雨水塘的多级出水口及其设计方法探析.doc

雨水塘的多级出水口及其设计方法探析李俊奇1，秦祎1，王亚婧1，王文亮1,2，冯韶辉3(1北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044；2.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083;3.深圳市光明新区城市建设局，深圳518107)摘 要：出水口作为雨水塘的重要组成，它的构造、尺寸等会直接影响雨水塘削峰减排、改善水质等效果。出水口分多种类型，其中多级出水口既能控制雨水塘水位，又能增加雨水水力停留时间，控制外排流量，应用范围很广。在分析多级出水口构造特点及其与雨水塘控制目标的关系的基础上，对雨水塘的类型及其多级出水口构造进行了分析比较，对多级出水口的设计方法进行了探讨，提出了基于多目标控制的多级雨水口的实用设计程序。关键字：雨水塘；多级出水口；构造；设计方法Researches on the Multi-stage Outlet of Stormwater Pond and Its Design MethodLI Jun-qi1, QIN Yi1, WANG Ya-jing1, WANG Wen-liang1,2, FENG Shao-hui3(1. Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences, Beijing 100083,China; 3. Urban Construction Bureau of Guangming New District, Shenzhen 518107, China)Abstract: The multi-stage outlet is one of the most popular stormwater pond outlet that have been applied. It is important to insure good operation of the stormwater pond, while its function include adjusting the water level of stormwater ponds, increasing the hydraulic retention time of stormwater and controlling the pond drainage flow. The relationship between the structure of multi-stage outlet and the control objectives of different types stormwater pond is analyzed. On this basis, methods are explored to design multi-stage outlet. A practical design method with the idea of multi-objective stormwater pond design is proposed.Key words: stormwater pond; multi-stage outlet; structure; design method基金项目：北京建筑大学“北京建筑节能减排关键技术协同创新中心”专项和北京市“城市雨水系统与水环境生态技术”学术创新团队项目（PHR201106124）专项资助引言从传统的工程排水到可持续的生态排水，城市雨水管理理念不断的发展和突破，促使雨水管理技术措施的不断丰富和创新。城市雨水管理正在从灰色基础设施向绿色基础设施过渡1。作为雨水管理中非常重要的技术措施之一，雨水塘在许多国家得到了广泛的应用，并在雨水径流控制方面取得了良好的效果。随着城市雨洪控制理念的不断进步，雨水塘的功能也在不断的改进与完善，大致经历了三个阶段：从上世纪60年代单一的峰值流量控制，到70年代的兼具峰值流量控制和水质改善，80年代至今又发展出包括景观、休闲等功能在内的多功能雨水塘2。塘体、入水口和出水口是雨水塘最基本的构成部分，此外，大型雨水塘有时还设有溢洪道。出水口作为雨水塘的重要构成部分，决定着雨水塘的水位、容积与外排流量，在实际应用中，雨水塘出水口多采用立管式、管涵式、溢流堰式，尤以立管式应用最广泛，其中立管式又可分为单级出水口和多级出水口。相比于单级出水口，多级出水口能达成雨水塘对雨水的多目标控制，其良好的控制效果及其多目标适应性使得其在越来越多的雨水塘新建及改造工程中得到应用。我国城市雨水管理开展较晚，对雨水塘的概念、标准等缺乏统一的认识，对多级出水口更缺乏系统的研究。本文从多级出水口构造及其与雨水塘控制目标的关系入手，对不同类型雨水塘的多级出水口构造进行探讨，提出基于多目标控制的多级出水口的设计方法。1多级出水口的构造及其在雨水塘中的作用雨水塘类型及规模不同，其多级出水口的构造也往往有所区别，因此在明确出水口构造的同时，有必要明确雨水塘的类型及各自的特点，以期总结不同类型雨水塘的多级出水口的特点。1.1多级出水口的构造多级出水口多采用混凝土或金属波纹管建造，一般由底部放空管、孔口、堰口、立管、外排管等组成，立管上的圆形口或方形口负责收水，经排水管排放至下游。除了底部放空管之外，单级出水口通常只有一个孔口或堰，而多级出水口通常是堰和孔口的多种组合形式，典型构造如图1所示。多级出水口通常是重力流排水。当降雨发生时，雨水塘的水位会随着汇流雨水体积的增加而升高，水位首先到达立管上较低的出水口，雨水通过此出水口及排水管排出雨水塘；当雨水塘的入流流量大于出水口的外排流量时，汇流雨水体积不断增加，塘中水位逐渐升高并淹没较高的出水口，外排流量增加。多级出水口既能控制雨水塘水位，又能增加雨水水力停留时间，控制外排流量，因此较单级出水口有其优势2。图1 多级出水口与单级出水口的典型构造示意Fig.1 Typical structures of single stage and multi-stage outlet1.2多级出水口在不同功能雨水塘中的异同比较1.2.1雨水塘的控制目标及其类型概括来讲，雨水塘的控制目标包括水质控制和水量控制两方面。水质控制目标一般针对具有水质改善功能的雨水塘而提出，一些发达国家采用水质控制容积（Water Quality Volume，WQV）作为雨水塘的水质控制指标，其含义为：雨水塘收集并处理一定年均场次降雨产生的径流雨水所需要的蓄存容积3。对雨水塘设定WQV的目的主要是提供一个合理的设施规模，使塘收集一定量的径流雨水，通过在塘内的物理沉淀、生物降解等过程使径流雨水的水质得到改善。水量控制目标分为河道侵蚀控制、漫滩洪水控制和极端暴雨控制，相应的指标分别为河道侵蚀保护容积（Channel Protection Volume，CpV）、漫滩洪水保护容积（Overbank Flood Protection Volume，Qpa）和极端暴雨控制容积（Extreme Flood Volume，QFV），河道侵蚀控制是指防止雨水对下游接自然河道造成侵蚀；漫滩洪水控制容积是指防止雨水溢出河道所需控制的雨水体积，其目的是在保证河道泛洪区内人身财产安全；极端洪水标准的目标为减少极端暴雨事件造成的生命财产损失，防止开发前100年一遇洪泛区范围的扩大4,5,6,7,8。为实现河道侵蚀、漫滩洪水和极端暴雨控制目标，一般雨水塘的外排峰值流量分别不应超过土地开发前重现期为12年、210年及100年24h降雨事件下的峰值流量，其中水质控制容积和河道侵蚀、漫滩洪水控制容积下雨水塘出水通过多级出水口控制，超过极端暴雨控制容积的出水则由多级出水口和溢洪道共同控制。在工程中按控制目标的不同，雨水塘可分为调节塘、延时调节塘和滞留塘。调节塘（Detention Pond）通过对径流雨水暂时性的储存，达到削减峰值流量、延迟峰现时间的功能，放空时间多小于24h，一般不具备改善水质的功能；延时调节塘（Extended Detention Pond）在雨水调节塘的基础上进行改进，增加雨水在塘内的水力停留时间，提高了雨水中颗粒物的沉淀效率，达到提升出流水质的目的，放空时间一般为2472h。滞留塘（Retention Pond）不但具有调节塘的功能，且在全年或者较长时间内具有常水位，设置常水位的好处一方面增加了雨水塘的景观、娱乐价值，更重要的是为雨水净化程度的提高提供了适宜的环境和场所。不同类型雨水塘的控制目标的比较如表1所示。表1 三种雨水塘的功能及多级出水口设置对比Tab.1 Comparison of the function and outlets of three kinds of stormwater ponds雨水塘类型功能多级出水口水质改善河道侵蚀控制漫滩洪水控制常水位极端暴雨控制WQV出水口CpV出水口Qpa出水口QFV出水口底部放空管外排管调节塘常开延时调节塘常开滞留塘常关注：表示有，表示无，表示按实际情况来选用。1.2.2多级出水口构造与雨水塘的关系前文已经提到，不同类型的雨水塘其功能不尽相同，其多级出水口的构造也有所差异。雨水塘的水质控制目标及水量控制目标均与塘的容积有关，且对特定的塘来说其容积与水位的关系是确定的，因此多级出水口不同级出水口的高程及大小与雨水塘的控制目标存在对应关系。从图2可以看出，对于调节塘，由于无水质控制目标要求，故其多级出水口不设置WQV出水口，其第一级出水口往往为CpV出水口，第二级至最高级则为Qpa、QFV出水口，其中重现期a取值大小及个数与当地Qpa标准、雨水塘设计规模、下游市政管渠设计标准等有关，立管顶部往往被设为QFV出水口；对于延时调节塘和滞留塘，它们兼具水质、水量控制目标，因此一般第一级出水口为WQV出水口，第二级为CpV出水口，而后为Qpa与QFV出水口，但滞留塘存在常水位，因此两者出水口的设计又有所不同。综上，不同类型雨水塘的多级出水口有下列特点：三类塘的多级出水口都设置底部放空管，但其运行方式不同。调节塘和延时调节塘最终需放空，故它们的底部放空管常开，而滞留塘的底部放空管只有在需要对塘进行清淤等维护时才打开；调节塘一般不设置WQV出水口，第一级出水口一般为CpV出水口。而滞留塘多级出水口的设计需考虑其常水位，应把常水位作为设计底高。延时调节塘放空时间一般为2472h，高于调节塘一般需在24h内放空的规定，因此相比于调节塘，延时调节塘的多级出水口需适当减小底部放空管和各级出水口的尺寸以提高雨水的水力停留时间；各级出水口的中心高程应与相关联的雨水塘控制目标所对应的塘水位一致或接近。图2 调节塘、延时调节塘和滞留塘典型构造剖面图Fig.2 Sectional drawing of three kinds of stormwater ponds2 多级出水口的设计2.1 底部放空管底部放空管用于将雨水塘放空。设计时主要考虑确保雨水塘的放空时间符合要求。但实际中，由于底部放空管一般开口较小，多级出水口各级出水口的排水能力一般又远大于底部放空管，因此在设计中可采用一级出水口底部高程对应的雨水塘容积与所规定放空时间的比值作为底部放空管的参考设计流量。设计底部放空管时，防止塘底淤泥堵塞也非常重要，实际中多采用如图1中的构造，底部放空管处连接一根管，末端略高于塘底且有小孔。这种构造的优点是既能减少塘底沉积物的外排，又能防止淤泥堵塞出水口。2.2 WQV、CpV和Qpa出水口各级出水口的设计依雨水塘控制目标的不同而不同。如对于水质控制容积，其计算公式为： （1）式中 WQV水质控制容积，m3 H设计降雨量，mm 径流系数 F汇水面积，ha可以看出，在特定的汇水面条件下，水质控制容积由设计降雨量H确定，表2列举了美国部分州、市的设计取值。美国很多州或地区都分别制定了各自的WQV标准，这些标准依据当地的降雨特性等给出了不同的年降雨场次控制率，一般在8095%之间3,4,5,6,7,8。潘国庆、车伍等对中国主要城市近30年的降雨资料进行了统计分析，得出了每个城市年降雨场次控制率在90%时的水质控制容积的设计降雨量，对国内雨水控制利用系统设计具有重要参考价值9。对于水量控制目标中的河道侵蚀保护容积，国外主要有两类标准，第一类是以1年重现期下24h设计降雨事件为标准，规定放空时间必须大于24h，第二类是以2年重现期下24h降雨事件为标准，规定外排峰值流量削减为开发前的50%或与开发前1年一遇24h降雨事件的峰值流量接近5,10。表2列举了美国部分地区对河道侵蚀控制的规定。对于漫滩洪水保护容积，则依据开发后的雨水径流的峰值流量不得大于开发前的峰值流量的标准来进行控制。不同地区的具体规定有所区别，如美国明尼苏达州等地规定，开发后在降雨重现期2、5、10和25a的降雨条件下产生径流的最大值不得大于相同重现期下的峰值5。乔治亚州的设计标准规定：开发后在25年一遇的降雨条件下，产生径流的峰值流量比开发前不得增加1%4。表2 美国部分地区对雨水设施水质控制容积中H的规定值和对河道侵蚀控制的规定5,10,11Tab.2 Local standards for WQV and CpV in some regions of USA5,10,11地区H的规定值对河道侵蚀控制的规定马里兰州东部：25.4mm西部：22.9mm1年重现期下24h降雨的放空时间必须大于24h明尼苏达州12.725.4mm1年重现期下24h降雨的放空时间必须大于24h；2年重现期下24h降雨事件的外排峰值流量削减至接近开发前的50%弗吉尼亚州12.7mmCpV等于汇水区内1年重现期下24h降雨的径流总量乔治亚州30.5mm1年重现期下24h降雨的放空时间必须大于24h纽约州20.333mm1年重现期下24h降雨的放空时间必须大于24h堪萨斯城34.8mm未作规定2.3 立管立管的顶部一般被设为QFV出水口，其设计方法同Qpa出水口。一般为防止出水口堵塞而导致的危险，雨水塘最好设溢洪道，但若用地条件无法修建溢洪道，则完全靠多级出水口进行极端暴雨控制。无溢洪道的情况下，QFV出水口的设计方法同Qpa出水口；有溢洪道的情况下，则需扣除溢洪道对极端暴雨控制的贡献。需注意的是，顶部开口为矩形或圆形的水平开口，在水力计算方面与堰、孔口均不同，须选用正确的水力计算方法。立管的高度一般设为最大设计重现期下漫滩洪水保护容积对应的塘的水位。为了防止水中漂浮物进入或堵塞出水口，立管上各级出水口往往需要设置格栅、挡板或其他措施，如图1中的斜管。2.4 外排管外排管的设计一方面要考虑多级出水口的外排流量，另一方面要考虑其下游水头情况。外排管的下游出流可能是自由出流，也可能是淹没出流。对于自由出流，外排管的最小设计流量为多级出水口的最大外排流量，即为塘水位最高时多级出水口的总外排流量。对于淹没出流，则需考虑下游水头，结合淹没出流的流量计算公式，选取合适的外排管规格。下游水头的高低对于雨水塘及其出水口设计是否合理是至关重要的，在设计初期，雨水塘的选址应考虑到出水口下游水头不能过高，否则对出水口的排水是很不利的。此外，工程中常在外排管末端设置拍门，以防止下游水倒灌入雨水塘。3 多级出水口的设计步骤雨水塘多级出水口的设计应遵循“由下而上”的顺序，在确定了雨水塘类型和控制目标的前提下，先进行底部的出水口的设计，在此基础上逐级向上进行设计。本文基于多目标控制的设计思想，结合多级出水口各组成部分的控制标准和设计方法（表3），建立了一套多级出水口的实用设计程序，设计流程图如图3所示。步骤1：确定雨水塘的类型及控制目标。步骤2：确定WQV及CpV。根据当地环境和径流水质条件、控制率要求和设施的投资分析等确定水质控制容积对应的设计降雨量，按式1计算WQV值；如雨水塘下游接河道，则根据河道的承受能力确定CpV，如下游接市政雨水管渠，则不需设置CpV出水口。步骤3：计算允许的出水口最大外排流量。计算雨水塘服务的汇流面积在不同重现期降雨事件下开发前、开发后的水文过程线。若雨水塘的设计目标是尽量使开发后的径流峰值流量接近开发前的数值，则出水口的最大外排流量应小于等于开发前相应重现期降雨事件下的峰值流量。但在具体工程中，有时也需考虑下游情况来确定出水口的最大外排流量。开发后的水文过程线将作为雨水塘的入流过程线。步骤4：计算雨水塘总容积。雨水塘总容积是指雨水塘塘底和塘堤之间的蓄水容积，即雨水塘的最大设计容积，其计算方法有许多种。日本、德国等国家都有较简单的估算公式，我国也有由径流成因推理的流量过程线求得雨水调蓄塘容积的公式，美国城市雨水管理中常采用的较精确的方法有入流过程演算法、SCS法、修正后的合理化公式法等，不同的方法其计算原理、使用条件、精度都有所不同12,13。但以上计算方法主要适用于调节塘和延时调节塘总容积的计算，由于滞留塘具有下渗的功能，故其塘总容积的计算需要考虑下渗过程。笔者将雨水调蓄设施按有无渗透功能分类，分别提出了相应的容积计算方法14。此外，滞留塘的总容积应包含常水位容积。步骤5：作出水位-容积曲线。水位-面积曲线和水位-容积曲线统称为水体的特征曲线。雨水塘的水位-容积曲线是雨水塘水位与容积的关系曲线，它可直接由水位-面积曲线推算绘制。对于地形特性不规则的雨水塘，水位-面积曲线可采用求积仪、网点法、图解法或数字化仪获得，对于形状规则的雨水塘则可以根据简单的数学公式计算得到水位-容积曲线。表3 多级出水口的设计方法及关键参数Tab.3 Design method of the multi-stage outlet and key parameters出水口名称设计方法关键参数WQV出水口H取值可参考潘国庆9的研究及表2；T一般取30hCpV出水口两类CpV标准的关键参数不同：H为1年重现期下24h降雨量，T一般大于24h；H为2年重现期下24h降雨量Qpa出水口a一般在210年之间取值，取值大小及个数与当地Qpa标准、雨水塘设计规模、下游市政管渠设计标准等有关QFV出水口amax为当地Qpa标准中所选用的最大设计重现期；分两种情况：不设溢洪道设溢洪道，需考虑溢洪道泄洪能力底部放空管T的取值：调节塘小于24h；延时调节塘2472h外排管出水口最大外排流量和下游水头步骤6：设计底部放空管及WQV出水口。先设计底部放空管，然后根据水位-容积关系曲线，得到水质控制容积对应的水位，以该水位作为WQV出水口的平均水头，根据放空时间的要求计算求解平均出流流量，再联合孔口或堰的过流方程，即可得到WQV出水口的大小。步骤7：设计CpV出水口。根据水位-容积关系曲线，得到河道侵蚀保护容积对应的水位，以该水位作为CpV出水口的平均水头。对于第一类CpV标准，根据规定的放空时间计算得到平均出流流量；对于第二类CpV标准，根据步骤3及表3中的CpV出水口设计方法得到允许的最大出流流量，再联合孔口或堰的过流方程，即可得到CpV出水口的大小。步骤8：设计Qpa出水口。Qpa出水口的设计先从较小重现期对应的出水口开始，按重现期递增的顺序依次设计。以Qp2出水口为例，根据水位-容积关系曲线，得到2年一遇24h降雨所对应的水位，用该水位减去步骤6中水质控制容积对应的水位即得Qp2出水口的最大水头，根据步骤3得到允许的最大出流流量，再联合孔口或堰的过流方程，即可得到Qp2出水口的大小。若多级出水口的CpV设计标准较高，则根据实际情况不需再设计较小重现期下的Qpa出水口。步骤9：检查Qpa出水口的效果。验证Qpa出水口在a年一遇24h降雨情况下，外排峰值流量是否小于等于允许的最大外排流量。可以通过入流过程演进结合出水口的过流方程进行验证。若所设计出水口不符合要求，则适当减小出水口尺寸或增大雨水塘容积，重复步骤8，直至验证通过。步骤10：设计较大重现期下的Qpa、QFV出水口并进行验证。计算过程同步骤8、9。当雨水塘下游接市政雨水管渠时，Qpa出水口设计重现期的选择即要考虑雨水塘规模、降雨特征等条件，也要保证与下游市政雨水管渠设计标准相匹配。步骤11：设计外排管，并对出水口设计保护性措施，如防堵塞的格栅、斜管等。 本设计方法以实现多级出水口的多目标控制为设计思想，但实际工程中，常存在用地、成本等多方面条件的制约，故可用本设计方法进行初步设计，再综合考虑分析其他各方面条件进行技术经济比较后确定。图3 雨水塘多级出水口设计流程图Fig.3 Design flow chart for stormwater pond multi-stage outlet4 结论（1） 多级出水口是雨水塘的重要构成部分，多级出水口由底部放空管、孔口或堰、立管及外排管构成。调节塘、延时调节塘和滞留塘的控制目标有所差别，其多级出水口的结构有所不同。通过合理的设计可使多级出水口具有控制雨水塘水位、控制外排流量、增加水力停留时间等功能，以实现雨水塘的水质、水量控制目标。（2） 多级出水口各部分的设计方法是不同的。底部放空管用于放空塘内雨水，以满足塘放空时间的要求为设计目标；WQV出水口用于改善水质，联合WQV值、相应的放空时间要求来计算其高程及大小；CpV出水口用于保护自然河道等免受径流引起的侵蚀，按当地的CpV标准来计算其高程及大小；Qpa出水口用于削减径流峰值流量、调节峰现时间使之接近地块开发前的状态，以所选用重现期下的24h降雨量和开发前峰值流量来计算其高程和大小；QFV出水口用于控制极端暴雨，保证河道泛洪区内人身财产安全，其设计方法与是否设溢洪道有关；外排管用于将出水口的收水顺利排入出水口下游，考虑下游水头，以满足多级出水口最大外排流量为设计依据。（3） 基于多目标控制的设计思想，提出了一套实用的多级出水口设计程序，可用于初步设计。设计多级出水口需结合其各部分的设计方法，首先确定塘的类型，再根据塘的控制目标等确定多级出水口的构造，其中雨水塘水质、水量控制目标中的关键参数与当地降雨特征、径流水质、下游河道等有直接关系。实际工程中还需综合考虑用地、成本等条件优化设计。参考文献:1 Yeh C，Labadie J. 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