北京市城市雨水排除系统规划设计标准研究-

1、 34给水排水V o l .37N o .102011北京市城市雨水排除系统规划设计标准研究王强1张晓昕1韦明杰1周玉文2李萍3白国营4(1北京市城市规划设计研究院,北京100045;2北京工业大学建筑工程学院,北京100124;3北京市市政工程设计研究总院,北京100082;4北京市水文总站,北京100039摘要按照北京市经济发展需要和防洪排涝要求,在分析规划设计校核、评价方法和降雨变化趋势基础上,研究并修订北京市暴雨强度公式、径流系数、降雨雨型和设计重现期等标准,提高城市雨水基础设施保障城市安全运行的能力,减少洪涝灾害。关键词雨水排除系统规划设计暴雨强度公式径流系数降雨雨型设计重现期R e

2、 s e a r c h s u m m a r y o f p l a n n i n g a n d d e s i g n s t a n d a r d s f o r s t o r m w a t e r s y s t e m i n B e i j i n g C i t y W a n g Q i a n g 1,Z h a n g X i a o x i n 1,W e i M i n g j i e 1,Z h o u Y u w e n 2,L i P i n g 3,B a i G u o y i n g 4(1.B e i j i n g M u n i c i p

3、 a l I n s t i t u t e o f C i t y P l a n n i n g &D e s i g n ,B e i j i n g 100045,C h i n a ;2.T h e C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,B e i j i n g 100124,C h i n a ;3.B e i j i n g G e

4、 n e r a l M u n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i gn &R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 100082,C h i n a ;4.B e i j i n g h y d r o l o g i c a l s t a t i o n ,B e i j i n g 100039,C h i n a A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f B e i j

5、 i n g e c o n o m i c d e v e l o p m e n t a n d s t a n d a r d s o f f l o o d c o n t r o l ,b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f p l a n n i n g a n d d e s i g n v e r i f i c a t i o n m e t h o d ,e v a l u a t i o n m e t h o d a n d r a i n f a l l t r e n d ,s e r i e s o f p l a n n

6、i n g a n d d e s i g n c r i t e r i a s u c h a s s t o r m i n t e n s i t y f o r m u l a ,r u n o f f c o -e f f i c i e n t ,r a i n f a l l p a t t e r n a n d d e s i gn r a i n f a l l r e t u r n p e r i o d w e r e s t u d i e d a n d r e v i s e d ,w h i c h w e r e i m -p o r t a n t f

7、o r i m p r o v i n g u r b a n d r a i n a g e s y s t e m ,e n s u r i n g u r b a n s a f e o p e r a t i o n a n d r e d u c i n g f l o o d i n g .K e y w o r d s :D r a i n a g e s y s t e m ;P l a n n i n g a n d d e s i g n ;S t o r m i n t e n s i t y f o r m u l a ;R u n o f f c o e f f i

8、-c i e n t ;R a i n f a l l p a t t e r n ;D e s ig n r a i n f a l l r e t u r n p e r i o d 1研究背景与目标北京市位于华北大平原的北端,地形西北高、东南低,西部和北部为山区,多属中低山地形,由西向东、由北向南形成中山、低山、丘陵过渡到洪冲积台坡地和平原。北京属温带大陆性季风气候,四季分明,19562000年多年平均降水量为585m m ,降水主要集中在69月。近年来,北京市经济飞速发展,城市化进程较快,土地硬化面积越来越大,城市“热岛效应”突显,加上全球气候变暖等原因,造成极端天气事件明显增多,汛期

9、区域环境恶化、交通阻塞,财产受损现象频繁发生。当前,人们对城市积水或内涝十分敏感,对雨水系统重要性的认识不断提高,对雨水系统的规划、设计、建设和管理提出了更高要求。在这样的背景下,由北京市城市规划设计研究院会同北京市气象、水文、设计、高校等单位对北京市城市雨水系统规划设计标准进行了研究、校核与修订,见图1。1.1研究目标按照北京市防洪排涝要求,与规划设计方法体系相适应,研究适合北京气候特点和经济发展需要的城市雨水系统规划设计标准,提高城市雨水基础 给水排水V o l .37N o .10201135图1北京城市雨水系统规划设计标准研究思路设施保障城市安全运行的能力,减少洪涝灾害。1.2研究内容

10、北京市城市雨水系统规划设计方法研究、北京市降雨变化趋势研究、北京市暴雨强度公式修订及研究、北京市径流系数研究、北京市中心城降雨雨型研究、北京市城市雨水系统设计重现期研究。1.3研究思路首先,在国内外设计方法比较的基础上,研究适合北京市的雨水系统规划设计方法、校核方法和评价方法,分析各个阶段对应的设计标准,以指导后续各项研究工作;同时分析北京市降雨时空变化趋势,为后续研究工作奠定基础;在上述工作指导下,重点开展北京市暴雨强度公式、降雨雨型、径流系数和设计重现期等研究工作;将各项标准的研究成果综合分析,与现行标准体系相比较,推荐新的雨水系统规划设计标准。2规划设计方法长期以来我国雨水系统规划设计计

11、算方法一直采用推理公式法,该方法是基于历史降雨资料的一种经验方法,对于一定流域雨水系统的设计是可以满足要求的。近十几年,国外发达国家在经验总结和数理分析基础上,普遍引入计算机模拟技术,对雨水管渠的水力状况描述更为细致,设计标准和计算方法更加科学合理。本课题首先对国内外设计理论基础、设计流量计算方法和规划设计标准三方面进行了调查和比较,并结合我国现有国家规范、行业规定和技术条件,提出引入水力模拟技术,研究适合北京的城市雨水系统规划计算、校核与评价方法。如图2所示,仍然遵循国家现行法律法规,采用推理公式法进行雨水系统方案的规划设计,对于重点地区和复杂情况的雨水系统需采用水力模拟技术进行规划设计方案

12、的校核与抗洪能力评价,即在现行传统规划计算基础上,增加了模拟校核与评价的环节。图2北京城市雨水系统规划设计、校核与评价方法从图2中可知,在规划设计环节,需要采用暴雨强度公式、径流系数和设计重现期等主要标准;在方案校核和抗洪评价环节,除上述各项标准以外,还需要采用降雨雨型。围绕规划设计的计算、校核和评价方法,后续开展了各项标准的研究。3降雨变化趋势3.1降雨时间变化趋势利用北京市南郊观象台(18412008年、三家店水文站(19202008年和卢沟桥水文站(19192008年长序列的降雨资料分析得到北京地区年、日降雨变化趋势。 36给水排水V o l .37N o .102011年降雨存在10年

13、左右的波动变化规律,近30年以来,年降雨量呈下降趋势,东部地区下降最为明显。近50年以来,降雨日数呈减少趋势,极端降雨发生的频次减小,但日降雨强度有增大的趋势,暴雨集中度增加,小雨和中雨呈增加趋势,而大雨、暴雨和大暴雨以上量级降雨则呈减小趋势。利用观象台、海淀、密云、延庆、大兴等气象代表站短历时(5m i n 、10m i n 、60m i n 、120m i n 等降雨资料分析得到北京地区短历时降雨变化趋势。近30年,全市短历时平均最大降雨量在20世纪80年代最高,90年代最小,20012008年比90年代增大,尤其是20062008年,全市1小时平均最大降雨量为近50年来最高值。3.2降雨

14、空间变化规律由于气候和地理原因,北京地区降雨在空间上分布是不均匀的。很有必要对北京市降雨空间变化规律进行分析,为不同地区雨水系统规划设计标准研究奠定基础。本课题采用主成分分析法、等值线图分析法和距平百分率法分别进行研究,各种研究方法相互验证,将北京地区分为4个降雨区域,如图3所示:区为山后区,区为山前区南部区,区为山前区北部区,区为南部平原区。图3北京市降雨分区示意然后根据各降雨分区详细的边界区划,由气象部门最终确定将延庆站、海淀站(或观象台站、密云站和大兴站作为降雨分区的气象代表站。4暴雨强度公式暴雨强度公式是根据代表站的历史气象资料,采用数理统计方法推导而得,它用于计算某一时段内平均降雨量

15、,即暴雨强度,是雨水系统规划设计的主要标准之一。从1949年以来,北京市暴雨强度公式经历了1949年“施氏公式”、1951年“卫工公式”、1955年“北京市公式”、1959年“北京市政公式”(1961修订和1980年“80版公式”的历史沿革。现行使用的“80版公式”是根据当时中央气象局提供的观象台19411980年共40年的自记雨量计记录资料进行整理、分析和推导所得。至今,该公式已经使用了30年而没有进行过修订,从统计学角度看,该公式应该增加新的气象资料进行修编。另外,“80版公式”编制年代,北京市各郊区县降雨监测资料缺乏,无法进行北京市降雨空间分区特征研究,整个北京地区均采用由代表站观象台站

16、推导的暴雨强度公式。随着北京各地区气象和水文代表站监测资料的增加,本次研究有条件进行北京市域暴雨分区的研究,并在此基础上,推导各分区对应的暴雨强度公式。暴雨强度公式按样本选取方法不同,一般分为年多个样法公式和年最大值法公式。年多个样法公式是指在气象资料年数有限(<20a 时,每个历时每年取68个最大样本值作为统计基础数据而推导的暴雨强度公式(可以得到<1a 的重现期雨强,国内城市市政部门以往均采用年多个样法公式,如上述北京的“80版公式”。年最大值法公式是指在气象资料年数充足(20a 时,每个历时每年取1个最大样本值作为统计基础数据而推导的暴雨强度公式,很多发达国家和国内水利部门样

17、本数据充足,一般多采用该公式。年最大值法取样和统计相对比较简便,理论上对应的是年频率,比较直观;年多个样法取值复杂,理论上对应的是次频率。在选取的小重现期雨样上,年最大值法由于忽略了年次大值而明显小于年多个样法。但在选取的大重现期雨样上,两种方法基本上是一致的。随着城市发展,大城市的自记雨量资料积累较多,城市排水设计重现期也有较大提高(1a ,年最大值法已具备了适用条件,而且由此法推导的公式及其重现期与国外和水利部门的公式标准便于衔接,比较符合未来发展的要求。本次研究考虑对历史多个样法公式延续,有利于比较分析,又考虑为年 给水排水V o l .37N o .10201137最大值法公式今后正式

18、使用作前期研究,因此对两种取样方法的暴雨强度公式均作了推导。暴雨强度公式的推求包括样本选取、频率分析、参数求解三个主要环节。(1样本取样,本课题同时采用了年多个样法(年次大值法和年最大值法。其中年多个样法降雨历时取5m i n 、10m i n 、15m i n 、20m i n 、30m i n 、45m i n 、60m i n 、90m i n 、120m i n 、150m i n 、180m i n ,每个历时每年取8个最大降雨强度值。年最大值法降雨历时取5m i n 、10m i n 、15m i n 、20m i n 、30m i n 、45m i n 、60m i n 、90m

19、 i n 、120m i n 、150m i n 、180m i n、240m i n 、360m i n 、720m i n 、1440m i n ,其中每个历时每年取其最大降雨强度值。(2频率分析,常用的拟合曲线分布包括皮尔逊(P -型分布、指数分布和耿贝尔(G u m b e l 分布等。本课题首先选取北京市代表气象站观象台站,对其监测数据分别采用上述各种分布曲线进行频度分析。最终通过分析样本和理论频率曲线的拟合程度,确定北京市暴雨强度频率分析采用P -型曲线来适线是比较合理的。继而,本课题对其他暴雨分区分别采用P -型曲线进行频度分析,得到了对应的P -i -t 数据表。(3参数求解,

20、即利用频率分析得到的P -i -t 数据,采用多种数学方法,如北京法、北京简化法、南京法、曲面最小二乘法、同济大学法和直接拟合法等求解暴雨强度公式的各项参数。本课题对延庆站、海淀站、观象台站、密云站和大兴站按年多个样法和年最大值法两种取样方法推导暴雨强度公式。经比较分析,认为第区、第区代表站海淀站、观象台站、大兴站的暴雨强度公式数值较为接近,故选取观象台站暴雨强度公式作为第区、第区的代表公式。如表1所示。表1各降雨分区年多个样和年最大值取样法的暴雨强度公式气象站年多个样法公式年最大值法公式降雨区域延庆站i =18.35(1+0.74l g P (t +11.350.912i =14.423(1

21、+0.84l g P (t +10.270.882代表区,即山后背风区观象台站i =14.075(1+0.765l g P (t +13.40.73i =12.267(1+0.913l g P (t +13.40.725代表区、区,即平原区密云站i =8.779(1+0.687l g P (t +8.140.619i =11.13(1+0.67l g P (t +12.760.67代表区,即东部山前区5降雨雨型降雨雨型包括降雨时间变化雨型和降雨空间变化雨型。本课题推求的是前者,即降雨过程线或降雨强度随时间的分配曲线,目的是用于雨水系统的模拟计算,进行方案校核、抗洪涝评价及抗风险评估。本课题基于

22、北京市中心城代表站(观象台站、松林闸站、东直门站的长系列高精度降雨资料,采用同频率分析方法和P i l g r i m &C o r d e r y 法分别推求了1440m i n 长历时降雨雨型和180m i n 、120m i n 、60m i n 短历时降雨雨型,如图4图7所示。图45m i n 间隔历时1440m i n 降雨雨型(P =5a 图55m i n 间隔历时60m i n 的降雨雨型图65m i n 间隔历时120m i n 的降雨雨型研究认为,同频率方法选取降雨样本全面,推求的设计暴雨雨型具有在雨峰各时段的平均雨强与暴 38给水排水V o l .37N o .10

23、2011图75m i n 间隔历时180m i n 的降雨雨型雨公式计算的平均雨强相等的特性,其雨峰前后的短历时部分适用于城市雨水系统的规划设计,其长历时部分适用于与水文河道的耦合计算;P i l -gr i m &C o r d e r y 方法推求的短历时降雨雨型能够反映北京中心城实际降雨过程,可以作为场降雨通用情景对城市雨水系统进行设计方案校核和超标风险评估。6径流系数径流系数是雨水系统规划设计的重要参数,由地面流域状况决定。单位时间的降雨量与径流系数的乘积就是雨水系统的规划设计流量。本课题主要研究内容和结论如下:(1通过资料调研和试验研究,得到单材质的径流系数为00.94,其中

24、,不透水材质下垫面2年一遇径流系数为0.50.8,150年一遇径流系数修正系数为0.81.175;透水材质下垫面5年一遇径流系数为0.10.2,150年一遇径流系数修正系数为02。(2采用统计分析法,通过典型调查,计算得平房区、老居住区、新居住区、学校体育区、公园区、商业区和工业区的综合径流系数分别为0.9、0.68、0.65、0.62、0.35、0.65、0.65,推荐规划建设区综合径流系数为0.65。(3采用实测法,研究了雨水控制和利用措施对综合径流系数的影响。研究认为,在一定重现期降雨条件下,大面积透水铺装和下凹式绿地等雨洪控制措施对城市小区综合径流具有明显的削减作用。7设计重现期重现期

25、是指等于或超过一定数值的暴雨强度出现一次的平均间隔时间,单位用年表示。设计重现期是暴雨强度公式的一个重要参数,它的大小决定了规划设计中采用的单位时间降雨量,即单位时间内雨水系统能够排除的降雨量。因此,设计重现期通常被作为城市市政雨水系统排水的设防标准之一。本课题采用了两种研究方法:研究方法一为国内外资料对比分析法。通过综合比较城市的政治地位、人口、经济、自然条件等各类因素,认为北京市一般地区雨水系统设计重现期宜采用3a ,重点地区宜适当提高至510a 。该重现期标准与国内城市对比处于较高水平,与主要世界城市对比属于中等水平。研究方法二为社会总投入最低分析法。将社会总投入分为建设投资和经济损失两

26、部分,考虑经济损失的复杂性,又将积水带来的经济损失简化为交通影响损失,将车速随积水深度变化的衰减模型(双曲正切函数模型与直接和间接经济损耗模型相耦合来计算积水损失。结合若干典型案例,得到了一系列社会总投入随设计重现期的变化曲线,通过拐点分析,研究认为北京市一般地区雨水系统设计重现期宜采用3a,重点地区宜采用5a 。综合认为,北京市域一般地区雨水系统设计重现期宜采用13a,重点地区宜采用35a 。其中,北京市中心城区雨水系统宜采用重现期标准上限,即一般地区采用3a ,重点地区及主要道路采用5a ,特别重要地区宜采用10a ,新城、镇中心区及远郊县城应酌情确定。8综合分析针对常规雨水系统规划设计计

27、算方法,本课题最后将暴雨强度公式、径流系数和设计重现期进行综合分析,将新研究标准体系与现行标准体系作了对比分析。两套标准体系具体内容如表2所示。经比较,新标准体系中综合径流系数和设计重现期标准均高于现行标准体系中相应标准。新标准体系中由观象台站、密云站和延庆站气象数据推导的暴雨强度公式在短历时(<60m i n 部分的雨强计算值均小于现行标准体系中“80版公式”计算值。需要说明的是,延庆站代表区域处于山后区,气候条件与山前区差异较大,虽然延庆站暴雨强度公式计算值偏小,但它比较符合当地气候特征。因此,考虑区域特征和排水安全性,推荐北京市表 现行标准体系与新研究标准体系主要标准汇总 版本 年

28、多个样法暴雨强度公式 （ 式中 为历时， ； 为设计重现期，） “ 版公式” ， ） （ （ ） （ ） （ ） ） （ （ ） ） （ （ ） ） （ （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 综合径流系数 设计重现期 现行标准体系 ， ， ， 观象台站 建设区综合径流 系数采用 城 依 据 总 体 规 划： 市 一 般 地 区 重 现 期 采 ； 用 重要干道、 要 地 区 或 短 期 积 水 重 能引起严重后 果 的 地 区 重 现 期 宜 采 用 。在工程规 划 中， 荐 一 般 地 区 设 计 重 推 ； 现期采用 重点地区及主要干道采用 新研究标准体系 密云站 延庆站 建设区综合径流

29、 系数采用 。 与 依据总体规划（ 以 上 相 同） 在 工 程 规 ， 推荐一般地区设计重现期采用 划中上， ， 重点地区及主要道路 采 用 特 别 重 要 地 区宜采用 雨水排除系统规划设计采用新研究的综合径流系数 和重现期标 准， 延 庆 站 代 表 的 第 分 区， 山 后 由 即 采用新研究的暴雨强度公式， 北京市其他地区仍 区， 。 采用现行 的 “ 版 公 式” 对 于 重 点 地 区 的 雨 水 排 除系统规划设计 方 案， 议 结 合 北 京 市 防 洪 排 涝 要 建 求， 采用水力模拟方法进行校核。 结论和建议 在北京市雨水系统规划设计方法和降雨变化趋 势研究的基础上， 究 并 修 订 了 北 京 市 分 区 暴 雨 强 研 降雨雨型、 径流系数和设计重现期。经专家 度公式、 评审， 认为