导读

由于城市化发展，城区下垫面条件的急剧改变影响了城市雨水产流、汇流规律，使得按照水利部门的用于计算自然发育条件下河道洪峰流量的推理公式及市政部门采用短历时暴雨计算公式计算的城市河道设计洪峰流量，计算结果往往偏差较大。我院设计人员探索了一种基于降雨过程理论的较接近实际的城市内河洪峰流量计算方法。

城市河道设计流量到底该如何计算

当前城市河道流量的计算可采用水利部门和市政部门两个暴雨计算公式进行计算。水利部门计算公式是基于天然河流的降雨与地表径流关系推求的，由于城市化发展，带来了城区下垫面条件的急剧改变从而影响了城市雨水产流、汇流规律，使得水利部门的用于计算自然发育条件下河道洪峰流量的推理公式不能准确计算城区排洪河道的设计流量，其计算结果往往偏小。市政部门采用短历时暴雨计算公式，该公式适用于汇水面积较小、集水时间较短的城镇的雨水管道或小型排洪沟渠的设计雨水流量。但若采用此公式直接计算城区排洪河道的设计洪峰流量，往往计算结果偏大。因此，尚需探索一种能准确计算出实际洪峰流量的城市内河洪峰流量计算方法。

城市内河洪峰流量计算流程

降雨过程理论

降雨过程理论即降雨极限强度理论，其主要包括两个内容：1、当汇水面积上最远点的雨水到达集流点时，全面积产生汇流，雨水管渠的设计流量最大；2、当降雨历时等于汇水面积上最远点的雨水到达集流点的集流时间，雨水管渠的设计流量最大。针对任一汇水区降雨初期时随着降雨时间的增加雨水流量逐渐增大，当达到最大流量后，雨水流量随着降雨时间的增加而逐渐减小。

计算公式如下：

                            Q=ψFq                    [1]

式中：Q—雨水流量（L/s）；

           ψ—径流系数；

           F—汇水面积（hm2）；

           q—设计暴雨强度[L/(s? hm2)]；

暴雨强度公式如下：

          [2]

式中：q—设计暴雨强度[L/(s?hm2)]；

           t—降雨历时（min）；

           P—设计重现期（年），根据当地排水规划确定；

           A1，C，b，n：参数，根据当地暴雨强度计算公式确定；为简化计算公式，设A=167A1(1+C lg p)。

降雨过程理论适用性分析

对于流域面积较大的河道，其汇水区一般由若干个子汇水区组成，每个子汇水区均有一个排口连接至河道。基于降雨过程理论可知，河道任一排口下游河道流量为该排口及其上游各子汇水分区流量叠加，由于各子汇水分区出现峰值流量的时间不一致，且各子汇水分区的峰值流量到达该排口的时间也不一致，所以该排口处河道的流量随着降雨过程的进行在不断发生着变化，当到达某一时刻点时流量达到峰值，随后流量开始下降。这一时刻存在两种可能性：（1）该排口上游第一个排口处的河道峰值流量到达该排口时。此时的河道流量为该排口上游第一个排口处的河道峰值流量与此刻该排口的子汇水分区的流量叠加；（2）该排口对应的子汇水分区最远点的雨水到达该排口时，此时河道的流量为该排口的子汇水分区的峰值流量与此刻上游所有子汇水分区流经此处的流量叠加。比较以上两种错峰叠加情况下的流量，较大者即为该排口下游河道洪峰流量。

基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量计算流程

（1）基础数据准备

根据河道流域特征，首先将河道流域范围划分为若干个子汇水分区，每个汇水分区对应的出水口编号分别为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…、N；并从河道起点至终点依次对每个汇水分区进行编号分别为：1、2、3、…、n；根据以上分区做如下测量及计算：

（a）在图中测量出各汇水分区面积分别为F1、F2、F3、…、Fn；

（b）采用公式[1]、[2]分别计算出各汇水分区达到最大设计流量对应汇流时间t1、t2、t3、…、tn；

（c）相应计算各汇水分区最大设计流量分别为：Q1、Q2、Q3、…、Qn。

（2）流量计算

对于一条河道内的第N号排口下游出现的两种可能的最大流量QN的情形：

（a）上游N-1号排口处的洪峰流量到达N号排口时，遭遇此时Fn汇水分区流量叠加，即：。

（b）当Fn汇水分区峰值流量到达N号排口时，遭遇上游F1~Fn-1汇水分区此时的流量叠加，即：。

（3）洪峰流量确定及计算流程图

从河道上游至下游依次分别对两种可能的峰值流量进行比较，取较大值作为该处排口下游河道设计洪峰流量QN，同时计算出产生峰值时的时间TN。基于降雨过程理论城市内河洪峰流量完整计算流程图如下：

在秀水河河道流量计算中的运用

铜陵市秀水河是一条天然冲沟，又上游山冲自然积水冲积而成，下游经人工开挖现已成为河道，目前秀水河为片区主排渠道。秀水河全长5491m，流域面积8.4km2。流域范围内均为城市建设用地，该河道已演变为典型的城区排洪河道。河道自起点至终点共有21个汇水分区、21个排口。

分别采用安徽省水利部门发布并试行的“84”办法、暴雨强度公式直接计算、基于降雨过程理论城市内河洪峰流量计算方法三种方法计算秀水河设计洪峰流量，计算结果如下图所示

据上图计算结果可见，采用暴雨强度公式直接计算河道流量的方法，计算结果最大，河道流量基本与流域面积呈直线关系。该计算方法由于没有考虑降雨过程各子汇水分区流量的错峰因素，结果明显偏大。采用水利部门公式计算河道流量，计算结果最小，河道流量基本与流域面积基本也呈直线关系。该计算方法由于没有考虑降城市地表径流系数较大等因素，计算结果明显偏小。采用基于降雨过程理论城市内河洪峰流量计算方法，分别计算秀水河各子汇水分区汇入河道的洪峰流量及时间，从上游至下游依次将各汇水子分区排口洪峰流量与该排口上游河道洪峰流量错峰叠加，计算出每个子汇水分区排口下游两个可能的洪峰流量，将两个计算结果进行比较并取最大值，该最大值即为该处排口下游河道的洪峰流量。该计算方法符合短历时暴雨计算公式理论，计算结果能准确反映设计标准下城市内河的实际流量。

总结

基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法符合短历时暴雨计算公式理论，能够真实体现河道汇流区降雨过程及河道汇流过程，计算结果能准确反映设计标准下城市内河的实际流量。

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知识点：城市河道设计流量