源头雨水控制项目外排雨水的水力计算（一）
源头雨水控制项目外排雨水的水力计算（一）
1 中国建筑设计研究院有限公司 2 中关村海绵城市工程研究院有限公司
【摘要】源头雨水控制项目中外排雨水管道的设计流量及水力计算，应考虑雨水控制设施对雨水径流的折损作用，否则会产生诸多弊端； 雨水管道起点集水时间为上游雨水控制系统的降雨历时，可取 15min；外排雨水的径流系数应为下垫面径流总量扣减有效截留雨量后与下垫面降雨总量之比；有效截留雨水量应根据蓄（储）水设施的有效容积、汇水面积、日径流量、日渗透量、3 日回用雨水量进行水力平衡计算确定。
【关键词】源头雨水控制 溢流雨水排除 外排雨水径流系数 降雨历时
源头雨水控制项目包括建筑小区、公园绿地、城市公共空间等，其中绝大部分的占地面积集中在建筑小区中。此类建设项目仍然设有外排雨水管道，尽管业内有些观点认为外排雨水管道可以取消，且有少量的工程案例在运行。对于外排雨水管道，仍然需要进行水力计算，其计算主要包括外排雨水的流量计算和管径计算。
1. 目前的水力计算方法
在源头雨水控制项目中建设了雨水控制及利用设施后，其中雨水收集回用系统的雨水蓄存、调蓄排放系统的雨水蓄存以及入渗系统的雨水蓄存，对建设项目的雨水径流均形成了折减或损耗，使得选定设计重现期对应的雨水外排径流减小。但在目前的水力计算方法中，外排雨水的水力计算仍在执行传统的计算方法，这些折损的雨水径流除了透水铺装外其余均未体现，即没有考虑雨水控制及利用设施对雨水径流的影响。这导致了建设项目中有建设雨水控制设施的外排雨水管径同没有建设雨水控制设施的管径计算相同，没有因外排径流减小而缩小。
目前的水力计算方法主要体现在国家标准《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》GB50400-2017 和《建筑给水排水设计规范》GB50015 中。其中《建筑给水排水设计规范》GB50400 的 5.4.9 条规定：外排雨水管道的水力计算应符合现行国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015 的规定。即将实施的GB50015-2019 中，5.3.10 条~5.3.16 条仍按照传统的水力计算进行了规定。
2.目前水力计算方法的弊端
外排雨水按传统的水力计算方法导致管径维持原尺寸不缩小，造成如下弊端。
2.1 浪费管道投资 。针对设计重现期的雨水排水系统，其径流计算不扣除项目场地内由雨水控制设施拦截的雨水，计算的流量值是偏大的，大于设计重现期对应的实际流量值。而管径根据计算流量值选取，因而管径也是偏大的。室外埋地管道的单位造价主要由管径决定，选管径的流量计算不合理造成管径偏大从而导致投资加大，是投资的浪费。经济与安全，是选择管径时缺一不可的两个制衡因素，忽视了经济性，就造成浪费。
2.2 没有 把雨水控制的效果 客观 体现出来 。对于源头雨水控制的项目，空间尺度都是较小的，占地面积多是几个公顷以内。每个具体项目的雨水控制建设效果很难用水生态、水安全等来体现。而雨水就地拦截控制，减少外排雨水径流是最直接的效果体现方法，也是我们最为关注的效果。外排雨水管道的管径缩小，是这一方法最直接、客观的体现。而管径不缩小，很难再用其他的指标体现这样的客观效果。甚至有管理者认为，建设雨水控制的小区，室外雨水排水管道应该取消，标准以内的雨水进入控制及利用设施，超标雨水以溢流方式通过地面及路面外排。
这相当于把外排雨水管的管径缩小为零，效果体现异常突出。
2.3 为把雨水控制工程作为 摆设而建造提供了空间或退路 。建设了源头雨水控制的项目，其雨水外排的管径可以不缩小，这意味着不管雨水控制设施是否运行、是否发挥作用，场地中的雨水都能正常排放。这将导致雨水控制的运行管理机构或人员疏于管理甚至走过场式的管理，源头雨水控制设施发挥不出应有的作用。并最终传导到建造者，把源头雨水控制工程建造为一种摆设。
2.4 增加监测 监管 的投资和难度 。外排雨水的管径不缩小，源头雨水控制的效果将无法用管径做衡量，这导致需要寻找其他的手段监测或监管源头雨水控制工程的建造效果或运行效果。目前多数人考虑的手段是在建筑小区中的最下游雨水检查井（其出水管与市政雨水管连接）中，设置雨水流量测量或监测设施。这无疑要大面积区域增加投资，同时，测量中还要捕捉到设计重现期的降雨，以及推求判别方法，以便判断监测到的雨水流量是否合格，复杂程度大为增加。
以上几点对现行水力计算方法的分析显示，有必要探寻新的计算方法。
3. 新水力计算 方法的建立
建立新的水力计算方法，需要重点解决流量计算，为选管径提供依据。
建筑小区中雨水流量计算的普遍式如下
Q s ＝qΨF (1)
式中 Q s —— 雨水设计流量(L／s)；
q—— 设计暴雨强度 EL／(s·hm2 )L；
Ψ—— 径流系数；
F—— 汇水面积(hm2 )。
源头雨水控制项目用地中的雨水排水管道，排除的是用地内的超标溢流雨水，因此，径流系数和设计暴雨强度中的降雨历时的计算方法，应不同于传统算法。
3.1 降雨历时
建筑小区中，设计暴雨强度中的降雨历时，传统算法如下
t = t 1 + t 2 （2）
式中：t —— 降雨历时（min）；
t 1 ——汇水面集水时间（min ） ，视距离长短﹑地形坡度和地面铺盖情况而定，可选用 5 min～10 min，屋面取 5min；
t 2 —— 排水管内雨水流行时间（min）。
当建设项目或建筑小区设置了蓄水容积为 V 的雨水控制设施后，雨水到达控制设施下游的排水管道的流行时间 t 2 应为蓄水设施上游集水管道中的流行时间与蓄水容积（雨水入渗、雨水收集回用、雨水调蓄排放三系统均须设蓄水容积）充满的时间之和。一般集水管道中的流行时间较小，可忽略不计，t 2 取蓄水容积充满的时间。根据《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》GB50400 中的相关原理，蓄水容积充满时间可根据下式计算
t 2 =V/ Q （3）
式中 Q 为蓄水设施的来水流量。3 式中 Q 含有 t 2 ，需要迭代计算求解。
实际工程中，作为排除溢流雨水的排水管道，其上游设施的流行时间 t 2 宜寻求简化计算。考虑到《室外排水设计规范》GB50014 中市政雨水的地面集水时间为 5~15min，小区内的降雨历时 t 取值应控制在 15min 以内。这样， t 2 的取值可为 5~10min。根据经验，这个取值是偏小的，即，依此计算的溢流雨水流量偏大，排水管径偏安全。
综上所述，建设了雨水控制设施的建筑小区，计算溢流排水管道的流量时，降雨历时可取约 15min。
3.2 径流系数
径流系数是降雨产生的径流量与降雨量之比。对于源头雨水控制建设项目或小区，被入渗设施、收集回用设施、调蓄排放设施拦截蓄存的雨水量，都不再进入下游的溢流雨水排水管道，相当于不形成径流，被截留损耗了。排水流量计算中的径流系数，应反映这些折损。其求解可用 4 式和 5 式
Ψp =Wp /（10hdF） （4）
式中：Ψ p ——建设场地外排雨水径流系数；
Wp ——建设场地外排雨水径流量（m3 ）；
hd ——最大 24h 降雨量（mm），因重现期而异；
F —— 建设场地总面积（m2 ）。
根据国标 GB50400 [1] ，建设场地外排雨水量按下式计算：
W p = 10Ψzhd F–V （5）
式中：Ψ z ——建设场地下垫面上的综合径流系数；
V——雨水控制设施截留的雨量（m 3 ）。
4、5 式表明，外排雨水量W p 和径流系数Ψ p因降雨重现期而变化。一个既定工程，5 式中雨水控制设施截留雨水的量 V 是一定的，当降雨重现期增大时，5 式及 4 式中的日降雨量 hd 增大，从而外排雨水量W p 和径流系数Ψ p 变大。
3.3 管径确定
根据 2、3 式得到的降雨历时（约 15min），可求得降雨强度 q；根据 4、5两式，可计算出外排雨水的径流系数Ψ p 。代入 1 式（令 Ψ=Ψ p ），即得外排雨水管道的起点设计流量 Qs 。依此便求得管径。下游各计算管段，可依次计算。
4. 水量平衡法计算雨水截留量
雨水控制设施截留的雨量应为各个分系统截留的雨量之和，如下
V= V1 + V2 + V3 （6）
式中：V1 ——渗透设施的截留雨量（m 3 ）。未设置此设施时取 0；
V2 ——收集回用系统的截留雨量（m 3 ）。未设置此设施时取 0；
V3——调蓄排放设施的截留雨量（m 3 ）。未设置此设施时取 0。
各雨水控制系统或设施的截留雨量受多个因素的制约和影响，应通过水量平衡计算。
4.1 渗透系统或设施的截留雨量
渗透系统或设施能截留的雨量主要受以下三个因素影响：渗透设施的有效储水容积、渗透设施承担的汇水面日径流量、渗透设施的日渗透雨量。渗透设施的储水容积为雨水花园、洼地、埋地入渗管沟等所有渗透设施（透水铺装除外，其截雨性能已反映在径流系数中）的有效容积之和；日渗透雨量由所有渗透设施的渗透面积和土壤渗透系数决定，按下式计算 [1] ：
W s=α K J sA （7）
式中：W s ——渗透量（ｍ 3 ）；
α ——综合安全系数，一般可取 0.5～0.8；
K——土壤渗透系数（ｍ/s）；
J——水力坡降，一般可取 Ｊ =1.0；
A s ——有效渗透面积（m 2 ）；
t s ——渗透时间（s），按 24 小时计。
当三个因素的量相平衡或相等时，系统达到最优，截留雨量为平衡值。在实际工程中受场地条件限制或设计人的认知限制，三个因素的量往往不平衡或不相等，此时，截留的雨量由最小的值决定。比如，入渗设施如果储水容积值最小，甚至没有，则截留雨量为 0；再如，渗透设施如果建造在黏土中，土壤不能渗水，则不管储水容积和日径流量有多大，日渗透量几乎为 0，截留雨量由日渗透量决定。
4.2 收集回用系统的截留雨量
收集回用系统能截留的雨量主要受以下三个因素影响：雨水蓄水池的有效储水容积、蓄水池承担的汇水面日径流量、雨水回用系统的 3 日用水量。当三个因素的量相平衡或相等时，系统达到最优，截留雨量为平衡值。在实际工程中受场地条件限制或设计人的认知限制，三个因素的量往往不平衡或不相等，此时，截留的雨量由最小的值决定。比如，雨水蓄水池容积相对另外两个量较小，则截留雨量为蓄水池容积；再如，雨水回用量很小，尽管蓄水容积和日径流量有很大，则截留雨量应为 3 日用水量。
4.3 调蓄排放系统或设施的截留雨量
调蓄排放系统或设施一般是雨后再外排雨水，能截留的雨量主要由调蓄储水设施的有效储水容积和其承担的汇水面日径流量两因素决定。当两个因素的量相平衡或相等时，系统达到最优，截留雨量为平衡值。在实际工程中两个因素的量受场地条件限制往往不平衡或不相等，截留的雨量由较小的值决定。
5 新计算方法的意义或应用
本文提出的计算方法，具有现实应用的需求和将来建筑小区雨水排放系统的广泛需求。
5.1 目前的入渗系统和调蓄排放系统
目前现行的雨水控制及利用设施中，至少有两种设施需要采用本文中的计算理念：入渗系统的渗排一体设施；调蓄排放系统中降雨过程中排水的设施。渗排一体设施中被卵石层或储水空间包裹的穿孔管道，一方面向沿途的储水空间布水，一方面又向下游排水，设施下游终端出口的雨水是储水空间满溢后的溢流雨水，因此，穿孔管的管径应能够输送这些溢流雨水。溢流雨水流量根据式1 计算，其中的径流系数按式 4 计算，降雨强度计算中的 t2 按式 3 计算。
调蓄排放系统的雨水排放有两种方式，一种是雨后排放，第二种是降雨过程中就进行排水，即边降雨边排水。当边降雨边排水时，排水流量的径流系数及降雨历时中的 t2，都应考虑控制设施对径流的折损影响。
5.2 目前的上位规划径流控制
目前很多城市在海绵城市建设或防涝建设规划中，对各建设地块的雨水径流系数规定了限值。要实现这种径流系数限值，需通过雨水入渗系统、雨水收集回用系统、雨水调蓄排放系统的一种或多种组合来完成。这些系统的设计参数众多，包括储水容积、入渗面积、汇水面积及雨水径流量、雨水用量等，其取值是否得当，会受场地条件及设计水平的影响，并导致场地的实际径流系数与规划限值的吻合程度不同。利用公式 4~6，可对即有的雨水控制设计项目或建设项目进行径流系数计算或评估。
5.3 未来的小区雨水管道之性质转变
国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015-2019 的 5.3.2 条要求，“小区雨水排水口应设置在雨水控制利用设施末端，以溢流形式排放；超过雨水径流控制要求的降雨溢流进入市政雨水管渠。”可见，从规范层面，小区雨水排水管道的性质将由迅速及时排除雨水转变成为排除雨水控制设施的溢流雨水，这是一个重大转变。针对这种雨水溢流管道，探索新的流量计算方法及水力计算方法，将成为题中应有之意。
6 结论
外排雨水管道的水力计算要点如下：
1）源头雨水控制项目的外排雨水管道水力计算，应考虑雨水控制设施对外排雨水径流的折损影响。
2）外排雨水管道是排除溢流雨水，其起点集水时间为上游雨水控制系统的降雨历时，可取 15min。
3）外排雨水管道的设计流量计算中，径流系数可按下式计算
4）雨水控制设施的有效截留雨水量，应根据蓄（储）水设施的有效容积、汇水面日径流量、日渗透量、3 日回用雨水量进行水力平衡计算确定。
5）水力平衡计算方法按节 4 论述进行。
参考文献
1 《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》GB50400-2016，中国计划出版社。
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