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排污问题

规范说“同一排水系统可采用不同设计重现期”,到底怎么做?

作者:admin 时间:2018年05月11日

导读:

随着排水系统提标需求的日趋普遍,同一雨水系统采用不同雨水标准的情况日益增多。为此,针对分别计算法、节点流量法、邓氏计算法、高标计算法等4类计算方法开展专题研究,通过对不同设计计算方法的适用性及排水效果比较,为采用不同雨水标准的雨水系统设计提供技术支撑。


引言

近年来,为加强城市排水防涝工作,满足国家相关政策和标准的要求,很多城市面临排水系统提标的迫切需求。根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2016年版):“同一排水系统可采用不同的设计重现期”。许多城市在旧城改造或新建城区时,兼顾区域重要性、排水安全及工程投资,在同一系统采用不同雨水标准,分期分区域进行提标。这使得推理公式法等传统雨水管网设计计算方法遇到挑战,难以很好地满足新情况下的设计需求。但目前国内针对采用不同雨水标准的雨水系统设计计算方法的研究较少,亟需开展专题研究,为城镇排水工程的设计提供技术支撑。


1 不同设计计算方法概述

目前,同一排水系统采用不同重现期,在计算汇流后的总管时,主要有分别计算法、节点流量法、邓氏计算法、高标计算法等4类计算方法。


1.1 分别计算法

当一个雨水系统采用不同雨水设计标准,最为简便的雨水管道流量设计方法是利用推理公式法,高标、低标地块按推算的径流时间及各自的设计重现期分别计算雨水流量,然后系统总管和雨水泵站采用两者计算流量的叠加值。这种计算方法默认的前提条件是低标准地块超出低标准的雨水应该无法排入雨水系统。但实际上,当降雨达到高标准时,低标区也承受同样标准的降雨,此时低标准地区的雨水管道会呈现压力流,而非设计计算时默认的重力流。这时低标准地区雨水管道的过流能力会超过设计计算值,从而挤占汇合总管的排水能力,影响高标准地块的排水安全。


这种方法对于高标区域是不安全的,一般不宜采用。只有当高标区可以优先进入总管,如高架排水时,才能高标、低标区同步达到不同的设计标准。


1.2 节点流量法

节点流量法即当高标区接入低标区时,将高标区接入点的雨水流量作为节点流量进行叠加计算,而不再考虑其雨水流量后续随径流时间的变化。这种方法适用范围较小,一般适用于高标区以强排方式接入低标区时(例如地道泵站、社区泵站等)。但对于以自排方式连接高、低标区域的排水系统,这种计算方法与推理公式假定的一些边界条件是有冲突的,高标区同样存在排水能力受挤占的隐患。由于本方法适用范围比较固定且有限,不作为本研究的重点。


1.3 邓氏计算法

邓氏计算法是1985年同济大学邓培德先生提出一种计算方法,考虑到高标设计重现期时,低标区域管道流量会超过设计流量,这部分增量约为原有流量的1.2倍,计算见式(1):

式中

Q——总管雨水设计流量,L/s;

K——低标区流量调整系数;当Kq1<q2时,K=1.2;当Kq1≥q2时,Kq1=q2。其中1代表低标区,2代表高标区。

q——设计暴雨强度,L/(s·hm²);

Ψ——径流系数;

F——汇水面积,h m²。


这种方法从理论上分析符合推理公式假定的边界条件,同时考虑了高标时低标管道的流量增量,相比分别计算法更加合理。


1.4 高标计算法

高标计算法即在对高标区、低标区汇合后的总管进行计算时,总管管径按照整个服务范围(含高标压区和低标区)的高标标准计算确定。本方法计算的管径偏大,在高重现期降雨时,高标区可以有较好的排水条件,相对偏保守和安全。总管为低标区预留了较大的容量来应对高标时低标区管道实际输送的流量明显高于原设计流量的问题,相当于在一定程度上提高了低标区的标准。本方法由于主管留有部分富余量,土建投资较高,可能存在一定的浪费,尤其是在低标区面积较大时。


1.5 同一系统不同标准的设计计算本质

结合上述分析和相关工程经验,本文认为:在高标区、低标区地面标高等条件基本一致的情况下,采用传统的分别计算法是不安全和不适当的。从本质上,为保证高标区、低标区同步达标,同一系统不同标准的设计计算需要对汇总总管及末端排口(含泵站)的设计规模进行放大。节点流量法、邓氏计算法、高标计算法3种方法从原理上都在一定程度上实现了汇总总管和末端排口放大的目标,只是放大计算的方式和程度不同。节点流量法主要适用于包含地道泵站等局部强排的系统设计,应用范围较小且明确。邓氏计算法和高标计算法是可供选择的主要方法。从广义范畴上讲,高标计算法可视为邓氏计算法的一个特例,即邓氏计算法中低标区设计暴雨强度直接按照高标时计算,但此时邓氏计算法K值的取值范围应当进一步拓展。因为K值原先1.2的最高取值主要为针对上海地区的情况确定,在进一步推广运用时,应当对K值的取值进行进一步分析论证。


2 案例研究对象及方法

为对4种计算方法进行较深入的分析评价,本研究选取上海某排水系统进行分别计算,并建立InfoWorks ICM 排水管网模型,对采用不同计算方法时低标区、高标区的排水效果进行对比分析,从而为评价和选择计算方法提供参考依据。


2.1 研究对象

选取的排水系统位于虹口区,是北外滩的重要组成部分,服务面积约201.85 h m²,采用合流制,排水泵站位于系统的南侧,排放出路为黄浦江。该系统以进泵站公平路总管为界,划分为东西两片,如图1所示。东西两片合流总管汇合后,沿公平路向南接入系统泵站。


图1 研究排水系统的管网布局


本研究假设西侧为低标区(P1=2年),东侧局部为高标区(P2=10年),总管位于低标区。其中高标区面积=57.5 h m²,低标区面积=144.35 h m²,高、低标区的面积比约为1∶2.5。公平路总管为二种重现期区域的汇合总管,是本次研究的主要对象。


2.2 研究方法

由于本研究主要是针对不同设计计算方案的假定性研究,工程未实施且不具备数据采集条件,因此模型的验证主要根据前期研究成果进行便捷校验,同时结合部分历史积水资料进行进一步验证。


为考察系统末端出流能力对排水效果的影响,本研究设置二种出流情况:

①末端出流能力按计算流量限定,采用泵排,设置4台泵,开泵水位分别是末端主管管道充满度的1/4,2/4,3/4,4/4;

②末端出流能力相比计算流量存在进一步增加的空间,采用自由出流,排放口水位标高与汇合主管管顶持平。


本研究中将高标区、低标区地面标高基本持平(现状均为3.0 m左右)作为基础研究工况。同时,鉴于研究系统范围不大,从理论研究角度,认为区域内降雨强度分布是均匀的。


3 不同设计计算方法分析比较

3.1 不同计算方法的差异比较

为充分考察4种方法计算结果的差异,总管上不同节点的计算流量如图2所示。



图2 不同计算方法主管的计算流量


不难发现,采用不同的设计方法时,汇合主管的计算流量各不相同。在本案例中,采用分别计算法计算值最小;邓氏计算法由于低标区流量乘以1.2的K值系数,有一定升高;节点流量法相比邓氏计算法略有增加,但相差不大;而高标计算法计算流量相对最高。


分析其原因,在本案例中,高标区相对面积较小,汇流时间较短,而低标区面积较大,汇流时间较长。如果采用分别计算法计算,高标区的流量与低标区汇合后,采用低标区的流行时间,因此高标区流量被衰减,导致主管总设计流量偏小。而按照邓氏计算法低标区流量乘以1.2倍系数后,总流量超过分别计算法,但略小于节点流量法。节点流量法由于采用高标区的节点流量汇入主管,高标区流量不随管道流行时间延长发生衰减,主管计算流量高于分别计算法和邓氏计算法。而高标设计方法由于整个系统面积均采用高标计算,因此总管计算流量最高。


需要说明的是,上述几种计算方法之间的流量大小关系并不是确定不变的,而是与高标区和低标区位置、面积、地面标高、选用的排水标准等因素紧密相关的。


3.2 邓氏计算法K值取值影响因素的分析

K值大小主要应取决于低标区域在高标重现期通过低标管道输送的流量增幅,具体影响包括设计重现期、末端出流能力、管道覆土深度、地面高程等因素,在具体的采用过程中应结合计算和模型模拟适当优化确定。


3.2.1 设计重现期

从图2中还可发现,邓氏计算法的K值如果由1.2继续放大,可以达到高标计算法的计算流量。按照上海市新版暴雨强度公式,上海不同重现期下降雨强度比值如表1所示,该比值即为相应高低重现期下K值放大的最高限值。


表1 上海不同重现期下降雨强度比值


可以发现,当高标重现期与低标重现期较为接近时,二者比值不高且接近1.0,例如3年/2年为1.12,5年/3年为1.13,10年/5年为1.16;但如果高标、低标差值较高时,则二者比值明显超过1.20,例如5年/1年为1.59,10年/3年为1.32。可见,在高标重现期与低标差别较大的情况下,K值系数取1.2可能无法满足总管和末端排口放大的需求,需要进一步提高K值系数。这也进一步印证了高标计算法可视为邓氏计算法的一个特例且K值取值范围应当进一步拓展的判断。


3.2.2 末端出流能力

末端出流能力的影响主要体现在末端最高排水能力是按照计算流量限定还是可进一步放大。由于上文已发现设计重现期对K值的取值影响较大,因此在研究末端出流能力时,选择了降雨强度差别较大的高标(P2=10年)和低标(P1=2年)进行研究,以充分显露末端出流能力的影响。


当高标区、低标区地面标高基本持平,末端出流能力按设计计算流量限定(采用泵排出流)时,在高标降雨下(P2=10年),模拟结果如图3所示。结果表明采用分别计算法和邓氏计算法(K=1.2),高标区部分管道均出现显著超负荷状态,地面出现部分显著积水点。此时,系统总管采用高标计算法设计可避免高标区积水。3种计算方法的模拟流量如表2所示,可以发现,采用泵排出流时,由于末端出流能力受限,模拟峰值流量与计算流量基本一致。综上,可以得出结论,当末端排放能力按照设计流量限定时,采用邓氏计算法应对K值进一步放大修正,甚至在高标、低标降雨强度比值很大时,接近于或相当于采用高标计算法。


图3 末端限定流量出流时不同计算方法的影响(P2=10年)


在高标区、低标区地面标高基本持平时,在末端排水能力有放大空间(自由出流)的情况下,模拟结果(见图4)表明,在高标降雨时(P2=10年),采用分别计算法高标区管道呈现大范围显著超负荷状态,但没有产生地面积水。当邓氏计算法(K=1.2)时,与分别计算法相比,高标区排水效果进一步改善,主要体现在部分管道变为无压流,同时低标区积水减少,总体排水效果较好。而采用高标计算法,高标区同样没有积水,管道水流状态最好,但部分管道安全富余度偏高。总体而言,此时采用邓氏计算法其K值可取1.2甚至进一步降低。


图4 末端自由出流时不同计算方法的影响(P2=10年)

 

分析其原因,此时3种计算方法的模拟流量同样显示在表2中,可以发现当末端是自由水面时,模拟总管最大流量可以显著超过设计流量,模拟峰值流量最大达到51.6 m³/s,为设计流量的1.95倍。峰值流量大幅增加的原因主要在于在高标准降雨且自由出流时,管道呈现压力流排水状态,排水利用了管道覆土的高度,进一步提高了水力坡度,因而使得排水效果显著提升,系统末端出流能力明显高于管道设计排水能力。需要说明的是,K值的取值受末端出流能力的影响较大,且即使自由出流出口流量也不能无限制增加,而是受到覆土深度所产生的额外附加水力坡度的限制。



表2 末端限定流量出流与自由出流的流量情况(P2=10年)


3.3 不同计算方法的选择

根据上述分析,在同一雨水系统采用不同设计重现期,且高标区、低标区地面标高基本持平时:

(1)不宜采用分别计算法进行计算,应增加汇合后总管及末端排口的设计流量。


(2)可采用邓氏计算法进行设计计算,但应对K值进行修正。K值的主要影响因素包括设计重现期、末端出流能力、管道覆土深度、地面高程等,在具体的采用过程中应结合计算和模型模拟适当优化确定。


(3)广义上讲,高标计算法可视为邓氏计算法的特例。高标计算法在某些情况下富余量略大,而邓氏计算法由于K值可变化相对更为灵活。


(4)节点流量法仅适用于高标区以强排方式接入低标区时(例如地道泵站、下沉式广场泵站等)。


(5)在地面标高等条件基本一致的情况下,要保证高标区的排水安全,需要放大汇合总管的管径及末端排放流量,会在一定程度上提高低标区的排水标准。因此在有选择余地的情况下,不推荐同一雨水系统采用不同设计重现期。


4 高标区达标策略研究

同一雨水系统采用不同雨水标准时主要关注点在于保证高标区的排水安全。如果要同步达到设计标准,除了修正邓氏计算法的K值,放大系统汇合总管和末端排口规模,可采取的方法还有改善高标区的排水条件及增设调蓄设施。


4.1 改善高标区域的排水条件

改善高标区的排水条件主要有两种方法,一是高标区泵排到低标区,如地道泵站或下沉式广场泵站;二是抬高高标区的地面标高,如高架排水或高地势排水。本研究以抬高高标区地面标高为例,采用偏不利的分别计算法计算系统总管,末端自由出流,进行模拟分析,结果如图5所示。


图5 在10年一遇暴雨下地面标高对排水效果的影响


可以发现,在10年一遇降雨下,高标区抬高地面高程0.5 m,地面即可避免产生积水,但是大部分管道仍处于压力流状态;高标区地面高程抬高1.0 m,排水效果进一步改善;高标区地标抬高2.0 m,地面无积水,高标区管网超负荷状态明显改善,大部分管道已呈现无压流状态。可见改变地面高程对高标区域排水的影响较为显著。当然,对于不同的区域,根据区域自身特征、排水条件的不同,高标区需要抬升的高度可能不同,具体可以通过推理公式法计算结合模型模拟进行确定。


从以上模拟结果看出,当高标区处于较有利排水条件时,同一雨水系统采用不同排水标准,即使利用分别计算法,也可以较好的保障高标区达标。因此,建议采用不同排水标准的雨水系统,可考虑适当提高高标区的排水条件。


4.2 在高标区设置调蓄设施

对于同一雨水系统采用不同雨水标准的情况,如果不考虑对现状管网进行翻建、放大汇合总管及末端排口的规模,建设调蓄池、调蓄水体等调蓄设施也是行之有效的做法。以上海迪斯尼园区为例,该项目采用在高标区设置雨水存蓄河道的方式,存蓄河道的有效存蓄容量按照存蓄核心区5年一遇(1 h)暴雨重现期和50年一遇(8 h)暴雨重现期之间的差额流量控制,可以在总管外排总流量受限的情况下保障核心区高标准的达标。调蓄设施一般宜设置于高标区。


5 结论与建议

在同一雨水系统采用不同设计重现期,且高标区、低标区地面标高基本持平时:不宜采用分别计算法进行计算;可采用邓氏计算法进行设计计算,但应对K值进行修正,K值的主要影响因素包括设计重现期、末端出流能力、管道覆土深度、地面高程等,应结合计算和模型模拟适当优化确定;广义上高标计算法可视为邓氏计算法的特例;节点流量法则主要适用于包含地道泵站等局部强排的系统设计。如果要高标区、低标区同步达到设计标准,可采取的方法还有改善高标区的排水条件及建设调蓄设施。总体而言,同一雨水系统采用不同设计重现期,要保证高标区的排水安全,通常会变相提高低标区的排水标准,因此在有选择余地的情况下,不推荐同一雨水系统采用不同设计标准。


原文标题:同一雨水系统不同雨水标准设计计算方法研究;作者:汉京超、俞士静;作者单位:上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司。刊登在《给水排水》2020年第3期。



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