刘济阳

一种基于极限强度理论计算初期雨水量的新方法

刘济阳

（南京工大环境科技有限公司，江苏 南京 210037；江苏省化工污染控制与事故应急工程技术研究中心，江苏 南京 210037）

初期雨水池作为控制雨水面源污染的设施，其有效容积的合理确定对控制污染和节省投资至关重要。从雨水计算的极限强度理论出发，推导出一定条件下初期雨水容积的计算方法，并与常见计算方法进行对比，提出极限强度法和暴雨强度法计算中的临界降雨历时的概念，得出两种方法的适用前提，方便后续应用。

极限强度理论；初期雨水量；面源污染；临界降雨历时

在雨水系统设计中，初期雨水的收集越来越受到社会大众和监管部门的重视。初期雨水一般为降雨过程前10～ 20 min的降雨量，部分行业按降雨厚度法计算初期雨水 量[1-2]。两种方法得出的初期雨水量差异较大，设计人员难以把握。

本文从雨水计算的极限强度理论出发，根据笔者的设计经验，对初期雨水量的确定进行探讨。

1 极限强度法推理过程

根据《室外排水设计规范》（2016年版）可知，化工厂污染区汇水面积一般不超2 km2，可采用推理公式法，即依据极限强度理论[3]计算雨水流量。对于小面积汇水区域，可将初期雨水收集池视为一个集流点。

雨水汇流如图1所示。

图1 雨水汇流图示

设污染区汇水面积为，集流时间为0，降雨历时为（＞0），则降雨历时中的任意时刻，集流点的雨水设计流量为：

则初期雨水量为：

由式（3）可知，影响某一地区初期雨水量的因素主要有径流系数、场地面积、暴雨重现期、降雨历时和场地集水时间。而对确定的污染场地，初期雨水量仅与暴雨重现期和降雨历时有关。

2 其他常见计算法

计算初期雨水量的其他常见方法有降雨厚度法和暴雨强度法[4]。

其计算过程和结果如表1所示。

表1 初期雨水量的常用计算方法对比

污染区汇水面积F=（200 m×115 m）2.3 hm2，径流系数Ψ=0.95，降雨厚度取20 mm，南京市设计暴雨强度，地面集水时间τ0=5 min 降雨厚度法初期雨水量V1 =2.3 hm2×20 mm=460 m3 暴雨强度法初期雨水量V2=qψFt=0.131 1qt （4）（降雨历时t，min；暴雨强度q，L/（s·hm2 ）） 降雨历时/min81010.6212.341520 V2/m3（P=2a）330.3393.4411.8460.1527.9636.6 V2/m3（P=3a）369.2439.7460.3514.2590.0711.6

暴雨强度法的关键参数为降雨历时，且暴雨强度随时变化，而式（4）将降雨历时的雨水流量视为定值，其计算结果不能令人信服。表1中，当初期雨水量取460 m3时，降雨历时分别为12.34 min（=2）和10.62 min（=3），对应的平均降雨厚度为24.6 mm（=2）和24.2 mm（=3）。

3 极限强度法与暴雨强度法的对比

本节极限强度法计算采用的各参数均与表1相同。按式（3）计算的初期雨水量结果如图2所示。图2将暴雨强度法计算初期雨水量的结果一并绘出。

图2 初期雨水计算结果简图

由图2可知，当降雨历时为5 min时，汇水面积全流域参与径流，其设计雨水流量最大，随后雨水流量逐步减少。在同一重现期下，当采用两种计算方法得出的初期雨水量相同时，对应的降雨历时暂且称为临界降雨历时0。本算例0=16.4 min（图2标注点），初期雨水总量分别为560 m3（=2）和626 m3（=3）。当降雨历时＜0时，暴雨强度法计算结果大于极限强度法计算结果，设计中采用暴雨强度法计算初期雨水量较为稳妥。而当降雨历时＞0时，情形恰好相反。

4 关于临界降雨历时

由式（3）和式（4）知，临界降雨历时0仅与暴雨强度公式中，和污染场地集水时间0有关。对于特定地区，临界降雨历时仅与场地集水时间0有关。

由图2可知，计算初期雨水量时，若降雨历时＜0= 16.4 min，采用暴雨强度法比较稳妥；而降雨历时＞0= 16.4 min，则采用极限强度法稳妥。

根据式（3）和式（4），采用单变量求解可得出场地集水时间和临界降雨历时的对应关系。

5 极限强度法的应用

暴雨强度法修正系数如图3所示。设计时可根据项目所在地、场地集水时间和相应临界降雨历时，选用相应的方法确定初期雨水池容积。为使极限强度法方便实用，设计时可按照暴雨强度法计算初期雨水池容积，然后查图3（仅限南京地区），根据数据点落入的区域将暴雨强度法计算结果进行修正，即得出初期雨水池的有效容积。但是，无论采用何种计算方法，初期雨水池的有效容积均不应小于按降雨厚度法得出的计算结果。

图3 暴雨强度法修正系数

6 结束语

计算初期雨水池有效容积时，降雨厚度法和暴雨强度法的使用较为广泛，但均存在不足。本文从降雨过程和雨水流量的动态变化出发，推导出计算初期雨水量的新方法（暂称为极限强度法），并将其与暴雨强度法对比，得出如下论断：对特定地区而言，临界降雨历时0仅与污染场地的集水时间0有关；若降雨历时＜0，采用暴雨强度法稳妥；而降雨历时＞0，则采用极限强度法稳妥；极限强度法计算过程较为烦琐，但对暴雨强度法计算结果进行适当修正，即可快速稳妥地确定初期雨水池的有效容积。

［1］刘进龙，何小娟，李瑾，等.SH/T 3024—2017石油化工环境保护设计规范［S］.北京：中国石化出版社，2017.

［2］中国石油和化工勘察设计协会，东华工程科技股份有限公司，中国成达工程公司，等.GB 50684—2011化学工业污水处理与回用设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［3］孙慧修.排水工程（上册）［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，1999.

［4］王栋成，王静，林国栋.建设项目应急事故水池容积确定技术方法研究及应用［J］.环境工程，2011，29（2）：112-115.

TU992

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.014

2095－6835（2020）08－0039－02

刘济阳（1983—），男，湖北京山人，东南大学环境工程硕士，工程师（注册给排水工程师），从事建筑给排水及市政给排水相关设计工作。

〔编辑：严丽琴〕