国内外城市排水设计规范比较研究-王磊 5页

'第28卷第8期中国给水排水Vol．28No．82012年4月CHINAWATER＆WASTEWATERApr．2012国内外城市排水设计规范比较研究12王磊，周玉文(1．东营市城市管理局，山东东营257000;2．北京工业大学建筑工程学院，北京100124)摘要:城市积水内涝灾害频发是当前城市安全运行所面临的难题之一。以我国《室外排水设计规范》中的3．2雨水量的五个条款为主线，从设计流量的计算方法、径流系数的规定、设计重现期的取值、折减系数及水力方法等方面，对国内外城市排水设计规范进行了详细的比较分析。针对我国排水设计规范中存在的问题与不足，提出相应建议，可为城市积水内涝灾害的防治提供一定借鉴作用。关键词:城市排水;设计规范;比较研究;推理公式;设计重现期中图分类号:TU99文献标识码:B文章编号:1000－4602(2012)08－0023－05ComparativeStudyonChineseandForeignUrbanDrainageDesignCodes12WANGLei，ZHOUYu-wen(1．DongyingUrbanManagementBureau，Dongying257000，China;2．CollegeofArchitectureandCivilEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China)Abstract:Nowadays，theurbanwaterlogginghappenssofrequently，whichisregardedasoneoftheseriousproblemsfacedbycitysafeoperation．Accordingtothefiveclausesofpart3．2inChineseCodeforDesignofOutdoorSewerageEngineering，thedifferencesbetweenChinaandabroadwerecom-paredandanalyzedfromdesignflowcalculationmethod，runoffcoefficient，designreturnperiod，reduc-tionfactorandhydraulicmethod．ForsolvingproblemsanddefectsexistedinChinesedrainagedesigncode，thecorrespondingsuggestionswereproposed，whicharehelpfulforurbanwaterloggingcontrol．Keywords:urbandrainage;designcode;comparativestudy;rationalformula;designre-turnperiod目前我国城市积水内涝灾害频发，除了全球气规范的不同，通过理论分析发掘我国设计规范中存候变化与城市化的致灾诱因外，在雨水管道设计层在的问题与不足，为城市排水管网积水灾害的防治面上也存在一定问题，原有的排水设计理论方法不提供借鉴。能完全满足当前城市排水的要求。目前，世界各国1排水设计方法都制定了相应的排水系统设计规范，并将其作为雨孙慧修主编的高等学校教材《排水工程》(第4［1］水管渠设计的法律依据指导工程实践。由于各版)中详细阐述了排水管渠设计方法，可以将其概［2］国经济技术发展水平的差异，各国排水设计规范的括为如图1所示的流程。从图1可知，雨水设计内容不尽相同。在欧美发达国家的设计规范中已经流量是确定雨水管渠断面尺寸的重要依据，是雨水将先进的信息化技术应用到城市排水设计中，而我管渠设计的关键，而雨水设计流量的确定只与推理国的排水设计规范仍旧采用参考前苏联的设计方法公式中设计暴雨强度、径流系数和汇水面积三个参制定的排水设计方法。比较分析了国内外排水设计数有关。我国《室外排水设计规范》(GB50014—·23· 第28卷第8期中国给水排水www．watergasheat．com2006)的“3．2雨水量”共有五个条款对设计流量计(200英亩)之内”。另外，美国规范中4．1．6．1条款［3，4］算公式和上述三个参数进行了相应的规定。在还明确规定了推理公式法的假设条件如下:a．径流图1中将相关规范条款进行了标注。后文以我国排系数在设计暴雨历时过程中是恒定常数;b．汇水面水设计规范中五个相关条款为主线，逐一比较国内积在设计暴雨历时过程中不发生改变;c．降雨强度外排水设计规范的差异。至少在汇水时间(Tc)内保持恒定;d．当降雨历时等于汇流时间时径流量达到最大值。与上述欧美排水规范中对推理公式法应用的规定条款相比，我国规范中仅规定了雨水设计流量的计算公式即推理公式，其适用范围没有给出明确规定。在一定意义上产生了任何雨水管渠系统设计流量都可以采用推理公式法进行计算的误解，这也造成了在我国排水设计中将推理公式法作为唯一的雨水流量设计方法，不加限制地应用到任何排水工程中的错误现状。推理公式法的滥用使得设计精度降低，工程可靠性无法保证，这也是近些年来我国在经济建设大发展背景下城市排水系统排水管网积水灾害频发的原因之一。基于推理公式的推导分析可知，推理公式成立的关键是要保证产流强度r在时空分布上是均匀不变的常数这一假设前提。而产流强度r恒定包含着图1排水管网设计流程降雨强度q和损失强度μ的恒定两个方面，损失强Fig．1Designprocedureofdrainagenetwork度对于某个流域整体考察可以视为一个平均常数，2排水设计规范比较但是实际降雨强度却几乎不可能保持恒定。在使用2.1设计流量的计算方法推理公式法进行峰值流量计算时，必须遵循上述假《室外排水设计规范》(GB50014—2006)3．2．1设条件。这样就在空间和时间上限制了推理公式的条款规定雨水设计流量采用推理公式进行计算。推应用范围，只有在较小的流域面积和降雨历时情形理公式是一种基于质量守恒的计算方法，可以用降下，推理公式的计算结果才近似合理。因此，欧美国雨强度数据和流域特征估算场降雨事件的峰值流家的排水设计规范中严格限定了推理公式适用的面量。因其简便性及管道设计仅需要峰值流量数据的积范围，规定推理公式法适用于小型排水系统设计。［5，6］缘故，在排水管道设计中得到了广泛应用。而对于大型排水系统，欧盟EN752—4规范中的国外排水设计规范中也同样规定采用推理公式11．3．2条款规定:“对于大面积的开发区域和涉及法作为设计流量的计算方法，但是对该方法的应用到与管网排出口或受纳水体相连的项目，需要采用范围进行了限定。欧盟排水设计规范EN752—4随时间变化的设计暴雨和基于计算机的流量模拟模［7］中11．3．2条款规定:“在相关当局未指定设计方型进行设计。所采用的模型应与有关部门共同选择法时，可以使用一种简单的地表径流峰值流量估算确定。”建议我国排水设计规范应完善有关推理公2方法。该方法适用于面积＜200hm或者汇水时间式法的适用范围的规定，使得推理公式法更加科学＜15min的情形，并且假定降雨强度均匀。采用的地指导工程实践。降雨强度可以根据汇水面积的集水时间和当地降雨2.2径流系数资料确定”。美国排水设计规范ASCE/EWRI45—我国《室外排水设计规范》(GB50014—2006)［8］05中4．1．6条款规定:“设计者应该谨慎使用此3．2．2条款有关径流系数取值的规定，该版规范在方法(推理公式法)。该方法对于大面积汇水区的径流系数的选取方面，根据城市下垫面实际变化而2应用是存在问题的，其使用范围应该限制在80hm进一步细化了其取值。与欧盟EN752—4排水设·24· www．watergasheat．com王磊，等:国内外城市排水设计规范比较研究第28卷第8期计规范中径流系数的规定及美国ASCE/EWRI45—面，我国目前的标准与国外标准不存在优劣之分，设05排水设计规范中有关径流系数的典型值相比，我计重现期标准可以根据经济的发展进一步完善提国规范中有关径流系数的规定值在详细程度上与欧高。美排水规范的规定值相当，并且按照区域情况具体但是，值得指出的是欧盟排水规范中出现了制订了综合径流系数的推荐值范围，更具有设计操“超载”和“洪灾”两个新的概念。这两个概念能够作性，符合我国实际国情需求。相比之下，欧美规范更科学地描述排水设计中的水力状态，有利于预防中径流系数的规定更加细致，其设置推荐值的目的城市排水管网积水灾害的发生。在欧盟EN752—4更有利于排水模型的构建和参数值的精确选定。中，“超载”被定义为重力流管渠中雨污水处于压力2.3设计重现期(频率)流状态，但尚未溢出地面造成洪灾的水力状况。我国排水设计规范GB50014—2006中规定雨“洪灾”被定义为污水或径流不能进入排水管渠，从水管渠的设计重现期应根据汇水地区性质、地形特而滞留于地面或进入建筑物的状况。另外，欧盟设点和气候特征等因素确定，同一排水系统可采用同计规范认为超载易造成地下室财产损害等安全隐一重现期或不同重现期。重现期一般采用0．5～3患，在设计范围内不应出现。这一点与我国规范规年，重要干道、重要地区或短期积水即能引起严重后定雨水设计中不能出现满管承压流状态其实质是相果的地区，一般采用3～5年，并应与道路设计协调，同的。特别重要地区和次要地区可酌情增减。“超载”和“洪灾”两个概念的明确定义使得欧欧盟EN752—4排水设计规范中使用设计频盟EN752—4规范规定更加科学细致，从雨水超出率的概念，并具体推荐了设计频率值(见表1)。管渠设计状态至发生洪水的过程其实是排水系统抗表1欧盟EN752—4排水设计规范推荐设计频率规定灾能力的体现。这一过程说明排水系统抗灾能力不Tab．1DesignstormfrequenciesrecommendedinEN752－4仅与管渠设计流量有关，还与管道埋深、管渠系统上项目位置设计洪灾频率下游体积总量等有直接关系，从而欧盟规范中提出1年一遇乡村地区10年一遇了“洪灾频率”的概念。洪灾频率是管渠实际运行2年一遇住宅区20年一遇时出现洪灾的统计频次。我国设计规范隐含认为设设计城市中心/工业区/商业区暴雨计暴雨指标等同于运行能力指标，即设计暴雨频率2年一遇———有洪灾校核30年一遇频率———无洪灾校核等于洪灾频率，忽略了设计暴雨频率与洪灾频率的10年一遇地铁/地下通道50年一遇差异。而实际上管渠的设计暴雨频率与洪灾频率并注:设计暴雨频率指对于这样的设计暴雨，不会发生不相等，后者比前者低。对于小型系统，洪灾频率在超载。一定程度上已经比设计暴雨频率低;对于大型复杂美国ASCE/EWRI45—05排水设计规范中有系统，调蓄容量的增加使得两者的差距更大。我国关重现期的规定如下:①2～15年的重现期，其中规范中将设计暴雨频率与洪灾频率的隐含等同，导10年是居住区最常用的雨水管渠设计重现期。②致对排水系统抗灾能力的认识产生偏差，认为一定10～100年的重现期用于商业区和具有重要价值的设计暴雨重现期标准的排水系统仅能抵御该标准的地区，依据商业价值确定具体重现期。规范中规定洪水灾害，将设计与实际运行混为一谈，从而会人为的设计重现期应视为最低设计标准，可适当选用高提高排水管网系统的防灾标准，增加了系统维护难于这些最低标准的重现期(例如重要的公共设施和度，这是一种不科学的做法。因此应该科学认识排排水管渠)。水管网系统的洪灾暴发过程，才能有效防止城市积通过上述规范条文比较可知，在设计重现期标水灾害的发生。首先应该借鉴欧盟规范的经验，在准上我国规范中规定的设计重现期偏低，欧盟标准设计时将管渠设计状态与运行状态加以区分，然后居中，而美国标准最高，并且鼓励对重要地区采用更采用科学手段对排水系统进行水力评价，从而全面高重现期。设计重现期标准的高低与所在国家经济掌握排水系统抵御洪灾的能力。水平有关，是权衡当地经济与洪水安全保障水平的2.4折减系数结果，而非技术性问题。因此，在设计重现期标准方GB50014—2006中3．2．5条款规定了雨水管·25· 第28卷第8期中国给水排水www．watergasheat．com渠降雨历时的计算公式。与同样使用推理公式法的对有关流量模拟方法的使用进行了规定，其推荐模欧美规范相比，我国规范中折减系数m的规定具有型见表2，美国ASCE/EWRI45—05的推荐模型如特殊性。它是借鉴前苏联相关理论，并结合我国对表3所示。雨水管道空隙容量理论的研究成果而提出的。表2欧盟EN752—4推荐的模型虽然折减系数m的采用减小了设计流量和设Tab．2RecommendedmodelsinEN752－4计管径，在经济上具有优势，但是利用管道调蓄能力项目典型软件归属情况*备注的条件是管道处于压力状态，这样就增加了管网处简单推理公Wallingford多种软件都支持应用［9］经验Wallingford于超载状态的概率，增加了发生灾害的风险。而式法程序推理公式法进行模拟法按照欧盟设计规范的原则，这样也就降低了雨水管WALLRUSWallingford道的抗洪能力。加之近些年来局部极端天气频发，运动－HYD生成综合降雨过程线波法MOUSE－城市中经常遭遇短历时高强度暴雨的侵袭，折减系DHI运动波法数m对排水设计的影响值得关注。汪明明采用排它以在无压流的条件下采用动力波法的水管网模型研究了折减系数m对排水系统的影WALLRUSWallingford“模拟技［10］。通过不同工况算例模拟，认为在低重现期(2Wallingford响—SIM术”为基础，但也可以～3年)内，采用m=1和m=2设计的管网状态基模拟管道发生超载和改进的洪灾时的状况本相同，但在高重现期(5～10年)内，m=2时设计运动波小型排水均采用扩散MD600/的管网面对暴雨的压力要高于m=1时设计的管复杂和扩散WinDesMicro系统、新波模型，提［10］法波法模拟模块Drainage系统的设供与动力波网，从而得出“建议在雨水管网设计时不考虑空计法非常接近隙容量利用，取值m=1”的结论。欧美排水设计规小型排水的功能，可MD2000/Micro系统、已以模拟回范中不存在折减系数的规定，其实就是将折减系数WinDapDrainage有系统的水、超载、逆m默认为1，这样的设计是偏安全的。笔者认为，鉴模拟模块分析流和环流等于日益严重的积水灾害，建议取消折减系数m的规TMHydroworks包含英国降雨模型和WallingfordPM+Wallingford径流模型定，从而减少雨水管道发生超载的概率，提高管道抗动力波法不包含英国降雨模型洪能力。MOUSE—DHI或Wallingford径流模2.5水力计算方法动力波法型我国排水设计规范规定仅采用恒定均匀流理论注:Wallingford指英国Wallingford水力研究所;DHI指DanishHydraulicInstitute，丹麦水力研究所;Micro进行城市排水管渠设计，而国外欧美发达国家排水Drainage指MicroDrainage公司。设计规范根据不同的范围采用了不同的计算理论，表3美国ASCE/EWRI45—05推荐的模型详细限定了恒定均匀流方法的使用范围，而且随着Tab．3RecommendedmodelsinASCE/EWRI45－05水文水力理论的发展和现代科技手段的进步，更倾项目模型名称备注向于扩大非恒定流方法的使用范围，从手工设计计免费软件;Extran可以进算逐渐改变为采用计算机和模型设计计算的方式。EPA，美国环境保护行包括回水等水力条件SWMM推理公式设计方法只能计算得到管渠的最大峰值流署在内的复杂的排水管网流量演算量，而将基于非恒定流理论的计算机模型应用于排分独立版、AutoCAD版和水设计，能够更全面科学地模拟雨水径流在管渠中ArcGIS版，三种平台可互美国Bentley公司SewerGEMS通;计算引擎包括SWMM水力变化的整个过程，模拟管道中压力回水过程，更和SaintVenant方程隐式有利于评价排水系统的抗洪能力，确定洪灾频率。解国外排水设计规范中详细规定了水文水力模型美国陆军工程兵团STORM常用于大尺度规划参数的经验值(如径流系数取值)，有利于设计人员NWS，美国国家气象DAMBRK中心构建模型，保证了模型的应用和模型模拟结果的可HEC－1，靠性。相比之下，我国规范在这方面还是空白，规范美国陆军工程兵团HEC－2，水文中心条款比较简单。欧盟EN752—4排水设计规范中HEC－RAS·26· www．watergasheat．com王磊，等:国内外城市排水设计规范比较研究第28卷第8期续表3(Continued)的概率，提高了发生洪灾的风险。鉴于日益严重的项目模型名称备注积水灾害，建议不采用折减系数m进行设计计算。SCS，美国土壤保持⑤随着计算机模型技术的发展，欧美发达国WSP2可进行回水分析局家排水设计已经逐渐改变为采用计算机和模型技术ComputerProgramfor即TechnicalRelease20;设计计算排水管渠的方式。可以说基于计算机模型TheNaturalRe-sourcesConservationProject基于DOS平台，新版为技术的排水设计方法是未来排水设计发展的方向，FormulationWinTR20;常用于干流水ServiceHydrology力过程这对改进我国排水设计理念具有重要的借鉴作用。(TR－20)Urban即TechnicalRelease55;Hydrology参考文献:SCS，美国土壤保持基于DOS平台，新版为局forSmallWinTR55;常用于较小的［1］DurransSR．StormwaterConveyanceModelingandDe-Watersheds(TR－55)城市化区域sign［M］．Waterbury:HeastadPress，2003．PennsylvaniaStateU-［2］孙慧修，郝以琼，龙腾锐．排水工程(第4版)［M］．niversity，宾夕法尼亚PRSM基于Fortran程序编写北京:中国建筑工业出版社，1999．州立大学［3］GB50014—2006，室外排水设计规范［S］．北京:中国IllinoisStateWaterSurveyILLUDAS建筑工业出版社，2006．［4］北京市市政工程设计研究总院．给水排水设计手册EPA，美国环境保护基于Fortran程序编写可HSPFS署模拟延时情况(第5册)［M］．北京:中国建筑工业出版社，2004．［5］HromadkaTV，WhitelyRJ．Rational-methodequation3结论andHECTD－15［J］．JIrrigDrainEng，1996，122对国内外排水设计规范进行了比较分析，得到(15):15－18．如下结论:［6］高鹏杰．应用推理公式计算洪水中的不足与改进①我国采用的基于推理公式法的恒定均匀流［J］．北京水利，1997，(5):15－17．设计流量计算方法在欧美也得到普遍应用，但是欧［7］BSEN752—4，DrainandSewerSystemsOutsideBuild-美规范详细限定了推理公式法的适用条件和范围，ings:HydraulicDesignandEnvironmentalConsiderations建议我国排水设计规范中完善有关推理公式法适用［S］．UK:BS2，1998．范围的规定。［8］ASCE/EWRI45—05，StandardGuidelinesfortheDrain-②欧美规范对径流系数的规定相当细致，其ageofUrbanStormwaterSystems［S］．USA:ASCE，设置的推荐值更有利于排水模型的构建和参数值的EWRI，2005．精确选定。而我国规范中对综合径流系数的规定更［9］奉桂红．暴雨强度公式中折减系数m的取值探讨具有设计操作性，符合我国实际国情需求。［J］．西南给排水，2002，24(4):17－18．③我国设计重现期较国外设置标准偏低，可［10］汪明明．雨水池设计理论研究［D］．北京:北京工业根据经济的发展进一步完善提高。但国外将设计暴大学，2008．雨频率与洪灾频率加以区分，科学地明确了超载与洪灾的概念，对我国排水设计具有一定借鉴作用。E－mail:leiwater@163．com④折减系数m的使用增加了管道发生超载收稿日期:2011－11－09·27·'