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2.2防涝工程设计暴雨
城市防涝工程是指排除和蓄存超过雨水管网排水能力、小于城市防洪标准的地表漫流雨水的工程设施,包括行泄通道、调蓄设施和泵站等,发达国家一般采用城市道路作为超标雨水的行泄通道。因该工程是通过计算雨水管渠失效后溢流雨水量作为设计流量,因此降雨资料的数据来源与雨水管渠的暴雨强度公式采样方式相同。为了科学规划和设计城市防涝工程,并考虑调蓄设施容积设计的需要和与排涝工程相衔接,采用长历时(24 h)设计暴雨的降雨过程。防涝工程设计暴雨强度用于与城市防涝工程相关的设计计算,可以构造城市防涝设计工况。在年最大值法的基础上,长历时暴雨强度公式P-Ⅲ曲线频率(见图2)应采用高重现期部分拟合优化策略和固定Cs/Cv=3/5、Cv单增策略。采用气象点雨量数据编制城市排水防涝系统设计的长历时(24 h)暴雨(强度)量公式、典型降雨过程的雨型,成果是设计暴雨强度公式和雨型结合合成内涝防治设计暴雨过程线。防涝工程设计暴雨强度公式的建立过程包括采样、频率分析、公式拟合、误差分析、应用分析,同短历时雨水管渠设计暴雨强度公式的建立方法类似,但频率分析更注重高重现期部分拟合精度。
防涝工程设计暴雨过程的建立原则为:采用气象部门的点降雨数据,区别于水利部门采集面雨量数据方法,计算精度要求高于水利部门的相关规定;最大平均时段降雨同频率事件组合原则合成设计降雨过程线,即每一个汇水时间对应的降雨都是相同设计重现期;防涝工程设计暴雨频率分析注重高重现期部分拟合精度,低重现期部分拟合精度差,数值偏低;排水和防涝工程设计暴雨不同(不同的暴雨历时和暴雨雨型)。
防涝工程设计暴雨的雨型建立过程为:采集10场历史最大24 h降雨事件;参考水利部门最大24 h设计降雨选择雨峰位置;10场实际降雨过程的雨峰位置与水利雨型雨峰位置重合,求各5 min时段的平均值,并求出各个时段所占24 h总的平均降雨量的百分数,得到降雨量时段分配曲线,也就是雨型。根据24 h暴雨强度公式计算时段降雨量,根据雨型重新计算各个时段分配降雨量百分数,将各个时段计算的数值分配到降雨过程中,得到降雨过程线,也就是设计暴雨过程线(见图3)。
2.3排涝工程设计暴雨
排涝工程属于水利工程,依据城市防洪工程设计规范,参考水文手册进行设计,设计暴雨一般为1 h时段的降雨过程。排涝工程的设计工况是计算在设计重现期条件下能够进入河道的最大流量,用来确定排涝河道设计断面,类似于推理公式法。一般根据水文站24 h、6 h、1 h的PⅢ频率曲线分析成果,采用经验公式计算其他时段的降雨量,计算结果没有暴雨强度公式准确。
2.4防洪工程设计暴雨
防洪工程属于水利工程,依据城市防洪工程设计规范进行设计。大江、大河一般都建有水文站,采用流量发生的重现期确定设计流量,在特殊情况下,可采用最大可能降雨推算设计流量。
排涝工程和防洪工程是排水和防涝工程的下游,科学确定下游边界条件对构建排水、防涝水力模型非常重要。
2.5源头减控工程设计暴雨
我国采用年径流总量控制率对应的降雨量作为设计参数以确定低影响开发设施的规模,能够实现年径流总量控制率对应降雨量以下的降雨事件不对外排水。但该方法对于面源污染控制、雨水利用、提高排水管网设计标准和城市防涝等功能的作用是间接的,对于流域的作用更难计算。建议根据低影响开发设施的设计目标构建设计暴雨强度,参考面源污染控制、雨水利用、提高排水管网设计标准和城市防涝的设计工况需求建立设计暴雨强度公式。可以将低影响开发设施设计降雨量(年径流总量控制率)转化为不同的控制策略,采用不同的设计暴雨进行设计。
在源头设置城市防涝削峰调蓄池,设计采用24 h长历时设计暴雨过程线,将最不利的高峰降雨时段的降雨进行削峰处理,可有效缓解流域内下游低洼区域的内涝风险。
在源头设置提高雨水管网标准调蓄池,设计采用3 h短历时设计暴雨,将最不利的高峰降雨时段的降雨进行削峰处理,可以有效缓解排水系统的排水压力,减少超标溢流事件发生。
雨水利用工程的设计暴雨可以参考雨水利用相关规范。由于减少雨水管渠向河道排水次数、减少合流制系统溢流次数等工况与实际降雨过程关系密切,建议采用实际降雨过程数据建模。
3结论
(1)科学构建设计工况是用模型进行工程设计的前提条件,设计暴雨是描述设计工况的主要参数。
(2)长、短历时城市暴雨强度公式均可采用固定Cs/Cv=3.5、Cv单增策略,通过P-Ⅲ一族曲线人工适线参数进行优化。
(3)建议P-Ⅲ分布短历时采用低重现期、长历时采用高重现期部分最佳拟合优化目标策略。
(4)长历时设计暴雨编制方法的暴雨强度公式部分应符合《室外排水设计规范》的有关规定,设计雨型部分应符合水利部门有关规定,可提高设计暴雨的精度。
(5)通过选取历史上最大10场24 h降雨过程,基于水利部门同频率分析法和倍比放大法为基础的雨型构造方法,时段为5 min,与水利部门1 h相比,更加精细化。
微信对原文有修改。原文标题:海绵城市建设中的设计暴雨探讨;作者:周玉文;作者单位:北京工业大学。刊登在《给水排水》2019年第3期。
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