广州市排涝规划设计流量分析

出　　自： 《中国给水排水》 1998年第4期第28页
发表时间： ： 1998-4

王洪云(天津市市政工程设计研究院)；陈金荣(中国市政工程华北设计研究院)

　　广州市城市排涝总体规划，是根据1992年12月《广州市城市总体规划》(2000年～2010年)，采用抵御20 年一遇暴雨的规划标准来进行的。规划排涝设施计算的主要内容是排涝河涌和调蓄水网的计算。
　　根据广州市的地形特点和实际情况分成24个排涝流域，由于各个流域的地形、地面覆盖情况和城市规划用地功能不尽相同，因此经过分析采用了3种计算方法。

1 排涝规划的计算

　　1.1 规划排涝河涌的计算
　　1.1.1 河涌所在流域为规划建成区
　　根据广州市城市总体规划，绝大部分建成区地势比较平缓，且流域面积较小(河涌的服务面积)，一般<10k㎡，故采用城市水文学的公式模型来计算河涌的洪峰流量。即

　　式中 Q m ——河涌规划断面处的洪峰流量，m 3 /s
　　ψ——洪峰径流系数
　　i p ——暴雨强度，mm/h
　　A——汇流面积，k㎡
　　i p =S p /τ np
　　S p ——暴雨雨力，mm/h
　　τ——汇流历时，h
　　n p ——暴雨衰减指数
　　① 洪峰径流系数ψ。严格地说，ψ应由下式确定:

　　式中 P=F+I a +SRO
　　SRO——地表径流量
　　F——下渗量
　　I a ——初期损失量(填洼、截留等)
　　P——降雨量
　　上述参数的数据需要通过径流模拟实验及其统计结果一一得到，很难直接计算。本次为了简化，根据广州市已有建成区的特点，ψ值在0.6～0.75之间，但由于新规划的建成区绿化标准提高，故ψ值选取不超过0.6。
　　② 汇流时间τ。τ一般定义为水质点从流域最远点流达出口或设计点所需的汇流时间。由于很难直接量算，规划中依据流域的地面情况和河涌情况，采用经验公式来计算，即柯尔皮茨(kirpich)公式:

　　式中 τ——地面径流汇流时间，min
　　L——流域长度，m
　　S——流域平均坡度
　　③ 暴雨雨力S p 。根据相应的汇流历时，考虑与降雨同步，采用广州市防洪排涝规划资料《广州地区设计雨型分析》中所提供的雨型，在设计暴雨最大24 h时程分配表中摘取相应历时的降雨深度作为暴雨雨力。
　　④ 暴雨衰减指数n p 。就全国来讲，n p 值因地区不同而异，但范围大约在0.5～0.7，对于广州地区经过实际推算和论证取定n p =0.67。
　　在广州市排涝规划中这种方法适用于芳村区、海珠区、珠江前航道以北至广深铁路之间的规划建成区的排涝河涌计算。
　　在河涌各个规划断面的设计流量确定后，便可进行规划断面的计算。在设定的断面水深或底宽的情况下，规划断面的各个参数便可确定。
　　1.1.2 河涌所在流域位于规划空白区(山区或高丘区)
　　根据这些地区洪水形成的特性，结合广州的暴雨资料和有关水文资料，采用小汇水面积(全流域的汇水面积<500k㎡)推理公式法来计算河涌的设计流量。
　　为了简便起见，可以按所编PC-1500电算程序来进行计算，这种方法不仅可以计算出河涌任一断面的设计洪峰流量，而且根据需要可以进行洪水过程线的推求和调洪的演算，使得洪峰流量在全流域上随着时间的推移而变化的情况变得十分直观，从而在排涝时充分利用河涌穿过具有调洪作用的水体，规划河涌也因此而更经济可行。
　　推理公式的电算程序是在输入各个相关参数的数据后自动联解其基本公式，联解的方法是迭代法。推理公式的基本形式:

　　式中 Q m ——设计洪峰流量，m 3 /s
　　S p ——相应τ时段的暴雨雨力，mm /h
　　τ——汇流历时，h
　　f——平均后损失率，mm/h
　　F——集雨面积，k㎡
　　n p ——相应于τ时段的暴雨衰减指数
　　L——干流河长，km
　　m——流域的汇流参数
　　J——涌河的干流坡降
　　从上述公式来看，需要确定的参数较多，现予简述。
　　① 干流坡降J的确定。干流坡降J是河涌自分水线至规划河流断面的纵断图上按比降变化特征点分河段求出的综合平均比降，可按下式采用加权平均法计算:

　　式中 Z 0 、Z 1 、Z 2 ……Z n-1 、Z n ——沿干流各比降变化特征点的地面高程
　　L 1 、L 2 ……L n ——各特征点间的距离
　　② S p 、n p 的确定。按照年最大24h的暴雨时程分配，可将汇流历时τ分为1/6～1、1～6、6～24 h三个不同时段的计算公式来求得。
　　当6 h<τ<24 h时:

　　式中 H tp ——相应于t时刻的设计点暴雨量，mm
　　H tpm ——相应于t时刻的设计面暴雨量，mm
　　并且有以下的计算公式:

　　式中 ——暴雨均值，mm
　　K tp ——模比系数
　　α t ——点面暴雨量换算系数
　　还要特别注意，在计算时，除τ<6h，其S p 即H 1p 外，6 h<τ<24h的S p ＇与H 1pm 是不相等的，S p ＇只是为了利用H tp =S p ＇×τ 1-n p (6-24) 这种形式的暴雨公式而必须求出的虚拟的暴雨力，因此切不可把S p 与S p ＇混淆起来。
　　③ 集水区域特征参数θ的确定。θ值根据下式计算:

　　④ 点面换算系数α t 的确定。这次规划中，由于广州市位于珠江三角洲地区，属于暴雨低区，所以相应于各降雨历时的α t 可由暴雨低区的α t ——历时——集水面积关系图查得。
　　⑤ 汇流参数m的选定。m值对于推求最大洪峰流量Q m 非常重要，m值的偏差将直接导致Q m 的偏差，所以要求算得的θ值尽量反映实际地形情况。m值可以根据集水区域特征参数θ查暴雨径流资料中的m-θ对数关系图得到。
　　⑥ 暴雨均值H t 、变差系数C vt 、模比系数K tp 的确定。根据年最大各降雨历时点暴雨统计参数(均值C v )等值线图，查水文资料得到集水区域中心点的各降雨历时暴雨参数H t 、C vt 值，然后根据各个C vt 值(C v1 、C v5 、C v24 、C v72 ，查暴雨径流资料中C s =3.5C v 皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数K tp 值表得出各个K tp 值。应当指出:在本次规划计算中由于设计频率P=5%是定值(即均按20年一遇暴雨规划)，因此对应各个历时的K tp 值是常数，亦即K tp 只与设计暴雨的频率有关。
　　有了以上的各个参数，采用对上述推理公式所编的PC—1500电算程序来进行洪峰流量及调洪的演算。值得注意的是因为电算程序是用迭代的方法来计算洪峰流量的，因此其迭代初值Q mo 应是>0的数，求得的Q m 与Q mo 的大小无关。
　　这种方法适用于珠江广州河段前航道以北的沙河涌、车陂涌、乌涌、南岗涌等流域为规划空白区地带的计算，但河涌源头的水库在汛期下泄的流量应作为集中流量计入。
　　1.1.3 河涌所在流域上游为规划空白区(山区或高丘区)，下游为规划建成区
　　上游空白区(山区或高丘区)计算方法前面已述，确定下游的洪峰流量方法是以上游空白区与下游建成区分界线为界，该处河涌断面按空白区计算方法得出的设计流量作为集中流量，在计算下一位于建成区内河涌断面设计流量时，把这部分建成区的流量与集中流量累加得到，建成区的产流按前述第1种方法计算。
　　必须明确指出:建成区按城市水文学的方法计算时，应按相应的暴雨雨力来进行。而此时的雨力S p 与汇流历时τ相对应，τ值为该断面以上全按空白区推理公式法计算得出的τ值，然后根据τ值查广州地区最大24 h雨型时程分配表，得出相应的S p 。如果τ值>9 h，则说明降雨已停(广州地区20年一遇最大24 h的雨型时程分配情况表明降雨量全部集中在1～9 h内)，亦即这部分建成区在此时没有流量汇入，河涌下游断面也不应再扩大，这是该情况下河涌设计流量计算的关键，可以把这种情况下的计算手段命名为“同步组合叠加法”。这种方法适用于珠江前航道以北地区河涌较长、跨越空白区(山区或高丘区)和建成区后入珠江的情况。
　　1.2 调蓄河网的排涝计算
　　广州市有很多河网交叉密布，河涌水域面积较大的水网，例如海珠区的新大围，这些地区在规划排涝设施时，必须充分考虑利用其水网的调蓄能力，压缩排涝设施(排涝泵站及水闸)的规模。调蓄水网的调蓄容量计算方法:

　　式中 W——水网调蓄总容量，m 3
　　A——河网水域总面积，㎡
　　H m ——调蓄的最高水位，m
　　H 0 ——低潮位，m，(调蓄水位起点)
　　(H m 、H 0 均从潮型变化曲线资料中查得)
　　调蓄区的产流量计算方法有两种:
　　1.2.1 规划建成区调蓄产流量计算

　　式中 Q JT ——建成区入调蓄水网的产流量，m 3 /h
　　H p ——最大1 h降雨量，mm
　　ψ——径流系数Z
　　APA——汇流面积，k㎡
　　1.2.2 农业区调蓄产流量计算

　　式中 Q NT ——农业区入调蓄水网的产流量，m 3 /h
　　S p ——年最大24 h暴雨雨力，mm/h
　　f——24 h平均降雨后损失率，mm/h
　　A——汇流面积，k㎡
　　产流量与调蓄容量比较后可知是否需要设排涝泵站来强排，若产流量大于调蓄容量，则根据两者的差值来确定排涝泵站的装机容量。

2 结束语

　　本文介绍的排涝规划设计计算方法是根据广州市的实际情况总结出来的，如应用到其它城市或村镇的防洪排涝规划计算中，则公式模型的地方参数应予修正，并相应地采用当地的暴雨资料、水文资料；有潮汐影响的还要应用潮位、潮型资料来考虑排涝计算。上述方法计算得出的成果准确性有其一定的局限性，原因在于计算中采用的暴雨是经过统计概化后的典型暴雨雨型，再者总体规划阶段不可能一一实测详细的地形。但是，作为城市的总体排涝规划控制计算是可行的。
　　作者通讯处:300051 天津市营口道239号 天津市市政工程设计研究院
　　(收稿日期 1998-01-08)