（市政工程专业论文）城市水涝形成机理与城市雨水管网非恒定径流过程模拟研究.pdf

摘要 f 随着我国城市化飞速发展，城市水涝灾害问题日益突出，城市雨水管网非 、月一 恒定径流过程的研究是城市水涝灾害研究的一个子问题j 首先本文运用生态学的 观点从宏观上初步分析了城市水涝灾害的发生机理。其次针对我国城市雨水管网 水力计算都是采用简单的恒定流水力计算的落后状况，编制了城市排水管网非恒 定流水力校核计算程序。为此本文归纳整理了现有的城市地表汇流模型，作为城 市雨水管网水力计算模型的输入子系统模型，并编程计算比较了线性水库模型与 非线性水库模型的特点。在编制程序的过程中，从理论上对雨水管道中的水力特 点进行了较详细的讨论，并指出在管道中水流明、满交替过程中的不稳定可能引 起数值计算的严重不稳定。通过对管道的水力分析，本文认为扩散波和运动波是 与动力波两类不同性质的波，前者是质点迁移波，后者是能量传递波。最后本文 介绍了国外改进城市雨水排放系统的措施，并提出了改进我国城市雨水排放系统 的构想。 【关键词】非恒定流排水管网地表汇流模型扩散波动力波 城市水涝灾害 口 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n i no u rc o u n t r y , t h ep r o b l e mo fu r b a n w a t e r l o g g i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r es t r e s s f u l ，t h es t u d yo fu r b a ns t o r md r a i n a g e n e t w o r ku n s t e a d yf l o wp r o c e d u r ei su r b a nw a t e r l o g g i n g s u b p r o b l e m a tf i r s t ，t h i s p a p e rp r e l i m i n a r ya n a l y s e st h em e c h a n i s m o f c i t yw a t e r l o g g i n gb a s e do nt h et h e o r yo f e c o l o g ys e c o n d l y ，a u t h o rp r o g r a m sas o f t w a r eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fu n s t e a d y f l o wi nu r b a ns t o r md r a i n a g en e t w o r k t h i sp a p e rs u m su pm o d e l so fu r b a ns u r f i c i a l a f f l u xa si n p u ts u b s y s t e mo fu r b a nd r a i n a g ep i p en e t w o r kt h r o u g h p r o g r a m m i n g a n d c a l c u l a t i o n t h ec h a r a c t e ro ft h el i n e a rr e s e r v o i rm o d e la n dt h eu n l i n e a rr e s e r v o i r m o d e li sc o m p a r e d d u r i n gt h ep r o c e s so fp r o g r a m ，a u t h o rd e t a i l e d l yd i s c u s s e st h e c h a r a c t e ro fh y d r a u l i c so fd r a i n a g e p i p e ，a n dp o i n t s o u tt h a tt h e u n s t a b i l i t yo f a l t e r n a t i o nb e t w e e n o p e n c h a n n e lf l o wa n d p r e s s u r e f l o w m a y l e a dt os e r i o u s n u m e r i c a i u n s t a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so f h v d r a u l i c so f d r a i n a g e p i p e ，a u t h o rc o n s i d e rt h a td i f f u s i v ew a v ea n dd y n a m i cw a v ea r et w od i f f e r e n c ek i n d s o fw a v e ，t h ef i r s ti sp a r t i c l et r a n s f e rw a v e ，t h ei a s ti s e n e r g yt r a n s f e rw a v e a tl a s t ， s o m eo fi m p r o v e m e n tm e a s u r e so fu r b a nd r a i n a g e s y s t e m i si n t r o d u c e d a n dp u t f o r w a r ds o m e p r o p o s i t i o no f i m p r o v e m e n tu r b a nd r a i n a g es y s t e mi no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：u n s t e a d yf l o w , s t o r md r a i n a g en e t w o r k ，m o d e lo f s u r f i c i a la f f l u x d i f f u s i v ew a v e ，d y n a m i cw a v e ，u r b a n w a t e d o g g i n g 一一 浙；ij 、+ t 6 311 1 讧论艾 第一章绪论 1 1 城市化与城市水环境问题 城市化可以广义地定义为城市扩展的影响过程。虽然在有些地方早在六干 多年以前就已经开始了城市化，但直到十九世纪才日益显著起来。在这以前，大 多数城市的居留地很小，主要作为附近乡村农产品买卖市场，每个市镇的影响范 围都是十分有限的。 十九世纪以来，由于工业革命，城市开始在世界各地发展起来了，随着制 造业的兴盛，市镇的规模扩大了，大量的人口涌入城市，使得城市人口与农业人 口的比率不断增加。到二十世纪7 0 年代是发达国家历史性的转折点，城市人口 增长率开始递减，但是全球城市人口总数还在继续增加。随着人口向城市地区集 中的城市化过程中，城市地区人口占总人口的比例逐年上升，而在发展中国家和 地区，城市人口比例和总数上升到速度更是惊人。 8 0 年代，发达国家城市发展趋于稳定的阶段，而中国城市化从起始阶段向 加速阶段转变，城市水平己由1 9 9 0 年的2 6 2 3 提高到1 9 9 5 年的2 88 5 ；根据 1 9 9 7 年年底的统计，我国有市级城市6 6 8 个，建制镇1 9 3 1 6 个，城镇人口总量 约3 6 亿，城市化水平3 0 。预测2 0 1 0 年达到4 5 ，城镇人口6 3 亿。到2 0 3 0 年左右，城市化水平可能超过5 0 ，就全国来说，将是一个“中等城市化的国 家”。 随着大量人口的涌入城市，在城市如此有限的地域空间内势必造成资源、 能源、交通、住房和排污等全面紧张。尤其是水资源作为人类生存和社会生存的 基本资源，随着城市化的进程，供需矛盾日益尖锐。各个城市都通过兴建各种供 水排水和水处理工程措施以及制定和实施一些管理法规，来处理水资源的供需矛 盾，以提高城市的生活质量和社会福利水平。 长期以来，人们把水作为取之不尽、用之不竭的再生性资源。在处理有关 浙江人学硕l 学化论文 城市水利问题时，往往强调当前的局部利益，较少考虑城市化的长远的、全局的 利益以及对环境的影响。城市给排水的指导思想都存在一定片面性，如不顾及城 市的水环境容量，将未经处理的污水直接排入河道，使城市水污染的问题严重恶 化；用水时大手大脚，采取“随用随弃”，而在排水时则采用“尽快排出了事”， 使河道径流量增加，城市河道在水质与水量上都不堪重负。 城市的发展直接或间接地改变水环境，影响城市居民的生活质量和社会福 利，主要表现为三个水环境问题( 见图1 一1 ) ，即城市水资源紧缺、城市水资源 污染和城市雨洪灾害问题。 图1 1 城市化与水环境问题 第二次世界大战以后，欧美各国城市规模扩大，需水量和排水量成倍扩大， 原有思想已不再适用。经过多年的实践，逐渐形成了以系统理论为基础的分析途 径，把城市地区水文过程作为一个系统，将充分开发利用当地水资源的效益，同 2 一 、_ 时最火限度地减少城市洪涝灾害、水资源不足和水质污染的损失作为分析的目标 函数，协调各地区、各部门、当前与长远、投资与效益等方面的利害关系，寻求 最优点解决方案。 为了解决城市发展所需要的水量和水质，除在现有的城市水文系统内兴建 或扩建蓄水、引水及水处理工程外，还采用其他一些“开源节流”的措施，如跨 流域远距离调水、地下水库人工回灌、地面水地下水联合调度、改进净化设备和 增加水的重复利用等工程措施及管理法规。为了研究城市水污染的控制和管理， 必须弄清城市污染的理化和生物过程。这方面需要解决定课题还很多，例如测定 和预测各排污点及其下游各河段的水量水质过程；面源污染物的集聚；水处理厂 的合理布置：各项环保管理措施的效果研究；区域的水环境容量以及受纳水体水 质污染状况等。为了减缓雨洪的灾害和潜在的威胁，不少城市已从单纯兴建和扩 建排水管网、改善水力条件等排水共存措施，发展到运用滞蓄水池、地下水回灌 水井和采用一些透水性较高的材料和结构铺砌人行道和停车场等。此外，还配合 采用雨洪管理措施，如建立预报和警报系统，开展保险业务，制定城市防洪法规。 目前亟待解决定问题是如何正确模拟上述这些措施的雨洪效应和环境效应。 1 2 城市化对城市雨洪影响的概叙 依照城市地理学的观点，城市化的过程表现在土地的利用程度变化上。城 市程度可以分为四个阶段：农村、早期城市、中期城市、后期城市。农村阶段是 指研究地区的土地处于耕作或放牧阶段。早期城市土地利用的特点是大量修建城 市型房屋，但是仍有不少土地被原有植物所覆盖，一些农村的小社区、集镇和城 郊属于此类；中期城市阶段是住房、商业中心、学校、和工厂等建筑物大规模的 发展和建设，同时伴随着越来越多的土地用于街道和人行道，在大城市的城乡结 合部、中小城市多属于中期城市发展阶段；后期城市阶段时整个城市更大发展的 结果、可能遗留下来的原有植物缩减为零，地面完全为人工建筑物和某些设施所 覆盖。 随着城市化的进程，城区土地利用情况的改变，如清除树木，平整土地， 浙江大学硕士学位论文 建造房屋、街道以及整治排水河道，兴建排水管网，直接改变了当地的雨洪径流 形成条件，能使水文情势发生急剧的变化，如雨洪径流总量增大，洪峰流量增高， 峰现时刻提前；又如，河道中水流流速加大，径流中悬浮固体和污染物含量有增 大的趋势。这些变化往往加剧了城市本身及其下游地区的洪水威胁，同时河道中 污染物显著增加。 表1 一l 城市化过程可能的水文效应 植被的清除减少蒸发量和截留量；增加水流中的悬浮固体及污 染物，减少下渗和降低地下水位，增加雨期径流、 减少基流 房屋、街道、下水道建造增加不透水面积，减小径流汇流时间 初期 住宅区、商业区和工业区增大洪峰流量和缩短汇流时间、径流总量和洪灾威 的全面发展胁大大增加 建造雨洪排水系统和河减轻局部泛滥，而洪水汇集可能加重下游的洪水问 道整治题 出现上述现象的原因可以归纳为两个方面： 图1 2 相同滞洪量情况下城市化对流域产汇流的影响 1 、流域部分地区为不透水表面所覆盖，如屋顶、街道、人行道和停车场等。 浙江大学硕： 学化论文 不透水区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大量减少。在两次暴雨之间，大气中沉降 和城市活动产生的尘土、杂质及各类污染物集聚在不透水面上，最后在降雨期间 被径流冲洗掉，进入天然水体。 2 、人工和人工改造了的水道提高了流域汇流动水力效率。城市中的天然河 道往往被裁弯取直、疏浚和整治，并设置道路的边沟、雨水管网和排洪沟，使河 水流速增大，导致径流量和洪峰流量加大，洪峰流量提前出现。 城市雨洪径流增加后，使已有排水明沟、阴沟、管网及桥涵过水能力感到 不足，局部发生水塞、溢水等现象，上游的雨水无法排泄，直至引起水涝，造成 交通中断，地下管线淹没、房屋和财产遭受破坏等。下渗量的减少，使补给含水 层的水量减少，致使城市河道中枯季基流下降。 因此研究城市雨洪形成机理，改善现有城市的雨水排放系统，使其适应城 市化的需要，是防治城市雨洪灾害的重要议题。 1 3 城市雨水排水系统径流过程研究的进展 从提出推理法进行雨水排水管道设计对城市排水系统研究已经有大约1 5 0 年的历史了，前期的研究进展非常缓慢，主要是采用水文学的方法来设计管道直 径。随着世界性城市化引起的水涝灾害问题的突出，人们开始对城市防灾予以十 分的关注，我国也加大了雨洪问题的研究的投入；由于电子计算机技术的飞速发 展，城市雨水排水系统的研究也进入了一个蓬勃发展的阶段。 对城市雨水排水系统的研究包括水文学方法和水力学方法，这两种方法在 解决城市雨水排水系统的某些方面都有另种方法不能比拟的优点，因此两种方 法在研究城市雨水排水系统中总是交织在一起，难以完全分裂开进行说明。 从水文学的角度来讲，城市雨水径流过程度研究可以分为三个阶段： 1 8 5 0 1 9 6 7 年为形成城市水文学的孕育阶段，基本上是运用一些常规定水 文学方法来解决有关城市水文问题，如推理公式、下渗曲线、单位线等方法。在 1 9 6 7 1 9 7 4 年期间，建立了一些具有特色的分析方法，先后提出了一些实用于 不同问题的、大型综合性的模拟模型，经过试用、修正，形成了几个通用性很强 调模型软件包，如s t o r m 、s w m m 和i l l u d a s 等，这个时期被称为“力+ 法研 制时期”( t o o lm a k i n g ) ，是城市水文研究发展最快并逐渐形成独立学科的时期。 1 9 7 5 年以后，进入较为定型成熟的阶段，主要的工作是应用、推广和完善上述 一些通用模型程序，称为“方法推广时期”( t o o lw e i l d i n g ) 。水力学方法研究基 本上与水文学方法同步，特别是第二阶段开始，水力学的方法在城市径流过程的 研究中占据了主导地位。 水力学的方法主要运用在城市管道和渠道的计算中，因此本文以排水管道 的径流过程研究发展为例来描述其发展的三个阶段 六十年代以前排水系统内流动的计算主要是为雨洪排水管道的设计服务， 一般采用设定洪峰流量的恒定明渠流解法。原则是设计洪水能够全部以明渠流的 形式通过排水管网。设计洪水的洪峰流量一般由水文学方法确定，而排水管网中 管道的断面几何尺寸则通过简单的恒定均匀明渠流计算来求得。 从六十年代到八十年代，基于简化的非恒定流方法的近似洪水演进计算模 型有较大的发展，如运动波模型。其不足之处是无法计入动力影响，难以应用于 下游壅水的情况。 八十年代，计算机的飞速发展使得在雨洪管网计算中能够采用更复杂的非 恒定流数学方程更加明确定义的边界和初始条件。城市水文学的进步也为排水管 网的入流条件提供了更准确详尽的资料。这两点都推动了排水管网计算中使用非 恒定流方程的完整形式。 总的来说，雨洪排水管网径流数值计算方法的历史发展可以分为以下三个 阶段： ( 1 ) 恒定流计算法：一般采用推理公式法来计算洪峰流量。据称是由 m u l a v a n y l 8 5 0 年首次运用，以后得到广泛的发展和应用。 ( 2 ) 简化的非恒定流计算法：基于运动波或扩散波方程的解法。相应的计 算雨洪过程线时采用单位线方法。c u n g e ( 1 9 6 9 ) 和b e t t e s s 和 p r i c e ( 1 9 7 6 ) 等人对基于运动波方程的解法进行过研究。a 1 i0 s m a r t h k a n 和b e nc h i ey e n ( 1 9 8 1 ) 采用扩散波法求解并与其他解法进行比 较。b e nc h i ey e n ( 1 9 8 6 ) 对排水管内流动计算中的许多问题包 括已有的各种解法及其历史发展进行了详尽的综述。在这阶段由于计 算机的内存、计算速度的限制，所作的简化比较多，模拟的精度1 ：高。 ( 3 ) 非恒定流计算法：基于质量守恒和动量守恒方程的完整形式，与之相 匹配的是采用先进的洪水预报方法和数值计算方法。例如m b a b b o t t 采用六点隐式差分格式、c h o i 何m o l i a n s ( 1 9 9 3 ) 采用隐式有限差分格 式、s iv a i o g a n n a t h a n 采用特征线法求解完整形式的动力波方程。 目前国内在城市雨洪径流的研究基本上尚处于起步阶段，可以说我国在城 市雨洪的研究尚处于国外6 0 7 0 年代的水平，研究工作几乎是屈指可数，在这 方面的学术论文、专著也相当匮乏。比较早的有岑国平8 0 年代在他的硕士论文 城市雨水径流计算方法的研究中，根据北京市百万庄小区的雨洪实测资料， 用i l l u d a s 模型作了一些检验。在1 9 9 0 年水利学报上又发表了城市雨水径 流计算模型这可能是我国最早自己开发程序对城市雨水径流进行比较精确的模 拟。在8 0 年代周玉文在完成其学位论文时在北京百万庄小区作了下渗试验，这 是在目前在国内文献上仅见的专门针对城市而作的下渗试验：岑国平在西安作了 一些地面产流的试验，相应发表了一些论文。9 0 年代周玉文利用国家自然科学 基金开展了一些城市流域地表径流过程的研究，其研究成果发表在给水排水 和哈尔滨建筑学院学报上；9 8 年河海大学水文水资源及环境学院的徐向阳 发表了平原城市雨洪过程模拟，采用的方法主要是参考了英国的沃林福特程 序。水力水电科学院的曹韵霞等利用美国的s w m m 软件模拟了北京市城区的防 洪排水。1 9 9 7 年清华大学的硕士研究生李玉庆在其学位论文中称其在国内首先 探讨了暴雨期问城市排水系统内非恒定流动的数值模拟，其中强调他们采用明窄 缝概念解决了雨水管道明、满流动交替出现的统一求解，但是其对于管道的明、 满流并没有进行深入的研究，有些问题还值得进一步探讨。在专著方面主要有两 本：一是河海大学詹道江等翻译的英国伦敦帝国理工学院的m j h a l l 著叙的 ( ( u r b a nh y d r o l o g y ) ) ( 城市水文学) ，另一本是朱元牲与金光炎1 9 9 0 合著的 城市水文学，该书也主要内容介绍国外的研究成果。尽管我国在这方面的基 础研究非常薄弱，但是也开始利用国外的研究成果进行开发城市雨洪管理系统， 如上海与广州都已经开展了这方面的工作。 一 1 4 本文的研究目的与内容 针对当前我国城市城市雨洪问题曰益严重，研究严重落后的现状，本人在 前人的研究成果基础上，本文将进行以下三个方面的研究。 ( 1 ) 针对我国近年来城市( 以杭州市为例) 洪涝灾害频繁的问题，用生态 学、系统论的观点从宏观与微观的角度初步分析了城市洪涝灾害的成因， 特别是城市化过程中不科学的开发建设对水系生态的破坏与影响，以期为 城市防治水涝灾害提供科学的依据与决策方法。 ( 2 ) 当前文献上已经有若干城市地表径流过程的模型，但是没有一本专著 对其进行过比较全面的归纳和整理，本文将收集、整理前人的有关模型， 编程计算，比较各种模型应用范围。同时本文编制的地表径流程序作为城 市雨水管网非恒定流模拟程序的一部分。 ( 3 ) 城市雨水管网的流动是非常复杂的过程。传统的设计方法只能计算管 道的最大流量，而不能分析管道的整个径流过程。国外己经部分采用非恒 定流水力计算的方法对城市排水管网进行校核计算，以防止由于设计不合 理造成的水涝现象。对城市排水系统进行非恒定流水力计算己成为城市雨 洪管理控制的重要手段，但我国目前在这方面研究非常薄弱，缺乏非恒定 流水力计算程序对城市排水管网进行校核计算。本文将运用洪水波理论对 雨水管道这种特殊结构中的水流进行分析，同时对管道非恒定流的不稳定 性进行初步讨论，特别是明、满过渡过程中的不稳定性进行讨论。最后在 理论分析的基础上，编制雨水管道系统不恒定流水力计算程序，进行雨水 管道的动力波和扩散波模型计算，对两种水力学模型进行比较。 - - g - - 浙i i ：夫学硕i j 学化论文 第二章城市水涝灾害发生的生态机理分析 2 1 我国城市面临的雨洪问题 我国是一个洪灾频繁的国家，从公元前2 0 6 年到公元1 9 4 9 年的2 1 5 5 年期 问发生较大洪水灾害达到1 0 9 2 次，平均两年一遇，很多城市多次遭受到洪水的 洗劫。解放后，我国政府采取了一系列的措施，城市防洪能力有所提高，抵御了 建国以来的一些大的洪水，保证了人民的生命财产安全。但是从全国来看，城市 的洪水灾害和经济损失都是很可观。目前，世界各国的对城市防洪都比较重视， 防洪标准也比较高，例如，美国一般采用1 0 0 5 0 0 年遇，波兰为5 0 0 年一遇， 日本为1 0 0 2 0 0 年一遇，英国伦敦和奥地利维也纳的防洪标准高达1 0 0 0 年一遇， 然而在我国，人口超过千万多的上海，防洪标准只有1 0 0 年一遇，哈尔滨市松花 江江堤设计标准相当于4 0 年一遇；南京的标准才达到3 0 年一遇。另外尚有不少 城市其防洪标准只能抵御2 0 年一遇的洪水，有的标准还要低，甚至没有设防。 这些城市防洪的严峻现实充分说明问题的严重性。城市具有政治、经济、军事、 科技和文化等多方面功能，而且人口密集，一旦遭受洪灾，除经济损失、人员伤 亡和疫病流行等直接损失外，还会造成间接损失，即由城市辐射影响使其所联系 的地区和方面遭受损失。 近年来我国的城市水涝灾害频发，特别是进入9 0 年代后更有愈演愈烈的趋 势。以杭州市为例，自8 8 年以来几乎每年有水涝问题。特别是从1 9 9 6 年以来已 经连续三年遭受特大水涝灾害： 1 9 9 6 年的“63 0 ”水灾事件，连续降雨7 天，7 2 小时暴雨强度为2 9 09 毫米， 雨量集中在西北部运河水系、东笤溪水系。全市积水点达1 3 7 处，总积水面积达 9 8 3 6 万平方米，受淹居民户数3 8 3 4 户，市区道路积水3 9 处，积水面积9 4 4 万 平方米；水深大多为o 2 o5 米，最深处达1 1 米。积水面积之大创下历史上 - 9 - 。 最高记录。 1 9 9 7 年“71 0 ”水灾事件，这次暴雨集中在钱塘江上游地区及杭 k 1 4 市部南 地区，2 4 小时1 0 2 毫米；仅连续五天的降雨使钱塘江水位迅速上涨，沿江的复 兴、江干等地区严重受涝。全市西湖区、上城区、拱墅区共有五十多处积水点， 平均水深达o3 珈5 米，复兴路最深处达2 0 米以上，可以行船，部队指战员 用皮划艇救护灾民。 事隔一年后的1 9 9 9 年6 月1 6 日开始，7 月1 日止的梅雨季又间断性连续降 暴雨，这次又重演9 6 年的“63 0 ”水涝灾情，集中在杭州的西北部的运河、东 苕溪。虽然平均雨量强度不及9 6 年( 7 2 小时暴雨强度为2 1 2 毫米) ，但是持续 时间长，市区累计降雨为4 2 1 9 毫米，市各条内河水满为患，全市有1 0 9 处积水 点，其中道路积水4 1 处，仅下城区就有1 0 0 多个居民区处于积水地段；灾情之 重、持续时间之长超过被杭, f l - i 市民称之为“9 66 3 0 ”的水灾。在同一时间，地处 杭嘉湖水网中的嘉兴、平湖等城市也遭受特大水灾，4 1 的建城区被淹，2 0 8 8 万户居民受灾。而且因排水不畅，市区积水迟迟不退。 城市的变化改变了流域自然面貌，直接影响雨洪形成的过程，增大了洪水总 量，加快了汇流速度，使洪峰增高，峰现时间提前，加剧了洪峰的威胁，这也是 近年来各大城市洪灾频繁的原因之一。根据北京市实测雨洪资料分析，城郊非城 市化地区降雨小于1 0 0 毫米基本不产流，大雨的径流系数在0 2 以下，而城区内， 由于大部分为不透水地面，降雨损失明显减少，实测洪水的径流系数一般为o 4 o5 ，汇流情况改变更为明显，如单位线洪峰提高约一倍，峰现时间缩短2 小时。 通过对北京市航测图分析可知，城区建筑面积成倍增长，1 9 4 9 年城区为1 0 0 平方公里，1 9 5 9 年增为2 2 0 8 平方公里，而1 9 8 3 年为3 7 1 平方公里。据有关资 料统计：北京市铺砌的不透水面积1 9 8 3 年相当于解放初期的1 0 倍。以北京市通 榆河乐家花园地区为例：在5 0 年代不透水面积的比例为5 2 7 6 ，在8 0 年 代不透水面积为7 7 以上，表2 一l 列出了北京市通榆河乐家花园站1 9 8 3 年8 月的一次流域降雨量和实测洪水流量；把它和6 0 年代前后的两次实测结果汇在 一起，三次的降雨量比较接近，但洪峰流量相差达一倍。 表2 1 浙江人学帧卜他论殳 l 洪水编号总降雨量最大一小时降雨量洪峰流量( m 3 s ) 8 3 0 8 4 8 ( 8 3 年) 9 733 843 9 8 5 9 0 8 0 6 ( 5 9 年) 1 0 333 942 0 2 6 3 0 8 0 9 ( 6 3 年)1 0 77 4 231 9 3 由上可见我国城市所面临的雨洪问题十分严重，特别是防洪能力过低，严 重影响城市的发展以及城市居民的生活和安全。过去由于各种原因，未能对城市 的雨洪现象及时展开广泛的研究，致使一些问题聚集成堆。现在城市发展迅速， 而我们的研究成果远不能满足城市建设的要求。现在必须加强城市雨洪研究的工 作，针对城市具体情况开展有关的分析研究工作，以及进行必要的规划设计和控 制管理，给城市的发展提供可靠的资料，做到更好地为城市建设服务。 2 2 城市水涝灾害发生的生态机理分析 从1 9 世纪末开始人们对生态系统给予了极大的关注，生态学研究从生物进 化论研究转向自然保护主义的“环境生态学”探索，研究中心己移向以人为主体 的“人类生态学”的领域。在城市规划建设中也引入“生态规划”的新理论与新 概念。其中生态学的“系统整体原理”，“承载容量概念”( 即限度概念) ，结构、 功能与场所的自控调节原理等广泛得到运用。通过经济、社会、生态的综合手段 来减少或解决城市问题是当今新形势下必须要认识的新任务。为此，用生态学的 观点分析城市水涝灾害的发生机理就显得十分重要。 随着从城市化的进程，城区土地的利用发生了较大的改变，如清除树木、 平整土地，建造房屋、街道以及整治排水河道，兴建排水管网等，改变了城市及 其周围的水系生态环境，直接影响了当地的雨洪径流形成条件。同时城市的生产 活动和特殊地面结构共同作用于大气，使大气边界层的特性发生变化，从而影响 城市地区的气流，温度、湿度等条件，导致城市降雨量增加，加大城市防洪防涝 的难度。另一方面由于历史上的一些原因，各大流域的生态环境均受到较大的破 坏，导致流域性的洪灾发生频繁。城市在这种内外水系生态失衡的情况下受到越 来越严重的洪涝灾害的威胁。 一、都市化使城市水系生态改变，产流增加，地基下降，是城市内涝的根源 浙i l ：人+ 学倾i 7 产f t 沦迁 随着社会的发展，人类不断向城市集中。人类的活动极大地干扰了城市水 文生态系统，使其周围环境发生了巨大的改变，如：城市区域地表大面积硬质化， 河流淤积，池塘湖泊逐渐消失，过度的抽取地f 水导致地面沉降，各类工厂向周 围释放大量的尘埃、热量，拔地而起的建筑干扰大气的局部运动等，引起局部降 雨量增加。这些人为因素引起的生态环境破坏是引起城市洪涝灾害的根本原因。 l 、都市化引起城市暴雨增加，加大了内涝的可能性 从十九世纪末开始，大量学者通过长期的对比研究，基本上认为都市化引 起了城市局部降雨量增加。城市的形成伴随着城市热岛效应，使城市上空气结层 不稳定，产生热力对流，当城市中水汽充足时，容易形成对流云和对流降水。大 量的城市建筑物，加大了地表粗糙度，阻碍降水系统的移动，延长了降雨时间， 增大了降雨强度。城市向大气排放的大量污染物( 特别是微粒子) ，在适当的情 况下促进了降雨的形成。在总降雨量增加的同时，城市及城市周围的雷暴出现的 概率增，如在我国上海，小雨和中雨出现的概率市区比郊区多5 ，大雨概率多 1 7 ，暴雨、大暴雨、灾难性暴雨多2 5 。杭州自8 0 年代以来汛期的降水量市 区比郊区平均递增约2 2 毫米，其累积值至今已达3 0 6 0 毫米，降雨量的增加， 特别是暴雨出现概率的增加，加大排水系统的压力，城市出现内涝的概率上升。 2 、城市下垫面硬质化增加了地表径流量，雨水管网的完善缩短了汇流时间 暴雨降落之后，当雨量超过截流和填洼量，且雨强超过下渗强度，地面开 始积水，并形成径流进入地下排水管网，或进入排水渠道，最后进入河流。都市 化使天然流域在短时间内发生剧变，原有植被和土壤为不透水面替代，天然的的 调蓄系统池塘、湿地被现代化的推土机推平，代之以地下排水管网。由人工建筑 物构成的城市下垫层相对天然的下垫层有两个特点： ( 1 ) 降雨后损失量小，大部分降水转化为地表径流。根据周玉文在北京市百万 庄小区所做的实验( 见表2 2 ) ，在一个小时内新、旧沥青路面的降雨损失分别 仅为草地的6 和1 2 ，为裸露土地面的1 4 和2 6 ；而屋面的降水损失量更小， 一般都仅1 2 毫米，据北京水利科学研究所的两次实测仅有o7 r a m 和o 9 4 m m 。 根据以上数据可以估计城市不透水面达到城市面积2 0 ，当两到三年一遇降雨强 度时，其产流量就可能相当于该地区原有产流量的l5 2 左右倍。 表2 - - 2 地表种类新沥青j j 沥青混凝 ：红砖j ：地錾地 路面路面方砖面 单位 2854921 722 044 64 ( 毫米) ( 2 ) 与天然的下垫层相比，人工下垫层的粗糙率要小得多( 见表2 - - 3 ) ，降雨后 地面汇流的时间缩短。修建城市雨水管道系统的目的是迅速排走雨水，保证城市 公共设施在降雨时和降雨之后功能的实现。雨水管道的建立加速了雨水的汇集， 使低洼地带在暴雨面前承受更大的压力。 表2 3 种类混凝土雨水管混凝土路砾石人工草地杂草 面面地 绝对粗糙度 o5152 05 0 ( 毫米) 这就是说，城市化对城市的水文生态系统的影响比较明显，降雨后的下渗、 ( 滞留) 径流、蒸发的比例发生变化。城市化后，由于流域下垫面条件的改变， 产汇流的变化使暴雨洪水的洪峰流量增加，峰现时间提前，对洪水的调蓄机能降 低，洪峰涨落过程加速。1 9 6 8 年在美国l e o p o l d 26 平方公里上观测到的资料显 示随着不透水面积比例和排水系统的比例增加，城市的洪峰流量比城市化之前最 大增加了6 倍。一般来讲高度城市化的地区不透水面积占该地区的8 0 以上，一 般建成街区可达5 0 ，城乡结合部也有2 0 左右。如果按照不透水面积为5 0 计算，在两三年一遇的暴雨下，相当于杭州市区和邻近河流要承担原有面积1 5 2 倍的产流量，可见杭州市近几年连续发生的洪涝灾害与杭州地区快速发展的城市 化不无关系。 3 、城市内河滞水空间占用，调蓄能力降低，径流增加 由于城市土地紧张，加上对水环境功能及水系生态的认识不足。人们不顾 自然规律，挤占河道、池塘、水田等用地致使城市部分内河消失，大量滞洪空间 被填为平地，城市的雨水调蓄能力大大降低，增加了排入河道的洪峰流量。如杭 州i f f 松术场河侄7 0 ；木破有关单位填埋后建造宿舍，将该段原有4 1 0 米宽 的河道改建为18 1 5 的暗渠，导致填河造房的二十多年几乎每年都要发生积 水：前文所说的石板桥新村也就是因为东宝河填埋改建成街路后排水系统不畅导 致次次下大雨，回凹遭水灾。杭州下城区( 北部) 潮鸣地区8 0 年代以来约有七 f 多个水塘被填，损失蓄水容量约1 8 万立米，增加了排水负荷。再如西北部的 古荡地区原本是杭州最低洼区域，拥有数十上百个大大小连片的池塘及多条与运 河相连的小河，是拦蓄将军山、灵峰山脉径流的调蓄水库，也是杭城主要的产鱼 区。目前该地区已经看不到任何水塘，都变成住宅区；这大量滞水空间的消失加 大了入河径流量，必然加剧了水涝发生。在1 9 9 6 与1 9 9 9 两次“6 3 0 ”暴雨灾害 中北区所有河道均出现了洪水外溢，主要街路、住宅大面积受灾。 4 、城市规划用地、建设不合理，防洪抗涝设计标准低 许多开发商只注重地价便宜有利可图，而抗灾能力往往不在考虑范围之内， 而城市规划与土地管理两部门协调不够，较少考虑土地生态特性对土地利用方式 的制约性以及建筑的特殊地理位置下洪涝灾害可能性；建设单位地下设施的标准 选取上比较低，或采取一刀切的方式，不考虑特殊地势下洪涝灾害发生的概率。 一遇到排水压力较大时局部排水系统就会出现问题。由于排水系统是一个相互关 联的系统，一部分出现问题，往往影响整个排水系统的排水能力。例如杭州地区 的地势特点是南高北低，平均落差在3 米左右，而大片住宅都集中在城北的低洼 地区，遇到大雨，浸水受淹在所难免。 5 、城市下渗水减少，过度开采地下水使地面下沉，防洪设施标准降低 由于城市大量下垫面硬质化与管网排水化，使城市降雨发生再分配，原本下 渗地下的雨水部分转为径流排除，使城市地下水大大减少。然而，与此相反的是： 由于地表水受到越来越严重的污染，人们不得不转向地下水，而且是无计划无节 制地开采。渗透量的减少与过度开采地下水导致地下水位下降，地面不断下沉， 原有的防洪设计标准降低或遭受到破坏。如：浙江什嘉兴市4 0 年来，地面沉降 累计达8 1 4 厘米，其周围城镇如海宁、桐乡、海盐、嘉善等县城地面沉降也均 大于5 0 厘米，沉降总面积达2 0 0 0 平方公里，与苏、锡、常、沪形成一个巨型沉 降区。浙江的宁波平原沉降面积也有1 5 0 平方公里，近年来宁波已经大量压缩了 对地下水的开采，但是，长久入不付出的水系生态破坏使地基结构丧失了原有的 能力，地基继续以 h q - l 朋i 米的速度卜降：这样f m 煎的地罄沉降反过水义加剧r 水涝灾害的严重性。以嘉兴为例，运河水网的计算水位每增高1 厘米，淹没面积 将增大1 6 万亩。地面沉降不仅使水位j ：r t ，还使原防洪设施功能降低。市区 1 9 8 9 年建造的光明街区区域防洪工程建设标岛是4 8 米，由于地面沉降，十年 后的今天防洪堤的标高只有4 6 米。杭嘉湖平原水利工程大多数按2 0 年一遇设 汁，由于地面下沉，堤吁标高普遍下降，目前有数十公里的大河堤岸标高已下降 到1 0 年一遇的防洪标高，实际防洪能力仅相当于5 年一遇。如继续沉降，几十 年修建的防洪工程将有可能淹没在一般的洪水之中。 二、城市外河流域水系生态变化导致城市排水不畅 城市区域内的各条河道往往是一个大流域系统的子系统，与外围江河水域 连系在一起成为整体。城市附近较大的河流、湖泊、水库通常是城市主要水源， 为城市滞洪排泄提供场所。当一个大系统出现问题时，子系统也将不可避免的要 受到威胁。 1 、乱砍滥伐，水土流失 由于历史的原因，我国的林木资源受到较大的破坏，改革开放之后，农村山林 权分配到户，林木资源继续遭受破坏。钱塘江上游的常山等地，至今还在搞地下 伐木场，森林破坏导致水土流失严重，使江河湖泊淤积日趋严重，钱塘江下游 泥沙淤积达一米多，致使河流的行洪、蓄洪的能力大大降低，形成了“小流量、 高水位”的现象。传统的防洪观念只知道一味加高河堤，而城市外河的高水位， 又将导致城市的雨水排泻困难，水涝灾害加剧。 2 、大量围垦使自然调蓄系统萎缩，泄洪排水不畅 由于人口的急剧增长，人与水争地的矛盾越来越突出。对湖、河、海滩地 进行大量的围垦。近几十年来，仅湖南、湖北、江西、安徽5 省围垦湖泊的面积 就超过来1 2 0 0 0 平方公里。围垦的结果使蓄水量下降为1 7 4 亿立方米。湖泊的消 失和减少，使蓄洪调节能力大大减小，9 8 年的长江洪水就是实例。在沿海河流 出海城市，人们为获得寸土，在河流出海口及沿江进行大量围垦活动，使河流出 口断面变窄，河流出海不畅，河流水位升高，直接导致城市排水困难。如杭州的 钱塘江，由于城市的建设与盲目的经济开发，钱塘江的江面被大量挤占压缩，行 洪的摊地上筑堤围垦，沿江滩涂填埋土地达5 0 万亩，钱塘江的下游河口断面( 如： 箍关) 儿经变辽现只有原河道的四分之，结果是著名的钱塘江潮水并没有因为 入f 变小而减少进潮量，而相反使盐潮向七游延伸距离增加，潮水顶托强度增大， 加上上游下泄流量闪河道变窄受阻提高水位，洪水位高出两岸地面数米，致使城 市内雨水无法向外宣泄而成灾。杭州的9 7 年“71 0 ”暴雨期间，沿江复兴地区 就是由于雨水出口被江水堵塞，河水倒灌，导致严重涝灾。 杭嘉湖平原是水乡地区，各条河流与太湖相连，原是太湖蝶形低地组成部 分。流域水系是一个整体，运河水位也受到太湖水位的严重制约。近年来，太湖 沿湖地区为发展经济围垦填埋湖泊洼地，4 0 年来占用面积达5 2 9 k m 2 占原面积 的1 3 6 ，使太湖滞洪容量减少；与此同时，太湖流域、大小城市数十个，因城 市化引起的大量增加的地表径流量与挤占的容量成为双重负荷；为保沿湖滩涂经 济防止洪水侵袭，太湖沿岸筑堤建闸：虽保护了太湖沿岸，却抬高了太湖水位， 使内涝的杭嘉湖地区排水困难。9 9 年的6 3 0 暴雨灾害中，由于运河排水不畅， 水位创历史之最，导致杭州、嘉兴等城市内河水满为患，排水e l 阻塞，低洼处还 出现雨水、污水倒灌的现象，市区积水在雨停过后还久久难以退落，受灾市民苦 不堪言。 2 3 城市防涝的思考与问题的提出 关于城市水涝灾害发生的原因还有很多，从宏观上来看，水系生态改变与 不可逆的生态结构功能破坏是城市水涝灾害的根本要因。水涝灾害及其他各种灾 害的频发表明了人类不能过分强调经济效益而忽略了社会和生态环境效益，盲目 的开发建设以牺牲环境来换取短期的经济效益必然会遭到自然的报应。我们每个 从事城市建设工作的人应该充分认识这一点，加强城市规划在防御洪涝灾害方面 的科学研究；城区扩建( 特别是居住区) 尽量选址于不受或不易受到洪水袭击的 地方；积极探索城市建设与生态环境相协调的新思想、新技术，新方法，如何努 力采取科学的态度去管理、建设城市，尊重自然规律，从根本上减少对生态环境 的破坏作用已成为当前大规模城市化进程中必须牢牢记住的大事。 1 6 - - 浙江夫学硕t 学化论艾 近年来，许多发达国家在遭受与我国同样问题后痛定思痛，探索科学的 管理与技术方法，如生态规划，在土地利用前期评价土地利用的适宜性，保护重 要的蓄调水地区( 渗水性强的地质、土壤区) 与湿地，正确对待河道滩地，合理 利用泄洪空间( 如：作绿地、运动场，公园、停车场，甚至有的利用来做污水处 理场) ；城市地表尽量采用可渗性地面( 如停车场、广场等) ，提倡采用渗渠、渗 沟，甚至可渗性地基；有效地利用道路两旁低凹绿地吸收路面径流。 日本在城市防洪防涝方面近年来作了大量探讨，为防止“悬河”导致的城 市排水不畅，一改过去靠加高河堤来防洪的传统方法，对城市外河设置翻水低坝 与专门的放水通道，结合调蓄用立坑群、游水地，达到“疏水、排水、蓄水、玩 水”的综合目的；还在住宅区利用人工景观小河、游戏场与游泳池作为城市内的 滞洪调节设施；有些城市要求建筑物设置地下贮水池储存雨水以补赏因地表硬质 化产生的多余径流量；东京都正在市区开挖3 0 公里的地下河道，用来调蓄雨水； 政府鼓励各建筑业主利用这些雨水作为建筑物内杂用水( 中水道) 的水源，既可 减少排水与径流，又能达到节约水资源、保护环境的目的。这些方法都是从自然 规律的固有性出发，改善城市水系生态、提高城市环境功能的综合效益角度去防 灾减灾的。尊重自然，保护环境，维护人类社会可持续发展任重而道远。 从一些能够人为控制方面来讲，引起水涝灾害的因素也很多，如，排水管 网设计不能满足城市排水基本要求( 如我国的雨水的排水规范就是参考前苏联 的规范，许多关键方面并没有经过我国实际的情况的实测或试验的严格考验就拿 来使用) ；我国在进行城市雨水管道设计时，都是采用推理法，计算管网的最大 流量，然后在根据最大流量选用管道。采用这种方法不能够分析城市雨水管网的 实际工作过程，也无从知道管网的瓶颈在何处；往往建成之后，即使发生了问题， 也不知道到底是哪根管道是瓶颈，改造起来也非常盲目，结果花费了很大的代价， 就是不能解决问题。因此分析管网的整个径流过程，了解管网的工作状况是解决 现有城市管网排水能力不足的前提条件之一，通过对雨水管网的非恒定流分析， 能够为城市管网的改造建设提供有力的依据。旧城的管道设施都存在陈旧、老化 现象、有些淤塞严重失去了原有的排水功能；城市建设中施工单位违章向下水道 排放泥浆、倾倒建筑垃圾，致使排水管道堵塞等导致雨水排除困难。此外，部分 城市河道因长期缺乏管理，加上地表径流带入的大量泥沙、垃圾及各工厂设施随 意排放的污水q ， o 物v i d t ；淀导敛河道淤积：也足导敛$ , , it t i ! t j t f f j j 减弱的原w 。 这l | ! 住引发局部秋水自q 题的诱吲i f w i d - 会引起人范m 、长时问城f f f 水涝问题，尽 锊扶是局部问题，f l 是时人们的牛产乍活影响很大，也很值得我们注意。 ， 浙；1 人学颂i 学他论文 第三章城市地表产汇流 3 1城市地区雨洪排水系统 长期以来，城市排水系统的设计目标是采用分洪、调蓄和排水等措施，尽 快地把城市的雨水排走，保护城市的设施免遭洪水灾害。随着科学技术的发展， 目前已逐渐形成了现代的城市排水系统。 现代城市排水系统的特点是人工地导引水流到各种不透水通道( 如路沿、 边沟、衬砌的水道、铺砌的停车场、街道等) 和地下的通道( 如雨水排水道，污 水排水道，合流式排水道) ，最后丰l