城市区域小流域暴雨计算差异性及衔接性研究

城市区域小流域暴雨计算差异性及衔接性研究

周 晴

广西壮族自治区城乡规划设计院 广西南宁 530023

摘要：探讨市政系统常用的城市暴雨强度公式法和水利系统的常用的推理公式法在城市区域小流域暴雨量计算的差异性和衔接性，评估两种计算公式对提升城市抗内涝风险等级的影响。本文以南宁市平花河排水干渠工程为例，利用城市暴雨强度法、水利推理公式法等推求成果进行分析比对，确定南宁市五象新区玉洞火车站周边小流域暴雨洪水的规模，为城市区域小流域的防汛减灾提供科学依据，供类似工程参考。

关键词：暴雨强度 推理公式 城市区域小流域 抗内涝风险

近年来，我国各地频繁出现多个极端降雨事件，暴雨过程多、水量大，局地出现极端暴雨，一些中小河流洪水多发重发，区域性暴雨洪水重于常年，严重影响着城市的正常运作和人们的生产生活。近期部分城市呈现出“因洪致涝、因涝成洪、洪涝混合”的特点。连续出现的高于城市规划排涝标准的内涝灾害，对城市雨水排水系统的规划、设计和管理提出了严格要求。

小流域通常是指二、三级支流以下以分水岭和下游河道出口断面为界集水面积在50k㎡以下的相对独立和封闭的自然汇水区域。水利上通常指面积小于50k㎡或河道基本上是在一个县属范围内的流域。小流域一般面积不超过50k㎡。在城市区域内小流域通常指城市区域内以规划路网高点及地块高程分界，汇流至城市支流水系或支流河道的区域，特点是人为的因素影响比较大，集雨面积较小、汇流时间较短。而城区防洪保护区一般亦是在城区内按照分流域进行治理,单个流域的汇水面积大部分都在15km²~20km²,汇流时间较短。虽然近年来多数城市致力于海绵城市的建设，但随着城市内硬化路面及建成区硬化地面的增加，城市的发展及建设不可避免的造成一定程度的不透水面积逐渐增大，导致暴雨初损量和城市下垫面的稳定下渗率均有不同程度的减少和降低,径流系数明显増大,造成短时间段内暴雨流量的增加。现代城市的雨水收集系统日趋完善，使降落的雨水迅速汇流至雨水排水系统,且城市内河道不断的得到疏理和整治，雨水排水系统的完善和河道的疏竣整治导致城区雨水汇流速度加快,洪峰流量增大,短时洪水总量增加。

与大、中流域相比,小流域设计暴雨洪水的主要特点为（1）在小流域上修建的工程数量较多,而水文站很少,往往缺乏暴雨和流量资料。(2)小流域面较小,自然地理条件较单一^[1]。目前，小流域暴雨洪水计算的常用计算方法主要有市政系统城市暴雨强度公式法、水利系统的单位线法，推理公式法及河道水利计算公式法。

在工程实际中，特别是在城市区域小流域排水防涝系统设计中，城市水利系统及市政排水系统已逐步融入综合水务的背景下，两个体系的计算方法、参数选取及计算结果皆存在差异。本文主要结合工程实例，对城市市政系统的暴雨强度公式法及水利系统的推理公式法进行论述及类比，通过对计算方法来源、计算过程及结果的分析，提出两个系统两种方式的同等量级别的衔接点、差异及在提高城市抗内涝风险中的应用。

一、公式解析

目前，城市市政系统雨水排水的计算主要采用的是城市暴雨强度公式。城市暴雨强度公式法计算雨量主要适用于汇水面积较小的（一般小于15km²）、集雨时间在60~120min的城镇或工厂的雨水管渠或排洪沟渠的设计雨水排放问题^[2]。城市暴雨强度公式主要是恒定均匀流推理公式。该公式基于以下假设：降雨在整个汇水面积上的分布是均匀的；降雨强度在选定的降雨时段内均匀不变；汇水面积随集流时间增长的速度为常数。

式中：Q——雨水设计流量，L/s；Ψ——径流系数；q——设计降雨强度，L/（s.hm²）；F——汇水面积，hm²；P——设计降雨重现期，a；t——降雨历时，min；t₁——地面集水时间，min；t₂——管渠内雨水流行时间，min；m——延缓系数；A1,C,n，b——地方暴雨参数；v——管渠雨水流动速度，m/s。

水利系统的推理公式法适用于流域面积较大（一般小于50km²）的区域，但不适用于岩溶、泥石流及各种人为措施影响严重的低区^[3]。

目前水利系统采用的推理公式法主要是基于实测的暴雨资料作为。

式中：Qm——设计洪峰流量，m³/s；F——集水面积，km²；n_p——暴雨衰减指数；S_p——暴雨力；f——平均损失率，mm/h；τ——汇流时间，h；L——干流长度，km；J——干流坡降；m——汇流参数。

水利工程通常采用水文图集查算设计暴雨量。水文图集采用资料年每年各时段的雨量最大值进行编制,得到相应时段雨量均值等值线图和变差系数等值线图,结合频率曲线即可得设计暴雨量^[4]，同时体现了城市雨水流量和水利洪峰的特点，适用于城市中的水利小流域的排水的计算。

同是计算的暴雨排水量，水利系统的推理公式法和市政系统的城市暴雨强度公式法计算的暴雨量由于推求基础资料，推求方式的不同，相同的重现期下存在一定的差异，不同重现期，不同汇水面积、汇水长度亦存在一定的重合度。下面通过南宁市平花河排水干渠工程为例，利用城市暴雨强度法、推理公式法等推求成果进行分析比对，确定南宁市五象新区玉洞火车站周边小流域暴雨洪水的规模，为小流域的防汛减灾提供科学依据，供类似工程参考。

二、工程实例分析

南宁市中国—东盟国际物流基地位于邕江以南正在开发的五象新区之内，距离市中心约20公里。基地北接湘桂铁路复线，西临银海大道，环城高速横贯基地，基地内大量道路已完成设计及施工，随着物流基地内大面积开发建设，场地平整后，区域内分布众多灌溉渠及山洪冲沟，随着地块开发，人工管道将取代排水功能，沟渠难以保留。而位于该区域中部的玉洞火车站场地低洼，处于整个汇水区域的下游低凹处，排水不畅将导致存在影响玉洞车站运行的风险。地块排水主要通过市政道路排水管及收集山洪的过路涵汇至平花河排水干渠。

排水干渠的建设接纳周边上游约17km²的汇水面积的汇水，其中包括多条市政道路的排水、玉洞火车站低凹区域的泄洪以及区域西南侧水源涵养林集雨区下泄的那沙溪山洪，排水干渠接入上游那沙溪的截洪沟，保证区域内的行洪要求。其中山体及其他非城市建设用地占汇水总面积15%。排水干渠下游接入平乐湖，沿平乐湖下游平花河最终接入邕江支流八尺江。项目建设主要解决区域排水出路问题，保证区域内的行洪蓄洪的需求。平花河干渠全长约3.9km，最远汇流长度6.03km，尺寸约1-4x4~3-4.5x4.5m，最深埋深超过16m，顶管部分采用2-Φ4000圆管顶管。

平花河干渠管渠的计算采用了小流域推理公式法和城市排水管渠暴雨强度等方式推求。

小流域设计洪峰流量计算采用的推理计算公式中国—东盟国际物流基地及其周边区域防洪标准为年最大50年一遇设计洪水，玉洞火车站采用百年一遇设计标准，根据小流域设计洪峰流量计算方法，平花河干渠管渠的汇水流量五十年一遇为174.16 m³/s，百年一遇的汇水流量为230.23m³/s。

按城市暴雨强度公式法计算暴雨流量。

采用南宁暴雨强度公式：

q=

降雨历时：t=t₁+t₂（min）。

设计降雨重现期P采用10年。内涝校核满足30年一遇要求。

按小流域洪峰流量计算公式计算，按P=2%的年最大24h暴雨量计算，汇水流量为174.2m³/s，按P=1%的年最大24h暴雨量校核，汇水流量为198.3m³/s。而按照暴雨强度公式法计算，重现期采用10年，采用30年一遇重现期进行校核，汇水流量为254.7m³/s。可见按照暴雨强度公式法计算的断面流量较大。为保证河道的泄洪排水，并预留一定不可预见性超过设计规模的暴雨，平花河排水渠设计采用暴雨强度公式法计算的流量为计算断面依据。平花河暗渠局部路段经过玉洞火车站，针对于火车站的排水标准为100年一遇，按照洪峰流量公式进行复核，满足火车站排水要求。

三、比较分析

1不同重现期雨量差异性及相似性分析

在流域面积18km²>F>2km²,流域长度6km>L>2km，重现期P=1%，2%，5%，10%，50%南宁市暴雨强度公式法计算的雨量大于水利推理公式法计算的雨量。采用市政系统暴雨强度公式法的计算结果偏大，各控制断面流量过程历时较短，按照暴雨强度公式法的推求原理叠加后的雨量值较大。水利推理系统公式的计算结果偏小，主要由于各控制断面流量过程历时较长，同一时刻叠加后的峰值较小。

在流域面积小于18km²，流域长度小于6km的条件下，按照等流域等汇水面积南宁市暴雨强度公式计算出的重现期为5年一遇的暴雨流量与洪峰推流公式计算出的重现期为100年一遇流量相近。城区小流域范围内暴雨强度计算公式按照低重现期计算的雨量与洪峰推流公式按照高重现期计算的雨量相近。在流域面积小于18km²的城区小流域，采用暴雨强度计算公式对提高城区小流域内涝防治有积极影响。

2.流域长度及汇流时间对雨量差异性及相似性分析

对 该工程各个汇水面积阶段及汇流长度流量采用两种计算方法进行对比，对汇流时间较敏感,片区在汇水面积相同（S=17.3km²）的条件下，不同的流域长度及汇流时间对市政暴雨强度计算公式雨量推求的影响较水利推理公式大。

两种暴雨流量的推求方式在面积相同的（H=17.3km²）条件下，径流长度2.8km洪峰流量推求公式计算和径流长度6km时暴雨强度推求的暴雨流量的相应重现期流量计算结果相近，且重现期在10-50年之间的流量重合度较高。

3.汇流面积对雨量推求差异性及相似性分析

在汇水面积在18km²>F>2km²区间，汇水面积平均增长率为59.6%的条件下，暴雨强度推求公式推求的雨量平均增长率为46.7%，低于水利推理公式法推求的雨量平均增长率54.4%。

在汇水面积增长率达到62%的条件下，相同的汇水面积，暴雨强度推求公式推求的雨量平均增长率与推理公式法推求的雨量平均增长率基本保持一致，基本在45%~46%之间。

四、结论：

通过实例及计算分析对比，进一步明确水利推理公式法及城市暴雨强度推求雨量的计算方法存在一定的差异性及衔接性。

1水利推理公式法计算的雨量与城市暴雨强度计算的雨量具备同等量级衔接的条件，但衔接的条件应综合考虑城市小流域区域的暴雨初损量、城市下垫面的稳定下渗率、城区雨水系统完善程度及城区小流域内河的泄洪能力等相关因素。

2.在流域面积小于18km²汇流时间较敏感,的城区小流域，城区小流域范围内暴雨强度计算公式按照低重现期计算的雨量与洪峰推流公式按照高重现期计算的雨量相近，城区内小流域汇水采用暴雨强度公式法计算，对提高城区小流域内涝防治标准有积极作用。

3.为提升城市抗内涝风险等级，应根据具体城市小流域的流域特征、下垫面情况选择合适的计算方法，使城市排水及防洪设施规模更科学合理。有条件的区域建议对城市中具备相似特征的小流域暴雨雨量进行实测,根据实测资料补充修正计算公式参数,使之更适用于各城市小流域的暴雨计算。

参考文献:

[1]郭得平 小流域洪峰流量的计算方法之比较[J] 甘肃科技 2008，24卷(19期)：64-65.

[2]孙慧，郝以琼，龙腾锐。排水工程【M】4版。北京：中国建筑工业出版社，1999:63-84

[3]黄廷林，马学尼。水文学【M】4版。北京：中国建筑工学出版社。

[4]蔡剑波 洪峰流量与雨水流量常用计算方法的对比选用[J] 中国给水排水，2011，27卷(18期)：25-28.