中山市白石涌排水系统设计标准匹配分析.pdf

设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 1 期 中山市白石涌排水系统 设计标准匹配分析 何秋红 赵平 ( 1 ． 广州市水务规划勘测设计研究院．广东广州5 1 0 6 4 0 ； 2 ．中山市水利水电勘测设计咨询有限公司 广东中山 5 2 8 4 0 3 ) 【 摘要】 本文结合具有珠江三角洲河网地区典型排涝模式的工程实例 ， 对城市一级、二级排水系统设计标准 的匹配进行了计算分析，并通过设计排水流量的计算对拟定的匹配关系进行了复核验证，为城市一级、二级排 水系统的合理衔接和设计提供了参考依据。 【 关键词】 水利排涝市政排水设计标准匹配分析复核验证 【 中图分类号】T V 6 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 — 2 4 6 9( 2 0 1 2 )0 1 — 0 0 4 5 — 0 4 【 D OI 编码】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 — 2 4 6 9 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 1 3 1 工程概况 中山市位于珠江三角洲河网区下游，水网密 布，岐江河 自西南向东北穿过城区，是城区最主 要的一条集排洪、景观、纳污、农灌、小型船舶 通航 等 多 功 能 为 一 体 的 河 涌，岐 江 河 全 长 3 9 ． 5 k m，控制集雨面积 7 0 9 ． 3 6 k in ，西端经西河 水闸与西江干流相连，东端经东河水利枢纽接入 横 门水道 。 白石涌位于中山市中心城区，为岐江河的一级 支流。白石涌水系发源于城区南部五桂山区长命 水，总集雨面积 3 1 ． 7 8 k m ，上游的两条支流上分 别建有金钟水库和石榴坑水库，集雨面积分别为 4 ． 2 4 k m 和 2 ． 3 8 k in 。白石涌主干河长约 1 1 ． 0 k m， 平均宽度约 3 0 m，下游约4 ． 0 k in受岐江河水位影 响。当白石涌流域发生暴雨且受岐江河水位顶托 时， 部分城区就会受淹，为解决流域排涝问题， 拟 对白石涌进行排涝规划设计。 2 排水系统的分级 白石涌位于中山市中心城区，属平原河网地 区的城市水系，其排水由两级系统组成，一级排 水 系统负责较大区域暴雨涝水 的排 除 ，将城市较 大区域暴雨涝水以及市政雨水管网所汇集的涝水 排至外江，此系统属于水利排涝范畴；本工程一 级排水系统 由白石涌及规划在河 口新建的水闸、 泵站组成；二级排水系统承担城市街道、小区等 小范围的雨水排除，此系统属于市政排水范畴， 本工程二级排水系统主要 由白石涌沿岸的雨水管 网及已建的二级内排泵站 ( 大王站、南三站、夏 洋站)等组成 ，暴雨通过 白石 涌沿岸的雨水管 网 汇集后 自排或通过二级泵站抽排至白石涌，经过 白石涌调蓄后通过涌 口水闸 自排 或泵 站抽排 至岐 江 河 。 白石涌一级 、二级排水系统示意见图 1 。 规划设计 时一级排水系统 的排水 能力必须 保 证能及时排出二级排水系统收集转运的暴雨涝 水 ，如果一级排水系统标准定得过低，则排涝能 力不足，城区受淹，如果标准定得过高，超出二 级排水系统的输送转运能力 ，则会造成工程规模 过大 ，因此一级、二级排水系统设计标准 的匹配 显得十分重要 。 作者简介 ： 何秋红 ( 1 9 6 9 年一) ，女，高级工程师。 4 5 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 1 期 3 排水系统设计标准计算分析 图 1 白石涌排水系统 示意 图 3 ． 1 计算方法 因城市的排水体系涵盖了市政排水和水利排涝 两级， 其采用的行业规范和设计标准各不相同，但 排水标准都是通过暴雨的重现期来衡量的，因此一 级、二级排水系统的匹配本质上是两个设计暴雨标 准 的衔接。 参考 《 平原河网地区城市两级排涝标准匹配 关系研究》( 参考文献3 ) ，一级排水系统的设计暴 雨 ( 城市区域通常取 2 4 h最大暴雨 )必须 以二级 排水设计暴雨历时 t( 5～1 2 0 m i n )的降雨总量 P 作为峰值雨量，由此所得的2 4 h 暴雨量作为一级排 水系统的设计暴雨，再由当地暴雨资料进行排频分 析，得到该设计暴雨所处的重现期水平， 进而得到 一 级排水系统的设计标准，该设计标准即为与二级 排水标准相匹配的设计标准。 如果二级排水短历时的设计暴雨总量正好能与 一 级排水 2 4 h的峰值雨量对应，理论上就可以保证 一 级排水系统能及时排出二级排水系统收集转运的 暴雨涝水，因此本工程采用此法进行计算分析。 3 ． 2 二级排水系统设计暴雨量 由于排水任务侧重点不同，其暴雨选样方法、 4 6 排水标准确定、洪水计算方法均不同。 二级排水系统径流形成速度快 、汇流时间短 ， 暴雨控制时段通常采用 5—1 2 0 mi n等 9个控制 时 段，暴雨通常采用非年最大值法选样 ，此方法能 够反映一年内遭遇几次超标暴雨 的概率 ，且不 会 遗漏较大暴雨，在小重现期部分能够比较真实地 反映暴雨的统计规律，二级排水系统可采用暴雨 强度公式计算设计平均暴雨强度 i ( mm ／ mi n ) ，平 均暴雨强度乘以设计历时即可得到相应历时 t 的 降雨量。 参考 《 中山市城市总体规划 ( 2 0 0 4～2 0 2 0 年) 》 ，中心城区的市政排水 ( 二级排水)系统设 计标准应采用 l 一 3年一遇 6 0 m i n 暴雨强度。结合 本工程实际情况，白石涌二级排水设计标准采用 2 年一遇 6 0 m i n平均暴雨强度。 根 据 中 山 市 暴 雨 强 度 公 式g 堡墅 ，计算 中心城区 2年一 f t +3 ． 6 7) 。 ’ 开 似 。 遇6 0 m i n 暴雨强度 g 为 1 4 9 ． O L ／ ( s h m ) ，平均暴 雨强度 i 为0 ． 8 9 2 m m ／ m i n ，相应历时的设计降雨量 为 5 3 ． 5 m m。 3 ． 3 雨量百分率一降雨历时关系分析 暴雨统 计根 据 区域 多 年雨 量 资料，采 用 l O mi n ，6 0 mi n ，6 h ，2 4 h 4个 时段 ，对 每个 时段 的 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 1 期 逐年暴雨量进行频率计算，得到雨量一频率一降雨 历时关系曲线 ，见 图2 。 ／ ／— ： - ． P = 5 O ％ +P = 2 O 96 = = = = = = = = = P = 1 0 *P = 5 ％ *P= 1 ％ —=———一 一 缪； 一 —一 ● I I I J I I 1 0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 4 降雨历时 ( h ) 图 2雨量—频 率一 降雨历时关系曲线图 将纵坐标的 t 时段雨量P 变为与同一频率的最 大2 4 h降雨量 P 的相对百分数，得到雨量百分率 一 降雨历时关系，不同频率的雨量百分率点据密集 在一起，定出一条平均线作为雨量百分率一降雨历 时曲线 ，见图 3 。 ／ ／ ／ ／ ／ ／ , t r ／ ， l f I 降雨历时 ( h ) 图 3 雨量百分 率一 降雨历时关系曲线 图 根据二级排水的设计暴雨量、设计历时 t 从图 3 上查得t 时段降雨量 P 占 的相对百分数，可 得到与二级排水相匹配的一级排水系统2 4 h 降雨的 设计暴雨量 P 。 根据 曲线 关 系 ，得 到 白石 涌水 系 2年 一 遇 6 0 m i n 的暴雨量与2 4 h 暴雨量百分比为O ． 2 3 ，相应 的 为 2 3 2 ． 6 mm。 3 ． 4 一级排涝标准的拟定 城市一级排水系统通常是在原有农田排水系统 的基础上形成的，综合考虑了河、沟、田、塘等的 调蓄，其城市化区域设计暴雨通常以2 4 h 最大暴雨 为控制。设计暴雨采用年最大值选样法，选样简 单、独立性强，其成果能较真实地反映较大重现期 的暴雨规律，比较适用于设计标准为 1 0— 2 O 年的 一 级排水系统 。 根据区域历年最大 2 4 h 暴雨资料的排频分析， 确定一级排水系统2 4 h降雨量 P 所处的重现期水 平 ，即可得到一级排水系统的设计排涝标准。 对中山市中心城区历年最大2 4 h 暴雨量资料进 行排频适线 ，得到最大 2 4 h暴雨量与对应重现期 的 关系曲线见图4 ，根据曲线关系可以看出市政排水 与水利排涝采用的重现期有着大约相应或相当的关 系，拟合得到最大 2 4 h降雨量与频率曲线关系为 P 2 4 h = 8 8 ． 8 4 7 l n T+ 7 0 ． 8 3 2 ，将 P 2 4 h = 2 3 2 ． 6 m m代 入上式，计算得到与白石涌二级排水 2 年一遇设计 标准相匹配的一级排水系统设计重现期为 6 ． 2年， 即白石涌一级排水系统设计重现期必须大于6 ． 2年 才能满足二级排水的要求，本工程结合地区排涝标 准拟定为 l 0年 。 图 4 最大 2 4 h暴雨量与对应重现期的关系 曲线图 3 ． 5 匹配关系复核验证 一 级排水系统属于较大区域的排水，其设计流 量通常采用适用于具有较强调蓄能力的城市河网区 和农 田区的综合单位线法、推理公式法、平均排除 法等方法计算，二级排水系统属于小区域的排水， 其汇水面积小，没有滞蓄库容，洪灾由短历时暴雨 形成，工程设施的规模多以洪峰控制，通常采用城 市水文学法计算设计排水流量，本工程根据白石涌 相关参数分别计算了一级、二级排水系统的设计流 量 ，并对建立的匹配关系进行了复核验证。 3 ． 5 ． 1 一级排水设计流量 根据相关排涝规划并结合地区发展要求，中山 市市区排涝标准为 1 0年一遇最大 2 4 h暴雨不成灾。 设计洪水流量计算采用广东省水文水资源局水资源 科所编的 “ 综合单位线法”软件进行。广东省综 合单位线是选用 5 0个水文站共 6 3 9场雨洪对应资 料分析综合的，产流分析采用初损后损法，汇流分 析主要是应用线性系统识别的最小二乘法解算经验 单位线，综合给出分区分类的无因次单位线 一 i 表达的经验线型，并从设计条件出发，建立分区的 4 7 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 1期 集水区域特征参数0 = L ／ 7 ] -~ 稳定的单位线滞时m 的关系。 该方法使用下列公式计算： “ q ￡ tJW ： t i ／t p 式中 ， ——无因次单位线纵横坐标； q ，t l——时段单位线的纵横坐标； —— 单位线的上涨历时； 卜水量 ，W=F ／ 3 ． 6相当于 1 mm径 流深的水量 ； 卜集水面积 ( k m ) 。 计算成果见表 1 。 表 1 白石涌一级排水设计流量计算成果表 干流河长 集雨面积 设计洪峰 ( m ／ s ) 河涌 干流坡 降 ( k m) ( k m ) P=5 ％ P=1 O ％ 白石涌 1 1 ． 7 2 7 ． 5 4 O ． o o 1 5 2 5 0 ． 4 2 0 6 ． 2 3 注石榴坑水库由于兼有养殖功能，日 常水位较高，其调洪能 力很小 ，因此计 算 白石 涌洪水 时 ，只考 虑金钟 水库 的调蓄 作用，白石涌的集雨面积为2 7 ． 5 4 k m 2 。 因白石涌位于 中山市的 中心城 区，其排涝要 求在设计标准下不成灾，即短时间内也不受淹， 因此一级排水系统 白石涌 的设计规模在 自排条件 下要满足 1 0年一 遇设计洪 峰流量 2 0 6 ． 2 3 m ／ s的 要求。 3 ． 5 ． 2 二级排水设计流量 采用城市水文学法进行计算，根据 《 室外排 水设计规范》 ( G B 5 0 0 1 4 --2 0 0 6 )中的雨水设计流 量计算公式： Q = F q 式中Q ——雨水设计流量 ( L ／ s ) ； —— 综合径流系数，参考 《 中山市城市 总体 规 划 ( 2 0 0 5 --2 0 2 0 年 ) 》 和 《 室外排水设计规范》 ( G B 5 o 0 1 4 — 2 0 0 6 ) ，因 白石涌位于 中心城区，属 城市建筑密集区，综合径流系数经分 析取 0 ． 7 ； 卜汇水面积 ( h m ) ； g ——雨水暴雨强度 [ L ／ ( s h m 。 ) ] 。 暴雨强度计算采用中山市暴雨强度公式： 一 三 ： ( Z ) — f t+3 ． 6 7) 。 5 7 t =t 1 + m t 2 48 式中卜一 降雨历时 ( ra i n ) ； —— 地面集水时间 ( ra i n ) ，视距离长短、 地形坡度 和地面铺盖情况而定 ，一般 采用 5—1 5 m i n ； m ——折减系数，暗管折减系数 m= 2 ，明渠 折减系数 m= 1 ． 2 ，在陡坡地区，暗管 折减系数 m= 1 ． 2— 2 ； ：——管渠内雨水流行时间 ( m i n ) ； 重现期 ( 年)本工程取2年。 计算结果见表 2 。 表 2 白石涌二级排水设计流量计算成果表 河涌 重现期 ( a ) q[ L ／ ( B h m ) ] 设计流量 ( m ／ s ) 1 9 n O 7 1 7 3 ． 6 4 白石涌 2 l 0 3 ． 5 7 1 9 9 ． 6 6 3 1 1 1 ． 4 7 2 1 4 ． 8 9 从表2可知，白石涌二级排水系统需收集转运 的2 年一遇设计洪水为 1 9 9 ． 6 6 m ／ s 。 3 ． 5 ． 3匹配关系复核验证 从以上计算结果可以看 出白石涌二级排水 2 年一遇设计流量 1 9 9 ． 6 6 m ／ s ，略小于一级排水 1 O 年一遇设计流量 2 0 6 ． 2 3 m ／ s ，但与其非常接近， 与前设计暴雨量分析结果一致 ，两者有较好 的对 应关系。因此 ，根据分析成果拟定 的一级 排水 系 统的规模正好能够转运二级排水系统收集的暴雨 涝水，经复核验证本工程确定的两个设计标准是 匹配 的。 4 结语 本文结合具有珠江三角洲河网地区典型排涝模 式的工程实例， 对城市一级、二级排水系统设计标 准的匹配进行了计算分析，并通过设计排水流量的 计算对拟定的匹配关系进行了复核验证，为城市一 级、二级排水系统的合理衔接和设计提供了参考 依据。 参 考 文 献 1 G B 5 0 2 8 8 - - - 9 9 灌溉与排水设计规范 [ S ] 2 G B 5 0 0 1 4 - - - 2 0 0 6室外排水设计规范 [ s ] 3 谢华 ，黄介生 ．平原河网地区城市两级排涝标准匹配 关系研究 [ R ]． 2 0 0 9年全国大型泵站更新改造研讨暨 新技术、新产品交流大会论文集 ，2 0 0 9