（模式识别与智能系统专业论文）雨水利用对城市内涝防治效应研究.pdf

1 7 3 3 7 1 5 i j 商要】 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：丧夺旋 日期：o o 年舌月f 2 日 北京建筑工程学院 l 1 ll r rr l llp i r lj i l l i i y 1717 3 4 3 摘要 随着城市化进程的加快，人为活动对城市下垫面改变较大，对城市水循环影响日益加剧， 近年来城市内涝积水不断发生。找出城市内涝形成的原因，对其类型特点进行分析，以采取 有效措施减少该类灾害的发生十分必要。 本文对城市内涝灾害的特点及形成原因进行分析，并通过水文学原理对城市降雨径流的 形成过程及径流计算方法进行了比较，通过水文学原理对采用雨水设施后城市径流产生的影 响分析进行量化，从洪峰削减、体积削减、污染物削减三个方面对雨水设施进行评价，最后 实例分析雨水利用设施对于城市内涝减灾的影响，主要研究内容和结论如下： 1 ) 以北京为例，从降雨量、下垫面状况和积水状况3 个方面对北京内涝积水进行了分析， 在此基础上得出城市内涝灾害的类型、特点、原因。 2 ) 分析总结产汇流机制及不同径流计算方法，比较不同方法的适用条件和对于洪峰流量及 降雨过程的模拟结果和过程描述。对城市地表进行概化，并根据不同雨水利用设施进行分类， 根据其结构和产流特点及是否接受客水对采用不同设施流域进行概化，提出使用雨水利用设 施后的产汇流机制及相应的流量计算方法。 3 ) 根据上述研究提出采用不同雨水设施后洪峰滞留原理，并在此基础上对不同规模雨水设 施的洪峰削减效果、体积削减效果( 场次降雨、年降雨径流) 、污染物控制效果( 场次降雨、 年降雨径流) 进行量化评价。给出了不同重现期下，不同场地开发条件下，单一雨水设施 规模不同时，所能达到的洪峰削减率。实际降雨重现期大于1 年时，将其削减至1 年需要削 减洪峰2 5 ，3 9 ，5 7 ，8 1 下，所需设施规模。 4 ) 以北京经济技术开发区某区域为例，根据区域不同开发条件及用地性质，提出其适用的 雨水利用模式，并以将雨水管道重现期从1 a 提高至2 a ，3 a 为目标，给出了不同雨水设施的 规模，通过投资比较，采用雨水利用设施提高管线排水能力，可节省投资6 0 以上。建议 在硬化面积较大区域优先采用渗透铺装与下凹绿地组合的方式，在含集中绿地区域应优先考 虑下凹绿地进行雨水利用。 关键词：内涝灾害；雨水设施；洪峰削减：体积削减；污染控制 h 北京建筑i ：程学院艄要】 a b s t r a c t w i t ht h eu r b a n i z e dd e v e l o p m e n ts p e e d e du p ，h u m a na c t i v i t i e sc h a n g eu r b a nl a n ds i g n i f i c a n t l y t h ei m p a c to nu r b a nw a t e rc y c l ei n c r e a s e d u r b a nw a t e r l o gc o n t i n u et oo c c u rr e c e n t l y s ot of i n d o u tt h ec a u s eo ft h eu r b a nw a t e r l o g ，t a k ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h eo c c u r r e n c eo fs u c h d i s a s t e r sa c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c sn e c e s s a r y t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu r b a nf l o o da n dc o m p a r e dt h ed i f f e r e n t c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h er u n o f ft h e na n a l y z e dt h ei m p a c to ft h es t o r m w a t e rm a n a g e m e n t0 1 1 u r b a nr u n o f f f l o o dp e a l ( r e d u c t i o n , v o l u m er e d u c t i o na n dp o l l u t a n tr e d u c t i o nw e r eq u a n t i f i e dt o e v a l u a t e dt h es t o r r n w a t e rm a n a g e m e n tf a c i l i t i e s a tl a s t , t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t a k eb e i j i n ga s 柚e x a m p l e ，a n a l y z e dt h er a i nf a l l ，l a n du s ea n dt h ew a t e r l o go fb e i j i n g ， a n a l y z e dt h ec a u s e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tu r b a nw a t e r l o g ( 2 ) u r b a ns t o r m w a t e rr u n o f fc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mw a sa n a l y z e d d i f f e r e n tr u n o f f c a l c u l a t i o nm e t h o d sa n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sw e r ec o m p a r e do np e a kf l o w a n dr a i n f a l l s i m u l a t i o n g e tt h em o r ea p p l i c a b l er u n o f fm e c h a n i s m sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o dt ou r b a ns u r f a c e a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t o r m w a t e ru t i l i z a t i o n sa n dw h e t h e rh a sr u n o f fo fo t h e r c a t c h m e n te n t e r e d ，t h ec a t c h m e n tw a sc o n c e p t u a ld e s i g n e d t h er u n o f fc a l c u l a t i o nm e t h o da f t e r t h es t o r m w a t e ru t i l i z a t i o n sw a sp r o p o s e d ( 3 ) t a k ed i f f e r e n tr u n o f fc a l c u l a t i o nm e t h o da c c o r d i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h es t o r a g ea n d t h ei n f i l t r a t i o nf a c i l i t i e s m a k eah y d r o l o g ya s s e s s m e n to fp e a kf l o wr e d u c t i o n r u n o f fv o l u m e r e d u c t i o na n dp o l l u t i o nr e d u c t i o nw e r ea l s oq u a n t i t a t i v e l ya c c o r d i n gt oe a c hr a i n f a l le v e n ta n dt h e t o t a la n n u a lr a i n f a l l g o tt h ep e a kf l o wr e d u c t i o nu n d e rd i f f e r e n tl a n du s ec o n d i t i o n s ，d i f f e r e n t r e t u r np e r i o d s ，a n dd i f f e r e n ts c a l e g o tt h es c a l eo ft h er e q u i r e df a c i l i t i e sa st h ea c t u a lr a i n f a l l r e t u r np e r i o dw a sm o r et h a nlaa n dr e d u c e dt ola ( 4 ) t a k eb e i j i n ge c o n o m i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tz o n ef o re x a m p l e g a v et h e r e a s o n a b l ep a a e mo fs t o r m w a t e ru t i l i z a t i o na c c o r d i n gt ot h ec a t c h m e n tc o n d i t i o n sa n dl a n d u s e t h es c a l eo fs t o r m w a t e ru t i l i z a t i o nt or e d u c et h er e t u r np e r i o df r o mm o r et h ely e a rt o1y e a r b yi n v e s t i n g ，u s i n gr a i n w a t e ru t i l i z a t i o nf a c i l i t i e st oi m p r o v et h ed r a i n a g ep i p e l i n ec a p a c i t yc a n s a v em o r et h a n6 0 i n v e s t e d t h ep e r m e a b l ep a v e m e n tc o m b i n a t i o n 、v i 廿ll o w e rg r e e ns h o u l db e c h o s e dp r i o r i t yi nt h el a r g e ru r b a n i z e dr e g i o n t a k et h el o w e rg r e e nb e l tp r i o r i t yi nt h er e g i o nh a s l a r g e rg r e e n k e y w o r d s ：u r b a nw a t e r l o g ；s t o r m w a t e ru t i l i z a t i o n ；p e a k f l o wr e d u c t i o n ；r u n o f fr e d u c t i o n ； p o l l u t i o nr e d u c t i o n ；q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s i 北京建筑工程学院 【目录】 日求 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 问题的提出1 1 1 2 研究现状1 1 2 研究内容及意义2 1 2 1 研究内容。2 1 2 2 论文创新点2 1 2 2 目的及意义2 第二章城市内涝灾害特征及其成因分析以北京为例3 2 1 北京市内涝分析3 2 1 1 北京市降雨特点。3 2 1 2 北京下垫面状况。5 2 1 3 北京城区积水状况。5 2 2 城市内涝灾害分析一6 2 2 1 城市内涝灾害的类型6 2 2 2 城市内涝灾害的特点。7 2 2 3 城市内涝灾害的成因分析8 2 。3d 、结10 第三章雨水利用后产汇流计算1 2 3 1 雨水径流计算1 2 3 1 1 产流计算1 2 3 1 2 汇流计算17 3 2 城市地表径流计算2 2 3 2 1 城市地表产流过程2 2 3 2 2 流域概化2 2 3 2 3 城市地表产流计算2 3 3 2 4 城市地表汇流计算2 5 3 3 雨水利用后产汇流计算2 6 3 3 1 雨水利用设施分类及产流过程2 6 3 3 2 雨水利用后产汇流计算2 9 3 4 小结3 3 第四章雨水利用设施对内涝减灾影响的量化分析3 4 4 1 雨水利用设施对削减洪峰的量化分析3 4 4 1 1 雨水贮存设施3 4 4 1 2 雨水渗透设施3 9 4 1 3 雨水利用组合模式对洪峰削减的量化分析6 8 4 2 雨水利用设施对削减径流体积的量化分析7 5 4 2 i 场次径流体积削减7 5 4 2 2 年径流体积削减7 5 4 2 3 径流体积削减的量化分析以北京为例7 5 4 3 雨水利用设施削减污染物的量化分析7 7 i 北京建筑工程学院 旧录】 4 3 1 场次污染物削减7 7 4 3 2 年径流污染物削减7 8 4 3 3 径流污染削减的量化分析一以北京为例7 8 4 4d 、结7 9 第五章实例分析雨水设施削峰效果8 2 5 1 研究区域现状条件8 2 5 2 雨水设施模式选择8 3 5 3 雨水设施规模优化8 4 5 4 投资估算。8 5 5 4d 、结8 6 第六章结论与建议8 7 6 1 结论8 7 6 2 建议8 8 参考文献。8 9 j 够 谢9 2 北京建筑工程学院 涕一章】 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 问题的提出 近年来随着城市化进程的加快，导致城市不透水面积大幅度增加，致使相同降雨条件下 径流量增加、洪峰提前，威胁着城市安全。城市洪灾影响范围大，受灾程度深，经济损失大。 北京2 0 0 4 年7 月1 0 日突降暴雨，2 小时城区平均降雨7 0 m m 以上，造成7 0 多个路段严重 积水，干部汽车受损，数十条道路中断并多处塌陷，近5 0 0 0 间房屋进水，还有部分倒塌， 无论是经济损失还是社会影响都极大【1 1 。城市内涝防治问题越来越受到人们的关注，但是目 前仍按照旧有思路，单纯强调排放轻视调蓄，以修建水利工程的方式来解决城市洪涝，不断 提高工程规模而忽视从源头控制，尽管对城市防涝减灾的投入不断加大，洪涝灾害造成的损 失却与日俱增，原有措施调莆效果减弱并带来新的连锁效应。在这种情况下，人们需要转变 防洪理念，采取源头与末端控制相结合的理念，使截留、拦蓄、泄洪共同作用，减少城市涝 灾。针对城市地区雨洪发生、发展的规律进行深入分析，对城市雨水径流形成的水文过程进 行全面了解，对雨水径流量进行量化分析的基础上，充分利用现有研究成果，提出适用于城 市地区的城市内涝防治措施具有重要的意义。 1 1 2 研究现状 雨水径流研究属于水文学范畴，在城市雨水径流计算中，主要采用的方法有推理公式法、 单位线法、等流时线法、非线性水库法等方法。1 9 5 0 年，芝加哥市工程局开始对雨水管道 设计水文过程线进行研究，提出了城市雨水流量过程线计算模型。1 9 7 5 年，k e i f e r 等在此 基础上开发出修正模犁【2 1 。该模型的缺点在于未考虑设计暴雨的影响，并假设研究区域范围 内渗水特性相同，计算精度降低。英国公路研究所根据时间一面积径流演算方法提出了一种 城市径流模型( t r r l ) ，是一种恒定流流量过程演算法【3 1 。这一方法认为只有与雨水排水系统 直接连接的不透水地表产生径流，忽略了全部透水和不与雨水排水系统直接连接的不透水地 表产生的径流，与实际相差较大；后来经修止成为著名的伊利诺城市排水区域模拟模型 ( i l l u d s ) 以及伊利诺雨水管道系统模拟模型【4 ，5 1 。1 9 7 8 年美国国家环保局提出了城市暴雨管 理模型( s w m m ) ，它包括径流、输出、传送、存储和处理及受纳水体的水质几个处理部分， 适用性及精度均有较大提高【6 1 。辛辛那捉大学土木系水资源教研室研究开发的辛辛那提大学 城市径流模型( u c u m r ) ，主要f h 入渗和洼地蓄水、边沟流、管道演算三个模块组成【5 1 。美 国陆军工程师兵团水文学中心的暴雨模型( s t o r m ) t 7 1 h - 以计算径流过程、污染物的浓度变 化过程，适用于工程规划阶段对流域长期径流过程的模拟。另外还有法国的c a r e p a s 、德 国的q q s 、俄国的a r t i o n a l 、丹麦的m i k e 2 1 等雨水径流模型，这些模型均可以较好地 模拟城市降雨径流过程以及雨水水质状况。 我国对雨水径流计算及模拟方面的研究起步较晚，上世纪六七十年代北京市市政设计院 开始了城市雨水径流的研究，但仍处于起步阶段；8 0 年代后期北京市水利和城建部门合作 研究了北京市雨洪分析和控制调度【8 l ；河海大学和上海市政工程设计研究院合作，对城市 雨水管道计算模型展开研究【9 】；铁道科学研究院西南研究所进行了城市化对径流影响的研究 b o 等。2 0 世纪9 0 年代后期，岑国平等学者对城市及机场暴雨径流进行了系统研究，提出了 北京建筑工程学院 涕一章】 机场管道设计模型( s s c m ) 1 1 1 ；周玉文、赵洪宾对城市排水管网进行了研究，提出了城市雨 水径流模型( y s m d ，模拟了降雨、扣损、净雨过程线、雨水口流量过程线和管网汇流过程， 为雨水管网的设计、模拟和工况分析提供了有效工具f 1 2 1 。 1 2 研究内容及意义 1 2 1 研究内容 针对日益频发的城市内涝灾害，需要一种新的理念来对城市雨水径流进行科学管理，减 少灾害的发生。本文主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 以北京市为例，通过分析内涝灾害与降雨、径流、下垫面之间的关系得出城市内涝灾 害的类型、特点，并对其原因进行分析。 ( 2 ) 根据、暴雨径流形成的产汇流机制，及城市降雨径流形成过程，研究城市暴雨径流的 计算方法，提出采取雨水利用设施后的产汇流机制及计算方法。 ( 3 ) 分析采取雨水利用设施对城市暴雨径流形成凶素的影响，讨论雨水利用设施对暴雨径 流量的控制，主要包括洪峰流量、径流体积、污染物的变化，及对这3 个指标的控制效果 ( 4 ) 根据实例分析雨水利用设施对于内涝减灾的影响，以及对现有排水管网系统可能带来 的改变。 1 2 2 论文创新点 ( 1 ) 对不同雨水利用设施分类分析，根据设施是否具有下渗能力、是否接纳客水对采用雨 水利用设施的流域进行概化，提出采用雨水设施后的地表径流计算方法。 ( 2 ) 对不同类型、规模的雨水利用设施的洪峰削减、体积削减、污染物控制进行量化评价， 给出在重现期、场地综合径流系数不同时雨水设施规模与洪峰削减率的的拟合关系。 ( 3 ) 结合实例分析采用雨水利用作为源头控制措施对于洪峰削减的实际作用。 1 2 2 目的及意义 前已述及，由于城市化的影响和现有排水体系的弊端导致一系列严重的城市内涝积水问 题，亟待一种先进完善的内涝减灾管理体系，而雨水利用作为一种新型的城市洪涝控制理念， 主张在源头控制径流从而起到削峰减排的效果，有着重大的战略意义。 本论文的目的在于通过对城市内涝灾害原因及特点分析基础上，探讨雨水利用设施对 于城市内涝防治所起的作用，并对洪峰削减效果、体积削减效果污染控制效果进行量化评价。 2 北京建筑工程学院【第二章】 第二章城市内涝灾害特征及其成因分析一以北京为例 在城市区域范围内的山洪暴发、沿海风暴、河流洪水都可能会造成城市洪涝，其中专门 针对城区的涝水灾害称为城市内涝。城市内涝的主要原因在于城市排水系统的排放能力不 足，城市地面下渗雨水量减少径流量加大，超过排水管网设计规模时，部分雨水径流不能从 雨水口集中进入排水管道而积聚在地面。内涝现象在城市区域影响较大，内涝积水通常上升 缓慢，虽然水位不会上升到危害生命的程度，但次生灾害影响较大，可能造成道路中断，并 破坏城市公共系统，伤亡人数虽然较少但经济损失巨大。 2 1 北京市内涝分析 近年来北京地区极端暴雨事件时有发生，给城市的正常运转带来极大的不便，并带来巨 大的经济损失，短时内涝带来的次生灾害影响深远。 2 1 1 北京市降雨特点 北京地区年间降雨和年内降雨均表现出分配不均匀的特性。图2 1 1 是1 9 8 8 年至2 0 0 7 年北京地区月均降雨最变化曲线，可以看出月均径流量及径流c 。值( 径流分配变差系数， 反映径流分布不均匀情况【3 3 1 ) 均在6 8 月较高，表明多年平均降雨条件下，汛期集中程度 和径流相对变幅都比较显著，径流集中分配在6 8 月，汛期径流占年均径流的7 7 ，年内 径流呈单峰型。径流变差系数在5 8 月较高，这几个月内径流分配系数越大，则该月径流量 分配不均匀，各场次雨量相差较大。7 月径流分配系数最大，表明该月各场次雨量相差较大， 出现极端暴雨的可能性最高。 图2 1 1北京地区多年月径流变差系数与多年月平均降雨量 图2 1 2 北京年问变差系数变化 1 9 8 8 到2 0 0 7 年的年间变差系数变化见图2 1 2 ，1 9 8 8 1 9 9 9 年的c v 较2 0 0 0 年后的值偏 3 北京建筑工程学院 【第二章】 大，表明北京地区年内降雨分配差异在2 0 0 0 年以后有所降低，2 0 0 0 年到2 0 0 5 年内各月降 雨量差别较2 0 0 0 年之前前小，全年降水差别平均。 北京某地区5 0 年代至2 0 0 0 年后的几场典型降水径流特征值见表2 1 1 口4 1 。从8 0 年代到 2 0 0 0 年后城区场次降雨量呈减少趋势，最大1 小时降雨量在8 0 年代达到最大而后逐渐降低。 对于同量级降雨汇流历时缩短，峰现时问提前，如“1 9 9 0 0 8 0 1 “ 2 0 0 4 0 7 1 0 ”两场降雨的降水量 相差不大且最大小时降雨量、径流深均以前者居多，但后者汇流历时缩短了3 8 ，峰现时 间提前5 ，但洪峰流量与径流系数却变小，可能原因是汛期常出现局部强降水，产生洪水 过程涨落较快，峰高线窄，而之前的洪水涨退水过程比较缓慢，产生的洪量较大。 表2 1 1 北京城区5 0 年代- 2 0 0 0 年后典型降水径流特征值 洪号降雨量最大l h 降阿量径流深径流系数峰现时间汇流历时洪峰流量 1 9 5 9 0 7 2 11 2 1 34 6 05 0 30 4 18 02 2 01 6 6 0 1 9 5 9 0 7 3 1 1 2 4 0 7 5 05 9 50 4 84 02 2 0 1 8 6 0 1 9 5 9 0 8 0 61 0 8 94 9 53 9 3o 3 66 o1 8 o1 9 5 o 1 9 5 9 0 8 1 31 3 9 67 3 07 5 50 5 49 02 0 01 8 6 0 1 9 6 3 0 8 0 93 5 9 18 3 21 8 7 30 5 22 0 04 4 02 6 1 0 1 9 8 3 0 8 0 41 3 3 24 3 37 3 50 5 54 0l o 03 8 8 0 1 9 8 4 0 8 1 09 8 73 5 95 4 1o 5 57 o1 2 03 2 0 0 1 9 8 5 0 7 0 24 2 54 0 81 5 90 3 8 5 0 1 1 01 0 3 0 1 9 8 5 0 7 0 35 8 24 0 02 8 80 4 91 01 0 01 8 1 0 1 9 8 6 0 8 1 9 6 8 o 5 3 3 3 4 2 0 5 03 01 3 02 8 3 0 1 9 8 7 0 8 1 3 5 5 o2 1 9 2 5 50 4 64 01 2 0 1 6 3 0 1 9 9 0 0 7 3l4 5 53 9 62 3 o0 5 l2 01 0 02 1 6 0 9 9 0 0 8 谚黔磁勰笼豹。珑魏5 鬼貔兹缎或2 5 8 澎i 1 9 9 1 0 81 44 3 33 7 72 6 4o 6 01 05 o2 5 2 0 1 9 9 2 0 7 2 33 8 o2 9 42 3 50 5 41 o4 o2 1 0 0 1 9 9 2 0 7 2 55 2 32 5 92 6 40 5 l3 o6 o2 1 5 0 1 9 9 3 0 7 2 53 4 82 4 31 6 20 5 32 05 01 6 8 0 1 9 9 4 0 71 21 2 1 51 7 17 2 9o 6 l51 52 0 3 1 9 9 6 0 7 1 99 9 62 1 27 7 20 6 9 41 4 2 8 8 1 9 9 6 0 8 0 4 7 3 7 1 74 0 90 5 551 01 9 1 2 0 0 4 0 71 08 l2 7 9 2 80 3 5 3 8 7 42 4 6 2 0 0 4 0 7 2 94 4 6 1 81 4 90 3 34 481 8 7 2 0 0 5 0 7 2 26 9 71 0 21 9 6o 2 82 7 73 47 2 5 2 0 0 5 0 8 0 35 l1 7 91 2 8o 2 52 91 01 3 4 2 0 0 5 0 8 0 42 9 39 61 1 50 3 91 3 11 6 69 8 6 2 0 0 6 0 6 2 93 61 4 11 0 9o 31 4 22 46 8 1 2 0 0 6 0 7 0 93 4 93 1 29 40 2 746 5 1 1 l 2 0 0 6 0 7 1 03 71 41 2o 3 2381 3 2 2 0 0 6 0 71 22 7 48 59 70 3 52 11 9 16 0 6 2 0 0 6 0 7 2 35 4 71 7 91 9o 3 52 4 53 71 9 i 2 0 0 6 0 7 3l2 0 81 1 17 10 3 46 52 42 5 3 2 0 0 6 0 8 1 0 2 5 31 2 2 8 30 3 31 73 24 7 2 4 北京建筑1 ：程学院 【第二章】 2 1 2 北京下垫面状况 北京建成区面积不断扩大，不透水面积不断减少。2 0 世纪8 0 年代前，北京城区基本在 二环以内，8 0 年代后，北京城市化进程加快，到2 0 0 3 年五环路通车到六环路建设城区从 6 0 k i n 2 发展到3 0 0 k i n 2 ，不透水面积达到8 8 3 4 。2 0 0 0 年后，由于北京奥运会的临近和人们 对环境质量要求的提高，内城四区多处硬化区域改造成绿地，使得不透水面积有所减少，不 透水面积率减少为8 6 2 4 1 ，北京规划市区9 9 年和2 0 0 5 年不透水面积对比见表2 1 2 。2 0 0 5 年与1 9 9 9 年比，市区透水性面积增加2 6 3k m 2 ，透水性面积比例提高6 4 ，不透水面积 比例降低4 3 ，但全市总体不透水面比例仍然很高。 表2 1 - 2 北京规划市区1 9 9 9 年和2 0 0 5 年不透水面积 年代1 9 9 92 0 0 5 透水面积不透水面积合计不透水率透水面积不透水面积合计不透水率 地域 k m 2k m 2k m 2 k m 2k m 2k m 2 海淀区5 0 3 4 21 4 6 2 71 9 6 6 27 45 9 0 91 3 7 5 31 9 6 6 27 0 朝阳区2 4 6 0 22 2 8 7 04 7 4 4 24 82 6 4 9 52 0 9 7 74 7 4 7 2 4 4 丰台区7 5 3 51 1 8 0 01 9 3 3 56 l7 3 7 31 1 9 6 21 9 3 3 56 2 石景山区3 0 6 45 5 0 l8 5 6 56 42 9 7 65 5 8 9 8 5 6 56 5 内城四区1 0 5 07 9 1 68 9 6 68 81 1 8 27 7 8 48 9 6 6 8 6 规划市区4 1 2 8 56 2 7 1 41 0 4 0 0 06 04 3 9 3 5 6 0 0 6 41 0 4 0 o o5 8 2 1 3 北京城区积水状况 北京由于城市化的速度较排水系统发展快，导致现有排水系统不能满足暴雨时尽快排走 雨水的需求，尤其近年来暴雨事件的增多，导致城区积水现象也随之增多。图2 1 3 是北京 市积水点分布状况。 i l f i ，m u j m l l l w 孑 膏t 狮l l $ 1 t l 。， ，”f ，7 订 ， ，_ v ， ； 二， 2 ， _ t 蝴浦 ： 、，“二 s o , a t c m ， l j 。、i ，： ；。， 。、， 一。盘。 n ? 一一“ m 一1 j y + ， 9 ，一- | 一，7o ，。* 轴k7 椭、，弩 镪“o n 瞒删，? 蕾铲 ” 。二删蕾 + 嘲瑚 ，蟹帅- 一 。一 黼南。绷删。嘲 ； ? ? ，? ，“，| n 一 ，、 ?。，+ ， 桷嘣 州。麓菇_ 确f “： ，。， “。+ 1 1 - 粕喇一。， 雷 寸 南_ 。 。暖嚣 l 瓿拳盎 图2 1 3 北京城区积水点分布图 北京市区的积水点主要集中在北四环至北五环的中关村到卜地地区，以及西四环、南二 环等干线，包括知春路铁路桥下、红领巾桥、赵公口桥等共7 0 多个点，多为立交道路积水。 近年来北京暴雨积水现象频频发生，1 9 9 6 年7 月2 1 日北京城区降雨6 0 l o o m m ，造成4 3 处积水，机场高速公路交通r i 断，延误航班；2 0 0 4 年7 月1 0 日下午1 5 2 l 时北京地区遭 5 北京建筑工程学院 【第二章】 遇了一场1 0 年不遇的暴雨，1 0 日下午1 6 时到2 2 时，城八区累积降水量超过7 0 m m ，主城 区降雨量最大，最大降水量达ll o m m 以上，莲花桥积水深度达1 5 m ，此次暴雨造成城区多 处房屋倒塌、人员受伤、部分地区严重积水，东城、西城、崇文、宣武四个内城区道路积水 严重，市区有4 1 处路段发生交通拥堵，2 1 个路段严重拥堵，本市主要干线的立交桥下，由 于瞬间积水严重，有的立交桥下积水甚至深达2 米，至少8 处立交桥行车瘫痪，经济损失巨 大，体现了城市化放大次生灾害的特征。表2 1 3 是近年来北京几场典型降雨情况，几次降 雨均造成相应路段出现积水，最大l 小时降雨量均达到5 0 m m 以上，对于降雨量超过5 0 m m h r 的降雨即易产生积水。 表2 1 - 3 北京市2 0 0 4 2 0 0 5 部分积水地r 降雨情况 降雨日期地点最大l h r 降雨量m m 2 0 0 4 6 2 7石景山杨庄5 8 5 2 0 0 4 7 9香山环岛8 0 2 0 0 4 7 1 0城八区l l o 2 0 0 4 7 2 4海淀区车道沟5 8 7 2 0 0 4 7 3l首都机场1 0 5 2 0 0 5 6 2 5红领巾桥东浦路6 0 2 0 0 5 8 3西客站北侧慢行线1 1 9 2 2 城市内涝灾害分析 通过北京市内涝分析可以看出，城市内涝灾害的发生往往是多种因素共同作用的结果， 与传统城市洪涝相比表现出不同特点，及诱发原因。 2 2 1 城市内涝灾害的类型 根据内涝灾害形成的机制，将城市内涝灾害分为4 类： 2 2 。1 1 风暴型内涝 多发生于滨海地区，如我国的广东、浙江、福建等地。这些地区不仅受内河洪水的影响， 还受台风、风暴潮影响，伴随着暴雨和特大暴雨。暴雨时常伴随着内河水位抬升、海水倒灌， 此外为了保护防汛设施安全，排水泵站停泵，造成内涝。该类内涝突发性强，波及范围广， 涉及城区大部分面积，危害巨大，严重影响人民正常的生产生活，给人民群众的生命财产造 成的损失巨大。一般可通过气象预警系统，提前预报，采取防范措施，降低损失。 2 2 1 2 河道洪水型内涝 发生于滨河城市，即位于江河及其支流沿岸的城市，如我国松花江流域的哈尔滨、黄河 上游的兰州、长江干流沿岸的武汉、南京等地。外河洪水是这些城市内涝的主要因素之一， 汛期暴雨频繁，雨量增多，外河水位抬高，导致城市内排水不畅，易形成内涝；此外融雪造 成外河水位抬升也是导致城市低洼地区内涝的原因。该类内涝影响范围较大，持续时间长， 6 北京建筑工程学院 【第二章】 一般在汛期发生，给城市的经济造成一定的损失，可通过预警系统提前采取防范措施减少损 失。 2 2 1 3 暴雨型内涝 多发生于平原城市，这些城市地区一般地势平坦、低洼，暴雨时降雨迅速汇流至低洼地 带，使城区汇水快，雨峰提前，排水慢，形成内涝。该类内涝历时短，灾害发生时间不确定， 主要受气象因素影响，灾害持续时间较短，局部城区受影响。 2 2 1 4 事故型内涝 城市排水系统突发事故，使泵站停泵带来城市积水，或城市排水系统不完善，实际排水 能力达不到系统标准造成的排水不畅，形成内涝。该内涝可能在任何时问发生，受人为因素 影响较大，持续时间短，带来的损失较前3 者小。 表2 2 1 不同类型内涝灾害 类型形成原因特点危害 风暴型内涝特大暴雨，风突发性强，受灾范围波及整个城市，受淹面积大，受灾范围广，损失 暴潮，台风可通过气象预警防范巨大，恢复时间长 河道洪水型内涝外河洪水汛期发生，有一定规律，部分城区受受灾范围大，持续时间长，损失 灾 巨大 暴雨型内涝暴雨，排水系突发性强，预见期短，受灾地区多为受淹范围小，持续时间短，间接 统不完善低洼带损失较大 事故型内涝排水系统事灾害成因、持续时间及受灾地点主要危害程度受人为影响，问接损失 故受人为因素影响较大 2 2 2 城市内涝灾害的特点 城市内涝灾害从成灾机理、表现形式、危害对象到影响程度与传统洪水灾害相比都发生 了显著变化，具有如下特点： 2 2 2 1 人为影响比重加大 全球气候变化带来的城市暴雨频发是内涝的主要因素，但是在城市这个小的区域中，人 为影响更加显著。首先城市化影响了局部气候，带来了降雨和蒸发的变化，此外更重要的是 城区土地利用方式发生了根本的改变。城区范围不断扩张，城市周边的河道和湖泊洼地等蓄 水体被挤占和填平，使原有蓄洪能力大大萎缩；城区不透水面积比例迅速提高，下垫面变化 致使产汇流条件发生改变，大量雨水由原来经过下渗后以壤中径流和地下径流形成汇流的形 式改变为由城市排水管道集中排放，造成相同强度的暴雨洪量增加，洪峰提前。城市化地区 洪峰历时缩短了1 3 ，洪峰流量为城巾化前的2 4 倍【1 3 】。 7 北京建筑工程学院【第二章】 2 2 2 2 内涝种类多样化 除去由暴雨引发的城市地表涝水现象，城市内涝的种类和原因更加复杂多样，局部积水 多有发生。如城市地下空间利用增加，地下停车场、地铁、地下通道、下沉广场等城市低洼 区域的排水设施不完备极易造成雨水倒灌；城市立交桥自身硬化程度高，产流量大，部分立 交桥区又属低洼地带，排水不畅时极易发生积水，使交通受阻，影响出行；城市供排水管道 由于人为、自然原因泄露、爆裂造成水溢流出地表造成局部积水等。 2 2 2 3 次生灾害比重加大 城市内涝具有受灾影响范围超出受淹范围、受灾时间延长的特点。城市供水、供电、 供气、交通、通讯等公共设施密集且系统之间联系紧密，因此局部受淹也会影响到整个社会 系统的正常运转，受灾影响的范围往往比受淹的范围大得多，受灾范围不易明确鉴定。内涝 灾害发生的时间不只在汛期，可能由于人为原因发生变化，灾害持续时间也可能由于人为延 长或缩短，例如城市给排水系统发生事故引起的水灾在任何时候都会发生【2 0 l 。洪涝灾害导 致城市环境污染及环境质量恶化，产生更为严重的社会影响和环境影响，次生影响加重【刀】。 2 2 2 4 灾害损失加重 城市由于人口和资产高度集中，洪涝灾害带来的损失十分巨大，现在受淹一次付出的代 价可能比以往的灾害损失提高几十倍，城市内涝除了给企业、公共设施、居民资产等造成直 接的经济损失，其间接损失往往大于直接损失，城市化具有使灾害影响放大和缩小的双重效 应，损失总值增大，影响的范围超出受灾的范围，造成的损失可能无以弥补【i 2 】。 2 2 2 s 防灾手段多样化，减灾对策系统化 由于城市内涝损失巨大，内涝防治需要高标准的防涝工程体系与调度管理，往往需要城 市水利和市政部门积极配合，修建耐水建筑，对城市雨洪进行科学管理。针对不同原因造成 的内涝，需采取不同的应对措施，同时需要建立科学合理的灾害预测、预警系统，并配合社 会保障体系的逐步完善，以有效减小水灾损失。 2 2 3 城市内涝灾害的成因分析 城市地区下垫面条件的复杂性以及人为因素影响比重加大，导致城市发生内涝的原因也 是多种多样的。 2 2 3 1 自然原因 ( 1 ) 气候因素。全球气候变化和城市化的影响，城市发生极端天气的几率增大，暴雨次数 增多，强度加大。强降水事件在美国、澳大利亚、加拿大、挪威和墨西哥、波兰均有所增加 【1 9 1 。我国属于温带大陆性季风气候，降雨年内和