地块开发对排涝规模的影响分析

摘要：随着地块开发，原有的自然地块或农业养殖业为主的地块逐步转化为城镇建设用地，原有的排涝规模也要随着用地性质的变化而增大，本文通过对店口解放湖片排涝规模演算，分析了地块开发对排涝规模的影响。

关键字： 排涝规模、排涝模数。

中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号：

一、概述

随着城市化进程，城市、乡镇区域外扩，新的开发区、工业园区建设使得原有的自然地块或农业养殖业为主的地块逐步转化为城镇建设用地，原有的排涝规模也要随着用地性质的变化而变化。这种用地的变化主要表现在以下几方面：1）、地表蓄水能力变化，原有的自然地块高低不平存在许多河沟池塘，转化为城镇建设用地后许多小的河沟池塘往往被填埋，水域所占比率降低，地表蓄水能力减少；2）、地表透水性变化，原有的自然地块透水性较高，转化为城镇建设用地后，为建设需要修建的建筑物、道路、广场等均要求硬化原透水地表为不透水地表，大大降低了地表透水性；3）、汇流速度变化，原有的自然地块植被良好的情况下地表比较粗糙（糙率n=0.13~0.80），用于过流的自然河沟也比较粗糙（糙率n=0.03~0.10），转化为城镇建设用地后硬化的不透水地表（糙率n=0.011~0.015）、排水管渠（糙率n=0.011~0.025）粗糙明显减少，汇流速度明显加快。

以上城市化带来的用地变化，在降雨量和时程分配不变的情况下，均会导致洪峰流量加大，地块所需的排涝规模加大。

二、案例

1、基本情况

案例为店口解放湖片，又称三江口，位于浦阳江东西江之间，湖畈范围南部为天然分水岭，其余为东西江江堤。集水面积3.6平方公里。湖畈内现主要为农田，占总面积的73.54%，城镇、村庄、路面等建筑面积占总面积的5.04%；现状水面率为4.87%。

规划店口至诸暨的快速通道穿过该湖畈内，随着快速通道的建设将带动该湖畈的建设，规划该湖畈为城镇。湖畈电排性质为城排，排涝标准为20年一遇暴雨。

集雨面积与电排设施：湖畈内主要排涝渠道为三江口河道，自西向东穿过店口解放湖。汇集南北两侧涝水至三江口排涝站。现有河道断面宽度为30米左右，河道长1.5公里。河底高程1.1米，两岸堤顶高程6米～6.5米，断面平均宽度30米。三江口排涝站现有规模2.00m3/s,排涝模数为0.55m3/s/km2。

2、排涝规模计算方法

1）、计算模型

采用美国环境保护局国家风险管理研究试验室的雨水管理模型进行流量演算。控制方程组采用质量和动量守恒方程，它们控制了通过渠道和管道的排水管网非恒定流动。这些方程式称为圣维南方程组，可以表达为以下沿着单个渠道的流动方式。

式中 x ―― 管渠距离；

T ―― 时间；

A ―― 横断面面积；

Q ―― 流量；

H ―― 管渠中的水头（标高水头加压力水头）；

Sf ―― 摩擦坡度（单位长度的水头损失）；

hL ―― 单位渠道长度的局部能量损失；

g ―― 重力加速度。

注意对于已知断面几何特性，面积A是水深 y的已知函数，可以从水头H获得。于是这些方程中的因变量是流量Q和水头H，它们是距离x和时间t的函数。

当分析管渠网络时，需要额外的连续性关系式，对于连接两条或者多条管渠的连接节点（见下图）。假设在节点和管渠水面标高之间存在连续水面，输入和离开节点（例外为可能发生的自由跌落）。相对于变化时间的节点水头H，可以表达为：

式中 Astore ――节点的表面积；

ΣAs ―― 连接节点的管渠所贡献的表面积；

ΣQ ―― 由所有连接到节点的管渠，以及任何外部强加进流量贡献的节点净进流量（进--出流量）。注意连接节点的管渠终端水深可计算为节点水头和管渠内底标高之差。

图2-1：排水系统的节点―管段表示方法

2）、管渠的求解方法

求解公式（1），（2）和（3），需要将它们转化成有限差分公式的显式集合，计算对应于时刻 t+Δt 每一管渠的流量和每一节点的水头，作为时刻t 已知数值的函数。

求解每一管渠流量的方程为：

单独ΔQ项依据力的类型命名，可表示为以下表达式：

式中：

A ―― 管渠中平均过流断面积；

R ―― 管渠中平均水力半径；

V ―― 管渠中平均流速；

Vi ―― 沿着管渠位置i的局部流速；

Ki ―― 沿着管渠位置i的局部损失系数；

H1 ―― 管渠上游节点水头；

H2 ―― 管渠下游节点水头；

A1 ―― 管渠上游端断面积；

A2 ―― 管渠下游端断面积。

每一节点水头计算公式为：

利用带有松弛的连续近似方法，求解公式（4）和（5）。过程如下：

1）、首先通过求解公式（4），利用当前时刻 t 的水头、面积和速度，估计时刻t + Δt 每一管渠的流量。然后同样利用刚才计算的流量估计公式（ 5）的水头。这些结果表达为Qlast 和 Hlast。

2）、重新求解公式（4），利用刚才计算的Qlast和Hlast 数值的水头、面积和速度。松弛因子Ω，用于合并新的流量估计Qnew和原先的估计Qlast，根据方程 Qnew = （1 - Ω）Qlast + Ω Qnew产生更新的数值Qnew。

3）、利用流量Qnew重新求解公式（5）的水头。随着流量，该新结果对于水头Hnew，权重具有Hlast，产生更新的水头估计，Hnew =（1 - Ω）Hlast + Ω Hnew。

4）、如果Hnew充分接近Hlast，那么过程停止，具有求解时刻t +Δt的Qnew和 Hnew，否则,Hlast和Qlast分别被Hnew和Qnew取代，过程返回到步骤2。

3、地块未开发时计算

1）、演算模型建立

在研究范围内我们建立了13个子汇水面积、10个计算节点、9个河段、1个排水泵站、1个排放口、1个雨量计，计算出河道水位和流量过程，排水系统的演算模型见下图。

图2-2：地块未开发时演算模型

2）、排涝泵站现状规模下计算结果

现状模型计算主要参数：计算暴雨二十年一遇（相应的24小时暴雨量为209mm）。集水面积3.6平方公里，不透水面积占5%。现有河道断面宽度为30米左右，河道长1.5公里，河底高程1.1米，两岸堤顶高程6米～6.5米。三江口排涝站现有规模2.00m3/s,排涝模数（单位面积需要的排涝流量）为0.55m3/s/km2。

图2-3：地块未开发时河道水深过程线

现状模型计算主要结果：河道计算最大水深5.27m,最高洪水位5.27+1.1=6.37m, 两岸堤顶高程6米～6.5米，两岸地块标高小于6.37米的地方有局部积水，河道及排涝泵站规模基本能满足现状区块防洪要求，河道局部地段需加高两岸堤顶高程。

4、地块开发后计算

1）、演算模型建立

在研究范围内我们建立了67个子汇水面积、88个计算节点、88个雨水管渠段及河段、1个排水泵站、1个排放口、1个雨量计，计算出河道水位和流量过程，排水系统的演算模型见下图。

图2-3：地块开发后演算模型

2）、排涝泵站规划规模下计算结果

规划模型计算主要参数：计算暴雨二十年一遇（相应的24小时暴雨量为209mm）。集水面积3.6平方公里，不透水面积占65%。规划河道断面宽度为40米左右，河道长1.5公里，河底高程1.1米，两岸堤顶高程6米～6.5米。三江口排涝站规划规模9.00m3/s,排涝模数为2.50m3/s/km2。

图2-4：地块开发后河道水深过程线

规划模型计算主要结果：河道计算最大水深4.91m,最高洪水位4.91+1.1=6.01m, 两岸堤顶高程6米～6.5米，两岸地块最底标高6.20米，无溢流点，河道及排涝泵站规模基本能满足规划区块防洪要求。

三、结论

分析以上计算结果可以得出如下结论：

(1)、随着城市化建设使得原有的自然土地转化为城镇建设用地，土地自然性质会产生变化，表现在：地表蓄水能力减少；地表透水性降低；雨水汇流速度变快。这些变化均会导致洪峰流量加大，地块所需的排涝规模加大。

(2)、城镇建设用地与原自然或农用地相比，对防洪的要求也有所提高，一般城镇道路排水系统不容许溢流，而农田却容许一定时间的积水。对防洪要求的提高也使地块所需的排涝规模加大。

(3)、地块开发后排涝模数会成倍增加，本案例在二十年一遇暴雨下例增加了4.5倍。