（市政工程专业论文）城市暴雨径流调节方式的分析研究.pdf

w 箩o “ 一_-移 0。 矗o_、玉 他$ 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l f l i l l l l l l f l l i 舢 y 1 7 3 0 石。 s t u d yo nt h ea n a l y s i s0 fu r b a nr a i n s t o r m r u n o f fr e g u l a t i o nm o d e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uh a o l i n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gt o n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：研浩林一 加加年乡月f - e 1 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 唧涉水 ) 年6 只f 日 导师签名： 砂捐2 7 沙，。年6 月j 一日 摘要 随着社会经济的发展和城市化进程的不断加快，不透水面积的增加割断了雨水下 渗的通道，使雨水资源大量流失，暴雨洪峰增大，洪峰出现时问提前，导致局部地区 排水不畅，出现积水现象，给人们的生活带来很大的不便。而城市旧有排水管道已经 不能解决城市的排涝问题，城市产生的雨洪径流也远远超出了原来设计的承受能力。 为此，本文针对城市暴雨径流产流汇流的机理和过程，结合西安市当地的气象， 气候及地理条件，对暴雨径流调节的几种方式进行了比对研究，运用城市暴雨雨水管 理模型( s w m m ) 对西安市北郊某小区区域内铺设透水砖和采用下凹式绿地这两种措 施下，排水管道主要断面洪峰流量的变化进行了分析，并对雨水收集储存池的规模和 经济效益进行了优化，为类似工程计算提供参考。本文主要针对以下三个方面进行了 深入的研究。 首先，对城市地表雨水产流和汇流的过程进行了分析。针对三种地表的不同产流 机制进行了推导计算；根据计算的结果把产流区域分为透水区、不透水区和混合区进 行地表产流的计算；并依据适当的暴雨折损方法，力图对城市地表产流计算公式化， 并通过计算得到城市地表净雨过程线。 利用求解圣维南方程的方法，把均匀雨强下的经典坡面理论通过分级叠加的方法， 应用到非均匀净雨强度下的流量计算中，分析了各种凶素对流域汇流的影响，并简单 介绍了多种城市雨水径流模拟模型。 再者，为考察不同雨洪设施对防洪和增加雨洪资源利用量的贡献，采用城市暴雨 雨水管理模型( s w m m ) ，对西安北郊某小区内铺设透水砖和采用下凹式绿地措施的 排水管道主要断面洪峰流量的变化进行了计算分析。结果表明：下凹式绿地在降雨频 率较大的地区，雨洪利用效果较好，而透水砖在降雨降雨频率较小的地区，雨洪利用 效果较好。 最后，针对雨水的可调节利用，建立区域性雨水利用系统，分析研究雨水调蓄池 在局部区域的应用。根据多年的降雨资料的统计给出我国有代表性的城市雨水储存池 合理的规模和设计雨量值，并考虑良性水循环和径流排放量。为类似地区的工程设计 和施工提供有益的参考。 关键词：雨水；地表径流；城市暴雨管理模型；渗透；调蓄池 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m ya n da c c e l e r a t i n gu r b a n i z a t i o n ，t h e i n c r e a s i n gi m p e r v i o u sa r e ac u t so f fw a t e ri n f i l t r a t i o nc h a n n e l ，c a u s i n gg r e a tl o s so fw a t e r r e s o u r c e s ，i n c r e a s e ds t o r mp e a k , e a r l i e rp e a kt i m e ，w h i c hr e s u l t i np o o rd r a i n a g ea n d s t a g n a n tw a t e r i nl o c a lr e g i o nt h a tm a k ep e o p l e sl i v e sg r e a ti n c o n v e n i e n t t h eo l dc i t ys e w e r d r a i n a g ec o u l dn o t s o l v et h ec i t yd r a i n a g ep r o b l e m s ，a n dt h eu r b a nr a i n w a t e rr u n o f f g e n e r a t e sf a rb e y o n dt h eo r i g i n a ld e s i g nc a p a c i t y t h e r e f o r e ，a i m i n ga tu r b a ns t o r mr u n o f f sm e c h a n i s ma n dp r o c e s s ，c o m b i n e dw i t h x i a nl o c a lw e a t h e r , c l i m a t ea n dg e o g r a p h i c a lc o n d i t i o n s ，s e v e r a lw a y so ft h eh e a v yr a i n r u n o f fr e g u l a t i o na r er e s e a r c h e da n dc o m p a r e di nt h i sa r t i c l e b ya p p l y i n gt h eu r b a ns t o r m w a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ( s w m m ) t ot h e s et w om e a s u r e s ，f l o o d i n gs l a b sa n dl o w e l e v a t i o ng r e e n b e l t ，i nar e s i d e n t i a lc o m m u n i t yi nt h en o r t h e r ns u b u r b so fx i a n ，t h ea u t h o r h a sm a d ea n a l y s i so fc h a n g e si np e a kf l o wd i s c h a r g eo ft h em a i ns e c t i o n ，a n dl e d o p t i m i z a t i o no ft h es i z eo fr a i n w a t e rh a r v e s t i n gs t o r a g et a n k sa n de c o n o m i cb e n e f i t s ， p r o v i d i n gr e f e r e n c ef o rt h es i m i l a re n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，w ef o c u s e d o n t h r e ea s p e c t sf o ri n t e n s i v es t u d y f i r s to fa l l ，t h ep r o c e s so fr u n o f fg e n e r a t i o na n da f f i u x i o no fc i t ys u r f a c er a i n w a t e ri s a n a l y z e d t h ed e d u c i n ga n dc a l c u l a t i o no ft h r e ed i f f e r e n ts u r f a c er u n o f fm e c h a n i s mi s c o n d u c t e d ；a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l t s ，r u n o f fy i e l di sd i v i d e di n t oi m p e r v i o u sa r e a ， i m p e r v i o u sa r e aa n dm i x e da r e a ；a n db a s e d o nt h ea p p r o p r i a t em e t h o do fs t o r mb r e a k a g e ， t r yt oa c q u i r et h ef o r m u l a t i o no fu r b a ns u r f a c er u n o f fa n du r b a ns u r f a c e st h en e tr a i n f a l l p r o c e s sl i n et h r o u g hc o m p u t i n g a c c o r d i n gt ot h em e t h o dt os o l v es a i n t - v e n a n te q u a t i o n s ，t h ec l a s s i c a ls l o p et h e o r yo f t h eu n i f o r mr a i n f a l li n t e n s i t yi sa p p l i e dt on e tr a i ni n t e n s i t yc a l c u l a t i o no ft h en o n u n i f o r m f l o wb yt h em e t h o do fr a t i n gs u p e r p o s i t i o n ，t h e na n a l y s e sv a r i o u sf a c t o r so nt h er i v e r c o n f l u e n c ea n db r i e f l yp r e s e n t sav a r i e t yo f u r b a nr u n o f fs i m u l a t i o nm o d e l s f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt oo b s e r v ea n ds t u d yt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tm e a s u r e so nf l o o d p r e v e n t i o na n dr a i n w a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n ，t h eu r b a ns t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ( s w m m ) i su s e dt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h ec h a n g e si np e a kf l o wd i s c h a r g eo ft h em a i n s e c t i o ni nt h e s et w om e a s u r e s ，f l o o d i n gs l a b sa n dl o we l e v a t i o ng r e e n b e l t ，i nar e s i d e n t i a l c o m m u n i t yi nt h en o r t h e r ns u b u r b so f x i a n f i n a l l y , f o rt h er e g u l a t i v eu t i l i t yo fr a i n w a t e r , a r a i n w a t e rr e g i o n a lu t i l i z a t i o ns y s t e mi s b u i l tt oa n a l y s ea n dr e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fr a i n w a t e rs t o r a g et a n k si nt h el o c a la r e a i i i b a s e do ns t a t i s t i c so fr a i n f a l ld a t af o ry e a r s ，t h er a i n w a t e rs t o r a g et a n ks i z e r a i n f a l l si sp r e s e n t e df o rr e p r e s e n t a t i v eu r b a n ，t a k i n gt h eh e a l t h yw a t e rc y c l e e m i s s i o ni n t oa c c o u n t i tc a np r o v i d eau s e f u lr e f e r e n c ef o ras i m i l a rp r o j e c t s c o n s t r u c t i o n k e yw o r s ：r a i n w a t e r ；s u r f a c er u n o f f ；u r b a ns t o r m w a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ；p e r v a s i o n ； s t o r a g et a n k s i v 第一章绪论 目录 1 1 前言 1 2 西安市概况 1 2 1 西安市自然地理概况。2 1 2 2 西安市社会经济发展状况一4 1 2 3 水资源开发利用状况一5 1 2 4 西安市自然降雨特征6 1 3 论文研究背景、内容及方法7 1 3 1 研究背景和意义7 1 3 2 国内外研究现状8 1 3 3 研究内容和研究方法1 0 第二章城市地表产流汇流过程分析与研究1 2 2 1 城市地表产流过程分析与计算1 2 2 1 1 城市地表产流过程研究进展1 2 2 1 2 城市地表产流过程和机制1 3 2 1 3 城市地表产流计算及分析1 7 2 2 城市地表汇流过程分析与研究2 5 2 2 1 城市地表汇流过程研究现状2 5 2 2 2 城市地表汇流过程及理论2 6 2 2 3 城市地表汇流系统分析与计算2 9 2 2 4 城市雨水径流模拟模型3 3 2 3 本章小结3 4 第三章城市雨洪渗透系统及计算 3 1 研究背景及意义。 3 6 3 6 3 2 雨水渗透积蓄利用技术 3 2 1 城市道路绿化与雨水利用技术3 7 3 2 2 透水砖在雨洪渗透系统中的应用3 9 3 3 西安市北二环某住宅小区暴雨雨水管理模型( s w m m ) 分析实例4 1 v 3 3 1 城市暴雨雨水管理模型( s w m m ) 概述4 l 3 3 2s w m m 模型的具体实例应用4 2 3 3 3 设计暴雨的计算4 4 3 3 4 模拟结果分析4 5 3 4 本章小结 第四章城市雨水调蓄系统及计算4 7 4 1 雨水调蓄技术 4 2 雨水调蓄的方式与设备4 8 4 3 雨水调蓄池容积的合理确定与计算4 8 4 3 1 确定雨水调蓄池容积的原则4 8 4 3 2 雨水调蓄池的计算原理4 9 4 3 3 雨水调蓄池规模的计算方法4 9 4 3 4 雨水调蓄池的优化规模5 1 4 4 雨水调蓄设施的超高与溢流设计考虑5 4 4 5 本章小结5 4 第五章结论与展望5 6 5 1 结论5 6 5 2 展望5 7 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 1 攻读硕士学位期间参与的项目6 2 v i 长安大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论弟一旱三百了匕 城市是人类文明的标志，是人们经济、政治和社会生活的中心。城市化的程度 是衡量一个国家和地区经济、社会、文化、科技水平的重要标志，也是衡量国家和 地区社会组织程度和管理水平的重要标志。9 0 年代初，大部分发达国家的城市发展 已经处于相对稳定的阶段，但是，我国的城市化进程才刚刚从起始阶段迈进加速阶 段。从7 8 年改革开放至今，我国城市迅速发展，城市化水平相比世界各大城市，是 其平均速度的2 倍，我国目前已进入城市化的快速期。 然而，随着我国城市化过程的不断加快，对城市气候的变化产生了较大的影响。 例如西安目前城区面积为2 1 5 k m 2 ，但是到2 0 2 0 年左右，城区规模将会达到6 0 0k m 2 。 由于城市中主要由屋面、混凝土和沥青路面等不透水表面组成，所以大部分的降雨 都将产生径流，规范中城市沥青路面的径流系数大致为0 9 ，相当于降雨量的十分之 九都将形成径流。由于城市化进程的加快，不透水面积的逐年递增，使城市暴雨洪 峰提前到来并且峰值增加，降雨入渗量大大减少，导致城市雨洪危害逐年加剧，城 市内涝灾害频发。每年造成巨大的经济损失；同时还导致雨水资源的大量流失、地面 下沉和地下水位下降、雨水径流污染严重、城市生态环境恶化等多种环境危害。 同时，随着城市道路不透水面积的增加，割断了雨水下渗的通道，使雨水资源 大量流失，暴雨洪峰增大，洪峰出现时间提前，导致局部地区排水不畅，出现积水 现象，给人们的生活带来很大的不便。由于旧有城市排水管网建设年代久远，现今 已不能解决城市的排涝和防洪的问题，每当遇到大到暴雨时，产生的雨洪径流远远 超出了城市管网设计的承受能力。 综上所述，本文针对城市暴雨径流的调节方式改善城市雨水的综合利用，这样 不仅能够有效减少城市排涝压力，而且可以缓解水资源短缺，减轻防洪压力，改善 水环境和生态环境，对建设节约型社会，实现循环经济也有着积极的意义，而且可 以实现水资源的可持续发展。 第一章绪论 1 2 西安市概况 1 2 1 西安市自然地理概况 a 西安市地理位置 西安位于中国内陆腹地黄河中游、秦岭山脉北边、关中平原中部，地处东经1 0 7 。4 0 1 0 9 。4 9 ，北纬3 3 。3 97 3 4 。4 47 之问，南依秦岭，北靠渭北荆山黄土台 源，东起零河和霸原山地，西至太白山和青化黄土台源，跨越两个流域即：黄河流域 和长江流域。按照西北地区地下水系统分区划分，属黄河流域的面积为9 9 3 7 k m 2 ， 长江流域的汉江上游区域面积为1 6 0k m 2 。西安市东西长2 0 4 k m ，南北1 1 6k m ，现 辖九区四县2 1 ，总面积9 9 8 3 k m 2 。 b 西安市地形地貌 西安市地势南高北低，南部为秦岭山脉，北部是以渭河断陷谷地为基础所形成 的关中平原，其境内海拔高度差异悬殊。在渭河断陷盆地内部断裂构造十分发育， 西安地区已查明的断裂就有数十条，按方向分为近东西向、北东向和北西向三组。 近东西向和北东向断裂规模大，活动性强。在西安市内的地裂缝分布范围比较广， 西起皂河，东到纺织城，南起三艾村，北至井上村，面积约1 5 5k m 2 。据最新研究 表明西安城区共有地裂缝1 0 条3 1 ，一般由一条主裂缝和数条次级裂缝组成，主裂 缝均显示南倾南降的特点。地裂缝现己成为西安市独特的地质灾害，给城市地下工 程造成危害。近年来，城市地下水资源的过渡开采使地裂缝向更深的方向发展，急 需采取控制措施停开地下水资源或向地下回灌淡水来缓解地裂缝进一步的影响。 c 土壤植被 1 9 8 0 1 9 8 6 年西安市土壤的普查结果4 1 根据土壤形成条件、形成过程和属性，可 分为褐土、娄土、水稻土、黄绵土、红粘土、紫色土、棕壤、暗棕壤、沼泽土和亚 高山草甸土等1 2 个土类；根据土壤腐殖质含量、土层厚度、盐渍化程度及土壤耕层 厚度、质地、生产性能，各土类又分为若干亚类、土科共计2 4 个土壤亚类、5 0 个 土属、1 8 1 个土科。西安市主要的自然土壤为褐土及其在褐土上耕作熟化形成的娄 土。由于受地域分异规律的影响，土壤在地理分布上具有明显的水平地带性、垂直 地带性和地域性特点。秦岭山区气候由暖温带向温带，中温带过渡，土壤垂直分布 明显，依次是褐土、棕壤、暗棕壤、山地草甸土及亚高山草甸土等。 在平原区，由于受地貌、组成物质、水分条件以及人类活动的影响，土壤水平分 2 长安大学硕士学位论文 异明显，大致以河床为轴线，依次向两边递变，河漫滩以潮土、新积土为主：一级阶 地以潮土、黄善土、新积土为主，其次是潮娄土：二、三级阶地以娄土、黄善土为主， 黄土台源以红粘土、紫色土和褐土为主。西安市植被类型有自然植被和栽培植被两 种。自然植被分为针叶林、落叶阔叶林、针阔叶混交林、高山灌丛、高山草甸等类 型。根据统计，西安市现有( 2 0 0 3 年) 林地4 3 9 7 8 7 公顷、园地3 4 9 3 0 公顷，草地( 2 0 0 1 年) 1 3 1 8 1 公顷，2 0 0 3 年末建城区绿化覆盖率达3 2 1 7 。栽培植被有：大田农作物型、 蔬菜作物型、果园型、绿化型等，2 0 0 3 年全市共有耕地2 7 5 8 9 3 公顷，每年呈递减 的趋势。 d 气候气象 西安市地处内陆，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，冬夏温差大。 南高北低的地形引起的受热不均匀导致了降雨量时空分布不均匀，特别在夏季易引 起局部地区气流的对流和动力抬升，促进和加强了不稳定天气的发展，形成了西安 市夏季常出现的暴雨和旱情，冬季寒冷干燥、春季气温波动大、秋季多连阴雨的气 候特点。西安市多年平均降雨量为7 4 3 7 m m ，降水趋势由北部向南部山区递增。降 水量年内分配不均，多集中在7 、8 、9 、1 0 月份，占全年降水量的6 0 以上。降水 的年际变化也很大，建国后4 0 年间的统计巧曾出现1 0 年一大旱，三年- - d , 早，年 年都有旱情发生。 e 水资源条件 西安市大小河流有5 4 条，其中有渭河、径河及石川河三条过境河，其余为境内 河流，均发源于秦岭山区和骊山原丘区，由南向北经过洪积、冲积平原注入渭河。 西安市的河川径流的时空变化特征是：年际和年内变化大，根据黑河、涝河、洋河、 溺河等河流的2 5 - 4 0 年的观测资料分析，各河流的年际径流量变化均较大，一般情 况下，丰水年为枯水年的4 7 倍左右。年内变化也较大，主要河流二月份枯水期的 径流量仅相当于全年总量的1 5 0 ，而九月份丰水期径流量可达年径流总量的1 7 ， 7 1 0 月份汛期径流量占全年径流量的4 5 5 6 。一个地区的水资源量主要包括降水 资源量、地表水资源量和地下水资源量。对西安市来说，各区县的水资源量情况如 表2 1 、2 2 、2 3 所示。 3 一j g 第一章绪论 裹卜1 西安市各区县的多年平均降水资源裹6 1 区县 周至 户县长安临潼高陵 蓝田 市区全市 多年均降雨量( m m ) 7 6 77 6 7 18 0 7 15 8 15 5 4 48 3 6 85 7 4 17 4 3 7 降水总量( 亿m 3 ) 2 2 6 7 39 3 0 51 2 7 2 65 2 2 31 6 0 81 6 5 4 46 1 2 07 4 2 4 7 占全市百分比( ) 3 0 5 41 2 5 31 7 1 47 0 32 1 72 2 2 88 2 4l o o 表1 - 2 西安市各分区地表水资源量统计衷( 亿m ) 分区 周至 户县长安临潼高陵 蓝田 市区全市 多年均地表水量 8 0 0 32 8 4 44 0 5 30 3 6 00 0 8 35 9 5 30 4 7 32 1 7 7 0 占全市百分比 3 6 7 61 3 0 61 8 6 21 6 60 3 82 7 3 42 1 71 0 0 表1 - 3 西安市各区县地下水资源量统计表( 亿_ ) 各区县 周至 户县长安临潼高陵 蓝田 市区全市 总量 3 2 92 1 52 5 61 8 10 8 40 7 2 6 25 8 91 7 2 6 6 2 可开采量 1 9 31 3 21 7 510 6 40 4 5 2 53 ，8 91 0 9 8 2 5 百分比 5 8 6 66 1 4 06 8 3 65 5 2 57 6 1 96 2 3 l6 6 0 46 3 6 l 注：市区为莲湖、新城、碑林、雁塔、溺桥、未央、阎良七个区 从上面的几个表可以看出西安地区各区县的地表水和地下水资源量存在较大的 差别，市区、高陵和临撞所占的比例较少。尤其是市区，由于人口比较集中，大部 分的第二及第三产业相对集中在市区，用水量比较大，且城区的供水以往多靠地下 水供给，使地下水漏斗进一步加据，停开地下水后供水压力较大。但地下水的水质 情况( 2 0 0 2 年) 铬污染超标，对人类健康造成危害。因此在开发地表水资源的同时， 丰富的降水无疑是很好的补充水资源，实施城市的雨水利用有其长远的意义。 1 2 2 西安市社会经济发展状况 西安位于中国腹地黄河流域中部关中平原，西安是陕西省省会，世界著名的历 史文化名城，是我国中西部地区重要的科研、高等教育、国防科技工业和高新技术 产业基地。1 9 9 2 年7 月国务院批准为内陆开放城市，是新亚欧大陆桥中国段陇海兰 新线上最大的中心城市。西安市现辖九区四县，总面积9 9 8 3 k m 2 ，人口6 8 0 多万。 西安市市区面积1 9 9 3k m 2 ，人口3 9 3 万，中心城市面积2 1 5k m 2 ，人口2 6 0 多万。 4 长安大学硕上学位论文 2 0 0 4 年全市生产总值实现1 0 9 5 8 7 亿元；全年财政总收入1 6 4 5 亿元，其中地方财政 收入8 6 0 6 亿元。 1 2 3 水资源开发利用状况 a 水资源情况 西安古有“八水绕长安”之称，现在虽有很大变化，但仍有许多河流，其水量 也是季节性变化。境内河网较密，大小河流共有5 4 条。其中渭河、径河、石川河系 过境河流，其余河流均发源于秦岭l j j 地或骊山东南丘陵，绝大多数河流由南向北流 经渭河平原注入渭河。黄河流域面积占全市总面积的9 8 4 6 。各条河流的流域面积 相差悬殊。流域面积超过1 0 0 0 平方公里的有黑河、溺河与洋河。上述三条河流的流 域面积占境内总面积的8 2 3 7 。径流时空分布不均匀是西安境内河流共同的显著特 点，丰水年与枯水年径流量相差4 7 倍，有的河流下游枯水年甚至基本断流。河 流的年内径流量变化也很大，每年2 月份枯水期，径流量仅为全年总量的2 ，而 7 1 0 年份汛期径流量占全年总量的4 5 一5 6 。全市多年降水总量7 4 2 4 亿m 3 年，其 中山区4 1 8 6 亿m 3 ，丘陵区3 3 0 亿m 3 ，台源区6 4 8 亿m 3 ，平原区2 3 9 0 亿m 3 ，。 全市地表水资源总量2 1 7 8 亿m 3 ，地下水资源总量1 7 2 7 亿r n 3 ，扣除地表水和地下 水之间的重复量1 2 3 9 亿n 1 3 ，全市水资源总量2 6 6 6 亿m 3 。沿秦岭北麓各峪口水 质较好，特别是黑河水利枢纽工程，可向城市日供水1 2 0 万吨，缓解了供水矛盾， 目前市区日供水能力达1 7 5 万吨。按2 0 0 2 年全市人口平均，人均拥有水资源量3 7 9 r n 3 ( 其中人均地表水占有量为3 1 0m 3 ) ，相当于全省及全国人均占有水资源量的2 9 和1 5 。 b 水资源开发利用现状 据统计，2 0 0 2 年全市水资源开发利用总量为1 7 1 2 亿m 3 ，其中地表水开发利 用量5 2 0 亿立方米，占总量的3 0 4 ，扣除区域外引水0 7 2 8 亿立方米，地表水开 发利用程度为2 0 5 ；地下水开发利用量1 1 9 2 亿立方米，占总量的6 9 6 ，开发利 用程度为6 9 o 。全市总用水量1 7 1 2 亿m 3 ，其中工业用水量3 5 l 亿m 3 ，乡镇工 业用水量1 6 0 亿m 3 ，农业用水量8 4 6 亿m 3 ，城镇生活用水量2 6 4 亿m 3 ，农村生 活用水量o 9 1 亿m 3 。 5 第一章绪论 1 2 4 西安市自然降雨特征 据刘跃峰等人对西安市( 1 9 5 l 一1 9 9 4 ) 4 3 年的降雨资料统计分析，得到历年各 旬、月降水量平均值( 表1 4 ) ，可见，西安历年平均年总降水量为5 8 3 7 m m ，分别比 全省( 6 7 4 4 m m ) ，和全国( 6 3 0 o m m ) 少1 5 5 和7 9 。折合水量为5 8 3 亿m 3 ( 西安地 区面积为0 9 9 5 3 万k m 2 ) ，人均9 4 3 4m 3 ，亩均3 5 9m 3 ，分别是全1 蚕( 2 6 7 0m 3 人，2 6 4 万m 3 h m 2 ) 的1 3 和1 5 。按农作物高产的实际需求，至少仍缺水2 5 5 0m 3 h m 2 ，折 合降水量2 5 5 m m 。 表1 - 4 各旬月降水的历年平均值i l l u ( 1 9 5 1 1 9 9 4 年) 降水分布呈多峰型，全年为三峰三谷。峰值分别出现在5 、7 8 和1 2 月份。其中6 月和8 月两个低谷分别与初夏旱和伏旱相 两个高峰则分别与盛夏汛雨和秋季淋雨相对应。 6 长安大学硕士学位论文 l 加 l 暑 i 寝 趁船 筠 o l234567嚣91 0l l1 2 月份 图1 1 西安各月份平均降雨量图 1 3 论文研究背景、内容及方法 1 3 1 研究背景和意义 水是生命之源，是人类赖以生存的基本条件。地球上只有3 ( 含冰川) 的淡水资 源可用于生活用水、农业用水和工业用水。2 0 世纪6 0 年代以来，随着世界经济的 发展和城市化进程的加快，用水量不断增加。在过去的3 0 0 年里，全球用水量增加 了3 5 倍多，尤其在近几十年，取水量每年以4 0 8 0 的速度递增。 雨水是自然界水循环系统中的重要环节，对调节、补充地区水资源和生态环境 起着极为关键的作用。合理的利用城市暴雨径流，不仅可以起到减轻城市洪涝灾害 的作用，而且在减少雨季溢流污水，减轻污水厂负荷、增加水分蒸发，涵养地下水、 缓解地面沉降调洪、改善生态环境、改善水体环境等多方面产生重要作用。 随着社会经济的迅速发展和城市化进程的加快，为探索出适合西安的雨水综合 利用的方案，实现雨水资源化。减少地面径流量，减少城市排水和河道的压力，增 加可利用水源，涵养地下水，缓解地下水位下降，合理利用城市雨水资源。在这种 背景下，对城市暴雨径流调节的各种方式和作用的研究就显得尤为重要。 总之，研究城市暴雨径流的调节方式，有着环境效益、经济效益和社会效益同 样对西安市建设节约型社会，实现循环经济有着重大的积极意义。 7 第一章绪论 1 3 2 国内外研究现状 a 国内 我国城市雨水利用 1 的重要性早已被人们所重视，但真正意义上的城市雨水利 用的研究与应用开始于2 0 世纪8 0 年代，发展于9 0 年代。总的来说技术还较落后， 缺乏系统性，更缺少法律法规保障体系。由于缺水形势严峻，我国北京、上海、南 京、大连、哈尔滨、西安等城市相继开展研究和应用，其中北京城市雨水利用技术 发展较快。如北京市节约用水办公室与北京建筑工程学院、中国农业大学和市政等 有关部门合作，白1 9 8 0 年代开始开展了相关雨水资源利用的研究，对利用绿地增加 雨水蓄渗措施，如下凹式绿地的形状、下凹深度等和不同材质、不同汇水面和不同 的降雨期和降雨量引起的雨水污染状况进行了研究与观测，还在北京市第十五中学 建立了示范工程。中国农业大学叶水根、刘红等人的设计暴雨条件下下凹式绿地的 雨水蓄渗效果分析表明：北京地区的下凹式绿地的稳渗为0 5 2 3 m m m i n ，其它单位 和学者观测和研究的稳定渗透率都在0 3 5 m m m i n 以上，下凹式绿地的降雨蓄渗、 减峰效果明显。西安市市政设计研究院的刘国茂、石家庄曹伟勇等人，对城市道路 断面的设计和路面雨水的利用也提出了一些探讨，认为当两侧分隔带较宽时，可以 考虑分隔带的容水能力，将一部分车行道上的雨水直接或间接排入绿化带内，增加 绿化带的含水量，减少浇灌次数，节约水资源，同时可以补充地下水。见图1 2 中塑犁斗嫩鼍- 一毒憋# 竺斗纠 圈1 2 设置f 凹式绿地的交通干逼横断面圈 总的来说，我国的城市雨水渗透利用刚刚起步，除铺设绿地蓄洪外，主要是在 停车场、人行道、建筑周围及居民小区等场所改变过去以铺设硬化表面为主的做法， 而铺设渗透地面。国内城市比较普遍的做法是铺草皮砖( 一种带有各种形状空隙的混 凝土块，开孔率可达2 0 0 o - 3 0 ，在其空隙中可种植草类) 进行雨水渗透；朱贵良、刘 应宗、李明等8 1 人提出的下渗型雨水管涵技术和河北保定的李兰荣提出的把城市雨 水检查井改成雨水渗透井等，但国内雨水利用还缺乏一定的标准和规范，草皮砖设 置仅仅是简单的铺设，没有经过科学的设计和规划。此外，其他比较重要的雨水渗 透设施，如渗透床，渗透管沟，在国内城市中极少应用。这些渗透设施由于具有占 8 长安大学硕一 二学位论文 地少，布置灵活，雨水渗透的效率高等特点在一些发达国家如美国、日本、德国应 用较广，有较成熟的设计、运行和管理经验。 b 国外 现代雨水利用技术发展较快的是德国、日本、美国等国家四1 ，德国雨水利用技 术已经从第二代向第三代过渡，其“第三代 雨水利用技术的特征就是设备的集成 化，其各项雨水利用技术己达到了世界领先水平。 a 德国 在分散式渗透系统方面，德国开发利用的m r 系统( 可以译为“洼地一渗透系统) 。 如图1 3 示 图1 3 洼地一渗透系统断面图 该系统由各个就地设置的有植被的洼地和洼地下的渗渠等组成部分，这些部分 与带有孔洞的排水管道( 带有可调节的溢流阀) 连接，形成一个分散的雨水处理系 统，设在雨水径流形成的“源头”，如靠近屋面、停车场、道路t 1 0 1 。 b 日本 日本n 于1 9 6 3 年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池，还将蓄洪池的雨水用作 喷洒路面、灌溉绿地等城市杂用水。许多城市在屋顶修建用雨水浇灌的“空中花园”。 有些大型建筑物如相扑馆、大会场、机关大楼，建有数千立方米容积的地下水池来 储蓄雨水，以充分利用地下空间。而建在地上的也尽可能满足多种用途，如在调洪 池内修建运动场，雨季用来蓄洪，平时用作运动场。近年来各种雨水入渗设施在日 本得到迅速发展，包括渗井、渗沟、渗池等，这些设施占地面积小。可因地制宜地修 建在楼前屋后。在日本，集蓄的雨水主要用于冲厕所、浇灌草坪、消防和应急。日 9 第一章绪沦 本于1 9 9 2 年颁布了“第2 代城市下水总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地 面作为城市总体规划的组成部分，要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水 就地下渗设施。 c 美国 美国的雨水利用常以提高天然入渗能力为目的。如美国加州富雷斯诺市的地下 回灌系统，1 0 年问( 1 9 7 1 1 9 8 0 ) 的地下水回灌总量为1 3 3 8 亿m 3 ，其年回灌量占 该市年用水量的2 0 。在芝加哥市，人们兴建了地下隧道蓄水系统，以解决城市防 洪和雨水利用问题。其他很多城市还建立了屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水 地面组成的地表回灌系统。美国不但重视工程措施，而且还制定了相应的法律法规 支持雨水利用。如科罗拉多州、佛罗里达州和宾夕法尼亚州均制定了雨水利用条 例，这些条例规定，新开发区的洪峰流量不能超过开发前的水平，所有新开发区( 不 包括独户住家) 必须实行强制的“就地滞洪蓄水”。 d 英国 泰晤士河水公司为了研究不同规模的水循环方案，设计了伦敦世纪圆顶雨水收 集利用系统示范工程。在该建筑物内，每天回收5 0 0 m 3 ，水用以冲洗该建筑物内的 厕所，其中1 0 0m 3 ”为从屋顶收集到的雨水t 1 2 1 。这使其成为欧洲最大的建筑物内 的水循环设施。从面积相当于1 2 个足球场大小的1 0 万m 2 “的圆顶盖上收集来的雨 水，经过2 4 个专门设置的汇水斗进入地表水排放管中。由于储存容积有限，多余的 雨水排入泰晤士河。收集的雨水在芦苇床中进行处理，芦苇床还能增加城市的景观 多样性。 综上所述，国外发达国家城市雨水利用的主要经验是：制定一系列有关雨水利用 的法律法规：建立完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌 系统；收集到的雨水主要用于冲厕所、洗车、浇庭院、洗衣服和回灌地下水。 1 3 3 研究内容和研究方法 本文针对城市暴雨径流产流汇流的机理和过程，结合西安市当地的气象，气候 及地理条件，对暴雨径流调节的几种方式进行了比对研究，运用城市暴雨雨水管理 模型( s w m m ) 对西安市北郊某小区区域内铺设透水砖和采用下凹式绿地这两种措 施下，排水管道主要断面洪峰流量的变化进行了分析，并对雨水收集储存池的规模 和经济效益进行了优化，为该地区类似工程计算提供参考，本文主要研究工作如下： l o 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 对城市地表雨水产流和汇流的过程进行了分析。针对三种地表的不同产流 机制进行了推导计算；根据计算的结果把产流区域分为不透水区、不透水区和混合 区进行地表产流的计算；并依据适当的暴雨折损方法，力图对城市地表产流计算公 式化，并通过计算得到城市地表净雨过程线。 ( 2 ) 利用求解圣维南方程的方法，把均匀雨强下的经典坡面理论通过分级叠加 的方法，应用到非均匀净雨强度下的流量计算中，分析了各种因素对流域汇流的影 响，并简单介绍了多种城市雨水径流模拟模型。 ( 3 ) 为考察不同雨洪措施对防洪和增加雨洪资源利用量的贡献，采用城市暴雨 雨水管理模型( s w m m ) ，对西安北郊某小区区域内铺设透水砖和采用下凹式绿地 措施的排水管道主要断面洪峰流量的变化进行了计算分析。 ( 4 ) 针对雨水的可调节利用，建立区域性雨水利用系统，分析研究雨水调蓄池 在局部区域的应用。根据多年的降雨资料的统计给出我国有代表性的城市雨水储存 池合理的规模和设计雨量值，并考虑良性水循环和径流排放量。为类似工程设计及 施工提供有益的参考。 第二章城市地表产流汇流过程分析与研究 第二章城市地表产流汇流过程分析与研究 城市地表降雨径流的形成过程大致可分为流域产流，流域汇流两个过程。本章将 分别就这两个过程的基本理论与分析方法进行研究。 2 1 城市地表产流过程分析与计算 2 1 1 城市地表产流过程研究进展 对于城市地表产流过程，一般采用经典的水文学方法或通过由实验数据拟合成经 验公式进行计算的方法进行研究。水文学里面最核心的理论是产流汇流理论。这