海绵城市建设工作不仅推动了城市绿色发展理念的实践, 也推动了行业技术进步, 其显著性成果就是推进了水力模型技术的大面积应用与普及。但由于前期对水力模型基础和应用研究工作的不足, 导致排水模型技术在海绵城市建设应用过程中存在很多问题, 例如降雨数据的输入问题。降雨数据是进行与雨水相关模拟计算的重要输入条件, 其中设计暴雨是构成设计工况的条件之一。排水模型输入的设计暴雨由设计暴雨过程线 (hyetogragh) 组成, 在不同的设计工况下应输入不同的设计暴雨。

正确理解和构建模拟工况 (在国外经常称为情景或场景scenario) 是应用排水模型技术、获得有意义结果的关键。但目前存在很多误区, 例如在实际工程中通过技术措施处置30 mm左右降雨, 通常就认为已实现1年一遇或2年一遇设计重现期的降雨, 实际上这是两个概念, 一个是调蓄水量, 另一个是管网的排水能力。在海绵城市建设中, 年径流总量控制率按照30 mm/d左右的降雨进行计算, 而排水管网设计是按照30 mm/h左右的降雨进行计算, 如果准确计算管网的排水量, 其最大值可以达到24倍的年径流总量控制率的降雨量, 造成这种误区的原因就是对工况的理解出现问题。另一个例子就是防涝和排涝概念的混淆, 防涝工程实质是市政排水的一部分, 而排涝工程是水利工程的一部分, 排涝工程是排水工程的下游受纳水体, 在现阶段我国市政和水利工程分属于两个学科和两个行业部委管理, 防涝与排涝设计标准和方法不同。防涝工程是排除或蓄存超过排水管渠排水能力的地表径流雨水的工程设施, 保证在防涝标准条件下不产生内涝积水灾害。但防涝工程在我国一直被忽视, 普遍的认识是用雨水管网解决城市内涝问题, 而现状是我国的雨水管网设计标准 (只有3～5年) 偏低, 无法达到防涝标准的要求 (30～100年) , 因此造成内涝灾害频发。

设计暴雨是输入水力模型代表设计工况的降雨过程线, 不同的设计暴雨过程代表不同的设计工况。因此, 确定正确、合理的设计降雨过程线是进行海绵城市建设规划、设计工作的先决条件。

根据海绵城市建设系统架构的最新研究成果^[1,2,3], 海绵城市建设中源头、过程和末端涉及的单项工程包括:源头控制工程、雨水管渠工程、防涝工程、排涝工程和防洪工程等。

雨水管渠排水工程 (又称小排水系统) 的职责是及时排除降雨期间城市区域内的地表径流, 防止形成积水影响市民正常出行。雨水管渠的设计工况:根据径流成因理论和推理公式法原理, 在假设降雨的重现期与洪峰流量相同的条件下, 降雨历时等于流域汇水时间时, 形成最大流量。设计工况由设计断面对应的汇水 (服务) 面积、汇水时间、设计暴雨强度和径流系数组成, 根据计算的设计流量确定排水管渠断面和坡度, 当排水系统采用同一重现期设计标准时, 该系统内不同设计管段采用相同的设计重现期暴雨, 也就是芝加哥雨型, 或称为芝加哥雨型设计降雨过程线。

防涝工程 (又称大排水系统上游) 的职责是及时排除或蓄存雨水排水管渠不能及时排除的雨水, 防止形成城市内涝灾害。防涝工程分析城市区域内形成积水和内涝灾害的风险, 并提出解决方法。防涝工程的设计工况:在大暴雨条件下, 分析雨水管渠排水失效后可能形成的地表径流路径和计算雨水管渠排水溢流水量过程线, 确定该部分雨水的排水通道和蓄滞空间, 通常是承担排水功能的道路和削峰调节池。设计工况由上游边界条件雨水管渠的排水能力、下游受纳水体的设计水位、城市地面高程模型、城市内涝设计暴雨、排水通道和蓄滞空间等参数构成。

排涝工程 (又称大排水系统下游、排水受纳水体) 的职责是接纳城市区域的降雨径流雨水, 通过河道排向下游水体或蓄存于湖泊, 保证城市区域不造成大范围的排水不畅和内涝灾害。城市排涝工程分析城市区域排入河道和湖泊等受纳水体的排水和蓄水能力, 保证有效接纳城市排水。排涝工程的设计工况:在没有上游来水的条件下, 与雨水管渠的设计理论相近, 其差别是流域范围大、汇水时间长, 并应考虑涝水的排除时间和降雨的面不均匀性等问题。

防洪工程 (排除流域洪水的河流, 是城市排水和排涝工程的受纳水体) 的职责是在发生流域洪水的条件下, 保障城市区域的安全, 避免洪水进城造成重大损失。城市防洪工程分析流域洪水发生的风险和预防措施, 城市区域的设防标准一般高于其他地区。防洪工程的设计工况:防洪工程一般不是根据设计暴雨估算洪峰流量, 而是根据河流监测洪峰流量的频率确定设计流量, 采用流量过程线演算和预测的方法确定设计断面的设计流量。

源头减控工程的设计目标不是一个, 主要包括减少面源污染、增加水资源利用量和削减洪峰流量等目标, 还有水生态、水文化等需求。所以源头减控工程的设计工况也包括多个, 不同的设计目标对应不同的设计工况, 应根据面源污染控制、雨水利用、提高排水管网设计标准和城市防涝的设计工况需求构造或选用不同的设计暴雨。

我国的气象部门和水利部门都是国家授权的降雨观测单位, 由于设置观测点位置不同、服务对象不同、整理数据的方法不同, 造成气象部门与水利部门获取的降雨数据存在差异, 如果混淆使用数据源, 将带来诸多问题。对降雨数据的基本要求应同时满足3个要求:对城市规划区具有代表性;有30年以上自记雨量资料;数据整编精度为1 min, 能够满足防涝工程设施的设计暴雨;采用水利部门的降雨数据构造排涝工程和防洪工程的设计暴雨。

针对城市雨水管渠排水工程的职责和设计工况, 推理公式法给出了非常出色的解决方法, 就是在降雨过程中, 分别选取不同时长的最大时段降雨, 之后进行频率分析, 为了使用方便, 拟合出误差最小的暴雨强度公式。在设计中, 选用一定的设计重现期, 便能保证所有的设计断面对应的降雨是同一个重现期, 所有城市雨水管渠排水工程的设计暴雨是相同重现期、不同时段降雨事件的组合。新中国成立后, 我国城市暴雨强度计算一直采用年多个样法, 其频率不是年频率, 而是次频率, 雨水管网的设计重现期较低, 从一年4次 (0.25年) 开始。为了使城市雨水管网的设计标准与国际标准和国内的水利工程一致, 后来我国采用年最大值法进行暴雨强度计算, 其设计重现期已调整为2～5年的年频率。雨水管渠设计暴雨采用年最大值采样方法可以获得重现期大于2年事件的可靠估计 (预测) , 用于计算重现期等于1年事件是不可靠的。

雨水管渠设计暴雨强度公式的建立过程包括采样、频率分析、公式拟合、误差分析、应用分析5个步骤, 采用P-Ⅲ型曲线参数进行拟合 (见图1) , 由于P-Ⅲ频率分析注重低重现期部分的拟合精度, 采用固定Cs/Cv=3.5、Cv单增策略, 并注意一族曲线的拟合精度, 在管网设计重现期部分拟合最好, 保证了管网设计的可靠性;但高重现期部分的拟合精度较差, 数值偏低。因此, 短历时设计暴雨过程线可以用于评估管网的排水能力, 用于内涝风险分析评价时结果偏低。

城市防涝工程是指排除和蓄存超过雨水管网排水能力、小于城市防洪标准的地表漫流雨水的工程设施, 包括行泄通道、调蓄设施和泵站等, 发达国家一般采用城市道路作为超标雨水的行泄通道。因该工程是通过计算雨水管渠失效后溢流雨水量作为设计流量, 因此降雨资料的数据来源与雨水管渠的暴雨强度公式采样方式相同。为了科学规划和设计城市防涝工程, 并考虑调蓄设施容积设计的需要和与排涝工程相衔接, 采用长历时 (24 h) 设计暴雨的降雨过程。防涝工程设计暴雨强度用于与城市防涝工程相关的设计计算, 可以构造城市防涝设计工况。在年最大值法的基础上, 长历时暴雨强度公式P-Ⅲ曲线频率 (见图2) 应采用高重现期部分拟合优化策略和固定Cs/Cv=3.5、Cv单增策略。采用气象点雨量数据编制城市排水防涝系统设计的长历时 (24 h) 暴雨 (强度) 量公式、典型降雨过程的雨型, 成果是设计暴雨强度公式和雨型结合合成内涝防治设计暴雨过程线。防涝工程设计暴雨强度公式的建立过程包括采样、频率分析、公式拟合、误差分析、应用分析, 同短历时雨水管渠设计暴雨强度公式的建立方法类似, 但频率分析更注重高重现期部分拟合精度。

防涝工程设计暴雨过程的建立原则为:采用气象部门的点降雨数据, 区别于水利部门采集面雨量数据方法, 计算精度要求高于水利部门的相关规定;最大平均时段降雨同频率事件组合原则合成设计降雨过程线, 即每一个汇水时间对应的降雨都是相同设计重现期;防涝工程设计暴雨频率分析注重高重现期部分拟合精度, 低重现期部分拟合精度差, 数值偏低;排水和防涝工程设计暴雨不同 (不同的暴雨历时和暴雨雨型) ^[4]。

防涝工程设计暴雨的雨型建立过程为:采集10场历史最大24 h降雨事件;参考水利部门最大24 h设计降雨选择雨峰位置;10场实际降雨过程的雨峰位置与水利雨型雨峰位置重合, 求各5 min时段的平均值, 并求出各个时段所占24 h总的平均降雨量的百分数, 得到降雨量时段分配曲线, 也就是雨型。根据24 h暴雨强度公式计算时段降雨量, 根据雨型重新计算各个时段分配降雨量百分数, 将各个时段计算的数值分配到降雨过程中, 得到降雨过程线, 也就是设计暴雨过程线 (见图3) 。

排涝工程属于水利工程, 依据城市防洪工程设计规范, 参考水文手册进行设计, 设计暴雨一般为1 h时段的降雨过程。排涝工程的设计工况是计算在设计重现期条件下能够进入河道的最大流量, 用来确定排涝河道设计断面, 类似于推理公式法。一般根据水文站24 h、6 h、1 h的P-Ⅲ频率曲线分析成果, 采用经验公式计算其他时段的降雨量, 计算结果没有暴雨强度公式准确。

防洪工程属于水利工程, 依据城市防洪工程设计规范进行设计。大江、大河一般都建有水文站, 采用流量发生的重现期确定设计流量, 在特殊情况下, 可采用最大可能降雨推算设计流量。

排涝工程和防洪工程是排水和防涝工程的下游, 科学确定下游边界条件对构建排水、防涝水力模型非常重要。

我国采用年径流总量控制率对应的降雨量作为设计参数以确定低影响开发设施的规模, 能够实现年径流总量控制率对应降雨量以下的降雨事件不对外排水。但该方法对于面源污染控制、雨水利用、提高排水管网设计标准和城市防涝等功能的作用是间接的, 对于流域的作用更难计算。建议根据低影响开发设施的设计目标构建设计暴雨强度, 参考面源污染控制、雨水利用、提高排水管网设计标准和城市防涝的设计工况需求建立设计暴雨强度公式。可以将低影响开发设施设计降雨量 (年径流总量控制率) 转化为不同的控制策略, 采用不同的设计暴雨进行设计。

在源头设置城市防涝削峰调蓄池, 设计采用24 h长历时设计暴雨过程线, 将最不利的高峰降雨时段的降雨进行削峰处理, 可有效缓解流域内下游低洼区域的内涝风险。

在源头设置提高雨水管网标准调蓄池, 设计采用3 h短历时设计暴雨, 将最不利的高峰降雨时段的降雨进行削峰处理, 可以有效缓解排水系统的排水压力, 减少超标溢流事件发生。

雨水利用工程的设计暴雨可以参考雨水利用相关规范。由于减少雨水管渠向河道排水次数、减少合流制系统溢流次数等工况与实际降雨过程关系密切, 建议采用实际降雨过程数据建模。

(1) 科学构建设计工况是用模型进行工程设计的前提条件, 设计暴雨是描述设计工况的主要参数。

(2) 长、短历时城市暴雨强度公式均可采用固定Cs/Cv=3.5、Cv单增策略, 通过P-Ⅲ一族曲线人工适线参数进行优化。

(3) 建议P-Ⅲ分布短历时采用低重现期、长历时采用高重现期部分最佳拟合优化目标策略。

(4) 长历时设计暴雨编制方法的暴雨强度公式部分应符合《室外排水设计规范》的有关规定, 设计雨型部分应符合水利部门有关规定, 可提高设计暴雨的精度。

(5) 通过选取历史上最大10场24 h降雨过程, 基于水利部门同频率分析法和倍比放大法为基础的雨型构造方法, 时段为5 min, 与水利部门1 h相比, 更加精细化。