2.4 防澇片河道特征水位
2.4.1 影響排水區排水的主要因素
（1）河道水位的影響。影響防澇片河道水位主要有區域內地勢及地面高程、土地利用規劃及其下墊面組成（即城市化程度）、降雨、周圍大水體水位、河湖水面率（即河湖規模和布局）、周邊排水閘、泵站規模等。
因為排水系統只是防澇系統的一部分，因此，防澇片內河道的水位直接影響排水區的排水管道出口水位。
上述影響因素中，水面率是影響區域防澇最高水位的一個極為重要的因素。水面率增加，排水區的高水位逐漸下降，相應的高水位持續時間也大大縮短。由此，應發揮河網的調蓄、輸水功能，選取經濟、合理、生態的雨水排放模式，合理確定河道水位，從而降低城市開發成本。
（2）排水區排水模式的影響。強排模式可以控制最高水位，從而控制排水區內的積水范圍；但強排水模式投資較大，運行管理比較復雜。區域緩沖排澇模式適合于城市郊區河網水系比較發達地區，暴雨前預降片內河網水位，暴雨期間片內河網參與調蓄，并在低潮時自排或泵站抽排，這種排澇模式由河網、水閘或河網、水閘、泵站組成，投資省，能夠充分發揮河網的蓄排功能，運行管理簡便，是三類排澇方式中最為節省的除澇模式。
2.4.2 特征水位及影響分析
1.常用的幾個特征水位
防澇片的特征水位有預降水位、常水位和最高水位，它是排水工程的設計依據，也是防澇工程的重要設計參數。特征水位需要根據河道設計、泵閘設計、地面控制高程等綜合計算確定。特征水位之間相互關聯、相互影響，應協調、優化，經方案比選后確定。
（1） 預降水位：降雨發生前防澇片內河道可以預降到的水位。河道常水位確定后，為了騰出河道調蓄量，必須依據天氣預報，提前閘排或泵排預降河道水位。預降水所需要的時間和泵站排澇流量相關，一般根據時間來確定泵站設計流量。預降水位與最高水位之間為河道調蓄量，預降水位越低，調蓄量越大，但同時所需要的泵站流量也越大。
（2） 常水位：排水區可以正常排水時的河道水位。在此水位下，排水區排水順暢。
（3） 最高水位：也即預防水位，排水區非正常情況下的水位。此時雨水管網呈淹沒出流狀態，排水能力有所降低。最高水位決定區域內地面高程，影響排水管網豎向設計。
2.特征水位對排水的影響分析
預降水位、常水位，是根據規劃防澇片場地豎向設計、外河各頻率水位、河底高程等確定；最高水位需要結合設計水面線、管道地面高程線、排水管道水力坡降線等計算確定，同時最高水位也決定了防澇片內的地面高程。
上述分析表明，特征水位對排水管道出口水位有明顯的影響，以下結合公式予以分析。根據伯努利方程推導滿流雨水管道淹沒出流流速公式
根據水力計算手冊公式，滿流、非淹沒出水的流速公式為：
式中 v1——淹沒段上游流速，m·s-1；
D——管道直徑，m；
L——淹沒段長度，m；
λ——沿程阻力系數；
Z——河道水面至上游管段水面垂直距離，m；
———行進水頭，m；
Δh——淹沒段水力坡降。
當Z+
時，即在排水管道上下游水面高差不小于淹沒段水力坡降時，管道淹沒段排水能力才能達到設計要求，排水才會順暢。即在排水管道上、下游水面高差大于或等于淹沒段水力坡降時，淹沒段的排水能力才能達到設計要求。
在雨水管道淹沒段的排水設計中，應校核其排水能力。當不能滿足設計排水能力要求時，應考慮加大管徑、減小坡度（以減小Δh）等措施。甚至在重要地區，要考慮建設排水泵站。
以上分析可以看出，當防澇片內河道水位發生頂托時，會使排水管道水力坡度下降，排水管網的排水能力下降。河道水位越高，頂托作用越明顯，排水管網的排水能力下降也越明顯。城市排澇標準無論取多少，若能保證內河最高水位不變，則雨水管網的排水能力將不受其影響。
為了提高區域雨水系統應對暴雨的能力，可以提前將河道水位降至預降水位。一方面可以提高雨水系統的排水能力，另一方面可以將河道作為調蓄池增加調蓄容積。例如，區域內排水系統升級改造成本較高時，也可以通過對水利樞紐進行升級改造，以降低河道的控制水位，從而實現區域排水系統的被動升級。
3.特征水位決定排水區地面高程
防澇片最高水位確定后，根據《城市用地豎向規劃規范》，為滿足地塊內雨水自流排放的要求，排水區地面高程應高于最高水位至少0.5m。
確定地面高程時，按雨水管網采用重力流鋪設，按雨水管管徑（一般為600～1000mm考慮）、管道底高程、最小覆土厚度（一般為0.7m）等雨水管道的設計要求，一般雨水管實際敷設坡度i=1.0‰～1.2‰設計，這樣就可以確定排水區內地面高程，即地面高程要滿足雨水管的排水要求。
確定排水區地面高程的重要目的之一，就是防止發生澇災，使地面高程滿足雨水能自流排放入河的要求。為此，地面的設計高程應高于內河相應的最高水位，并有一定的安全超高，以利于地面雨水能及時地匯入道路下的雨水管道中。
確定地面最低控制高程首先要考慮的，是要保證最低處的水可以順利排入河道。地面最低控制高程的確定方法，是綜合考慮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離以及管道最小水力坡降，具體可按下式計算：
式中 H——地面某點的最低控制高程，m；
h——計算點位置雨水管出水口處，河道最高水位，m；
L——雨水管從起點至出水口的水平距離，m；
i%——水力坡降，一般取0.001；
D——安全超高值，一般取大于0.5m（考慮雨水管最小埋深）。
對城市建成區，無法通過抬高地面的高程來滿足排水標準的提高，解決問題的方法之一是通過強排，降低河道最高水位。當無條件降低河道最高水位時，可通過改造排水管道，改變管徑、出水口位置等方法。
2.4.3 排水系統與防澇系統的銜接
目前，城市排水、防澇討論較多的是兩個標準的銜接。前面已述及，這兩個標準，其服務范圍及應對的對象都不同，且分屬部門不同，各自的系列標準不同，涉及內容非常廣，涉及的規范非常多。因此作者認為，城市內澇治理沒有必要糾結于兩方面標準的銜接，在設計中排水和防澇以水位銜接即可。
1.特征水位影響綜合分析
特征水位及影響分析表明，特征水位中最高水位和預降水位對排水和防澇影響較大，既影響排水系統的排水效果，也影響排澇流量的大小。最高水位具有顯著作用，直接影響排水管道出口高程和排水能力，同時影響到排水區地面高程和排澇流量大小。但同時，這種影響又具有反向作用，即反過來對最高水位提出要求。特征水位影響綜合分析，以最高水位為例，其相互影響見圖2-8。
圖2-8 最高水位影響綜合分析示意圖
2.水位銜接
防澇片河道水位和排水管網出水口高程進行銜接，稱為水位銜接。
城市排水和防澇兩個系統同屬城市防災體系，存在必然的聯系；排水管網出口往往設置在內河、湖泊、渠系，因此這些具有調蓄作用的水域是排水系統的“承泄區”，其調蓄能力大小、水位高低直接影響排水工程布置和規模。
排水管網出口布局和排水流量，也是城市排水區劃分和河道規模的依據；在河網水力計算中，排水口就是匯流點之一。由此可見，兩個系統雖然存在諸多的不同之處，但是在內河、湖泊、渠系上的排水口是聯系兩個系統的重要結點；由于每個城市的特點不一樣，因此對該結點處理方式也不盡相同。
排水區雨水管道一般就近排入內河，因此城市雨水管網的排水能力受內河水位的影響。對于給定的雨水管網，管網的長度和坡降一定，管網的排水能力主要取決于管道的水力坡降。
雨水管道排水最終要進入河道湖泊等受納水體，管道出口設計高程是保證汛期雨水順利排出的關鍵要素。一般情況下，管道出口高程應高于河道多年平均常水位。但受氣象和水文特征、設計標準等因素影響，經常發生汛期河道水位超過管道出口設計高程的情況，導致對排水管網的頂托，甚至發生河水倒灌現象，內水不能順利排出，即形成內澇或積水。
當內河水位低于排水管道出口時，管道排水為自由出流，管道的水力坡降與管道坡降保持一致，排水能力不受內河水位頂托影響。當內河水位高于管道出口時，管道排水為淹沒出流，此時管道的水力坡降將逐漸小于管道坡降，排水能力受內河水位頂托的影響亦隨之逐步降低，且淹沒深度越高，排水能力越低。由此可見，當城市排水標準需要提高時，若能維持內河最高水位不變或降低，城市排水管網的排水能力將維持不變或得到提高。
基于上述分析，由于管道和河道的設計重現期是獨立的，二者間沒有直接聯系，即所謂標準不能銜接。從分析可知兩者有著共同的控制因素，即內河最高水位與管網出水口處的高程是系統中的共同邊界與條件。
找到了排水系統和防澇系統的相關因素，實際工程中就應以此為邊界條件，分別進行系統規劃或設計，以實現兩個系統的合理銜接，共同形成城市排水防澇工程體系。
3.水位銜接的反向作用
在對城市排水系統排水能力評估時，可根據水位銜接對內河最高水位提出具體要求，這就是水位銜接的反向作用，詳見圖2-7虛線部分。
城市排水、防澇標準無論取多少，若能保證內河最高水位不變，則排水管網的排水能力將不受其影響。因此，在對城市排水系統進行排水能力評估時，應根據城市實際的排水能力，對內河最高水位提出具體要求。其次，根據現狀排水區地面高程，也可以對河道最高水位提出要求，從而確定排澇流量。
總而言之，在不改變排水區地面高程、排水管出口高程的情況下，要提高區域內的排水標準或防澇標準，需要增大河道調蓄量或者增大泵站排澇流量。