城市雨水管网规划

2.5　城市雨水管网规划

2.5.1　雨水管渠布置

雨水管渠布置的主要任务，是要使雨水能顺利地从建筑物、车间、工厂区或居住区内排泄出去，既不影响生产，又不影响人民生活，达到既合理又经济的要求。布置时应遵循下列一些原则。

1．充分利用地形，就近排入水体

雨水径流的水质虽然和它流过的地面情况有关，一般说来，除初期雨水外，是比较清洁的。直接排入水体时，不致破坏环境卫生，也不致降低水体的经济价值。因此，规划雨水管线时，首先按地形划分排水区域，再进行管线布置。

根据分散和直捷的原则，雨水管渠布置一般都采用正交式布置，保证雨水管渠以最短路线、较小的管径把雨水就近排入水体。

2．避免设置雨水泵站

由于雨水量很大，雨水泵站的投资也很大，而且雨水泵站一年中运转时间又短，利用率很低，因此，必须尽可能利用地形，使雨水靠重力流排入水体，而不设置泵站。但在某些地势平坦、区域较大或受潮汐影响的城市，如上海、天津等地因水体的水位高于地面，须设置雨水泵站来排除雨水。在要设置泵站的情况下，应尽量使经过泵站排泄的雨水量减少到最少限度，以降低雨水泵站的造价。

3．结合道路系统规划布置雨水管渠

雨水干管(渠)应设在排水地区的低处。一般设在规划道路的慢车道下，最好设在人行道下，以便检修。较宽道路宜设两条管渠;较窄道路可设一条，应由技术经济比较决定。

4．结合城市竖向规划与水体利用

雨水管渠的平面布置应和它的立面布置相适应，因此，必须结合城市用地的竖向规划来考虑雨水管渠的定线。对于竖向规划中确定的填方或挖方地区，雨水管渠布置中必须考虑今后地形的变化，作出相应的处理。对于坡度过大，竖向规划中改造成梯形台地地区，排水中要防止明沟水流速度过大冲刷土壤，引起建筑物的损坏。每层台地最好有单独的雨水排除系统，及时排泄雨水。从排水角度说，高程规划最好是房屋底层地面高于街区地面不少于150mm，街区略高于四周街道。

城市中的洼地或池塘可利用来储存一部分雨水，有时还可有计划地开挖一些池塘，开辟水体，作为在暴雨强度很大、雨水管道来不及排泄时利用，使市区免于积水，并可使雨水管渠不必按过高重现期来设计，节约管渠投资。在缺水地区，有时还可把市区雨水引至郊区进行农田灌溉并作出相应的雨水管渠布置。

5．要结合街区内部的规划来考虑雨水管渠的定线

街区内部的地形、道路布置和建筑物的布置是确定街区内部雨水分配的主要考虑因素。街区内的雨水可沿街段内小巷两侧之明沟排除。道路上尽可能在较长的距离内用道旁明沟排水。若流量超过道旁明沟的输水能力，可部分地采用街区边沟。

6．雨水口的设置

为了便利行人穿越街道，在道路交叉口，雨水不应漫过路面。因此．一般应在路口、道路边设置雨水口。路口设置雨水口的位置与道路路面的倾斜方向有关，见图2－19。图中箭头表示各条道路路面倾斜方向。从每一个街角看，当两个箭头相对，例如图2－19的a点，说明沿甲、乙两条道路的边沟流来的雨水，在a点汇合。如果在a点不设置雨水口，a点就

图2－19　道路交叉口雨水口的布置

要积水，雨水就要漫过路面。因此，在两个箭头相对的街角上必须设置雨水口。当两个箭头的方向相背，例如图2－19的b点，就不需要设置雨水口，因为雨水沿边沟向离开这个街角的方向流走，不会造成积水。当两个箭头中，一个是指向这个街角，另一个背离这个街角(如图2－19中用c表示的街角都属于这一类)，在这个街角是否需要设置雨水口，要看具体情况决定。以图2－19为例来说明:假如该图中的甲路很长，从道路边沟中流来的雨水量很多，在c点就应设置雨水口(否则雨水来不及转入乙路的边沟，就要造成积水);反之，在c点就不需设置雨水口，来自甲路边沟的雨水可转入乙路的边沟。

2.5.2　雨水管渠水力计算

1．雨水管渠设计流量的确定

1)雨水设计流量公式

为了确定雨水管渠的断面尺寸，必须求出管渠的设计流量。而管渠的设计流量与降雨强度、汇水面积、地面情况等因素有关。

为了计算雨水设计流量，先观察一下雨水管渠是怎样排除雨水的。图2－20为由4个街区组成的雨水排除情况示意图。街区的地形是北高南低，道路是西高东低。管渠沿道路中心线敷设。道路的断面一般呈拱形，中间高，两边低。下雨时，降落在路面上的雨水和屋面上的雨水顺着地面坡度流到道路两侧的边沟，而道路边沟的坡度一般是和道路的坡度一致的。当雨水沿着道路边沟流到道路交叉口时，再通过雨水口经检查井流入雨水管道。第一街区的雨水(包括路面上的雨水)在1号检查井集中，流入管段1～2。第二街区的雨水在2号检查井集中，并同第一街区经管段1～2流来的雨水汇合后流入管段2～3。第Ⅲ街区的雨水在3号检查井集中，同第一街区和第二街区流来的雨水汇合后流入管段3～4。其他依此类推。

图2－20　雨水排除情况示意

雨量大小是用雨量计来测定的。雨量以一定时间间隔内降落在不透水平面上的水层厚度(mm)计算，因此，雨量常用深度表示。在研究降雨量时，一般不以一场雨为研究对象，像对许多场雨进行研究，综合分析，才能掌握某地区的降雨特点和规律。例如，年平均降雨量是指对降雨作多年观测所得的各年降雨绝对量的平均值，观测的年数越多，所得的数值就越准确。像上海10年的平均年降雨量是1039mm，也就是说平均每一年降落在上海市单位面积上的雨水累积起来的雨水深度是1039mm。又如重庆10年的平均降雨量是1099mm，汉口是1203mm，北京是584mm．兰州是332mm。显然年降雨量低的地区气候比较干燥。因此，通过年平均降雨量可以反映该地区的气候特征。月平均降雨量是指多年观测所得的某一个月的降雨绝对量的平均值;年最大一日降雨量是指降雨观测期间一年中降雨量最大一日的降雨绝对量。例如上海日最大降雨量为204.4mm，也就是说年最大一日降雨量204.4mm。

在设计雨水管渠时，需要知道的是单位时间流入设计管段的雨水量，而不是某一阵雨的总雨水量，所以在排水工程中，雨水量是以单位时间内降落的雨水深度做单位，称为降雨强度，符号用i表示。

式中　i————降雨强度，mm/min;

　h————降雨量，mm;

　t————降雨历时，min。

　降雨强度也可用单位时间内单位面积上的降雨体积q(L/(s·hm²))来表示。q和i间的关系如下:

已知设计降雨强度后，就可以计算各个管段的设计流量。假如降落到地面上的雨水全部流进管段，流入l号检查井的设计雨水流量

Q₁=F₁i₁

流入2、3、4号检查井的设计雨水流量相应为

Q₂=(F₁+F₂)·i₂

Q₃=(F₁+F₂+F₃)·i₃

Q₄=(F₁+F₂+F₃+F₄)·i₄

式中F₁、F₂、F₃、F₄————四个街区的面积(包括路面面积)。

i₁、i₂、i₃、i₄————雨水管段1～2、2～3、3～4和4～5的设计降雨强度。

但是，降落到地面上的雨水，并不是全部流进雨水管渠，下小雨时，地都湿不了，就不会有雨水流入管道。在一般情况下，有些雨水渗入泥土，有些雨水为地面的洼坑所截留，有些则蒸发掉，只有一部分雨水流入管道，这部分雨水流量称为径流量。因此，用上面公式算出的Q值偏大了，需乘一个小于1的系数，这个系数通常叫做径流系数，用符号φ表示。

因此，雨水设计流量公式为

式中　Q————一管段的设计流量，L/s;

　F————管段的设计排水面积，hm²;

　i————管段的设计降雨强度，mm/min;

　q————管段的设计降雨强度，L/(s·hm²);

　φ————径流系数。

2)降雨强度i值的确定

从式(2-12)可以看出，Q随F和i的变化而变化，i又随t的变化而变化。排水面积F随降雨历时t增加而增加:当降雨历时等于集水时间时，排水面积F到达最大值，即等于所设计排水面积。因此，在确定降雨强度i(q)时，所采用的降雨历时t应等于集水时间，并按式(2－9)计算雨水管段的设计流量。

设计雨水管道最好有完整的降雨资料。各地的气象站都设有自动记雨量计，当累积10年或10年以上的降雨资料即可分析出当地的降雨规律，记录的年数越长，越接近实际。得到的降雨规律可以用图表示(如图2－13)，也可以用公式表示(如表2－3)。

降雨时，有时很大，有时很小，各场雨并不一样，即使在同一场雨中，雨势也出现时大时小。所以，降雨强度i是变化不定的。

3)降雨历时的确定

从图3－7与表3－3可以看出，降雨强度i(q)随历时t而变化，t越大，与这个t相应的最大降雨强度越小。

集水时间t由两部分组成:①地面集水时间t₁;②在管段中流行时间t₂。集水时间t=t₁+t₂。例如图3－16中管段2～3的集水时间等于地面集水时间t₁(即由a点流到集水点1的时间)加雨水流经管段1～2的时间t₂。

地面集水时间受地形、地面铺砌、地面种植情况和街区大小等因素的影响。《室外排水设计规范》建议:地面集水时间t，一般采用5～15min。雨水在管段中流行的时间t₂可用下式计算:

式中　l————上游各管段的长度，m;

　v————上游各管段的设计流速，m/s;

　t₂————管段中流行的时间，min。

但是管渠中水流并不是一开始就达到设计流速v，雨水在管渠中流行的时间按式(3－13)算出来的数值偏小，同时在降雨时管渠中往往有一部分无水的空间(称为管道自由容积)可以利用，这是因为:①在开始降雨时，管渠系统没有被水充满，只是在降雨时间内才逐渐充满;②每一管段都是按照它本身的相应于一定历时的降雨强度来计算的。因此，各管段的设计流量可能不在同时发生，当任一管段达到设计流量时，其他管段(特别是上游管段)不是完全满流，因此在这些管段中形成了没有充水的自由容积。利用管道的自由容积暂时容纳一部分雨水，各管段的设计流量可以降低，也就可以采用较大的t₂。考虑以上原因，《室外排水设计规范》规定:设计暗管时，采用集水时间t=t₁+2t₂;设计明渠时，采用t=t₁+1.2t₂。

2．雨水管渠设计参数

为使雨水管渠正常工作，避免发生淤积、冲刷等现象，对雨水管渠水力计算的基本参数作如下的一些技术规定。

1)设计充满度

雨水较污水清洁得多，对环境的污染较小，加上暴雨径流量大，而相应的较高设计重现期的暴雨强度的降雨历时一般不会很长，且从减少工程投资的角度来讲，雨水管渠允许溢流。故雨水管渠的充满度按满流考虑，即h/D=1，明渠则应有等于或大于0.2m的超高，街道边沟应有等于或大于0.03m的超高。

2)设计流速

由于雨水中夹带的泥沙量比污水大得多，所以相对污水管道而言，为了避免雨水所夹带的泥沙等无机物在管渠内沉淀下来而堵塞管渠，所用的最小设汁流速应大于污水管渠，满流时管道内的最小设计流速为0.75m/s。而明渠由于便于清除疏通，可采用较低的设汁流速，一般明渠内最小设计流速为0.4m/s。

为了防止管壁和渠壁的冲刷损坏，影响及时排水，雨水管道的设计流速不得超过一定的限度。由于这项最大流速只发生在暴雨时，历时较短，所以雨水管道内的最高容许流速可以高一些。对雨水管渠的最大设计流速规定为:金属管最大流速为10m/s，非金属管最大流速为5m/s，明渠最大设计流速则根据其内壁建筑材料的耐冲刷性质，按设计规范规定选用，见表3－6。

3)最小坡度

为了保证管内不发生沉积，雨水管内的最小坡度应按最小流速计算确定。在街区内，一般不宜小于0.004，在街道下，一般不宜小于0.0025，雨水口连接管的最小坡度不小于0.01。

4)最小管径

为了保证管道在养护上的便利，便于管道的清除堵塞，雨水管道的管径不能太小，由此规定了最小管径。街道下的雨水管，最小管径为300mm，相应的最小坡度为0.003;街坊内部的雨水管道，最小管径一般采用200mm，相应的最小坡度为0.01。

3．雨水管网设计步骤

(1)划分排水流域和管道定线。根据地形的分水线和铁路、公路、河道等对排水管道布置的影响情况，并结合城市的总体规划图或工厂的总平面布置，划分排水流域，进行管渠定线，确定雨水排水流向。

(2)划分设计管段与沿线汇水面积。各设计管段汇水面积的划分应结合地面坡度、汇水面积的大小以及雨水管道布置等情况进行。雨水管渠的设计管段的划分应使设计管段范围内地形变化不大，管段上下端流量变化不多，无大流量交汇，一般以100～200m左右为一段，如果管段划得较短，则计算工作量增大，设计管段划得太长，则设计方案不经济。管渠沿线汇水面积的划分，要根据实际地形条件而定。当地形平坦时，则根据就近排除的原则，把汇水面积按周围管渠的布置用等分角线划分。当有适宜的地形坡度时，则按雨水汇入低侧的原则划分，按地面雨水径流的水流方向划分汇水面积，并将每块面积进行编号，计算其面积，并在图中注明。根据管道的具体位置，在管道转弯处、管径或坡度改变处、有支管接入处或两条以上管道交汇处以及超过—定距离的直线管段上，都应设置检查井。把两个检查井之间流量没有变化且预计管径和坡度也没有变化的管段定为设计管段，设计管段上下游端点的检查井设为节点，并从管段上游往下游按顺序进行设计管段和节点的编号。

(3)确定设计计算基本数据。根据各流域的具体条件，确定设计暴雨的重现期、地面径流系数和集水时间。通常根据排水流域内各类地面的面积或所占比例，计算出该排水流域的平均径流系数。也可根据规划的地区类别采用区域综合径流系数。确定雨水管渠的设计暴雨重现期，设计时应结合该地区的地形持点、汇水面积的地区建筑性质和气象特点选择设计重现期。根据建筑物的密度情况、地形坡度和地面覆盖种类、街坊内设置雨水暗管与否等确定雨水管道的地面集水时间。

(4)确定管渠的最小埋深。在保证管渠不被压坏、不冻坏和满足街坊内部沟道的衔接的要求下，确定沟道的最小埋深。管顶最小的覆土厚度，在车行道下时一般不小于0.7m，管道基础应设在冰冻线以下。

(5)设计流量的计算。根据流域条件，选定设计流量的计算方法，列表计算各设计管段的设计流量。

(6)雨水管网的水力计算，确定雨水管道的坡度、管径和埋深。计算确定出各设计管段的管径、坡度、流速、沟底标高和沟道埋深。

(7)绘制雨水管道平面图和纵剖面图。