海綿城市建設(shè)中的設(shè)計暴雨探討
海綿城市建設(shè)工作不僅推動了城市綠色發(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)用研究工作的不足，導(dǎo)致排水模型技術(shù)在海綿城市建設(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，在不同的設(shè)計工況下應(yīng)輸入不同的設(shè)計暴雨。
小編說
針對海綿城市建設(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，給出了城市雨水管網(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別。
0引言
海綿城市建設(shè)工作不僅推動了城市綠色發(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)用研究工作的不足，導(dǎo)致排水模型技術(shù)在海綿城市建設(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，在不同的設(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（在國外經(jīng)常稱為情景或場景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)，例如在實際工程中通過技術(shù)措施處置30mm左右降雨，通常就認為已實現(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。在海綿城市建設(shè)中，年徑流總量控制率按照30mm/d左右的降雨進行計算，而排水管網(wǎng)設(shè)計是按照30mm/h左右的降雨進行計算，如果準確計算管網(wǎng)的排水量，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，在現(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)計標準和方法不同。防澇工程是排除或蓄存超過排水管渠排水能力的地表徑流雨水的工程設(shè)施，保證在防澇標準條件下不產(chǎn)生內(nèi)澇積水災(zāi)害。但防澇工程在我國一直被忽視，普遍的認識是用雨水管網(wǎng)解決城市內(nèi)澇問題，而現(xiàn)狀是我國的雨水管網(wǎng)設(shè)計標準（只有3～5年）偏低，無法達到防澇標準的要求（30～100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城市建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計工作的先決條件。
1海綿城市建設(shè)相關(guān)工程的設(shè)計工況
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)）的職責(zé)是及時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，當排水系統(tǒng)采用同一重現(xiàn)期設(shè)計標準時，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）的職責(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，并提出解決方法。防澇工程的設(shè)計工況：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)計工況由上游邊界條件雨水管渠的排水能力、下游受納水體的設(shè)計水位、城市地面高程模型、城市內(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）的職責(zé)是接納城市區(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)計工況：在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，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)險和預(yù)防措施，城市區(qū)域的設(shè)防標準一般高于其他地區(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，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)計標準和城市防澇的設(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)
我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)存在差異，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。
2各設(shè)計工況的設(shè)計暴雨
2.1雨水管渠設(shè)計暴雨
針對城市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出色的解決方法，就是在降雨過程中，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。在設(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，所有城市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，我國城市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。為了使城市雨水管網(wǎng)的設(shè)計標準與國際標準和國內(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2～5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=3/5、Cv單增策略，并注意一族曲線的擬合精度，在管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期部分擬合最好，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
城市防澇工程是指排除和蓄存超過雨水管網(wǎng)排水能力、小于城市防洪標準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)達國家一般采用城市道路作為超標雨水的行泄通道。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)計城市防澇工程，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)計暴雨強度用于與城市防澇工程相關(guān)的設(shè)計計算，可以構(gòu)造城市防澇設(shè)計工況。在年最大值法的基礎(chǔ)上，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)期部分擬合優(yōu)化策略和固定Cs/Cv=3/5、Cv單增策略。采用氣象點雨量數(shù)據(jù)編制城市排水防澇系統(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，成果是設(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)期部分擬合精度。
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)期部分擬合精度，低重現(xiàn)期部分擬合精度差，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數(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數(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)城市防洪工程設(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24h、6h、1h的PⅢ頻率曲線分析成果，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)城市防洪工程設(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，在特殊情況下，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)確定下游邊界條件對構(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
我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)計標準和城市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)計標準和城市防澇的設(shè)計工況需求建立設(shè)計暴雨強度公式。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)化為不同的控制策略，采用不同的設(shè)計暴雨進行設(shè)計。
在源頭設(shè)置城市防澇削峰調(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。
在源頭設(shè)置提高雨水管網(wǎng)標準調(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。
3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、短歷時城市暴雨強度公式均可采用固定Cs/Cv=3.5、Cv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)期部分最佳擬合優(yōu)化目標策略。
（4）長歷時設(shè)計暴雨編制方法的暴雨強度公式部分應(yīng)符合《室外排水設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計雨型部分應(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，更加精細化。
微信對原文有修改。原文標題：海綿城市建設(shè)中的設(shè)計暴雨探討；作者：周玉文；作者單位：北京工業(yè)大學(xué)。刊登在《給水排水》2019年第3期。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
