基于雨型的临时雨水泵站规模确定及模型验证

纪风强，舒 昕

（天津城建设计院有限公司，天津 300122）

0 引言

雨水泵站在抗御城市内涝灾害中发挥着重要的作用。雨水泵站规模作为确定泵站占地、投资的依据，在泵站设计中同样重要。《室外排水设计规范》[1]中规定：雨水泵站的设计流量应按泵站进水总管的设计流量计算确定。故进水总管的雨水设计流量决定了泵站的规模。2014年之前的雨水设计流量主要采用推理公式法计算[2]，《室外排水设计规范》（2016年版）提出当汇水面积超过2km2时，宜采用数学模型法计算雨水设计流量。临时雨水泵站是在规划雨水泵站或管网建设不及时情况下，为解决区域临时排水而建设的带有过渡性质的工程，且其上游管道多已建成。因此，上述特征一定程度上决定了临时雨水泵站规模不宜按推理公式法确定，可适当考虑上游管道容积的调蓄作用，以减小泵站规模，降低工程投资[3]。本文提出综合考虑雨型与管道容积的临时雨水泵站规模计算方法，并运用城市综合流域排水模型软件Infoworks ICM对临时雨水泵站系统进行了模拟校核，以验证此方法确定的临时雨水泵站规模的可靠性[4]。

1 研究区域

工程位于天津市新立示范镇，本次新建临时雨水泵站收水范围主要包括津塘二线（外环线—驯海路）路面雨水及新立示范镇安置区丽俊、丽瑞、丽晟、丽贤4个小区，系统内主要雨水干管均已建成。服务面积统计见表1及图1。

表1 临时雨水泵站服务范围统计

图1 临时雨水泵站收水范围及位置示意图

2 泵站规模确定

2.1 24h降雨雨型确定泵站规模

2.1.1 计算公式

考虑管道调蓄情况下的临时雨水泵站规模采用如下公式计算。

式中：Q为泵站设计流量，m3/s；F为收水面积，49.19hm2；H为降雨深度，mm；η为最大降雨小时降雨所占比例，%；ψ 为径流系数，0.60；α 为安全系数，0～1，本次取 0.75；V管道为管道容积，m3，11 068m3。

2.1.2 根据最大小时降雨量确定泵站规模

根据《天津市雨水径流量计算标准》[5]，2年重现期情况下24h降雨量为89.0mm，则本次临时雨水泵站服务范围内24h总降雨量为47 779.1m3。由2年重现期情况下第Ⅰ区24h降雨深度及雨型可知，最强降雨时段发生在第3h，该时段降雨量占总降雨量的比例为47.35%。该时段降雨总量为20 729.4m3，产生径流总量为12 437.6m3。考虑一定的安全性，取安全系数为0.75，代入公式（1），得到Q为1.15m3/s，取泵站规模为1.20m3/s。第Ⅰ区24h设计暴雨雨型见表2及图2。

2.2 60min设计暴雨雨型校核泵站规模

采用60min降雨短历时，对上节确定的泵站规模进行校核。根据第Ⅰ区60min设计暴雨雨型，重现期为2年时，60min降雨历时内降雨量约为50.80mm，则汇流面积内降雨总量为24 986.4m3。由第Ⅰ区60min设计暴雨雨型分配表，计算出每5min降雨量、径流量及管道剩余径流量。定义管道剩余径流量为一定时间内径流量与泵站排水量的差值。计算结果见表3。管道剩余径流量即在降雨时段内，临时雨水泵站运行情况下，不能及时排出而蓄存于管道内的雨水。

表2 第Ⅰ区24h设计暴雨雨型分配表

图2 第Ⅰ区24h设计暴雨雨型示意图

经计算，60min内管道剩余径流量总和为10 671.8m3，小于管道总容积11 067.5m3，故泵站规模可定为1.2m3/s。

表3 每5min降雨量、径流量、泵站排出量及剩余径流量计算结果

图3 排水系统模型几何网络图

3 模型验证

3.1 模型构建

在充分梳理研究区域内下垫面类型、管网数据的基础上，依据区域内管网的分布，进行总汇水面积的界定及子集水区域的划分，建立临时雨水泵站服务范围内雨水系统数学模型。雨水泵站规模按1.2m3/s设定，泵站内设置2台水泵。模型几何网络见图3。

3.2 模型参数设定

3.2.1 降雨事件

根据《天津市雨水径流量计算标准》中第Ⅰ区120min降雨历时雨型，生成降雨事件，确定时间步长为5min。

3.2.2 产流模型参数设定

产流模型用于确定经集水区进入排水系统的降雨量。本次模拟采用固定比例径流模型（Fixed）作为产流模型[6]，用于计算产流量。根据不同下垫面比例及径流系数，确定固定比例径流模型所用参数为0.60。

3.2.3 汇流模型参数设定

汇流模型用于确定地表径流自集水区进入排水系统的快慢程度[7]。Infoworks ICM模型软件内部耦合内嵌了多个汇流计算模型，如双线性水库模型、SPRINT径流模型、desbordes径流模型、SWMM径流模型等。可根据模拟的流域尺度、坡面特征的地表类型，选择相适应的汇流模型[8]。根据各汇流模型适用情况，SWMM汇流模型在国内应用广泛[9]，模拟结果较贴合实际，故本次汇流模型采用SWMM模型。当选用SWMM径流模型时，需提供各下垫面的曼宁糙率作为汇流参数，不同下垫面的曼宁糙率已得到了广泛的应用[10，11]，具体设置见表4。

表4 汇流参数设置

3.3 模拟结果

根据接入临时雨水泵站的管网高程数据，设定临时泵站内2台水泵启停泵水位，在允许上游管网出现超负荷状态的同时，保证上游管网检查井不出现积水。经计算，泵站规模为1.2m3/s时，在最不利情况下上游地面未出现积水，仅临时雨水泵站上游100m范围内双排d2 400mm干管出现持续时间约20min的满管压力流——“超负荷状态”（2：00：00～2：20：00）[12]，即经降雨雨型确定的泵站规模可满足区域排水需求。

图4 最不利时刻主干管网纵断水面线

图5 下游主干管道超负荷状态时间过程线

图6 最不利时上游地面积水深度

4 结论

通过运用本文提出的降雨雨型结合管道调蓄的泵站规模计算方法，根据24h降雨雨型及60min相对短历时降雨雨型，确定泵站规模为1.2m3/s。利用Infoworks ICM模型软件，对相应重现期降雨情况下临时雨水泵站排水能力进行验证。经模型计算，采用雨型方法确定的泵站规模可满足区域排水需求。