海綿城市建設(shè)工作不僅推動(dòng)了城市綠色發(fā)展理念的實(shí)踐，也推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，其顯著性成果就是推進(jìn)了水力模型技術(shù)的大面積應(yīng)用與普及。但由于前期對(duì)水力模型基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作的不足，導(dǎo)致排水模型技術(shù)在海綿城市建設(shè)應(yīng)用過(guò)程中存在很多問(wèn)題，例如降雨數(shù)據(jù)的輸入問(wèn)題。降雨數(shù)據(jù)是進(jìn)行與雨水相關(guān)模擬計(jì)算的重要輸入條件，其中設(shè)計(jì)暴雨是構(gòu)成設(shè)計(jì)工況的條件之一。排水模型輸入的設(shè)計(jì)暴雨由設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線（hyetogragh）組成，在不同的設(shè)計(jì)工況下應(yīng)輸入不同的設(shè)計(jì)暴雨。  

小編說(shuō)  

針對(duì)海綿城市建設(shè)中水力模型輸入的設(shè)計(jì)暴雨問(wèn)題，分析了源頭、過(guò)程和末端在不同設(shè)計(jì)工況條件下的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式及設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程的建立方法和適用范圍，給出了城市雨水管網(wǎng)、防澇設(shè)施、排澇河道和低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施輸入設(shè)計(jì)暴雨的模型應(yīng)用方法，區(qū)分了設(shè)計(jì)工況與事件模擬工況的差別。  

0引言  

海綿城市建設(shè)工作不僅推動(dòng)了城市綠色發(fā)展理念的實(shí)踐，也推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，其顯著性成果就是推進(jìn)了水力模型技術(shù)的大面積應(yīng)用與普及。但由于前期對(duì)水力模型基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作的不足，導(dǎo)致排水模型技術(shù)在海綿城市建設(shè)應(yīng)用過(guò)程中存在很多問(wèn)題，例如降雨數(shù)據(jù)的輸入問(wèn)題。降雨數(shù)據(jù)是進(jìn)行與雨水相關(guān)模擬計(jì)算的重要輸入條件，其中設(shè)計(jì)暴雨是構(gòu)成設(shè)計(jì)工況的條件之一。排水模型輸入的設(shè)計(jì)暴雨由設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線（hyetogragh）組成，在不同的設(shè)計(jì)工況下應(yīng)輸入不同的設(shè)計(jì)暴雨。  

正確理解和構(gòu)建模擬工況（在國(guó)外經(jīng)常稱為情景或場(chǎng)景scenario）是應(yīng)用排水模型技術(shù)、獲得有意義結(jié)果的關(guān)鍵。但目前存在很多誤區(qū)，例如在實(shí)際工程中通過(guò)技術(shù)措施處置30mm左右降雨，通常就認(rèn)為已實(shí)現(xiàn)1年一遇或2年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的降雨，實(shí)際上這是兩個(gè)概念，一個(gè)是調(diào)蓄水量，另一個(gè)是管網(wǎng)的排水能力。在海綿城市建設(shè)中，年徑流總量控制率按照30mm/d左右的降雨進(jìn)行計(jì)算，而排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)是按照30mm/h左右的降雨進(jìn)行計(jì)算，如果準(zhǔn)確計(jì)算管網(wǎng)的排水量，其最大值可以達(dá)到24倍的年徑流總量控制率的降雨量，造成這種誤區(qū)的原因就是對(duì)工況的理解出現(xiàn)問(wèn)題。另一個(gè)例子就是防澇和排澇概念的混淆，防澇工程實(shí)質(zhì)是市政排水的一部分，而排澇工程是水利工程的一部分，排澇工程是排水工程的下游受納水體，在現(xiàn)階段我國(guó)市政和水利工程分屬于兩個(gè)學(xué)科和兩個(gè)行業(yè)部委管理，防澇與排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法不同。防澇工程是排除或蓄存超過(guò)排水管渠排水能力的地表徑流雨水的工程設(shè)施，保證在防澇標(biāo)準(zhǔn)條件下不產(chǎn)生內(nèi)澇積水災(zāi)害。但防澇工程在我國(guó)一直被忽視，普遍的認(rèn)識(shí)是用雨水管網(wǎng)解決城市內(nèi)澇問(wèn)題，而現(xiàn)狀是我國(guó)的雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（只有3～5年）偏低，無(wú)法達(dá)到防澇標(biāo)準(zhǔn)的要求（30～100年），因此造成內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)。  

設(shè)計(jì)暴雨是輸入水力模型代表設(shè)計(jì)工況的降雨過(guò)程線，不同的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程代表不同的設(shè)計(jì)工況。因此，確定正確、合理的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線是進(jìn)行海綿城市建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作的先決條件。  

1海綿城市建設(shè)相關(guān)工程的設(shè)計(jì)工況  

根據(jù)海綿城市建設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)的最新研究成果，海綿城市建設(shè)中源頭、過(guò)程和末端涉及的單項(xiàng)工程包括：源頭控制工程、雨水管渠工程、防澇工程、排澇工程和防洪工程等。  

1.1管網(wǎng)設(shè)計(jì)工況  

雨水管渠排水工程（又稱小排水系統(tǒng)）的職責(zé)是及時(shí)排除降雨期間城市區(qū)域內(nèi)的地表徑流，防止形成積水影響市民正常出行。雨水管渠的設(shè)計(jì)工況：根據(jù)徑流成因理論和推理公式法原理，在假設(shè)降雨的重現(xiàn)期與洪峰流量相同的條件下，降雨歷時(shí)等于流域匯水時(shí)間時(shí)，形成最大流量。設(shè)計(jì)工況由設(shè)計(jì)斷面對(duì)應(yīng)的匯水（服務(wù)）面積、匯水時(shí)間、設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度和徑流系數(shù)組成，根據(jù)計(jì)算的設(shè)計(jì)流量確定排水管渠斷面和坡度，當(dāng)排水系統(tǒng)采用同一重現(xiàn)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)計(jì)管段采用相同的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期暴雨，也就是芝加哥雨型，或稱為芝加哥雨型設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線。  

1.2管網(wǎng)溢流設(shè)計(jì)工況  

防澇工程（又稱大排水系統(tǒng)上游）的職責(zé)是及時(shí)排除或蓄存雨水排水管渠不能及時(shí)排除的雨水，防止形成城市內(nèi)澇災(zāi)害。防澇工程分析城市區(qū)域內(nèi)形成積水和內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，并提出解決方法。防澇工程的設(shè)計(jì)工況：在大暴雨條件下，分析雨水管渠排水失效后可能形成的地表徑流路徑和計(jì)算雨水管渠排水溢流水量過(guò)程線，確定該部分雨水的排水通道和蓄滯空間，通常是承擔(dān)排水功能的道路和削峰調(diào)節(jié)池。設(shè)計(jì)工況由上游邊界條件雨水管渠的排水能力、下游受納水體的設(shè)計(jì)水位、城市地面高程模型、城市內(nèi)澇設(shè)計(jì)暴雨、排水通道和蓄滯空間等參數(shù)構(gòu)成。  

1.3受納水體設(shè)計(jì)工況  

排澇工程（又稱大排水系統(tǒng)下游、排水受納水體）的職責(zé)是接納城市區(qū)域的降雨徑流雨水，通過(guò)河道排向下游水體或蓄存于湖泊，保證城市區(qū)域不造成大范圍的排水不暢和內(nèi)澇災(zāi)害。城市排澇工程分析城市區(qū)域排入河道和湖泊等受納水體的排水和蓄水能力，保證有效接納城市排水。排澇工程的設(shè)計(jì)工況：在沒(méi)有上游來(lái)水的條件下，與雨水管渠的設(shè)計(jì)理論相近，其差別是流域范圍大、匯水時(shí)間長(zhǎng)，并應(yīng)考慮澇水的排除時(shí)間和降雨的面不均勻性等問(wèn)題。  

1.4河道、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)工況  

防洪工程（排除流域洪水的河流，是城市排水和排澇工程的受納水體）的職責(zé)是在發(fā)生流域洪水的條件下，保障城市區(qū)域的安全，避免洪水進(jìn)城造成重大損失。城市防洪工程分析流域洪水發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防措施，城市區(qū)域的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)一般高于其他地區(qū)。防洪工程的設(shè)計(jì)工況：防洪工程一般不是根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨估算洪峰流量，而是根據(jù)河流監(jiān)測(cè)洪峰流量的頻率確定設(shè)計(jì)流量，采用流量過(guò)程線演算和預(yù)測(cè)的方法確定設(shè)計(jì)斷面的設(shè)計(jì)流量。  

1.5源頭減控工程的設(shè)計(jì)工況  

源頭減控工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)不是一個(gè)，主要包括減少面源污染、增加水資源利用量和削減洪峰流量等目標(biāo)，還有水生態(tài)、水文化等需求。所以源頭減控工程的設(shè)計(jì)工況也包括多個(gè)，不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)工況，應(yīng)根據(jù)面源污染控制、雨水利用、提高排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和城市防澇的設(shè)計(jì)工況需求構(gòu)造或選用不同的設(shè)計(jì)暴雨。  

1.6降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)  

我國(guó)的氣象部門(mén)和水利部門(mén)都是國(guó)家授權(quán)的降雨觀測(cè)單位，由于設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)位置不同、服務(wù)對(duì)象不同、整理數(shù)據(jù)的方法不同，造成氣象部門(mén)與水利部門(mén)獲取的降雨數(shù)據(jù)存在差異，如果混淆使用數(shù)據(jù)源，將帶來(lái)諸多問(wèn)題。對(duì)降雨數(shù)據(jù)的基本要求應(yīng)同時(shí)滿足3個(gè)要求：對(duì)城市規(guī)劃區(qū)具有代表性；有30年以上自記雨量資料；數(shù)據(jù)整編精度為1min，能夠滿足防澇工程設(shè)施的設(shè)計(jì)暴雨；采用水利部門(mén)的降雨數(shù)據(jù)構(gòu)造排澇工程和防洪工程的設(shè)計(jì)暴雨。  

2各設(shè)計(jì)工況的設(shè)計(jì)暴雨  

2.1雨水管渠設(shè)計(jì)暴雨  

針對(duì)城市雨水管渠排水工程的職責(zé)和設(shè)計(jì)工況，推理公式法給出了非常出色的解決方法，就是在降雨過(guò)程中，分別選取不同時(shí)長(zhǎng)的最大時(shí)段降雨，之后進(jìn)行頻率分析，為了使用方便，擬合出誤差最小的暴雨強(qiáng)度公式。在設(shè)計(jì)中，選用一定的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，便能保證所有的設(shè)計(jì)斷面對(duì)應(yīng)的降雨是同一個(gè)重現(xiàn)期，所有城市雨水管渠排水工程的設(shè)計(jì)暴雨是相同重現(xiàn)期、不同時(shí)段降雨事件的組合。新中國(guó)成立后，我國(guó)城市暴雨強(qiáng)度計(jì)算一直采用年多個(gè)樣法，其頻率不是年頻率，而是次頻率，雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期較低，從一年4次（0.25年）開(kāi)始。為了使城市雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)的水利工程一致，后來(lái)我國(guó)采用年最大值法進(jìn)行暴雨強(qiáng)度計(jì)算，其設(shè)計(jì)重現(xiàn)期已調(diào)整為2～5年的年頻率。雨水管渠設(shè)計(jì)暴雨采用年最大值采樣方法可以獲得重現(xiàn)期大于2年事件的可靠估計(jì)（預(yù)測(cè)），用于計(jì)算重現(xiàn)期等于1年事件是不可靠的。  

雨水管渠設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式的建立過(guò)程包括采樣、頻率分析、公式擬合、誤差分析、應(yīng)用分析5個(gè)步驟，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)進(jìn)行擬合（見(jiàn)圖1），由于P-Ⅲ頻率分析注重低重現(xiàn)期部分的擬合精度，采用固定Cs/Cv=3/5、Cv單增策略，并注意一族曲線的擬合精度，在管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期部分?jǐn)M合最好，保證了管網(wǎng)設(shè)計(jì)的可靠性；但高重現(xiàn)期部分的擬合精度較差，數(shù)值偏低。因此，短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線可以用于評(píng)估管網(wǎng)的排水能力，用于內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)時(shí)結(jié)果偏低。  

2.2防澇工程設(shè)計(jì)暴雨  

城市防澇工程是指排除和蓄存超過(guò)雨水管網(wǎng)排水能力、小于城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的地表漫流雨水的工程設(shè)施，包括行泄通道、調(diào)蓄設(shè)施和泵站等，發(fā)達(dá)國(guó)家一般采用城市道路作為超標(biāo)雨水的行泄通道。因該工程是通過(guò)計(jì)算雨水管渠失效后溢流雨水量作為設(shè)計(jì)流量，因此降雨資料的數(shù)據(jù)來(lái)源與雨水管渠的暴雨強(qiáng)度公式采樣方式相同。為了科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)城市防澇工程，并考慮調(diào)蓄設(shè)施容積設(shè)計(jì)的需要和與排澇工程相銜接，采用長(zhǎng)歷時(shí)（24h）設(shè)計(jì)暴雨的降雨過(guò)程。防澇工程設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度用于與城市防澇工程相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，可以構(gòu)造城市防澇設(shè)計(jì)工況。在年最大值法的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式P-Ⅲ曲線頻率（見(jiàn)圖2）應(yīng)采用高重現(xiàn)期部分?jǐn)M合優(yōu)化策略和固定Cs/Cv=3/5、Cv單增策略。采用氣象點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)編制城市排水防澇系統(tǒng)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)歷時(shí)（24h）暴雨（強(qiáng)度）量公式、典型降雨過(guò)程的雨型，成果是設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式和雨型結(jié)合合成內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線。防澇工程設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式的建立過(guò)程包括采樣、頻率分析、公式擬合、誤差分析、應(yīng)用分析，同短歷時(shí)雨水管渠設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式的建立方法類似，但頻率分析更注重高重現(xiàn)期部分?jǐn)M合精度。  

防澇工程設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程的建立原則為：采用氣象部門(mén)的點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)，區(qū)別于水利部門(mén)采集面雨量數(shù)據(jù)方法，計(jì)算精度要求高于水利部門(mén)的相關(guān)規(guī)定；最大平均時(shí)段降雨同頻率事件組合原則合成設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線，即每一個(gè)匯水時(shí)間對(duì)應(yīng)的降雨都是相同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期；防澇工程設(shè)計(jì)暴雨頻率分析注重高重現(xiàn)期部分?jǐn)M合精度，低重現(xiàn)期部分?jǐn)M合精度差，數(shù)值偏低；排水和防澇工程設(shè)計(jì)暴雨不同（不同的暴雨歷時(shí)和暴雨雨型）。  

防澇工程設(shè)計(jì)暴雨的雨型建立過(guò)程為：采集10場(chǎng)歷史最大24h降雨事件；參考水利部門(mén)最大24h設(shè)計(jì)降雨選擇雨峰位置；10場(chǎng)實(shí)際降雨過(guò)程的雨峰位置與水利雨型雨峰位置重合，求各5min時(shí)段的平均值，并求出各個(gè)時(shí)段所占24h總的平均降雨量的百分?jǐn)?shù)，得到降雨量時(shí)段分配曲線，也就是雨型。根據(jù)24h暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算時(shí)段降雨量，根據(jù)雨型重新計(jì)算各個(gè)時(shí)段分配降雨量百分?jǐn)?shù)，將各個(gè)時(shí)段計(jì)算的數(shù)值分配到降雨過(guò)程中，得到降雨過(guò)程線，也就是設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線（見(jiàn)圖3）。  

2.3排澇工程設(shè)計(jì)暴雨  

排澇工程屬于水利工程，依據(jù)城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范，參考水文手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)暴雨一般為1h時(shí)段的降雨過(guò)程。排澇工程的設(shè)計(jì)工況是計(jì)算在設(shè)計(jì)重現(xiàn)期條件下能夠進(jìn)入河道的最大流量，用來(lái)確定排澇河道設(shè)計(jì)斷面，類似于推理公式法。一般根據(jù)水文站24h、6h、1h的PⅢ頻率曲線分析成果，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其他時(shí)段的降雨量，計(jì)算結(jié)果沒(méi)有暴雨強(qiáng)度公式準(zhǔn)確。  

2.4防洪工程設(shè)計(jì)暴雨

防洪工程屬于水利工程，依據(jù)城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。大江、大河一般都建有水文站，采用流量發(fā)生的重現(xiàn)期確定設(shè)計(jì)流量，在特殊情況下，可采用最大可能降雨推算設(shè)計(jì)流量。  

排澇工程和防洪工程是排水和防澇工程的下游，科學(xué)確定下游邊界條件對(duì)構(gòu)建排水、防澇水力模型非常重要。  

2.5源頭減控工程設(shè)計(jì)暴雨  

我國(guó)采用年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的降雨量作為設(shè)計(jì)參數(shù)以確定低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的規(guī)模，能夠?qū)崿F(xiàn)年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)降雨量以下的降雨事件不對(duì)外排水。但該方法對(duì)于面源污染控制、雨水利用、提高排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和城市防澇等功能的作用是間接的，對(duì)于流域的作用更難計(jì)算。建議根據(jù)低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的設(shè)計(jì)目標(biāo)構(gòu)建設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，參考面源污染控制、雨水利用、提高排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和城市防澇的設(shè)計(jì)工況需求建立設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式�？梢詫⒌陀绊戦_(kāi)發(fā)設(shè)施設(shè)計(jì)降雨量（年徑流總量控制率）轉(zhuǎn)化為不同的控制策略，采用不同的設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)。  

在源頭設(shè)置城市防澇削峰調(diào)蓄池，設(shè)計(jì)采用24h長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線，將最不利的高峰降雨時(shí)段的降雨進(jìn)行削峰處理，可有效緩解流域內(nèi)下游低洼區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。  

在源頭設(shè)置提高雨水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)蓄池，設(shè)計(jì)采用3h短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨，將最不利的高峰降雨時(shí)段的降雨進(jìn)行削峰處理，可以有效緩解排水系統(tǒng)的排水壓力，減少超標(biāo)溢流事件發(fā)生。  

雨水利用工程的設(shè)計(jì)暴雨可以參考雨水利用相關(guān)規(guī)范。由于減少雨水管渠向河道排水次數(shù)、減少合流制系統(tǒng)溢流次數(shù)等工況與實(shí)際降雨過(guò)程關(guān)系密切，建議采用實(shí)際降雨過(guò)程數(shù)據(jù)建模。  

3結(jié)論  

（1）科學(xué)構(gòu)建設(shè)計(jì)工況是用模型進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的前提條件，設(shè)計(jì)暴雨是描述設(shè)計(jì)工況的主要參數(shù)。  

（2）長(zhǎng)、短歷時(shí)城市暴雨強(qiáng)度公式均可采用固定Cs/Cv=3.5、Cv單增策略，通過(guò)P-Ⅲ一族曲線人工適線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。  

（3）建議P-Ⅲ分布短歷時(shí)采用低重現(xiàn)期、長(zhǎng)歷時(shí)采用高重現(xiàn)期部分最佳擬合優(yōu)化目標(biāo)策略。  

（4）長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨編制方法的暴雨強(qiáng)度公式部分應(yīng)符合《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)雨型部分應(yīng)符合水利部門(mén)有關(guān)規(guī)定，可提高設(shè)計(jì)暴雨的精度。  

（5）通過(guò)選取歷史上最大10場(chǎng)24h降雨過(guò)程，基于水利部門(mén)同頻率分析法和倍比放大法為基礎(chǔ)的雨型構(gòu)造方法，時(shí)段為5min，與水利部門(mén)1h相比，更加精細(xì)化。  

微信對(duì)原文有修改。原文標(biāo)題：海綿城市建設(shè)中的設(shè)計(jì)暴雨探討；作者：周玉文；作者單位：北京工業(yè)大學(xué)�？窃凇督o水排水》2019年第3期。

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