如何解決海綿鄉(xiāng)村建設(shè)應(yīng)用過程降雨數(shù)據(jù)的輸入問題
小編說
針對海綿鄉(xiāng)村建設(shè)中水力模型輸入的設(shè)計暴雨問題，分析了源頭、過程和末端在不同設(shè)計工況條件下的設(shè)計暴雨強度公式及設(shè)計暴雨過程的建立方法和適用范圍，給出了鄉(xiāng)村雨水管網(wǎng)、防澇設(shè)施、排澇河道和低影響開發(fā)設(shè)施輸入設(shè)計暴雨的模型應(yīng)用方法，區(qū)分了設(shè)計工況與事件模擬工況的差異。
引言
海綿鄉(xiāng)村建設(shè)工作不只推動了鄉(xiāng)村綠色發(fā)展理念的實踐，也推動了行業(yè)技術(shù)進步，其顯著性成果就是推進了水力模型技術(shù)的大面積應(yīng)用與普及。但由于前期對水力模型基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作的缺乏，導(dǎo)致排水模型技術(shù)在海綿鄉(xiāng)村建設(shè)應(yīng)用過程中存在很多問題，例如降雨數(shù)據(jù)的輸入問題。降雨數(shù)據(jù)是進行與雨水相關(guān)模擬計算的重要輸入條件，其中設(shè)計暴雨是構(gòu)成設(shè)計工況的條件之一。排水模型輸入的設(shè)計暴雨由設(shè)計暴雨過程線（hyetogragh組成，不同的設(shè)計工況下應(yīng)輸入不同的設(shè)計暴雨。
正確理解和構(gòu)建模擬工況（國外經(jīng)常稱為情景或場景scenario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)，例如在實際工程中通過技術(shù)措施處置30mm左右降雨，通常就認(rèn)為已實現(xiàn)1年一遇或2年一遇設(shè)計重現(xiàn)期的降雨，實際上這是兩個概念，一個是調(diào)蓄水量，另一個是管網(wǎng)的排水能力。海綿鄉(xiāng)村建設(shè)中，年徑流總量控制率依照30mm/d左右的降雨進行計算，而排水管網(wǎng)設(shè)計是依照30mm/h左右的降雨進行計算，如果準(zhǔn)確計算管網(wǎng)的排水量，上海純水設(shè)備其最大值可以達到24倍的年徑流總量控制率的降雨量，造成這種誤區(qū)的原因就是對工況的理解出現(xiàn)問題。另一個例子就是防澇和排澇概念的混淆，防澇工程實質(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，現(xiàn)階段我國市政和水利工程分屬于兩個學(xué)科和兩個行業(yè)部委管理，防澇與排澇設(shè)計規(guī)范和方法不同。防澇工程是排除或蓄存逾越排水管渠排水能力的地表徑流雨水的工程設(shè)施，保證在防澇規(guī)范條件下不發(fā)生內(nèi)澇積水災(zāi)害。但防澇工程在國一直被忽視，普遍的認(rèn)識是用雨水管網(wǎng)解決鄉(xiāng)村內(nèi)澇問題，而現(xiàn)狀是國的雨水管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范（只有35年）偏低，無法達到防澇規(guī)范的要求（30100年）因此造成內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)。
設(shè)計暴雨是輸入水力模型代表設(shè)計工況的降雨過程線，不同的設(shè)計暴雨過程代表不同的設(shè)計工況。因此，確定正確、合理的設(shè)計降雨過程線是進行海綿鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計工作的先決條件。
一、海綿鄉(xiāng)村建設(shè)相關(guān)工程的設(shè)計工況
根據(jù)海綿鄉(xiāng)村建設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)的最新研究效果，海綿鄉(xiāng)村建設(shè)中源頭、過程和末端涉及的單項工程包括：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)計工況
雨水管渠排水工程（又稱小排水系統(tǒng)）職責(zé)是及時排除降雨期間鄉(xiāng)村區(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)計工況：根據(jù)徑流成因理論和推理公式法原理，假設(shè)降雨的重現(xiàn)期與洪峰流量相同的條件下，降雨歷時等于流域匯水時間時，形成最大流量。設(shè)計工況由設(shè)計斷面對應(yīng)的匯水（服務(wù)）面積、匯水時間、設(shè)計暴雨強度和徑流系數(shù)組成，根據(jù)計算的設(shè)計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)計規(guī)范時，該系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)計管段采用相同的設(shè)計重現(xiàn)期暴雨，也就是芝加哥雨型，或稱為芝加哥雨型設(shè)計降雨過程線。
1.2管網(wǎng)溢流設(shè)計工況
防澇工程（又稱大排水系統(tǒng)上游）職責(zé)是及時排除或蓄存雨水排水管渠不能及時排除的雨水，防止形成鄉(xiāng)村內(nèi)澇災(zāi)害。防澇工程分析鄉(xiāng)村區(qū)域內(nèi)形成積水和內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險，并提出解決方法。防澇工程的設(shè)計工況：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算雨水管渠排水溢流水量過程線，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)計工況由上游邊境條件雨水管渠的排水能力、下游受納水體的設(shè)計水位、鄉(xiāng)村地面高程模型、鄉(xiāng)村內(nèi)澇設(shè)計暴雨、排水通道和蓄滯空間等參數(shù)構(gòu)成。
1.3受納水體設(shè)計工況
排澇工程（又稱大排水系統(tǒng)下游、排水受納水體）職責(zé)是接納鄉(xiāng)村區(qū)域的降雨徑流雨水，通過河道排向下游水體或蓄存于湖泊，保證鄉(xiāng)村區(qū)域不造成大范圍的排水不暢和內(nèi)澇災(zāi)害。鄉(xiāng)村排澇工程分析鄉(xiāng)村區(qū)域排入河道和湖泊等受納水體的排水和蓄水能力，上海純水設(shè)備保證有效接納鄉(xiāng)村排水。排澇工程的設(shè)計工況：沒有上游來水的條件下，與雨水管渠的設(shè)計理論相近，其差別是流域范圍大、匯水時間長，并應(yīng)考慮澇水的排除時間和降雨的面不均勻性等問題。
1.4河道、水庫、蓄滯洪區(qū)設(shè)計工況
防洪工程（排除流域洪水的河流，鄉(xiāng)村排水和排澇工程的受納水體）職責(zé)是發(fā)生流域洪水的條件下，保證鄉(xiāng)村區(qū)域的平安，防止洪水進城造成重大損失。鄉(xiāng)村防洪工程分析流域洪水發(fā)生的風(fēng)險和預(yù)防措施，鄉(xiāng)村區(qū)域的設(shè)防規(guī)范一般高于其他地區(qū)。防洪工程的設(shè)計工況：防洪工程一般不是根據(jù)設(shè)計暴雨估算洪峰流量，而是根據(jù)河流監(jiān)測洪峰流量的頻率確定設(shè)計流量，采用流量過程線演算和預(yù)測的方法確定設(shè)計斷面的設(shè)計流量。
1.5源頭減控工程的設(shè)計工況
源頭減控工程的設(shè)計目標(biāo)不是一個，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)計工況也包括多個，不同的設(shè)計目標(biāo)對應(yīng)不同的設(shè)計工況，應(yīng)根據(jù)面源污染控制、雨水利用、提高排水管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范和城市防澇的設(shè)計工況需求構(gòu)造或選用不同的設(shè)計暴雨。
1.6降雨觀測數(shù)據(jù)
國的氣象部門和水利部門都是國家授權(quán)的降雨觀測單位，由于設(shè)置觀測點位置不同、服務(wù)對象不同、整理數(shù)據(jù)的方法不同，造成氣象部門與水利部門獲取的降雨數(shù)據(jù)存在差別，如果混淆使用數(shù)據(jù)源，將帶來諸多問題。對降雨數(shù)據(jù)的基本要求應(yīng)同時滿足3個要求：對鄉(xiāng)村規(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)計暴雨；采用水利部門的降雨數(shù)據(jù)構(gòu)造排澇工程和防洪工程的設(shè)計暴雨。
二、各設(shè)計工況的設(shè)計暴雨
2.1雨水管渠設(shè)計暴雨
針對鄉(xiāng)村雨水管渠排水工程的職責(zé)和設(shè)計工況，推理公式法給出了非常遜色的解決方法，就是降雨過程中，分別選取不同時長的最大時段降雨，之后進行頻率分析，為了使用方便，擬合出誤差最小的暴雨強度公式。設(shè)計中，選用一定的設(shè)計重現(xiàn)期，便能保證所有的設(shè)計斷面對應(yīng)的降雨是同一個重現(xiàn)期，所有鄉(xiāng)村雨水管渠排水工程的設(shè)計暴雨是相同重現(xiàn)期、不同時段降雨事件的組合。新中國成立后，國鄉(xiāng)村暴雨強度計算一直采用年多個樣法，其頻率不是年頻率，而是次頻率，雨水管網(wǎng)的設(shè)計重現(xiàn)期較低，從一年4次（0.25年）開始。為了使鄉(xiāng)村雨水管網(wǎng)的設(shè)計規(guī)范與國際規(guī)范和國內(nèi)的水利工程一致，后來我國采用年最大值法進行暴雨強度計算，其設(shè)計重現(xiàn)期已調(diào)整為25年的年頻率。雨水管渠設(shè)計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（預(yù)測）用于計算重現(xiàn)期等于1年事件是不可靠的
雨水管渠設(shè)計暴雨強度公式的建立過程包括采樣、頻率分析、公式擬合、誤差分析、應(yīng)用分析5個步驟，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)進行擬合（見圖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=3/5Cv單增策略，并注意一族曲線的擬合精度，管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期局部擬合最好，保證了管網(wǎng)設(shè)計的可靠性；但高重現(xiàn)期部分的擬合精度較差，數(shù)值偏低。因此，短歷時設(shè)計暴雨過程線可以用于評估管網(wǎng)的排水能力，用于內(nèi)澇風(fēng)險分析評價時結(jié)果偏低。
2.2防澇工程設(shè)計暴雨
鄉(xiāng)村防澇工程是指排除和蓄存逾越雨水管網(wǎng)排水能力、小于鄉(xiāng)村防洪規(guī)范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)達國家一般采用鄉(xiāng)村道路作為超標(biāo)雨水的行泄通道。因該工程是通過計算雨水管渠失效后溢流雨水量作為設(shè)計流量，因此降雨資料的數(shù)據(jù)來源與雨水管渠的暴雨強度公式采樣方式相同。為了科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計鄉(xiāng)村防澇工程，并考慮調(diào)蓄設(shè)施容積設(shè)計的需要和與排澇工程相銜接，采用長歷時（24h設(shè)計暴雨的降雨過程。防澇工程設(shè)計暴雨強度用于與鄉(xiāng)村防澇工程相關(guān)的設(shè)計計算，可以構(gòu)造鄉(xiāng)村防澇設(shè)計工況。年最大值法的基礎(chǔ)上，上海純水設(shè)備長歷時暴雨強度公式P-Ⅲ曲線頻率（見圖2應(yīng)采用高重現(xiàn)期局部擬合優(yōu)化戰(zhàn)略和固定Cs/Cv=3/5Cv單增策略。采用氣象點雨量數(shù)據(jù)編制鄉(xiāng)村排水防澇系統(tǒng)設(shè)計的長歷時（24h暴雨（強度）量公式、典型降雨過程的雨型，效果是設(shè)計暴雨強度公式和雨型結(jié)合合成內(nèi)澇防治設(shè)計暴雨過程線。防澇工程設(shè)計暴雨強度公式的建立過程包括采樣、頻率分析、公式擬合、誤差分析、應(yīng)用分析，同短歷時雨水管渠設(shè)計暴雨強度公式的建立方法類似，但頻率分析更注重高重現(xiàn)期局部擬合精度。
防澇工程設(shè)計暴雨過程的建立原則為：采用氣象部門的點降雨數(shù)據(jù)，區(qū)別于水利部門采集面雨量數(shù)據(jù)方法，計算精度要求高于水利部門的相關(guān)規(guī)定；最大平均時段降雨同頻率事件組合原則合成設(shè)計降雨過程線，即每一個匯水時間對應(yīng)的降雨都是相同設(shè)計重現(xiàn)期；防澇工程設(shè)計暴雨頻率分析注重高重現(xiàn)期局部擬合精度，低重現(xiàn)期局部擬合精度差，數(shù)值偏低；排水和防澇工程設(shè)計暴雨不同（不同的暴雨歷時和暴雨雨型）
防澇工程設(shè)計暴雨的雨型建立過程為：采集10場歷史最大24h降雨事件；參考水利部門最大24h設(shè)計降雨選擇雨峰位置；10場實際降雨過程的雨峰位置與水利雨型雨峰位置重合，求各5min時段的平均值，并求出各個時段所占24h總的平均降雨量的百分?jǐn)?shù)，得到降雨量時段分配曲線，也就是雨型。根據(jù)24h暴雨強度公式計算時段降雨量，根據(jù)雨型重新計算各個時段分配降雨量百分?jǐn)?shù)，將各個時段計算的數(shù)值分配到降雨過程中，得到降雨過程線，也就是設(shè)計暴雨過程線（見圖3
2.3排澇工程設(shè)計暴雨
排澇工程屬于水利工程，依據(jù)鄉(xiāng)村防洪工程設(shè)計規(guī)范，參考水文手冊進行設(shè)計，設(shè)計暴雨一般為1h時段的降雨過程。排澇工程的設(shè)計工況是計算在設(shè)計重現(xiàn)期條件下能夠進入河道的最大流量，用來確定排澇河道設(shè)計斷面，類似于推理公式法。一般根據(jù)水文站24h6h1hPⅢ頻率曲線分析效果，采用經(jīng)驗公式計算其他時段的降雨量，計算結(jié)果沒有暴雨強度公式準(zhǔn)確。
2.4防洪工程設(shè)計暴雨
防洪工程屬于水利工程，依據(jù)鄉(xiāng)村防洪工程設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計。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)計流量，特殊情況下，可采用最大可能降雨推算設(shè)計流量。
排澇工程和防洪工程是排水和防澇工程的下游，科學(xué)確定下游邊境條件對構(gòu)建排水、防澇水力模型非常重要。
2.5源頭減控工程設(shè)計暴雨
國采用年徑流總量控制率對應(yīng)的降雨量作為設(shè)計參數(shù)以確定低影響開發(fā)設(shè)施的規(guī)模，能夠?qū)崿F(xiàn)年徑流總量控制率對應(yīng)降雨量以下的降雨事件不對外排水。但該方法對于面源污染控制、雨水利用、提高排水管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范和鄉(xiāng)村防澇等功能的作用是間接的對于流域的作用更難計算。建議根據(jù)低影響開發(fā)設(shè)施的設(shè)計目標(biāo)構(gòu)建設(shè)計暴雨強度，參考面源污染控制、雨水利用、提高排水管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范和城市防澇的設(shè)計工況需求建立設(shè)計暴雨強度公式。上海純水設(shè)備可以將低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計降雨量（年徑流總量控制率）轉(zhuǎn)化為不同的控制戰(zhàn)略，采用不同的設(shè)計暴雨進行設(shè)計。
源頭設(shè)置鄉(xiāng)村防澇削峰調(diào)蓄池，設(shè)計采用24h長歷時設(shè)計暴雨過程線，將最不利的高峰降雨時段的降雨進行削峰處理，可有效緩解流域內(nèi)下游低洼區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險。
源頭設(shè)置提高雨水管網(wǎng)規(guī)范調(diào)蓄池，設(shè)計采用3h短歷時設(shè)計暴雨，將最不利的高峰降雨時段的降雨進行削峰處理，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)等工況與實際降雨過程關(guān)系密切，建議采用實際降雨過程數(shù)據(jù)建模。
三、結(jié)論
1科學(xué)構(gòu)建設(shè)計工況是用模型進行工程設(shè)計的前提條件，設(shè)計暴雨是描述設(shè)計工況的主要參數(shù)。
2長、短歷時鄉(xiāng)村暴雨強度公式均可采用固定Cs/Cv=3.5Cv單增策略，通過P-Ⅲ一族曲線人工適線參數(shù)進行優(yōu)化。
3建議P-Ⅲ分布短歷時采用低重現(xiàn)期、長歷時采用高重現(xiàn)期局部最佳擬合優(yōu)化目標(biāo)戰(zhàn)略。
4長歷時設(shè)計暴雨編制方法的暴雨強度公式局部應(yīng)符合《室外排水設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，設(shè)計雨型局部應(yīng)符合水利部門有關(guān)規(guī)定，可提高設(shè)計暴雨的精度。
5通過選取歷史上最大10場24h降雨過程，基于水利部門同頻率分析法和倍比放大法為基礎(chǔ)的雨型構(gòu)造方法，時段為5min與水利部門1h相比，更加精細(xì)化。
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