第九章 雨水管网设计与计算

北京天安门广场的雨水管道，其设计重现期为10年。
国内部分城市设计重现期
（2）设计降雨历时的确定
以排水面积中最远一点到集水点的雨水流行时间作为 设计降雨历时。
式中：
t t1 mt2
l t2 (min) 60
t —设计降雨历时（排水面积的集水时间），min； t1—地面汇流时间，min； t2—雨水在管渠内流行时间，min； V为（m/s）； l —计算管段长度，m； —各设计管段满流时的流速，m/s;
集水时间的设计暴雨强度来计算的，所以，各管段的最大 流量不大可能在同一时间发生。当任一管段出现设计流量 时，其他管段（特别是上游管段）不一定都是满流，上游 管道存在空隙容量，起到调蓄（缓冲）管段内最大流量的 作用（必然会增长排水时间），从而削减其高峰流量，减 小管渠断面尺寸，降低工程造价。 ——管道调蓄利用系数。
考虑以上两个原因，在设计降雨历时计算时引入折减 系数 m，延缓管内流行时间，使之更接近于实际情况，并 达到折减管段设计流量，减小管渠断面尺寸的目的。 折减系数m实际是苏林系数（1.2）与管道调蓄利用系 数（1.67）两者的乘积。 规范（《室外排水设计规范》）规定：
一般在建筑密度较大、地形较陡、雨水口布置较密的地 区，宜采用较小值，取 t1＝5～8 min。
在建筑密度较小、地形较平坦、雨水口布置较疏的地区， 宜采用较大值，取 t1＝10～15 min。 同时，起点检查井上游地面雨水流行距离以不超过 120～150 m为宜。
应结合当地具体条件，合理选定 t1 值。 t1选用过大，将会造成排水不畅，致使管道上游地面经 常积水； 选用过小，又将加大雨水管渠尺寸，从而增加工程造 价。
m n = N·M， Pn 100 NM
M——每年选入的平均雨样数
这一定义是假定降雨观测资料年限非常长，可代
表降雨的整个历史过程。但实际上是不可能的，只能 取得一定年限内的暴雨强度值，因而n是有限的。按 上式求得的暴雨强度的频率，只能反映一定时期内的 经验，不能反映整个降雨的规律，故称为经验频率。
1 P Pn
洪水的大小 50年一遇 100年一遇 洪水重现期 50年 100年 2%（0.02） 1%（0.01） 频率
举例：教材：P66 表3-2
总个数时按30年的4倍选取的。
暴雨强度曲线
暴雨— i t p曲线
9．1．2 暴雨强度公式 暴雨强度公式是在各地自计雨量记录分析整理 的基础上，按照我国现行《室外排水设计规范》规 定的方法推求出来的。暴雨强度公式是暴雨强度 i （或q）、降雨历时 t、重现期 P三者间关系的数
5．降雨的频率和重现期 （1）暴雨强度的频率 某一大小的暴雨强度出现的可能性是不能预知的， 只能通过对以往大量观测资料的统计分析，计算其发 生的频率，才能推求其今后发生的可能性。 某特定值暴雨强度的频率是指等于或大于该值的 暴雨强度出现的次数 m与观测资料总项数 n之比的百 分数，即：
m Pn 100 n
学表达式，是雨水管渠的设计依据。我国常用的暴
雨强度公式为：
q
式中
167 A1 1 c lg P
t b
n
q —— 设计暴雨强度（L/s·ha）； P —— 设计重现期（a）； t —— 降雨历时（min）； A1、c、b、n —— 地方参数，根据统计方法计算
确定。
我国《给水排水设计手册》第5册收录了我国若
m 因此，水文计算常采用公式 Pn 100 ％计算 N 1 m 年频率，用公式 Pn 100 ％计算次频率。观 NM 1 测资料的年限愈长，经验频率出现的误差也就愈小。
我国现行《室外排水设计规范》规定，在编制 暴雨强度公式时必须具有10 a以上自计雨量记录。 在自计雨量记录纸上，按降雨历时为 5、10、15、 20、30、45、60、90、120 min，每年每个历时选择 6～8场最大暴雨记录，计算其暴雨强度值，然后不 论年次，将每个历时的暴雨强度按大小次序排列， 再从中选择资料年数的 3～4倍的最大值，作为统计
第9章
9 ．1 9 ．2
雨水管网设计与计算
雨量分析与暴雨强度公式 雨水管网设计流量计算
9 ．3
9.4
雨水管网设计与计算
合流制管网设计与计算
雨水管渠设计的主要内容包括： 1．确定当地的暴雨强度公式或暴雨强度曲线；
2．划分排水流域，进行雨水管渠的定线；
3．划分设计管段，计算各设计管段雨水设计流
量；
4．进行管渠的水力计算，确定各设计管段的管 径、坡度、标高及埋深。 5．绘制管渠平面图及纵剖面图。
折减系数 m 的确定
提出的原因如下：
1）雨水管渠按满流设计，但降雨时，管
渠中不总是满流，也并非一开始就达到设计流
速，而是随着降雨历时的增长逐渐达到设计流
速。这样，雨水在管渠内的实际流行时间与计
算得出的流行时间不符，需要采用一个系数进
行修正。（前苏联，苏林教授，苏林系数
20%）。
2）雨水管渠各设计管段的设计流量是按照相应于该管段
9.1
雨量分析与暴雨强度公式
雨水设计流量是雨水管渠系统设计的依据。由于
雨水径流的特点是流量大而历时短，因此应对雨量进
行分析，以便经济合理地推算暴雨量和径流量，作为 雨水管渠的设计流量。 9.1.1 雨量分析 降雨现象的分析，是用降雨量、暴雨强度、降 雨历时、降雨面积和重现期等因素来表示降雨的特 征。
强度，常用单位时间内单位面积上的降雨体积 q
（L/s·ha）表示。q与 i之间的换算关系为：
q＝167i 式中 167-—换算系数。
暴雨强度是描述暴雨特征的重要指标，也是确 定雨水设计流量的重要依据。在任一场暴雨中，暴 雨强度是随降雨历时变化的。所取的降雨历时长，
则与该历时相对应的暴雨强度将小于短历时对应的
ψ — 径流系数，其值小于1，地面径流量与 降雨量之比。
9 ．2
雨水管网设计流量计算
9．2．1 地面径流与径流系数 1．地面径流：在地面沿地面坡度流动的雨水，称 为地面径流。 雨水管渠就是收集雨水地面径流量。 2．径流系数 径流量 1 降雨量 降雨量 < 地面渗水量，雨水被地面吸收 降雨量 > 地面渗水量，余水（两者之差）在地面 开始积水，产生地面径流
◆ 若选用较低的设计重现期，管渠断面可相应减小，虽 然可以降低工程造价，但可能发生排水不畅、地面积水 而影响交通，甚至给城市人民的生活及工业生产造成危 害。
因此，必需结合我国国情，从技术和经济方面统一考虑。
一般：低洼地段大于高地；干管大于支管；工业区大 于居住区；市区高于郊区。最小不宜低于0.33年。
暴雨强度。在推求暴雨强度公式时，降雨历时常采
用5、10、15、20、30、45、60、90、120 min 9个
时段。在分析暴雨资料时，必须选用对应各降雨历 时的最大降雨量。由于在各降雨历时内每个时刻的 暴雨强度也是不同的，所以计算出的各历时的暴雨 强度称为最大平均暴雨强度。
4．降雨面积和汇水面积 （1）降雨面积——是指降雨所笼罩的面积，即降雨 的范围。 （2）汇水面积——是指雨水管渠汇集雨水的面积， 用 F表示，以公顷或平方公里为 单位（ha或km2）。 任一场暴雨在降雨面积上各点的暴雨强度是不相 等的，但在城镇雨水管渠系统设计中，设计管渠的汇 水面积较小，一般小于100 km2，其汇水面积上最远 点的集水时间不超过60 min到120 min，这种较小的 汇水面积，在工程上称为小汇水面积。在小汇水面积 上可忽略降雨的非均匀分布，认为各点的暴雨强度都 相等。
%
n——观测资料总项数 m——暴雨强度出现的次数
• 如频率P=1%，即是等于或大于这个暴雨强度在1年 内可能发生1%次，或者在100年内可能发生一次，也 就是发生一次的时间间隔为100年。 • 又如暴雨强度频率P=50%，即在100年内可能发生50
次，重现一次的时间间隔平均为2年
若每年只选一个雨样（年最大值法），称为年频率式
• • 降雨 •
植物截留
余水
土壤渗流
地面径流
我国现行《室外排水设计规范》中规定的径流系 数ψ 值见下表： 径流系数ψ 值
地面种类 各种屋面、混凝土和沥青路面 大块石铺砌路面和沥青表面处理的碎石 路面 级配碎石路面 干砌砖石和碎石路面 非铺砌土路面 公园或绿地 ψ值 0.90 0.60 0.45 0.40 0.30 0.15
的基础资料。
（2）暴雨强度的重现期 某特定值暴雨强度的重现期是指等于或大于该值 的暴雨强度可能出现一次的平均间隔时间，一般用 P 表示，以年为单位，按如下公式进行计算：
N P m
式中
P —- 暴雨强度的重现期（a）； N —- 资料记录的年限（a）； m —- 等于或大于某特定值的暴雨强度出现
的次数。 重现期 P与年频率 Pn互为倒数，即
干城市的暴雨强度公式，统计时可直接选用。目前 尚无暴雨强度公式的城镇，可借用附近气象条件相 似地区城市的暴雨强度公式。
部分城市暴雨强度 公式参数
9 ．2
雨水管网设计流量计算
雨水设计流量计算公式：
Q qF
式中：Q — 雨水沟道的设计流量，L/s；
F — 汇水面积，hm2； q — 设计暴雨强度，L/（s· hm2）；

m—折减（延缓）系数，明渠：m = 1.2；暗管：m = 2。
地面集水时间 t1 ——是指雨水从汇水面积上最远点流到雨 水口的地面流行时间。 地面集水时间受地形坡度、地面铺砌、 植被、距离长短等因素影响，主要取决于 水流距离的长短和地面坡度。在工程实践 中，地面集水时间通常不予计算，一般采 用5～15 min(《室外排水设计规范》规定)。
在雨水管渠系统设计中，汇水面积通常是由各种
性质的地面覆盖组成的，随着它们占有的面积比例变
化，ψ 值也各异。因此整个汇水面积的径流系数应
采用平均径流系数，其值是按各类地面面积用加权平
均法计算求得，即：

式中
av

Fi
i
F
Βιβλιοθήκη Baidu
Ｆi ——汇水面积上各类地面的面积（ha）；
ψ i——相应于各类地面的径流系数； Ｆ——全部汇水面积（ha）。
1．降雨量 降雨量是指降雨的绝对量，是用降雨深度 H（mm） 表示，也可用单位面积上的降雨体积（L/ha）表示。 在研究降雨时，很少以一场雨为对象，而常用单位时 间表示： （1）年平均降雨量：指多年观测所得的各年降 雨量的平均值。 （2）月平均降雨量：指多年观测所得的各月降 雨量的平均值。 （3）年最大日降雨量：指多年观测所得的一年 中降雨量最大一日的绝对量。
m n = N ， Pn N 100%
N — 降雨观测资料的年数
若平均每年选入 M个雨样数，称为次频率式。
n = N· M，
m Pn 100% NM
M——每年选入的平均雨样数
若每年只选一个雨样，称为年频率式
n = N，
m Pn 100 % N
N——降雨观测资料的年数 若平均每年选入 M个雨样数，称为次频率式。
降水分布是指各地区降水不均匀。全球平均年降水量为930mm。全球大陆平 均年降水量为700mm。中国平均年降水量为629mm。中国大陆降水分布的特点 是南方多，北方少，东部多，西部少。
中国年平均降雨 量分布
台湾省北端基隆南侧 的火烧寮，曾出现 8409.0毫米的记录。 云南省的金平， 2267.3毫米。
2. 设计暴雨强度的确定
（1）设计重现期 P 的确定
设计重现期是指在一个较长的统计期限内，设计暴雨强度的降雨重新出现 一次的平均时间间隔，单位为年。
◆ 若选用较高的设计重现期，计算所得设计暴雨强度大，相应的雨水设
计流量大，管渠的断面相应大。
这对于防止地面积水是有利的，安全性高。但经济上则因管渠设计断面的 增大而增加了；
2．降雨历时 是指连续降雨的时段，可以指一场雨全部的时 间，也可以指其中个别的连续时段。用 t表示，单 位以 min或 h计，从自计雨量记录纸上直接读得。 3．降雨强度（暴雨强度）
降雨强度是指某一连续降雨时段内的平均降雨
量，即单位时间的平均降雨深度，用 i表示。
H （mm/min） i t
在工程上统计的降雨多属暴雨性质，故称暴雨
新疆吐鲁番盆地、塔 里木盆地和青海柴达 木盆地等，年雨量一 般在25毫米以下。
例如：吐鲁番16.4毫米。最少的地方在吐鲁番盆地西侧的托克逊 （海拔不到1米），年雨量平均只有6.9毫米。据报道，吐鲁番盆地 南部寸草不生的却勒塔格荒漠等地区，有些年份终年滴雨不降。 由于干旱地区雨量变化率大，平均年雨量随年代长短而有很大 波动，因此，其平均值意义不大。