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【摘要】城市化地区的排水系统不仅包括由市政雨水管网构成的市政排水系统，还包括原属农田排涝范畴的区域排涝系统。两种排水系统遵循不同行业规范．其采用的暴雨选样方法、设计标准、频率分布模型、设计流量计算方法等各不相同。本文针对水利区域排涝和市政排水的特点，研究了不同暴雨选样导致的重现期的差别、频率分布模型异同，给出了采用不同暴雨选样方法重现期的衔接关系和频率分部模型的转换关系，并分析了两种排涝体系常用的推理公式法的异同性和适用性，为城市排水工程规划提供了指导。
【关键词】排涝暴雨选样重现期频率分布推理公式
前言
城市化的发展使得城市规模不断向郊区扩展，昔日的河渠、沟道、稻田、湿地、水塘被填埋征用或成为城市的组成部分，区域的下面条件极大改变，原来属于农田排涝范畴的區域纳入了城市排水体系。城市排水系统不仅包括由市政雨水管网构成的市政排水系统，还包括原属农田排涝范畴的沟道、内河、塘堰、闸站等构成的区域排涝系统。排水设施既要承担城市街道、居住小区等小面积暴雨涝水排除任务，还包括城市较大区域暴雨涝水的排除。市政排水与区域排涝的关系日益紧密。城市区域排涝系统是在农田排涝的基础上发展而来，主要承担较大区域暴雨涝水以及市政雨水管网所汇集涝水的排除，属于农田排涝范畴；市政雨水管网系统承担城市小区、街道等小区域的雨水排除，属于市政排水范畴。
一、设计暴雨
1.1暴雨选择。城市的区域排涝通常是在原有农田排水系统的基础上形成，负担较大区域暴雨涝水排除，综合考虑了河、沟、田、塘等的调蓄，其暴雨通常以24h、72h为控制时段，城市化区域设计暴雨多以24小时最大暴雨为控制。水利部门进行防洪排涝设计时，考虑的是年发生一次超标准暴雨的概率。适宜采用年最大值法选样。年最大值法选样简单，独立性强，在水文统计中应用最广泛。但该法会遗漏一些数值较大，在年内排位第二或第三的暴雨，使小重现期部分(重现期l～5年)的暴雨强度明显偏小，由于水利排涝中通常采用的重现期较大(10年以上)，用年最大值能够满足水利排涝要求。市政排水系统主要考虑城市小区域暴雨积水排除、径流形成速度快、汇流时间短，因此市政排水暴雨控制时段通常采用5～120min等9个控制时段。市政部门进行城市管网排水系统的规划设计时，不仅要考虑年内最大暴雨，还要考虑年内出现多次超标准暴雨的机会，通常采用非年最大值法选样(超大值法、超定量法、年多个样法)。根据《室外排水设计规范》，市政排水系统的设计标准一般为0．5—3年，最低为0．25年，包含了一年多遇的情况，其暴雨选样采用非年最大值法，通常能够反映一年内能够遭遇几次超标暴雨的概率，且不会遗漏较大暴雨。在小重现期部分能够比较真实地反映暴雨的统计规律．可以获得重现期小于1年的设计暴雨。不同暴雨选样方法得到的经验频率和暴雨重现期具有不同的含义。设有该年暴雨记录，从中取出样本总数为N的暴雨系列。则每年平均取样个数k，按年多个样法和年最大值法所得的经验频率
PE和P分别如式(1)所示：
1.2设计暴雨计算。
用统计法计算设计暴雨，涉及到经验频率计算。一年多次选样法，在n年中选取样本个数为N的系列每年选取的样本个数为K(K=N／n,K>1)经检验PE=S／N+1(式中s=1,2,…,N为各系列值从大到小排列的序数)为次频率。次频率可按下式换算为年频率：Py=(N+1/n+1) PE。
年最大值选法，在n,年中选取样本个数为n,的系列，经验频率Py=m/n+1(式中m=1、2、…，n为系列各值从大到小的排列的序数)为年频率。
二、设计流量
2.1产流计算。
《室外排水设计规范》中规定，设计排水流量按以下公式计算：
Q=qψF(2)
式中：Q—— 雨水设计流量，L／s；q——设计暴雨强度，L／s•hm；ψ ——径流系数；F——汇水面积，hm。
根据公式(2)，在城市排水设计中，降雨产流量通过综合径流系数计算，市区综合径流系数为0．5- 0．8。在建设发展较快的城市区，综合径流系数可根据城市发展规划分析选定，以反映一定发展水平年城市区的产流情况。水利部门降雨产流计算通常采用降雨径流相关法、初损后损法、平均损失率法和下渗曲线扣损法等方法。各种方法均是根据暴雨洪水历史资料分析所在流域的降雨损失量，对下垫面条件变化不大的流域，能较好地反映所在流域的降雨产流规律。根据城建部门与水利部门对扣损量的有关分析，在造峰雨时段(城市排水计算中，计算降雨历时即为造峰雨时段)，设计排水流量计算公式中的径流系数，城建部门采用的数值较小，相应的设计净雨量较小；水利部门采用的径流系数较大，相应的设计净雨量较大。
2.2汇流计算
城建部门设计排水量计算公式(2)实际是全面汇流情况下的推理公式，其汇流时间根据雨水管网的长度、断面尺寸、比降等特征参数，按水力学方法直接计算。公式(2)以水体作刚体位移的概念为基础，没有考虑由于水体内部流速分布不均匀性的影响所造成洪水波的展开和扭曲作用，适用于集水面积小、汇流时间短、调蓄作用不大的流域。水利部门小汇水面积设计洪水计算通常采用推理公式法或单位线法，此处仅对推理公式法进行分析。推理公式的形式为：
Qm=0.278hτ/τF (3)
τ=0.278L/Vτ (4)
Vτ=mJ1/3 Qm1/4(5)
式中: Q ——洪峰流量，m3／s； — —相应于τ时段的最大净雨量，mm；τ——汇流时间，h；F——流域面积，km2；L——沿主河道从出口断面至分水岭的最长距离，km；Vτ—— 汇流速度，m／s；J——沿流程L的平均比降；m—— 经验性的汇流参数。
公式的关键是确定汇流参数m。一般m的确定有两个步骤：一是确定单站代表性的m值，即求定一个稳定的m值；二是对各站稳定的m值进行地区综合。目前的做法大都采用60年代陈家琦等人建议的用暴雨洪水资料反求参数的途径，由此计算的m值能综合反映流域的汇流特性，经多年实践证明是行之有效的。由于一般水文站集水面积较大(相对城市小汇水区而言)，所分析的参数适用于汇流时间较
长、调蓄作用较大的流域。
结语
(1)建议城市暴雨尽早改用年最大值法选样，以解决现行年多个样法资料不易取得，统计工作量大等缺点。随着城市化步伐的日益加快，原有的河道、沟渠等逐渐纳入城市区域，城市防洪排涝与排水的界限日益模糊，两者的关系日渐紧密。建议将两者进行统一管理，有利于城市管网排水标准与城市内河防洪排涝标准的协调与统一，符合水务一体化处理的大趋势。
(2)以上的研究结果可以共同反映出两者的对应关系，但是由于城市防洪排涝与排水工程的复杂性，以及各地区暴雨特性存在的差异性，导致现有的这些结论只能作为一种宏观规律进行参考。诸如暴雨选样方法之间的重现期衔接关系与流量重现期衔接关系之间的联系与区别等问题还有待深入研究。
参考文献
[1]胡斌．城市排水与防洪排涝设计中重现期的确定．中国市政工程，2004，(3)：44～45
[2]邓培德．城市暴雨两种选样方法的概率关系与应用评述．给水排水，2006，6(32)：39～42
[3]谢淑琴．城市小区管网排水及区域排涝水文计算方法初步探讨．人民珠江，2003，(6)：30～32
[4]金光炎．城市设计暴雨频率计算问题．水文，2000，20(2)：14～18
[5]陈斌．城市排涝与排水研究．给水排水。1996，22(9)：17～20
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】排涝暴雨选样重现期频率分布推理公式
前言
城市化的发展使得城市规模不断向郊区扩展，昔日的河渠、沟道、稻田、湿地、水塘被填埋征用或成为城市的组成部分，区域的下面条件极大改变，原来属于农田排涝范畴的區域纳入了城市排水体系。城市排水系统不仅包括由市政雨水管网构成的市政排水系统，还包括原属农田排涝范畴的沟道、内河、塘堰、闸站等构成的区域排涝系统。排水设施既要承担城市街道、居住小区等小面积暴雨涝水排除任务，还包括城市较大区域暴雨涝水的排除。市政排水与区域排涝的关系日益紧密。城市区域排涝系统是在农田排涝的基础上发展而来，主要承担较大区域暴雨涝水以及市政雨水管网所汇集涝水的排除，属于农田排涝范畴；市政雨水管网系统承担城市小区、街道等小区域的雨水排除，属于市政排水范畴。
一、设计暴雨
1.1暴雨选择。城市的区域排涝通常是在原有农田排水系统的基础上形成，负担较大区域暴雨涝水排除，综合考虑了河、沟、田、塘等的调蓄，其暴雨通常以24h、72h为控制时段，城市化区域设计暴雨多以24小时最大暴雨为控制。水利部门进行防洪排涝设计时，考虑的是年发生一次超标准暴雨的概率。适宜采用年最大值法选样。年最大值法选样简单，独立性强，在水文统计中应用最广泛。但该法会遗漏一些数值较大，在年内排位第二或第三的暴雨，使小重现期部分(重现期l～5年)的暴雨强度明显偏小，由于水利排涝中通常采用的重现期较大(10年以上)，用年最大值能够满足水利排涝要求。市政排水系统主要考虑城市小区域暴雨积水排除、径流形成速度快、汇流时间短，因此市政排水暴雨控制时段通常采用5～120min等9个控制时段。市政部门进行城市管网排水系统的规划设计时，不仅要考虑年内最大暴雨，还要考虑年内出现多次超标准暴雨的机会，通常采用非年最大值法选样(超大值法、超定量法、年多个样法)。根据《室外排水设计规范》，市政排水系统的设计标准一般为0．5—3年，最低为0．25年，包含了一年多遇的情况，其暴雨选样采用非年最大值法，通常能够反映一年内能够遭遇几次超标暴雨的概率，且不会遗漏较大暴雨。在小重现期部分能够比较真实地反映暴雨的统计规律．可以获得重现期小于1年的设计暴雨。不同暴雨选样方法得到的经验频率和暴雨重现期具有不同的含义。设有该年暴雨记录，从中取出样本总数为N的暴雨系列。则每年平均取样个数k，按年多个样法和年最大值法所得的经验频率
PE和P分别如式(1)所示：
1.2设计暴雨计算。
用统计法计算设计暴雨，涉及到经验频率计算。一年多次选样法，在n年中选取样本个数为N的系列每年选取的样本个数为K(K=N／n,K>1)经检验PE=S／N+1(式中s=1,2,…,N为各系列值从大到小排列的序数)为次频率。次频率可按下式换算为年频率：Py=(N+1/n+1) PE。
年最大值选法，在n,年中选取样本个数为n,的系列，经验频率Py=m/n+1(式中m=1、2、…，n为系列各值从大到小的排列的序数)为年频率。
二、设计流量
2.1产流计算。
《室外排水设计规范》中规定，设计排水流量按以下公式计算：
Q=qψF(2)
式中：Q—— 雨水设计流量，L／s；q——设计暴雨强度，L／s•hm；ψ ——径流系数；F——汇水面积，hm。
根据公式(2)，在城市排水设计中，降雨产流量通过综合径流系数计算，市区综合径流系数为0．5- 0．8。在建设发展较快的城市区，综合径流系数可根据城市发展规划分析选定，以反映一定发展水平年城市区的产流情况。水利部门降雨产流计算通常采用降雨径流相关法、初损后损法、平均损失率法和下渗曲线扣损法等方法。各种方法均是根据暴雨洪水历史资料分析所在流域的降雨损失量，对下垫面条件变化不大的流域，能较好地反映所在流域的降雨产流规律。根据城建部门与水利部门对扣损量的有关分析，在造峰雨时段(城市排水计算中，计算降雨历时即为造峰雨时段)，设计排水流量计算公式中的径流系数，城建部门采用的数值较小，相应的设计净雨量较小；水利部门采用的径流系数较大，相应的设计净雨量较大。
2.2汇流计算
城建部门设计排水量计算公式(2)实际是全面汇流情况下的推理公式，其汇流时间根据雨水管网的长度、断面尺寸、比降等特征参数，按水力学方法直接计算。公式(2)以水体作刚体位移的概念为基础，没有考虑由于水体内部流速分布不均匀性的影响所造成洪水波的展开和扭曲作用，适用于集水面积小、汇流时间短、调蓄作用不大的流域。水利部门小汇水面积设计洪水计算通常采用推理公式法或单位线法，此处仅对推理公式法进行分析。推理公式的形式为：
Qm=0.278hτ/τF (3)
τ=0.278L/Vτ (4)
Vτ=mJ1/3 Qm1/4(5)
式中: Q ——洪峰流量，m3／s； — —相应于τ时段的最大净雨量，mm；τ——汇流时间，h；F——流域面积，km2；L——沿主河道从出口断面至分水岭的最长距离，km；Vτ—— 汇流速度，m／s；J——沿流程L的平均比降；m—— 经验性的汇流参数。
公式的关键是确定汇流参数m。一般m的确定有两个步骤：一是确定单站代表性的m值，即求定一个稳定的m值；二是对各站稳定的m值进行地区综合。目前的做法大都采用60年代陈家琦等人建议的用暴雨洪水资料反求参数的途径，由此计算的m值能综合反映流域的汇流特性，经多年实践证明是行之有效的。由于一般水文站集水面积较大(相对城市小汇水区而言)，所分析的参数适用于汇流时间较
长、调蓄作用较大的流域。
结语
(1)建议城市暴雨尽早改用年最大值法选样，以解决现行年多个样法资料不易取得，统计工作量大等缺点。随着城市化步伐的日益加快，原有的河道、沟渠等逐渐纳入城市区域，城市防洪排涝与排水的界限日益模糊，两者的关系日渐紧密。建议将两者进行统一管理，有利于城市管网排水标准与城市内河防洪排涝标准的协调与统一，符合水务一体化处理的大趋势。
(2)以上的研究结果可以共同反映出两者的对应关系，但是由于城市防洪排涝与排水工程的复杂性，以及各地区暴雨特性存在的差异性，导致现有的这些结论只能作为一种宏观规律进行参考。诸如暴雨选样方法之间的重现期衔接关系与流量重现期衔接关系之间的联系与区别等问题还有待深入研究。
参考文献
[1]胡斌．城市排水与防洪排涝设计中重现期的确定．中国市政工程，2004，(3)：44～45
[2]邓培德．城市暴雨两种选样方法的概率关系与应用评述．给水排水，2006，6(32)：39～42
[3]谢淑琴．城市小区管网排水及区域排涝水文计算方法初步探讨．人民珠江，2003，(6)：30～32
[4]金光炎．城市设计暴雨频率计算问题．水文，2000，20(2)：14～18
[5]陈斌．城市排涝与排水研究．给水排水。1996，22(9)：17～20
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。