给排水管道工程技术：雨水管渠设计流量

雨水落到地面，由于地表覆盖的情况不同，一部分渗透到地下，一部分蒸发了，一部分滞留在地势的低洼处，而剩下的雨水沿地面的自然坡度形成地面径流进入附近的雨水口。并在管渠内继续流行，通过出水口排入附近水体。所以如何正确地确定雨水设计流量是设计雨水管渠的重要内容。

2.4.2.1　雨水设计流量计算公式

城市、厂矿中排除雨水的管渠，由于汇水面积较小，属于小流域面积上的排水构筑物。我国目前对小流域排水面积上的最大流量的计算，常采用推理公式，即

式中 Q——雨水设计流量，L/s；

φ——径流系数，

q——设计暴雨强度，L/（s·hm2）；

F——汇水面积，hm2。

式（2.4.6）是根据一定的假设条件，由雨水径流成因推导而得出的，和实际有一定差异，是半经验、半理论的公式。假定：①暴雨强度在汇水面积上的分布是均匀的；②单位时间径流面积的增长为常数；③汇水面积内地面坡度均匀；④地面为不透水，径流系数为1。下面通过降雨径流过程的分析，对式（2.4.6）的应用进行说明。

如图2.4.5所示的是一块扇形的汇水面积，雨水从汇水面积上任一点流到集水点a的时间称为该点的集流时间。a点为集流点（如集水口，管道某一断面等）。因为假定汇水面积内地面坡度均匀，则以a为圆心所画的de，fg，hi，…，bc为等流实线，每条等流实线流到a点的时间是相等的，分别是τ1，τ2，…，τ0，汇水面积上最远点的雨水流到集水点的时间称为该汇水面积的集流时间，可见该点的集流时间最长。

当地面上降雨产生地面径流开始后不久（t＜τ0），在a点上汇集的流量仅来自靠近a点的小块面积上的雨水，这个时候距离a点较远面积上的雨水仅流至途中。随着降雨时间的增长，汇水面积不断增大，就有越来越大面积上的雨水流到a点，当（t=τ0）时，汇水面积上最远点流到a点，此时，全部汇水面积产生径流，集水点产生最大流量。

当降雨继续进行时，即t＞τ0，这时由于汇水面积不在增加，而暴雨强度随着降雨历时增加而减小，所以集水点a的集流量也比t=τ0时小，在t＜τ0时，虽然暴雨强度比t=τ0时大，但此时的暴雨强度对集流量的影响远不如汇水面积产生的影响大。因此集水点a的集水量也比t=τ0时小。

通过分析可知，只有当t=τ0时，汇水面积全部参与径流，集水点a将产生最大径流量。这一概念称为极限强度法。其基本要点是：以汇水面积上最远点的水流时间作为集水时间计算暴雨强度，用全部汇水面积作为服务面积，所得雨水流量最大，可作为雨水管道的设计流量。

2.4.2.2　雨水管段设计流量的计算

图2.4.6为设计地区的一部分。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为4块毗邻的4个街区，设汇水面积FⅠ=FⅡ=FⅢ=FⅣ，雨水从各块面积上最远点分别流人雨水口所需的集水时间均为τ1min。1—2、2—3、3—4分别为设计管段。试确定各雨水管段设计流量。

图2.4.5　汇水面积径流过程

图2.4.6　雨水管段设计流量计算示意图

图2.4.6中4个街区的地形均为北高南低，道路是西高东低，雨水管渠沿道路中心线敷设，道路断面呈拱形为中间高，两侧低。降雨时，降落在地面上的雨水顺着地形坡度流到道路两侧的边沟中，道路边沟的坡度和地形坡度相一致。当雨水沿着道路的边沟流到雨水口经检查井流入雨水管渠。Ⅰ街区的雨水（包括路面上雨水），在1号检查井集中，流入管段1—2。Ⅱ街区的雨水在2号检查井集中，并同Ⅰ街区经管段1—2流来的雨水汇合后流入管段2—3。Ⅲ街区的雨水在3号检查井集中，同Ⅰ街区和Ⅱ街区流来的雨水汇合后流入管段3—4。其他依次类推。(www.xing528.com)

已知管段1—2的汇水面积为FⅠ，检查井1为管段1—2的集水点。由于面积上各点离集水点1的距离不同，所以在同一时间内降落到FⅠ面积上的各点雨水，就不可能同时到达集水点1，同时到达集水点1的雨水则是不同时间降落到地面上的雨水。

集水点同时能汇集多大面积上的雨水和降雨历时的长短有关。如雨水从降水面积最远点流到集水点1所需的集水时间为20min，而这场降雨只下10min就停了，待汇水面积上的雨水流到集水点时，降落在离集水点1附近面积上的雨水早已流过去了。也就是说，同时到达集水点1的雨水只能来自FⅠ中的一部分面积，随着降雨历时的延长，就有越来越大面积上的雨水到达集水点1，当降雨历时t等于集水点1的集水时间20min时，则第1min降落在最远点的雨水与第20min降落在集水点1附近的雨水同时到达。通过以上分析得知，汇水面积是随着降雨历时t的增长而增加，当降雨历时等于集水时间时，汇水面积上的雨水全部流达集水点，则集水点产生最大雨水量。

为便于求得各设计管段相应雨水设计流量，作几点假设：①汇水面积随降雨历时的增加而均匀增加；②降雨历时大于或等于汇水面积最远点的雨水流到设计断面的集水时间（t≥τ0）；③地面坡度的变化是均匀的，φ为定值，且φ=1.0。

1.管段1—2的雨水设计流量的计算

管段1—2是收集汇水面积FⅠ上的雨水，只有当t=τ1时，FⅠ全部面积的雨水均已流到1断面，此时管段1—2内流量达到最大值。因此，管段1—2的设计流量为

式中 q1——管段1—2设计暴雨强度，即相应于降雨历时t=τ1的暴雨强度，L/（s·hm2）。

2.管段2—3的雨求设计流量计算

当t=τ1时，全部FⅡ和部分FⅠ面积上的雨水流到2断面，此时管段2—3的雨水流量不是最大，只有当t=τ1+t1—2时，这时FⅠ和FⅡ全部面积上的雨水均流到2断面，此时管段2—3雨水流量达到最大值。设计管段2—3的雨水设计流量为

式中 q2——管段2—3的设计暴雨强度，是用（FⅠ+FⅡ）面积上最远点雨水流行时间求得的降雨强度。即相应于t=τ1+t1—2的暴雨强度，L/（s·hm2）；

t1—2——管段1—2的管内雨水流行时间，min。

3.管段3—4的雨水设计流量的计算

同理，

式中 q3——管段3—4的设计暴雨强度，是用（FⅠ+FⅡ+FⅢ）面积上最远点雨水流行时间求得的降雨强度，即相应于t=τ1+t1—2+t2—3的暴雨强度，L/（s·hm2）；

t2—3——管段2—3的雨水流行时间，min。

由上可知，各设计管段的雨水设计流量等于该管段承担的全部汇水面积和设计暴雨强的乘积。各设计管段的设计暴雨强度是相应于该管段设计断面的集水时间的暴雨强。因为各设计管段的集水时间不同，所以各管段的设计暴雨强度亦不同。在使用计算公式Q=φqF时，应注意到随着排水管道计算断面位置不同，管道的计算汇水面积也不同，从汇水面积最远点到不同计算断面处的集水时间（其中也包括管道内雨水流行时间）也是不同的。因此，在计算平均暴雨强度时，应采用不同的降雨历时t（t=τ0）。

根据上述分析，雨水管道的管段设计流量，是该管道上游节点断面的最大流量。在雨水管道设计中，应根据各集水断面节点上的集水时间τ0正确计算各管段的设计流量。