如何解決海綿鄉村建設應用過程降雨數據的輸入問題
小編說
針對海綿鄉村建設中水力模型輸入的設計暴雨問題，分析了源頭、過程和末端在不同設計工況條件下的設計暴雨強度公式及設計暴雨過程的建立方法和適用范圍，給出了鄉村雨水管網、防澇設施、排澇河道和低影響開發設施輸入設計暴雨的模型應用方法，區分了設計工況與事件模擬工況的差異。
引言
海綿鄉村建設工作不只推動了鄉村綠色發展理念的實踐，也推動了行業技術進步，其顯著性成果就是推進了水力模型技術的大面積應用與普及。但由于前期對水力模型基礎和應用研究工作的缺乏，導致排水模型技術在海綿鄉村建設應用過程中存在很多問題，例如降雨數據的輸入問題。降雨數據是進行與雨水相關模擬計算的重要輸入條件，其中設計暴雨是構成設計工況的條件之一。排水模型輸入的設計暴雨由設計暴雨過程線（hyetogragh組成，不同的設計工況下應輸入不同的設計暴雨。
正確理解和構建模擬工況（國外經常稱為情景或場景scenario應用排水模型技術、獲得有意義結果的關鍵。但目前存在很多誤區，例如在實際工程中通過技術措施處置30mm左右降雨，通常就認為已實現1年一遇或2年一遇設計重現期的降雨，實際上這是兩個概念，一個是調蓄水量，另一個是管網的排水能力。海綿鄉村建設中，年徑流總量控制率依照30mm/d左右的降雨進行計算，而排水管網設計是依照30mm/h左右的降雨進行計算，如果準確計算管網的排水量，上海純水設備其最大值可以達到24倍的年徑流總量控制率的降雨量，造成這種誤區的原因就是對工況的理解出現問題。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，現階段我國市政和水利工程分屬于兩個學科和兩個行業部委管理，防澇與排澇設計規范和方法不同。防澇工程是排除或蓄存逾越排水管渠排水能力的地表徑流雨水的工程設施，保證在防澇規范條件下不發生內澇積水災害。但防澇工程在國一直被忽視，普遍的認識是用雨水管網解決鄉村內澇問題，而現狀是國的雨水管網設計規范（只有35年）偏低，無法達到防澇規范的要求（30100年）因此造成內澇災害頻發。
設計暴雨是輸入水力模型代表設計工況的降雨過程線，不同的設計暴雨過程代表不同的設計工況。因此，確定正確、合理的設計降雨過程線是進行海綿鄉村建設規劃、設計工作的先決條件。
一、海綿鄉村建設相關工程的設計工況
根據海綿鄉村建設系統架構的最新研究效果，海綿鄉村建設中源頭、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管網設計工況
雨水管渠排水工程（又稱小排水系統）職責是及時排除降雨期間鄉村區域內的地表徑流，防止形成積水影響市民正常出行。雨水管渠的設計工況：根據徑流成因理論和推理公式法原理，假設降雨的重現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。設計工況由設計斷面對應的匯水（服務）面積、匯水時間、設計暴雨強度和徑流系數組成，根據計算的設計流量確定排水管渠斷面和坡度，當排水系統采用同一重現期設計規范時，該系統內不同設計管段采用相同的設計重現期暴雨，也就是芝加哥雨型，或稱為芝加哥雨型設計降雨過程線。
1.2管網溢流設計工況
防澇工程（又稱大排水系統上游）職責是及時排除或蓄存雨水排水管渠不能及時排除的雨水，防止形成鄉村內澇災害。防澇工程分析鄉村區域內形成積水和內澇災害的風險，并提出解決方法。防澇工程的設計工況：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，通常是承擔排水功能的道路和削峰調節池。設計工況由上游邊境條件雨水管渠的排水能力、下游受納水體的設計水位、鄉村地面高程模型、鄉村內澇設計暴雨、排水通道和蓄滯空間等參數構成。
1.3受納水體設計工況
排澇工程（又稱大排水系統下游、排水受納水體）職責是接納鄉村區域的降雨徑流雨水，通過河道排向下游水體或蓄存于湖泊，保證鄉村區域不造成大范圍的排水不暢和內澇災害。鄉村排澇工程分析鄉村區域排入河道和湖泊等受納水體的排水和蓄水能力，上海純水設備保證有效接納鄉村排水。排澇工程的設計工況：沒有上游來水的條件下，與雨水管渠的設計理論相近，其差別是流域范圍大、匯水時間長，并應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、蓄滯洪區設計工況
防洪工程（排除流域洪水的河流，鄉村排水和排澇工程的受納水體）職責是發生流域洪水的條件下，保證鄉村區域的平安，防止洪水進城造成重大損失。鄉村防洪工程分析流域洪水發生的風險和預防措施，鄉村區域的設防規范一般高于其他地區。防洪工程的設計工況：防洪工程一般不是根據設計暴雨估算洪峰流量，而是根據河流監測洪峰流量的頻率確定設計流量，采用流量過程線演算和預測的方法確定設計斷面的設計流量。
1.5源頭減控工程的設計工況
源頭減控工程的設計目標不是一個，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、水文化等需求。所以源頭減控工程的設計工況也包括多個，不同的設計目標對應不同的設計工況，應根據面源污染控制、雨水利用、提高排水管網設計規范和城市防澇的設計工況需求構造或選用不同的設計暴雨。
1.6降雨觀測數據
國的氣象部門和水利部門都是國家授權的降雨觀測單位，由于設置觀測點位置不同、服務對象不同、整理數據的方法不同，造成氣象部門與水利部門獲取的降雨數據存在差別，如果混淆使用數據源，將帶來諸多問題。對降雨數據的基本要求應同時滿足3個要求：對鄉村規劃區具有代表性；有30年以上自記雨量資料；數據整編精度為1min能夠滿足防澇工程設施的設計暴雨；采用水利部門的降雨數據構造排澇工程和防洪工程的設計暴雨。
二、各設計工況的設計暴雨
2.1雨水管渠設計暴雨
針對鄉村雨水管渠排水工程的職責和設計工況，推理公式法給出了非常遜色的解決方法，就是降雨過程中，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。設計中，選用一定的設計重現期，便能保證所有的設計斷面對應的降雨是同一個重現期，所有鄉村雨水管渠排水工程的設計暴雨是相同重現期、不同時段降雨事件的組合。新中國成立后，國鄉村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，雨水管網的設計重現期較低，從一年4次（0.25年）開始。為了使鄉村雨水管網的設計規范與國際規范和國內的水利工程一致，后來我國采用年最大值法進行暴雨強度計算，其設計重現期已調整為25年的年頻率。雨水管渠設計暴雨采用年最大值采樣方法可以獲得重現期大于2年事件的可靠估計（預測）用于計算重現期等于1年事件是不可靠的
雨水管渠設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、應用分析5個步驟，采用P-Ⅲ型曲線參數進行擬合（見圖1由于P-Ⅲ頻率分析注重低重現期部分的擬合精度，采用固定Cs/Cv=3/5Cv單增策略，并注意一族曲線的擬合精度，管網設計重現期局部擬合最好，保證了管網設計的可靠性；但高重現期部分的擬合精度較差，數值偏低。因此，短歷時設計暴雨過程線可以用于評估管網的排水能力，用于內澇風險分析評價時結果偏低。
2.2防澇工程設計暴雨
鄉村防澇工程是指排除和蓄存逾越雨水管網排水能力、小于鄉村防洪規范的地表漫流雨水的工程設施，包括行泄通道、調蓄設施和泵站等，發達國家一般采用鄉村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計流量，因此降雨資料的數據來源與雨水管渠的暴雨強度公式采樣方式相同。為了科學規劃和設計鄉村防澇工程，并考慮調蓄設施容積設計的需要和與排澇工程相銜接，采用長歷時（24h設計暴雨的降雨過程。防澇工程設計暴雨強度用于與鄉村防澇工程相關的設計計算，可以構造鄉村防澇設計工況。年最大值法的基礎上，上海純水設備長歷時暴雨強度公式P-Ⅲ曲線頻率（見圖2應采用高重現期局部擬合優化戰略和固定Cs/Cv=3/5Cv單增策略。采用氣象點雨量數據編制鄉村排水防澇系統設計的長歷時（24h暴雨（強度）量公式、典型降雨過程的雨型，效果是設計暴雨強度公式和雨型結合合成內澇防治設計暴雨過程線。防澇工程設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、應用分析，同短歷時雨水管渠設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期局部擬合精度。
防澇工程設計暴雨過程的建立原則為：采用氣象部門的點降雨數據，區別于水利部門采集面雨量數據方法，計算精度要求高于水利部門的相關規定；最大平均時段降雨同頻率事件組合原則合成設計降雨過程線，即每一個匯水時間對應的降雨都是相同設計重現期；防澇工程設計暴雨頻率分析注重高重現期局部擬合精度，低重現期局部擬合精度差，數值偏低；排水和防澇工程設計暴雨不同（不同的暴雨歷時和暴雨雨型）
防澇工程設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，得到降雨量時段分配曲線，也就是雨型。根據24h暴雨強度公式計算時段降雨量，根據雨型重新計算各個時段分配降雨量百分數，將各個時段計算的數值分配到降雨過程中，得到降雨過程線，也就是設計暴雨過程線（見圖3
2.3排澇工程設計暴雨
排澇工程屬于水利工程，依據鄉村防洪工程設計規范，參考水文手冊進行設計，設計暴雨一般為1h時段的降雨過程。排澇工程的設計工況是計算在設計重現期條件下能夠進入河道的最大流量，用來確定排澇河道設計斷面，類似于推理公式法。一般根據水文站24h6h1hPⅢ頻率曲線分析效果，采用經驗公式計算其他時段的降雨量，計算結果沒有暴雨強度公式準確。
2.4防洪工程設計暴雨
防洪工程屬于水利工程，依據鄉村防洪工程設計規范進行設計。大江、大河一般都建有水文站，采用流量發生的重現期確定設計流量，特殊情況下，可采用最大可能降雨推算設計流量。
排澇工程和防洪工程是排水和防澇工程的下游，科學確定下游邊境條件對構建排水、防澇水力模型非常重要。
2.5源頭減控工程設計暴雨
國采用年徑流總量控制率對應的降雨量作為設計參數以確定低影響開發設施的規模，能夠實現年徑流總量控制率對應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、提高排水管網設計規范和鄉村防澇等功能的作用是間接的對于流域的作用更難計算。建議根據低影響開發設施的設計目標構建設計暴雨強度，參考面源污染控制、雨水利用、提高排水管網設計規范和城市防澇的設計工況需求建立設計暴雨強度公式。上海純水設備可以將低影響開發設施設計降雨量（年徑流總量控制率）轉化為不同的控制戰略，采用不同的設計暴雨進行設計。
源頭設置鄉村防澇削峰調蓄池，設計采用24h長歷時設計暴雨過程線，將最不利的高峰降雨時段的降雨進行削峰處理，可有效緩解流域內下游低洼區域的內澇風險。
源頭設置提高雨水管網規范調蓄池，設計采用3h短歷時設計暴雨，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的排水壓力，減少超標溢流事件發生。
雨水利用工程的設計暴雨可以參考雨水利用相關規范。由于減少雨水管渠向河道排水次數、減少合流制系統溢流次數等工況與實際降雨過程關系密切，建議采用實際降雨過程數據建模。
三、結論
1科學構建設計工況是用模型進行工程設計的前提條件，設計暴雨是描述設計工況的主要參數。
2長、短歷時鄉村暴雨強度公式均可采用固定Cs/Cv=3.5Cv單增策略，通過P-Ⅲ一族曲線人工適線參數進行優化。
3建議P-Ⅲ分布短歷時采用低重現期、長歷時采用高重現期局部最佳擬合優化目標戰略。
4長歷時設計暴雨編制方法的暴雨強度公式局部應符合《室外排水設計規范》有關規定，設計雨型局部應符合水利部門有關規定，可提高設計暴雨的精度。
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的雨型構造方法，時段為5min與水利部門1h相比，更加精細化。
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