3.3 雨水量

3.3.1 推理公式法是我国目前城镇排水工程设计中应用的雨水径流计算方法，具有公式简明和需要参数少等优点；然而这一方法适用于较小规模排水系统的计算，当应用于较大规模排水系统时会产生较大误差，因此本规范提出当汇水面积大于2k㎡时，应采用数学模型法确定雨水设计流量，并校核内涝防治重现期下地面的积水深度和积水时间。此外，当地表状况和土壤性质等基础参数较为齐备时，宜分别考虑土壤下渗、植被截留、蒸发等过程对径流量的影响，从而确定净雨量和净雨过程线。
3.3.2 对于地面集水时间，我国目前大多不经过计算，凭经验取值。城镇已开发地区的排水管渠较为密集，雨水在地表流动时间相对较短(大多短于5min)，因此地面集水时间是否经过计算对最终计算结果影响不大；而在未开发地区，雨水往往需要在地表流动较长时间才能形成明渠流或进入管道，因此有必要准确计算地面集水时间。美国自然资源保护服务局(Natural Resources Conser-vation Service，NRCS，即原来的土壤保持服务局SCS)编写的TR-55手册根据地面漫流的特征，将其分为坡面层流(sheet flow)和浅层细沟流(shallow concentrated flow)，分别进行计算。超过一定距离时，坡面层流转变为浅层细沟流，流速与暴雨强度无关，只与地面的粗糙程度和坡面状况有关。本规范在地面集水时间的计算中采用了美国NRCS和美国交通部的相关研究成果。
3.3.3 进行内涝防治设计重现期校核时，由于需要计算渗透、调蓄等设施对雨水的滞蓄作用，因此宜采用较长历时降雨，且应考虑降雨历程，即雨型的影响。发达国家和地区采用的降雨历时一般为3h～24h，如美国得克萨斯州交通部颁布的《水力设计手册》(2011年版)规定一般采用24h。美国丹佛市的《城市暴雨排水标准》(2011年版，第一卷)规定：服务面积小于10平方英里(约25.9k㎡)，最小降雨历时为2h；10平方英里～20平方英里，最小降雨历时为3h；大于20平方英里(约51.8k㎡)，最小降雨历时为6h。美国休斯敦市《雨水设计手册》第九章雨水设计要求(2005年版)规定：小于200英亩(约0.8k㎡)时，最小降雨历时为3h；大于或等于200英亩时，最小降雨历时为6h。
    我国大部分地区的暴雨强度公式是根据2h以内的降雨资料确定，只有少数城市编制了较长历时的暴雨强度公式。国家标准《室外排水设计规范》GB 50014规定应统计3h以内的降雨，但相应的暴雨强度公式制订工作还没有普及。此外，各地关于雨型的统计资料也比较匮乏，排水系统的设计一般假定在一定降雨历时范围内暴雨强度保持恒定，不考虑雨型。为了满足内涝防治设计的要求，并考虑到我国目前的实际情况，本规范规定降雨历时可选用3h～24h。
3.3.4 目前我国大多数城市和地区尚未建立设计雨型，特别是缺乏对长历时降雨资料的总结。同倍比放大法和同频率放大法在我国的水利领域应用较广，目前北京等城市已据此建立了24h设计雨型。
    此外，当设计降雨历时较短(小于3h)时，可参考当地的暴雨强度公式，通过下列方法之一人工合成雨型：
    (1) 芝加哥模式雨型计算方法为：     式中：
    q_a——某时刻上升段暴雨强度(mm/h)；
    A_1，n，b——均为暴雨强度公式中的参数；
    r——雨峰位置参数，可取0.3～0.4；
    t_a，t_b——分别为雨峰下降段和上升段的时间(min)；
    q_b——某时刻下降段暴雨强度(mm/h)。
    (2)  三角形雨型计算方法为：     式中：q——设计降雨历时t内的平均设计暴雨强度(mm/h)。
    (3) 交替区块法生成雨型计算方法为：将降雨历时t平均分为n个区段，每个区段长度为T，根据暴雨强度公式分别计算T，2T，3T，…nT时的暴雨强度q₁，q₂，q₃，…q_n，累积降雨量P₁，P₂，P₃，…P_n，然后计算相邻时间区段累积降雨量之差。将获得的累积降雨量之差从大到小排序，最大值为整个降雨历时中心区段的降雨量，其余各值则依次交替列于最大值右侧和左侧的区段，从而形成一次完整的降雨历程。
    芝加哥模式雨型和交替区块法生成雨型均根据暴雨强度公式建立，因此其应用受暴雨强度公式适用范围的影响。三角形雨型在1980年提出，计算方法简单，主要适用于小于50k㎡的区域。
3.3.5 对于汇水面积范围较大、透水性地面比例较高的地区，特别是未开发地区，综合径流系数难以准确确定，以此计算径流量可能会产生较大误差。多个现行的免费和商业模型均包含通过扣损法确定净雨量的模块，可以在合理确定模型参数的基础上进行更加准确的径流量计算。截留和洼蓄量应包含城镇区域源头减排设施的截留雨水量。
3.3.6 本规范公式(3.3.6)为霍顿公式(Horton)，是国内外应用较广的一种计算土壤下渗能力的方法，其特点是能够反映土壤下渗能力随时间的变化，但是这一模型不能体现降雨强度对土壤下渗能力的影响，霍顿公式中的土壤参数一般应通过实测获得。
    关于土壤的初始入渗率，美国国家环保署(EPA)编制的SWMM模型建议将土壤分为砂土、壤土和黏土三类，并按土壤湿润程度和植被覆盖情况给出了参考值(见表3)。土壤稳定入渗率可根据土壤饱和状态下的下渗能力取值。SWMM模型建议采用艾肯和马斯格雷夫(Akan，1993和Musgrave，1955)总结的土壤稳定入渗率参数(见表4)。由于在不同的土壤类型和降雨历时等条件下，衰减常数的变化较大，SWMM模型建议其取值范围为2～7。当衰减常数大于3时，土壤下渗能力对衰减常数的变化不再敏感，因此，部分研究(如WQ-COSM模型)建议，蓄水能力较强的土壤的衰减常数可取2，其他类型的土壤的衰减常数可取3。     注：A类土壤指砂土，沙壤土或壤质砂土；B类土壤指粉质壤土或壤土；C类土壤指砂质黏壤土；D类土壤指黏壤土，粉质黏壤土，砂质黏土，粉质黏土或黏土。
    除霍顿公式外，土壤下渗能力还有其他多种计算方法。设计人员应在详细了解各种计算方法的适用前提的基础上，准确确定各项参数，合理选择适用的计算公式。