2.4 防涝片河道特征水位

2.4.1 影响排水区排水的主要因素

（1）河道水位的影响。影响防涝片河道水位主要有区域内地势及地面高程、土地利用规划及其下垫面组成（即城市化程度）、降雨、周围大水体水位、河湖水面率（即河湖规模和布局）、周边排水闸、泵站规模等。

因为排水系统只是防涝系统的一部分，因此，防涝片内河道的水位直接影响排水区的排水管道出口水位。

上述影响因素中，水面率是影响区域防涝最高水位的一个极为重要的因素。水面率增加，排水区的高水位逐渐下降，相应的高水位持续时间也大大缩短。由此，应发挥河网的调蓄、输水功能，选取经济、合理、生态的雨水排放模式，合理确定河道水位，从而降低城市开发成本。

（2）排水区排水模式的影响。强排模式可以控制最高水位，从而控制排水区内的积水范围；但强排水模式投资较大，运行管理比较复杂。区域缓冲排涝模式适合于城市郊区河网水系比较发达地区，暴雨前预降片内河网水位，暴雨期间片内河网参与调蓄，并在低潮时自排或泵站抽排，这种排涝模式由河网、水闸或河网、水闸、泵站组成，投资省，能够充分发挥河网的蓄排功能，运行管理简便，是三类排涝方式中最为节省的除涝模式。

2.4.2 特征水位及影响分析

1.常用的几个特征水位

防涝片的特征水位有预降水位、常水位和最高水位，它是排水工程的设计依据，也是防涝工程的重要设计参数。特征水位需要根据河道设计、泵闸设计、地面控制高程等综合计算确定。特征水位之间相互关联、相互影响，应协调、优化，经方案比选后确定。

（1） 预降水位：降雨发生前防涝片内河道可以预降到的水位。河道常水位确定后，为了腾出河道调蓄量，必须依据天气预报，提前闸排或泵排预降河道水位。预降水所需要的时间和泵站排涝流量相关，一般根据时间来确定泵站设计流量。预降水位与最高水位之间为河道调蓄量，预降水位越低，调蓄量越大，但同时所需要的泵站流量也越大。

（2） 常水位：排水区可以正常排水时的河道水位。在此水位下，排水区排水顺畅。

（3） 最高水位：也即预防水位，排水区非正常情况下的水位。此时雨水管网呈淹没出流状态，排水能力有所降低。最高水位决定区域内地面高程，影响排水管网竖向设计。

2.特征水位对排水的影响分析

预降水位、常水位，是根据规划防涝片场地竖向设计、外河各频率水位、河底高程等确定；最高水位需要结合设计水面线、管道地面高程线、排水管道水力坡降线等计算确定，同时最高水位也决定了防涝片内的地面高程。

上述分析表明，特征水位对排水管道出口水位有明显的影响，以下结合公式予以分析。根据伯努利方程推导满流雨水管道淹没出流流速公式

根据水力计算手册公式，满流、非淹没出水的流速公式为：

式中 v₁——淹没段上游流速，m·s^-1；

D——管道直径，m；

L——淹没段长度，m；

λ——沿程阻力系数；

Z——河道水面至上游管段水面垂直距离，m；———行进水头，m；

Δh——淹没段水力坡降。

当Z+时，即在排水管道上下游水面高差不小于淹没段水力坡降时，管道淹没段排水能力才能达到设计要求，排水才会顺畅。即在排水管道上、下游水面高差大于或等于淹没段水力坡降时，淹没段的排水能力才能达到设计要求。

在雨水管道淹没段的排水设计中，应校核其排水能力。当不能满足设计排水能力要求时，应考虑加大管径、减小坡度（以减小Δh）等措施。甚至在重要地区，要考虑建设排水泵站。

以上分析可以看出，当防涝片内河道水位发生顶托时，会使排水管道水力坡度下降，排水管网的排水能力下降。河道水位越高，顶托作用越明显，排水管网的排水能力下降也越明显。城市排涝标准无论取多少，若能保证内河最高水位不变，则雨水管网的排水能力将不受其影响。

为了提高区域雨水系统应对暴雨的能力，可以提前将河道水位降至预降水位。一方面可以提高雨水系统的排水能力，另一方面可以将河道作为调蓄池增加调蓄容积。例如，区域内排水系统升级改造成本较高时，也可以通过对水利枢纽进行升级改造，以降低河道的控制水位，从而实现区域排水系统的被动升级。

3.特征水位决定排水区地面高程

防涝片最高水位确定后，根据《城市用地竖向规划规范》，为满足地块内雨水自流排放的要求，排水区地面高程应高于最高水位至少0.5m。

确定地面高程时，按雨水管网采用重力流铺设，按雨水管管径（一般为600～1000mm考虑）、管道底高程、最小覆土厚度（一般为0.7m）等雨水管道的设计要求，一般雨水管实际敷设坡度i=1.0‰～1.2‰设计，这样就可以确定排水区内地面高程，即地面高程要满足雨水管的排水要求。

确定排水区地面高程的重要目的之一，就是防止发生涝灾，使地面高程满足雨水能自流排放入河的要求。为此，地面的设计高程应高于内河相应的最高水位，并有一定的安全超高，以利于地面雨水能及时地汇入道路下的雨水管道中。

确定地面最低控制高程首先要考虑的，是要保证最低处的水可以顺利排入河道。地面最低控制高程的确定方法，是综合考虑雨水管出水口位置的河道最高水位、安全超高值、雨水管到出水口的距离以及管道最小水力坡降，具体可按下式计算：

式中 H——地面某点的最低控制高程，m；

h——计算点位置雨水管出水口处，河道最高水位，m；

L——雨水管从起点至出水口的水平距离，m；

i%——水力坡降，一般取0.001；

D——安全超高值，一般取大于0.5m（考虑雨水管最小埋深）。

对城市建成区，无法通过抬高地面的高程来满足排水标准的提高，解决问题的方法之一是通过强排，降低河道最高水位。当无条件降低河道最高水位时，可通过改造排水管道，改变管径、出水口位置等方法。

2.4.3 排水系统与防涝系统的衔接

目前，城市排水、防涝讨论较多的是两个标准的衔接。前面已述及，这两个标准，其服务范围及应对的对象都不同，且分属部门不同，各自的系列标准不同，涉及内容非常广，涉及的规范非常多。因此作者认为，城市内涝治理没有必要纠结于两方面标准的衔接，在设计中排水和防涝以水位衔接即可。

1.特征水位影响综合分析

特征水位及影响分析表明，特征水位中最高水位和预降水位对排水和防涝影响较大，既影响排水系统的排水效果，也影响排涝流量的大小。最高水位具有显著作用，直接影响排水管道出口高程和排水能力，同时影响到排水区地面高程和排涝流量大小。但同时，这种影响又具有反向作用，即反过来对最高水位提出要求。特征水位影响综合分析，以最高水位为例，其相互影响见图2-8。

图2-8 最高水位影响综合分析示意图

2.水位衔接

防涝片河道水位和排水管网出水口高程进行衔接，称为水位衔接。

城市排水和防涝两个系统同属城市防灾体系，存在必然的联系；排水管网出口往往设置在内河、湖泊、渠系，因此这些具有调蓄作用的水域是排水系统的“承泄区”，其调蓄能力大小、水位高低直接影响排水工程布置和规模。

排水管网出口布局和排水流量，也是城市排水区划分和河道规模的依据；在河网水力计算中，排水口就是汇流点之一。由此可见，两个系统虽然存在诸多的不同之处，但是在内河、湖泊、渠系上的排水口是联系两个系统的重要结点；由于每个城市的特点不一样，因此对该结点处理方式也不尽相同。

排水区雨水管道一般就近排入内河，因此城市雨水管网的排水能力受内河水位的影响。对于给定的雨水管网，管网的长度和坡降一定，管网的排水能力主要取决于管道的水力坡降。

雨水管道排水最终要进入河道湖泊等受纳水体，管道出口设计高程是保证汛期雨水顺利排出的关键要素。一般情况下，管道出口高程应高于河道多年平均常水位。但受气象和水文特征、设计标准等因素影响，经常发生汛期河道水位超过管道出口设计高程的情况，导致对排水管网的顶托，甚至发生河水倒灌现象，内水不能顺利排出，即形成内涝或积水。

当内河水位低于排水管道出口时，管道排水为自由出流，管道的水力坡降与管道坡降保持一致，排水能力不受内河水位顶托影响。当内河水位高于管道出口时，管道排水为淹没出流，此时管道的水力坡降将逐渐小于管道坡降，排水能力受内河水位顶托的影响亦随之逐步降低，且淹没深度越高，排水能力越低。由此可见，当城市排水标准需要提高时，若能维持内河最高水位不变或降低，城市排水管网的排水能力将维持不变或得到提高。

基于上述分析，由于管道和河道的设计重现期是独立的，二者间没有直接联系，即所谓标准不能衔接。从分析可知两者有着共同的控制因素，即内河最高水位与管网出水口处的高程是系统中的共同边界与条件。

找到了排水系统和防涝系统的相关因素，实际工程中就应以此为边界条件，分别进行系统规划或设计，以实现两个系统的合理衔接，共同形成城市排水防涝工程体系。

3.水位衔接的反向作用

在对城市排水系统排水能力评估时，可根据水位衔接对内河最高水位提出具体要求，这就是水位衔接的反向作用，详见图2-7虚线部分。

城市排水、防涝标准无论取多少，若能保证内河最高水位不变，则排水管网的排水能力将不受其影响。因此，在对城市排水系统进行排水能力评估时，应根据城市实际的排水能力，对内河最高水位提出具体要求。其次，根据现状排水区地面高程，也可以对河道最高水位提出要求，从而确定排涝流量。

总而言之，在不改变排水区地面高程、排水管出口高程的情况下，要提高区域内的排水标准或防涝标准，需要增大河道调蓄量或者增大泵站排涝流量。