算出流域特征參數(shù)。本工程附近有一個(gè)國(guó)家級(jí)水文站，搜集了該站1965年到2020年的56 a間實(shí)測(cè)年最大24 h的降雨數(shù)據(jù)，一最大年降水量24 h進(jìn)行頻率計(jì)算，適線采用P-Ⅲ 型曲線，得出區(qū)域內(nèi)20 a一遇設(shè)計(jì)降水量為206.1 mm。按照2003年廣東省水文局編制的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》成果，根據(jù)廣東省點(diǎn)雨量的均值等值線圖和點(diǎn)雨量變差系數(shù)等值線圖，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)20 a一遇的設(shè)計(jì)暴雨值為212.4 mm,與實(shí)測(cè)降雨量頻率計(jì)算的結(jié)果207.1 mm?？紤]到安全問(wèn)題，本研究的的設(shè)計(jì)取值為兩者間的較大值，即20 a一遇24 h降雨量為212.4 mm。

2 排澇泵站雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算

2.1 排水閘設(shè)計(jì)流量

2.1.1 設(shè)計(jì)暴雨

按照防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)排澇水量計(jì)算需要，進(jìn)行保護(hù)區(qū)內(nèi)暴雨設(shè)計(jì)，采用某市水文站實(shí)測(cè)暴雨資料進(jìn)行分析成果如表1所示。

表1 某泵站年最大暴雨頻率計(jì)算成果

2.1.2 排水流量

針對(duì)城市排水范圍內(nèi)A排水區(qū)及B排水區(qū)，目前沒(méi)有計(jì)劃雨水管網(wǎng)走向，計(jì)算排水流量可采用推理公式法。重現(xiàn)期的排水流量，可根據(jù)排水區(qū)的自然環(huán)境、洪澇災(zāi)害的程度以及影響力等因素，通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的論證后確定，通常為5～10 a的標(biāo)準(zhǔn)。本次經(jīng)過(guò)計(jì)算后的設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇最大24 h暴雨情況下，遭遇外河洪水而不受淹[1-2]。

2.2 排澇泵站設(shè)計(jì)流量

本研究的案例城區(qū)片大暴雨與某河干流大洪水同時(shí)遭遇的幾率很小，為了掌握城區(qū)片暴雨與某河干流大洪水的相遇的狀況， 對(duì)有記載的1965—2020年共 56 a某河干流洪水和城區(qū)片暴雨進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)洪水的辦法是最先統(tǒng)計(jì)某河水位接近排渠出口處設(shè)計(jì)限制水位時(shí)，排水泵站具體的排水時(shí)段，然后進(jìn)行相對(duì)應(yīng)排水時(shí)段排水區(qū)的暴雨量統(tǒng)計(jì)，在借助產(chǎn)流匯流計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)排水區(qū)內(nèi)內(nèi)澇水的狀況，最后確定泵站排澇的流量。

2.2.1 限制水位

通常情況下，限制水位會(huì)以雨水管出水口的管頂高程為標(biāo)準(zhǔn)。在具體的操作過(guò)程中，從閘門(mén)的關(guān)閉到水泵的開(kāi)啟存在間隔的時(shí)間，從安全的角度出發(fā)，關(guān)閘水位要設(shè)定在限制水位之下的 0.30 m左右。C泵站最高控制水位：排水口周?chē)迩f地面高程為61.15～61.78 m，以60.9 m作為河口的最高控制水位。排澇泵站的啟動(dòng)條件：C泵站位于某河與外河匯合處附近，該處的洪水位主要受制于某河洪水位頂托。如果外河水位比最高控制水位低時(shí)，某溪的澇水自動(dòng)排入外河，如果外河水位比最高控制水位高，就要關(guān)閉防洪排澇閘，啟動(dòng)排澇泵將區(qū)域內(nèi)澇水排出?；谂艥潮瞄_(kāi)啟時(shí)間的延后性，從安全考慮，選擇C河水位達(dá)到60.7 m水位時(shí)，泵站開(kāi)啟。

2.2.2 典型暴雨選取

C泵站位置在C河水位為60.78 m時(shí)，對(duì)應(yīng)某市水文站洪峰流量為7210 m3/s。統(tǒng)計(jì)某市水文站歷史洪水流量超過(guò)7210 m3/s的各次洪水出現(xiàn)的時(shí)段基于不利于工程的角度，選取2005年6月18日20時(shí)—6月19日23時(shí)的降雨實(shí)測(cè)過(guò)程作為規(guī)劃該流域10 a一遇降雨過(guò)程。

2.2.3 泵站排水流量

(1) 泵站排水量。 根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線，對(duì)C泵站排水區(qū)域的洪水過(guò)程線進(jìn)行計(jì)算，包括某溪出口處的洪水過(guò)程線。

(2)可調(diào)節(jié)的水位庫(kù)容關(guān)系。 將某溪與某河匯合口段河道構(gòu)建調(diào)節(jié)池，同時(shí)為了調(diào)節(jié)來(lái)水，將排水區(qū)域內(nèi)的水面設(shè)置為部分調(diào)蓄庫(kù)容。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出調(diào)蓄容量與水位的關(guān)系。

(3)排澇過(guò)程調(diào)節(jié)計(jì)算。 綜合參考片區(qū)來(lái)水流量，發(fā)揮片區(qū)調(diào)蓄作用，進(jìn)行試算排澇流量，通過(guò)聯(lián)解水量平衡方程，計(jì)算求得不同的排澇流量對(duì)應(yīng)的河段最高水位。當(dāng)外河水位超過(guò)60.78 m時(shí)，可關(guān)閉排澇閘，利用泵站強(qiáng)排出某溪來(lái)水。按照片區(qū)的來(lái)水過(guò)程，如果來(lái)水量低于泵站設(shè)計(jì)的來(lái)水量，要將內(nèi)河澇水強(qiáng)排出去，為即將到來(lái)的洪峰提供最大化的調(diào)蓄容量。如果來(lái)水流量超過(guò)泵站設(shè)計(jì)的流量，則要根據(jù)設(shè)計(jì)流量排出，此刻會(huì)上漲片區(qū)內(nèi)的水位。根據(jù)有效調(diào)蓄容積、洪水過(guò)程線以及片區(qū)內(nèi)水位的關(guān)系，求得內(nèi)河最高水位，通常不超過(guò)60.9 m。如果泵站設(shè)計(jì)流量超過(guò)來(lái)水量，就開(kāi)始下降片區(qū)內(nèi)水位，直到此次洪水過(guò)程結(jié)束。通過(guò)試算，排澇流量為18.85 m3/s時(shí)，最高水位已經(jīng)達(dá)到接近限制水位的60.98 m?？紤]到排澇壓力的降低以及水浸的緩解，必須在暴雨前及時(shí)搶排，預(yù)降的措施十分有效。

在雷雨天氣中，電力設(shè)施設(shè)備中往往會(huì)出現(xiàn)靜電現(xiàn)象，這樣很容易導(dǎo)致電力設(shè)備中的電荷大量積累，于是電力設(shè)備很容易出現(xiàn)電力故障。雷電定位系統(tǒng)具有自動(dòng)排除線路故障點(diǎn)的功能，電力監(jiān)測(cè)人員在對(duì)雷擊故障點(diǎn)的查詢(xún)方面要依靠先進(jìn)的雷電定位技術(shù)進(jìn)行輸電線路的故障查詢(xún)。由于輸電線路遭受雷擊后會(huì)出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象，雷電定位系統(tǒng)只需要確定跳閘故障和跳閘時(shí)間就可以精確地找到故障點(diǎn)并且保障電力繼續(xù)使用，讓電路網(wǎng)線正常運(yùn)行。

2.3 暴雨的選樣方法及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.3.1 暴雨的選樣方法

(1)年最大值法。 選擇的資料為每年各歷時(shí)暴雨中雨量最大的一組，而且是N組資料是2015年資料的最大值。該方式不僅獨(dú)立性強(qiáng)、選樣簡(jiǎn)單，收集資料也比其他方式簡(jiǎn)單，在求得高重現(xiàn)期的雨量中具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用在水利工程中。但該方式的缺陷是容易遺漏一些數(shù)值較大的暴雨資料，而這些資料都是在年內(nèi)排名前三位的暴雨資料，對(duì)這些資料的遺漏會(huì)造成某些小重現(xiàn)期雨量較小，而在大重現(xiàn)期沒(méi)有明顯的雨量差異。《水電工程動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35061—2015)中規(guī)定，所達(dá)到的治澇目標(biāo)通常是以暴雨重現(xiàn)期過(guò)程中澇區(qū)不受澇為標(biāo)準(zhǔn)，重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)通常為5～10 a，條件允許的區(qū)域可以提高為20 a一遇。

(2)年多個(gè)樣法。 選擇的6～8最大值降雨資料是每年各歷時(shí)的自記降雨資料，統(tǒng)計(jì)以資料的基礎(chǔ)是最大值年數(shù)大約3倍的最大值。該方式需要大量資料，不僅收集有難度，也不方便統(tǒng)計(jì)。但該模式的優(yōu)點(diǎn)是暴雨的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以在小重現(xiàn)期客觀地反映出來(lái)，并且可以獲取重現(xiàn)期一年以下的暴雨樣?！妒彝馀潘O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)規(guī)定，重現(xiàn)期通常采用0.5～3.0 a，一些關(guān)鍵干道和地區(qū)以及暫短積水就可以造成嚴(yán)重后果的區(qū)域，可以采用2.0～5.0 a的重現(xiàn)期?；谥噩F(xiàn)期在城市排水中應(yīng)用有限，一般為0.5～5.0 a，因此，年多個(gè)樣法更適合城市排水工程。

(3) 年超大值法。 將N年各周期的所有數(shù)據(jù)按大小順序排列，然后選取最大的N組降雨，組成各周期的降雨樣本，平均每年選取一組。該方法從大量的數(shù)據(jù)中考慮其發(fā)生的年份，其發(fā)生的概率意義也是期望值的平均值，在概率意義上與超定量方法和年多個(gè)樣法相差不大。

2.3.2 不同選樣法的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系

按照計(jì)算概率的結(jié)果，年多個(gè)樣法和年最大值法之間的頻率關(guān)系如下式(1)：

PM=1-e-PE

(1)

式中:PM為年最大值法采取的選樣機(jī)率；PE為年多個(gè)樣法選擇的機(jī)率；按照重現(xiàn)期TM=1/PM，TE=1/PE代入式(1)得出式(2)：

(2)

(3)

根據(jù)式(3)實(shí)施計(jì)算，得出TE與TM的轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)過(guò)概率計(jì)算可以看出，唯有T≥10 a時(shí),年多個(gè)樣法和年最大值選樣手段求得的暴雨強(qiáng)度才很小差距，可既有城市雨水道規(guī)劃慣用的強(qiáng)度為T(mén)E=1 a，這種狀態(tài)下TE與TM差距明顯，如果改用年最大值法后，則采取TM=158 a方可求得相當(dāng)于TE=1 a的強(qiáng)度，如果還是選擇TM=1 a進(jìn)行計(jì)算，就必須降低標(biāo)準(zhǔn)，降低幅度為不足0.5 a。

2.4 實(shí)例驗(yàn)證

以某市的1965—2020年56 a暴雨資料中的5 min、20 min為標(biāo)準(zhǔn)，分別采用上述兩種模式，獲得i-lgT圖(見(jiàn)圖1)。

從圖1不難看出，如果T=1～5 a，兩種選樣方式求得的暴雨強(qiáng)度有明顯的差距，如果T≥10 a時(shí)，兩種選樣方式求得的暴雨強(qiáng)度不顯現(xiàn)明顯差距，符合研究的結(jié)論[3-4]。

圖1 不同選樣方法在t=5 min,t=20 min的暴雨強(qiáng)度機(jī)率曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

在逐年完善的城市基礎(chǔ)設(shè)施中，怎樣完善和更新城市排水排澇系統(tǒng)，已經(jīng)成為城市整體發(fā)展中的重要工程，而對(duì)城市排澇泵站雨水流量的有效計(jì)算是排澇工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過(guò)對(duì)城市雨水流量的計(jì)算方式的研究，確定在暴雨天氣里的流量和相關(guān)河道的水位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行泵站排水排澇管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。在進(jìn)行泵站排水流量設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮了與外江、外河洪水遭遇的概率，采用了典型暴雨進(jìn)行分析，同時(shí)有效利用了原有渠道的調(diào)蓄作用，縮減了排水泵站的設(shè)計(jì)規(guī)模，降低了費(fèi)用，大大提升了泵站的實(shí)用性。