CN104268409A

CN104268409A - 一种地面集水时间的计算方法

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Publication number: CN104268409A
Application number: CN201410508255.9A
Authority: CN
Inventors: 杨德军; 卞正富; 雷少刚; 熊集兵
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2015-01-07

Abstract

一种地面集水时间的计算方法，属于一种市政给排水工程、水利工程和水土保持工程领域地面集水时间的计算方法。该方法依次包括如下步骤：1、基于区域的DEM图，划分N个雨水汇水区域；2、计算并选取雨水汇水区域i的地面平均坡度S_i，最大集水距离L_i(m)；3、雨水汇水区域流线上流态的划分；4、地表设计参数的选取；5、计算地面集水时间。该计算方法物理意义明确，计算步骤***条理，计算速度快，参数容易获取，充分考虑了不同地区、不同地形地貌、地表覆盖和地表粗糙度对地面集水时间的影响，并提出了复杂情况下的解决方案。该计算方法可用于室外雨水管渠***、防洪工程和水土保持工程的设计规划，对现有的工程进行评估，以及改扩建方案的规划设计。

Description

一种地面集水时间的计算方法

技术领域

本发明涉及一种室外雨水管渠***、防洪工程和水土保持工程设计中地面集水时间的计算方法，用于市政给排水工程、水利工程和水土保持工程设计中的计算方法。

背景技术

近年来，国内很多城市频发城市内涝灾害事件，在汛期遭到暴雨袭击后，城市雨水排水***瘫痪，我国雨水管渠***和防洪工程的设计方法面临着严重考验，设计标准和方法需要进一步修订、完善和提标。基于市政排水***和城市防洪工程的相关的设计方法的研究一直是该领域的研究重点，如发明专利“一种基于DEM的汇水区降雨积水深度的计算方法”，申请号201210420043.6；发明专利“城市设计暴雨计算方法”，申请号201210190613.7；发明专利“一种LID型雨水沟渠及其设计计算方法”，申请号201310555523.8。

《室外排水设计规范》(GB50014-2006，2014版)对雨水管渠***设计方法的修订包括：对于汇水面积小于2km²，采用推理公式法计算雨水设计流量；当汇水面积超过2km²时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量；提高了雨水管渠的设计重现期标准；取消折减系数m等。

但现有规范对地面集水时间的规定，却依然没有变化，即：根据国内资料，地面集水时间采用的数据，大多不经计算，按经验确定。在地面平坦、地面种类接近、降雨强度相差不大的情况下，地面集水距离是决定集水时间长短的主要因素；地面集水距离的合理范围是50m～150m，采用的集水时间为5min～15min。

当汇水面积达到2km²时，按照正方形及90度扇形汇水形状计算，流线可以达到2000m及1596m，与规范条文“地面集水距离的合理范围是50m～150m”产生了一定的冲突。因此，当汇水面积较大，集水距离超过150m时，规范并没有给出一个合理的地面集水时间的计算方法，盲目的选择集水时间5min～15min，会导致推理公式法的错误使用。此外，当地面集水距离为50m～150m，设计者对于推荐的地面集水时间的选择没有依据，这主要由于我国没有相关的计算方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种计算可靠，精度较高，有利于工程设计人员使用的地面集水时间计算方法，解决我国地面集水时间计算方法的空白和取值不确定性的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案实现，包括以下步骤：

步骤1、基于区域的DEM图，划分N个雨水汇水区域；对于雨水汇水区域i，其汇水面积A_i；i＝1,2,...N，A_i<2km²，选择设计地区两年一遇的24小时降雨量P，单位mm，确定最长集水流线；

步骤2、计算并选取雨水汇水区域i的地面平均坡度S_i，最大集水距离L_i(m)；其中最大集水距离的选择依据有地形、坡度、汇水区域形状，一般应不大于1600m，最大不得大于2000m；

步骤3、雨水汇水区域流线上流态的划分；当L_i≤90m，则流线上X_i处为片流；当L_i>90m，则流线上X_i处为片流，0≤X_i<90；当L_i>90m，则流线上X_i处为浅水集中流，90≤X_i<L_i；

步骤4、地表设计参数的选取；当L_i≤90m时，根据地表覆盖情况，选取发生片流的地表曼宁系数n_i；当L_i>90m时，分别选取发生片流的地表曼宁系数n_i和发生浅水集中流的区域地表情况系数K_i；

步骤5、计算地面集水时间t₁＝t₁₁+t₁₂(min)；

当L_i≤90m，

t_{1} = t_{11} + t_{12} = \frac{5.476 {(n_{i} L_{i})}^{0.8}}{P^{0.5} {S_{i}}^{0.4}}

当L_i>90m，

t_{1} = t_{11} + t_{12} = \frac{5.476 {(90 n_{i})}^{0.8}}{P^{0.5} {S_{i}}^{0.4}} + \frac{0.0547 (L_{i} - 90)}{K_{i} {S_{i}}^{0.5}}

式中：参数P为设计地区的两年一遇的24小时降雨量，mm；参数S_i为地面平均坡度；参数L_i最大集水距离，m；参数n_i为发生片流的地表曼宁系数；参数K_i为发生浅水集中流的区域地表情况系数；

用于室外雨水管渠***、防洪工程和水土保持工程的设计规划时，参数S_i、n_i和K_i的选择宜考虑20年规划期内的最不利情况。

具体的：

1、所述的步骤1中，P的选择应该参考当地资料或国家气象局资料，若资料缺失，可考虑选择相近城市的资料。

2、所述的步骤1中，如果雨水汇水区域i的地形、地表覆盖、地表粗糙度非常复杂，则考虑在区域i上选择不同的集水流线进行分析，以确定最不利情况下的地面集水时间。

3、所述的步骤2中，当地形情况较复杂时，参数S_i为地表坡度的加权平均值，宜采用面积加权平均值；

4、所述步骤4中，当地表覆盖情况较复杂时，参数n_i、K_i为加权平均值，宜采用面积加权平均值。

5、所述的步骤5中，对于存在明渠的防洪***，地面集水时间t₁应包括进入雨水***前，雨水在明渠中的流动时间t₁₃；

t_{13} = \frac{L^{'}}{V} = \frac{L^{'}}{\frac{R^{\frac{2}{3}} S^{' \frac{1}{2}}}{n^{'}}} = \frac{n^{'} L^{'}}{R^{\frac{2}{3}} S^{' \frac{1}{2}}}

上式使用曼宁公式来估计平均流速，按满流计算；式中V为平均流速，m/s；R为水力半径，m；S'为明渠的平面坡度；L'为雨水在明渠中的流动距离，m；n'为明渠内的曼宁粗糙系数。

有益效果，由于采用了上述方案，本发明计算方法物理意义明确，计算步骤***条理，计算速度快，计算参数容易获取，充分考虑了不同地区、不同地形地貌、地表覆盖和地表粗糙度对地面集水时间的影响，并提出了复杂地形、地表覆盖和地表粗糙度情况下的解决方案。

本发明计算方法可以用于室外雨水管渠***、防洪工程和水土保持工程的设计规划，对现有的工程进行评估，以及改扩建方案的规划设计。同时解决了集水距离超过150m时规范中地面集水时间选择的空白，和地面集水距离为50m～150m时地面集水时间的选择没有依据两个问题。

本发明的计算结果可基于GIS实现可视化，计算得到的地面集水时间结果以地形化的形式标注于每个地理栅格，使用不同的颜色进行渲染，以用于分析复杂区域的情况。

附图说明

图1为本发明的地面集水时间计算方法的流程图。

图2为本发明对哈尔滨市不同集水距离情况下的地面集水时间的计算结果。

图3为本发明对上海市不同集水距离情况下的地面集水时间的计算结果。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，来说明本发明的具体实施步骤和效果。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

包括以下步骤：

步骤5、计算地面集水时间t₁＝t₁₁+t₁₂(min)；

当L_i≤90m，

t_{1} = t_{11} + t_{12} = \frac{5.476 {(n_{i} L_{i})}^{0.8}}{P^{0.5} {S_{i}}^{0.4}}

当L_i>90m，

t_{1} = t_{11} + t_{12} = \frac{5.476 {(90 n_{i})}^{0.8}}{P^{0.5} {S_{i}}^{0.4}} + \frac{0.0547 (L_{i} - 90)}{K_{i} {S_{i}}^{0.5}}

式中：P为设计地区的两年一遇的24小时降雨量，mm；S_i为地面平均坡度；L_i最大集水距离，m；n_i为发生片流的地表曼宁系数；K_i为发生浅水集中流的区域地表情况系数。

具体的：

1、设计参数的选择；P的选择应该参考当地资料或国家气象局资料，若资料缺失，可考虑选择相近城市的资料；当地形情况较复杂时，S_i为地表坡度的加权平均值；当地表覆盖情况较复杂时，n_i、K_i为加权平均值；正常时，采用面积加权平均值；

2、如果雨水汇水区域i的地形、地表覆盖、地表粗糙度非常复杂，则可以考虑在区域i上选择不同的集水流线进行分析，以确定最不利情况下的地面集水时间；

3、当用于室外雨水管渠***或防洪工程的设计规划时，S_i、n_i和K_i参数的选择宜考虑20年规划期内的最不利情况；

4、对于存在明渠的防洪***，地面集水时间t₁应包括进入雨水***前，雨水在明渠中的流动时间t₁₃；

t_{13} = \frac{L^{'}}{V} = \frac{L^{'}}{\frac{R^{\frac{2}{3}} S^{' \frac{1}{2}}}{n^{'}}} = \frac{n^{'} L^{'}}{R^{\frac{2}{3}} S^{' \frac{1}{2}}}

采用上述计算方法对我国哈尔滨和上海，不同地表覆盖，不同集水距离情况下的地面集水时间进行计算。

上海和哈尔滨两年一遇的24h降雨量分别为100和59mm。假设汇水面积可以达到临界值2km²时，坡度计算范围为0.001～0.5，按照90度扇形汇水形状计算，集水距离可达1596m。片流时，曼宁系数分别取0.011和0.15两种情况；浅水集中流时，按地面铺彻进行考虑，K_i＝20.33。

图2和图3分别为哈尔滨市和上海市不同集水距离情况下的地面集水时间的计算结果。从图中可以看出，对同一城市来说，地表平均坡度越大，地面集水时间越短；地表曼宁系数越大，地面集水时间越长；两年一遇的24h降雨量越大，地面集水时间越短。由此可知，本发明的计算方法，很好的考虑了地形、地表覆盖、地表粗糙度、不同城市暴雨类型对地面集水时间的影响。

在50－150m的集水距离范围内(图中矩形方框)，该发明提供了地面集水时间的选择依据；在集水距离超过150m时，该发明提供了地面集水时间的计算参考值。此外，《室外排水设计规范》(GB50014-2006，2014版)的条文“地面集水距离的合理范围是50m～150m，采用集水时间为5min～15min”的规定，从本实施例中也反映出了该条文的不确定性。

从上述实施例可以看出，本发明为不同地形、地表覆盖、地表粗糙度、城市暴雨类型情况下，提供了一种地面集水时间的计算方法，并提出了复杂地形、地表覆盖和地表粗糙度的情况下的解决方案。

应当指出，对于工程设计人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种地面集水时间的计算方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤5、计算地面集水时间t₁＝t₁₁+t₁₂(min)；

当L_i≤90m，

t_{1} = t_{11} + t_{12} = \frac{5.475 {(n_{i} L_{i})}^{0.8}}{P^{0.5} {S_{i}}^{0.4}}

当L_i>90m，

t_{1} = t_{11} + t_{12} = \frac{5.476 {(90 n_{i})}^{0.8}}{P^{0.5} {S_{i}}^{0.4}} + \frac{0.0547 (L_{i} - 90)}{K_{i} {S_{i}}^{0.5}}

2.如权利1要求所述的一种地面集水时间的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，参数P的选择参考当地资料或国家气象局资料，若资料缺失，或考虑选择相近城市的资料。

3.如权利1要求所述的一种地面集水时间的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，如果雨水汇水区域i的地形、地表覆盖、地表粗糙度非常复杂，则考虑在区域i上选择不同的集水流线进行分析，以确定最不利情况下的地面集水时间。

4.如权利1要求所述的一种地面集水时间的计算方法，其特征在于，所述步骤2中，当地形情况较复杂时，参数S_i为地表坡度的加权平均值，宜采用面积加权平均值。

5.如权利1要求所述的一种地面集水时间的计算方法，其特征在于，所述步骤4中，当地表覆盖情况较复杂时，参数n_i、K_i为加权平均值，宜采用面积加权平均值。

6.如权利1要求所述的一种地面集水时间的计算方法，其特征在于，所述步骤5中，对于存在明渠的防洪***，地面集水时间t1应包括进入雨水***前，雨水在明渠中的流动时间t13；

t_{13} = \frac{L^{'}}{V} = \frac{L^{'}}{\frac{R^{\frac{2}{3}} S^{' \frac{1}{2}}}{n^{'}}} = \frac{n^{'} L^{'}}{R^{\frac{2}{3}} S^{' \frac{1}{2}}}

上式使用曼宁公式来估计平均流速，按满流计算。式中V为平均流速，m/s；R为水力半径，m；S'为明渠的平面坡度；L'为雨水在明渠中的流动距离，m；n'为明渠内的曼宁粗糙系数。