采用“总量核算法”解决城市河道排水水力计算问题

　　在城市排水设计的实际中，经常会遇到城市区域排水为管道系统与河道系统共同完成排水任务的情况，如文中所涉及的"废墙子河改造工程"就是其中一例。废墙子河改造工程被天津市政府列为民心工程之一，它是天津二级河道系统改造的一部分。该河道贯穿和平区和河西区两区，为东西向的排水河，全长约5 km，两侧服务面积约为8 km2，该服务区域南北向最长约1 km，最短处约200 m，呈不规则分布。原河道为梯形明渠，上口宽约16 m，沿途有约8处管道直接排水进入河道系统，排水出路为河道最东头的海河，是典型的管道与河道排水的城市区域。因为涉及到服务区域的排水是否能自流入河，出口泵站水量多大合适以及河道断面尺寸的选取等问题，其水力计算显得特别重要。本文就上述水力计算问题的解决，借助常用成熟的计算方法和"总量核算法"，并应用计算机技术提供了解决此类问题的途径和方法，供业内人士参考。
　　1　总量核算法
通过对实际工程的分析，两侧汇水面积的雨水是通过现状管道排至河道内，其计算采用分步进行是最合适的，即求出各管道在降雨某时刻的入河水量，并进行叠加，进而求出河道总水量。而明渠内流态紊乱，当各出口极限强度水量到达河道时，由于水量的差异，会形成倒流等现象，无法按常规明渠计算设计参数，为了使计算更符合实际，设计采用河道水量状态核算法，即所谓的"总量核算法"。
总量核算法设计计算分为5个步骤，其中第一～第三步为服务区域水量计算，第四、五步为河道内水量计算两部分。具体步骤为：第一步是按极限强度法求各服务区管道出口洪峰流量；第二步是通过极限强度法模拟管道出口流量线(Q～t曲线)；第三步是对Q～t曲线进行修正；第四步是对各服务区Q～t曲线求和(W总～t曲线)；第五步是按工程情况设计河道几何尺寸和控制参数。其中按极限强度法求各服务区管道出口洪峰流量是按国家规范通常的做法，不作为本文讨论的重点。下面就基本模式中涉及的其它各方面讨论如下。
　　1.1　通过极限强度法模拟管道出口流量
使用极限强度法是基于暴雨强度公式各地都很容易得到，其使用普及程度高、参数全、计算管道出口流量最接近工程实际，且不降低设计标准。因此，它成为本文实践的首选。但该法计算的结果是管道最大出口流量，而非各时段管道出口流量。但稍加分析就可以发现其计算过程与管道出口各时段的流量关系，即假设计算区域的降雨强度在降雨某历时均相等，其起端和末端地面覆盖程度基本相同，在相同面积下所产生的径流水量相同，则有从首端区域集水并到达管道内某段所计算的水量和时间即为末端相同面积流入河道的水量和时间，截取不同的水量和时间，就能求出高峰流量出口以前的流量线。对于高峰流量出口以后的水量和时间的计算则是采用延长首端地面集水时间，在管径一定的情况下逐一计算到管道出口水量。将计算结果合并后，即为这个服务区域的流量和时间曲线，即Q～t曲线，见图1。计算中应注意起端和末端的面积相差悬殊且地面覆盖程度相差较大时，应进行必要的修正；还应注意整个暴雨计算时间以当地暴雨强度公式所适用的最长时间为准。
　　1.2　对Q～t曲线进行修正
使用暴雨强度公式求管道出口流量的Q～t曲线中，由于其参量化等因素，致使暴雨强度历时 2/3时间以后的残余强度偏大，这将会给总水量造成较大误差，特别是河道兼有调蓄功能时更加明显。结合天津市暴雨强度公式的使用条件和公式推导的适用条件以及工程实际，折算出一个降雨历时为：当地暴雨强度公式所适用的最长时间加上服务区内管道从首端集水开始到高峰流量从管道中排出的时间，此时令管道出口流量为零。按照上述时间修正的Q～t曲线，对河道总水量的影响小于5%，如图1中的修正段所示。
　　1.3　对各服务区Q～t曲线求和(W总～t曲线)
从本步骤开始即进入到河道内水量计算阶段，对每个服务区计算的流量进行叠加，以求出排水系统的W总～t曲线。因W总～t曲线是由多条Q～t过程线叠加而成，数学回归公式较难推导，且时常因管材的影响而出现跳跃。因此，本文计算中采用的是单位时间内插中值法进行分步叠加，以更趋理论值，最终求出W总～t曲线。
　　1.4　按工程情况设计河道几何尺寸和控制参数
考虑设计河道的实际情况，沿途5 km各入流口雨水高峰流量进入河道的时间相差不多，且此时河道内流态紊乱，上下游只表现在水位的升高，加之河道按调蓄设计，故在计算中可忽略水力坡度的影响，以平均水位为基准。因此，W总～t曲线即是表示河道内在某个降雨历时时的最大水量，此时河道内的水量关系为：W总-W排＝W蓄。即通过对强排泵站设计流量W排的设定，进而求出河道调蓄能力W蓄的各种工况。
采用总量核算法成功地解决了废墙子河改造工程水力计算问题，并为解决此类计算问题进行了理论和方法上的延伸，且具有下列特点：
①是对以往排水计算方法只能计算一个工况点的发展和扩宽，能提供多种供选择的设计工况；
　②计算中采用极限强度法计算管道流量，采用总量核算法计算河道参数，工程整体不降低设计标准；
　③是直接使用暴雨强度公式，各地极易得到，且充分贴近广泛使用的极限强度法，实用性更强。
　另外，使用本方法时也应注意如下问题：
　①水量计算时是在"极限强度法"基础上进行的，使用时要对它的假设条件了解清楚，以避免计算偏差过大；
　②由于暴雨强度公式统计假设的原因，一般在120 min后曲线变平缓，对入河总水量影响较大，故应进行趋零修正；
　③在瞬时管道水量计算时，如计算管段前后端计算面积相差较大时，应对高峰入河水量进行修正；
　④当河道坡度大或较长时，应根据实际情况酌情采用。