净水技术|城市雨水管道排水能力影响因素分析—以苏州市为例
应用数学模型了解城市雨水管道排水能力，你了解这项技术吗？来自悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司的钱海平、陆敏博等人通过对出流方式、地面集水时间、管道淤积等影响因素进行深入分析，得出影响管道排水能力的主要因素。这样便可以为城市的管道排查、设计及改造提供借鉴。
苏州是典型的江南水乡城市，河网密布。排水设计原则是分散就近排入水体，单个出水口对应的汇水面积一般为5~15 ha。选取10 ha（0.1km2）区域为研究对象，设计标准按照苏州暴雨强度老公式（1981年颁布）1年1遇，按照《室外排水设计规范》，管道设计时径流系数取0.60，地面集水时间t1取10 min，折减系数m取2，地面高程范围为2.4~3.0 m，道路最低点保证1.5 m的覆土厚度。为研究地面集水时间对管道排水能力影响，汇水区域考虑三种形式：A（250 m×400 m），B（125 m×800 m），C（500 m×200m），如图1所示。
图1 汇水区域示意图
将设计好的排水系统在InfoWorks ICM中建模。苏州古城区内现状雨水管道从设计的角度大都不达标，但是城区积水情况并不严重，说明“设计能力”与“实际能力”存在一定的偏差。本文主要关注各种因素对管道排水能力的影响，苏州暴雨强度新公式（2011年颁布）更符合当前降雨情况，故选用新暴雨强度公式芝加哥雨型（雨峰系数r取值0.4）对设计管网进行评估，模型参数选用经苏州排水防涝模型率定后的数据。汇流模型选用偏城市的SWMM，汇流参数取值0.01，固定径流系数取值0.7。设计管道如图2所示。
图2 管道纵剖面图
3.1出流方式对管道排水能力的影响
汇水区域选用A，降雨雨型选用苏州暴雨强度新公式（3年1遇降雨），河道水位设置从-0.2~1.5 m，研究不同出流方式对管道排水能力的影响，结果如图3所示。
图3 河道水位对管道排水能力影响
由图3可知，出流方式对管道排水能力影响显著。河道水位上涨造成下游顶托，从而降低了管道可以达到的最大水力坡度值，造成管道排水不畅。
3.2地面集水时间对管道排水能力的影响
汇水区域分别选用A、B、C，降雨雨型选用苏州暴雨强度新公式（1年1遇至5年1遇降雨），河道水位为1.0 m，研究地面集水时间对管道排水能力影响，结果如表1所示。
表1 地面集水时间对管道排水能力影响
由表1可知，虽然同样都是10 ha（0.1km2）区域、同一设计标准，但由于区域形状不同，计算结果存在着一定的偏差。主要是地面集水时间影响，忽略地形因素，A和C全区域汇流时间要＞B，而设计地面集水时间均取10 min，造成B设计管道相对于A和C偏小。
3.3管道逆坡对管道排水能力的影响
汇水区域选用A，降雨雨型选用苏州暴雨强度新公式（2年1遇降雨），河道水位为1.2 m，研究管道逆坡对管道排水能力影响，结果如图4和图5所示。
图4 设计管道
图5 管道逆坡
由图4和图5可知，管道逆坡对管网的过流能力影响不大。因为在压力流情况下，逆坡并没有改变管道的水力坡度，也没有对其过流断面和糙率产生影响，故管道逆坡对管网过流能力影响不大。
3.4管道淤积对管道排水能力的影响
汇水区域选用A，降雨雨型选用苏州暴雨强度新公式（2年1遇降雨），河道水位为1.0 m，研究管道逆坡对管道排水能力影响，结果如图6和图7所示。
图6 设计管道
图7 管道淤积
由图6和图7可知，管道淤积对其过流能力影响显著。管网实际运行过程中发生的淤积现象，一方面减小了管道过流能力，另一方面加大管道糙率。过流断面缩小，水力坡度增长的更快，造成了管网部分检查井冒溢。
3.5大管套小管对管道排水能力的影响
汇水区域选用A，降雨雨型选用苏州暴雨强度新公式（2年1遇降雨），河道水位为1.2 m，研究大管套小管对管道排水能力影响，结果如图8和图9所示。
图8 设计管道 图9 大管套小管
由图8和图9可知，大管套小管对管网排水能力影响显著。因为“小管”减小了管道的过流断面，在排水过程中为了保证水量平衡，“小管”需要更大的水力坡度，从而造成地面积水。
（1）压力流状态下管道实际排水能力要比设计状态大的多。当管道形成压力流时，其排水能力依然可以按照曼宁公式计算，只是此时坡度不再是管道的敷设坡度，而是其实际的水力坡度。如图8中的末端管，设计管径为d1000，坡度为1‰，但此时的水力坡度为4.6‰，实际过流能力相对于设计提升107%，达到1 574.8 L/s。这就解释了为什么苏州古城区管道核算出来只有新公式的0.5年一遇，积水情况却不严重。
（2）当管道形成压力流时，此时管道过流能力主要受过流断面面积和水力坡度大小这两个因素影响。管道逆坡并没有影响管道的过流断面和水力坡度，故其对管道排水能力影响不大；出流方式影响的是水力坡度的增长空间，从而对管道排水能力有较大的影响；地面集水时间的取值和大管套小管影响的是管道过流断面的大小，其对管道排水能力有较大的影响；管道淤积既减小了其过流断面，又增大了管道糙率，从而对管道排水能力产生了显著的影响。
（3）由此可见，城市排水管网建设应全方位考虑，管道设计应充分了解区域情况，最好采用模型工具对设计管道进行校核；狠抓管道施工质量，避免发生大管套小管等现象；更应重视管道养护管理，定期对管道清通。另一方面，城市排水是一个系统工程，当下游水位达到一定高度时，此时再增大管径对其排水能力也不会有多大的影响，反之若下游排水口排水顺畅，则其排水能力大大增强，一般不会积水，即使局部区域积水，其持续时间也不会太长。
（1）压力流情况下，管道排水能力主要受水力坡度、过流断面和糙率的影响，其中出流方式对水力坡度影响显著，管道淤积和大管套小管则影响了管网的过流断面。
（2）管道逆坡对管网排水能力影响不大，而管道淤积对管网排水能力危害较大，建议定期对管网进行清通维护。
（3）采用推理公式计算管道管径时，应重视地面集水时间“t1”的取值，若遇到地形复杂区域，建议使用模型工具对计算结果进行校核。
查看全文可点击http://www.cnki.net/KCMS/detail/31.1513.TQ.20160428.0842.030.html进行下载。