（水文学及水资源专业论文）城市雨洪关系分析与模拟.pdf

摘要 随着城市化的发展，城市的洪水灾害在国家和地区的历年灾害损失中所占的 比重越来越大。要从根本上解决城市洪涝灾害，还有大量工作要做，其中最关键 问题是必须深入研究城市地区水文变化规律和城市发展对水文特性的影响过程， 这样刁。能合理和有效地进行排水工程规划设计与决策管理。 本文针对目前的研究状况和需要，结合上海市城区产流及排水特点，研制出 较为适合我国城市化影响地区通用的雨洪数学模型，并通过与地理信息系统结 合，开发了一个操作简单、形象直观的可视界面。模型针对实时和规划条件，动 态模拟区域内备排水片和街区的地面积水过程，满足了市区防汛预报、水情分析、 工程规划与决策管理等工作的要求。 根据历史上已发生的特大暴雨过程的实际调查结果表明，模型模拟的结果是 良好的。 关键字：城市化、城市雨洪模型、地理信息系统、地面积水模拟 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f u r b a n i z a t i o n ，t h ep r o p o r t i o no f f l o o dc a l a m i t yo f c i t yi s h e a v i e ra n dh e a v i e ri nl o s i n go v e rt h ey e a r si nc o u n t r i e sa n dr e g i o n s i no r d e r t os o l v e t h eu r b a nf l o o dp r o b l e mf u n d a m e n t a l l y , t h e r ei sal a r g ea m o u n to f w o r kt ob ed o n e a m o n gt h e mt h em o s tk e yp r o b l e m i st of u r t h e ri n v e s t i g a t et h eh y d r o l o g yc h a n g i n g r e g u l a t i o ni nt h eu r b a na r e a sa n di m p a c to nh y d r o l o g y c h a r a c t e r i s t i cf o rc i t y 。s d e v e l o p m e n t i tc o u l db er a t i o n a la n de f f e c t i v e l yt om a k ep o l i c ya n d m a n a g e ，t op l a n a n dd e s i g nd r a i n a g es y s t e mi nt h i sw a y a c c o r d i n gt o t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t e sa n dn e e d s ，ar a i n f a l lr u n o f fm o d e l s u i t a b l ef o rc i t yf l o o ds i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e df o rs h a r i g h a ib a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp r o d u c i n gr u n o f fa n dd r a i n a g e ，a n dav i s u a li n t e r f a c eu s i n go i s w h i c hc a nb ee a s i l yo p e r a t e di sd e v e l o p e d i nb o t hr e a lt i m ea n dp l m m i n gs i t u a t i o n s ， t h i sm o d e lc a r lb eu s e dt od y n a m i c a l l ys i m u l a t et h ew h o l ef l o o d i n gp r o c e s so fa l lc i t y b l o c k s i ts a t i s f i e st h en e e d so ff l o o df o r e c a s t ，f l o wc o n d i t i o na n a l y s i s ，e n g i n e e r i n g p l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ，a n dm a k i n gp o l i c ya n dm a n a g e m e n to f t h ec i t y a c c o r d i n gt ot h ea c t u a li n v e s t i g a t i o nr e s u l to f t h ec o u r s eo f e x t r at o r r e n t i a lr a i n t h a th a dh a p p e n e di nh i s t o r y , t h er e s u l to f m o d e ls i m u l a t i o ni sg o o d k e yw o r d s ：u r b a n i z a t i o n ，u r b a nr a i n f a l lr u n o f f m o d e l ，g i s ，f l o o ds i m u l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 5 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市化引起的水文效应 1 1 1 城市化 城市是第二、第三产业的载体，是经济发展的主要推动力，是先进思想、科 学技术、信息经济乃至信息社会发展的主要策源地。人口向城市地区集中，致 使城市区域不断扩张的过程称为城市化。城市化是现代化的基本进程和重要标 志，也是解决我国经济和社会发展诸多矛盾的关键。有利于现代文明的普及，促 进高新产业和经济的发展，提高国家的整体竞争力。改革丌放以来，随着工业化 的不断发展，城市人口的不断增加，城市区域不断扩大，城市化水平不断提高， 我国城市数量日益增多，规模不断扩大。实际上城市化是一个国家现代化的必然 过程，推进城市化是我国现代化建设的项重要任务。伴随着城市化和城市现代 化，也带来了诸多城市水利问题，改交了城市雨水的水文特性、水文环境和天然 排水系统，从而使城市内涝的排蓄条件不断恶化。目前，城市人口已达3 8 ， 到2 0 1 5 年，城市人口将超过5 0 ，城市规模在不断扩大【2 1 【。 到2 0 3 0 年，世界城市人口将超过6 0 ，我国城市人v a 也将达到6 0 ，超过 9 亿。城市的可持续发展将成为可持续发展的主要部分，直接关系到国家的繁荣 昌盛。现代城市要建立现代化的道路网、电力热力网、绿嘲、水网和信息网五大 网络，使物流、电流、能流、生物流、水流和信息流畅通，水网是其中至关重要 的环。水网的现代化是现代城市的重要标志，对水网的统一管理是水网现代化 的基础和保证。 1 1 2 城市化的水文效应 天然水循环的过程及分配方式，即雨水降落到地面以后，大约有1 0 形成地 表径流，4 0 消耗于陆面蒸发和填洼，5 0 通过入渗蓄存在地下水位以上的土壤包 气带中或通过重力形式补给地下水 4 l o 当土地开发为城市用地时，该区域就由天 然状态转为完全的人为状态，面城市中由于建筑物和地西衬砌的影响，不透水面 河海大学工学硕士论文城市雨洪关系分析与模拟 积扩大、汇流速度加大并且蓄水能力减弱，截断了水份入渗及补给地下水的通道， 导致地表径流增大，土壤含水量和地下水补给量减少。 城市中建筑物密集，人类活动频繁，水资源紧缺和污染现象日益加剧，同时 城市空气中二氧化碳等气体和微粒含量要比乡村高很多，在夜间阻碍并吸收地面 长波辐射，加上城市的特殊下垫面具有较高的热传导率和热容量，又有大量的人 工热源，使得城市气候发生了变化，气温明显高于乡村，由此引发了“城市热岛” 效应，影响城市降水，经常会出现局部暴雨1 4 j i “。 城市化对水文过程的影响主要表现在以下几个方面，即对流域下垫面条件的 改变，对城市区域小气候的影响，洪水过程线的变化，对洪峰频率的改变，城市 水土流失以及城市水质的影响等i 6 _ | 。 1 1 3 城市化对降水的影响 城市化对降水量的影响，主要是由城市气候变化造成，在城市建设过程中， 所有的气候要素都有一定程度的变化。城市化对降水的影响是城市水文学中的一 个重要课题。城市化对降雨情势的影响是强烈的，年总降水量一般比非城市地区 天然总降水量偏高5 1 0 ，有时这种差别可能达到3 0 。 ( 1 ) 城市空气中二氧化碳等气体和微粒含量要比乡村高得多，必然会减弱 空气的透明度，减少日照时间和降低太阳辐射强度，但是，城市空气中的二氧化 碳烟雾会在夜间阻碍并吸收地面长波辐射，加上城市的特殊下垫面具有较高的热 传导率，其结果使得城市的气温明显高于附近郊区，这种温度的异常被称为城市 热岛效应，由于热岛效应的存在，城市空气层很不稳定，有利于产生热力对流， 当城市中水汽充足时，容易形成对流性降水。 ( 2 ) 城市中下垫面被剧烈地改变，辐射平衡被打破，人口集中、房屋密集、 高楼林立，道路纵横交叉，所占面积均系不透水面积，汽车拥有量增加排放的尾 气，使城市上空的局部小气候有了明显的改变，有利于降水的形成，使降水量增 加。尤其是汛期大暴雨次数及在大暴雨中降水总量和平均雨强增大，并且在给定 的历时内，特定的平均降水强度经常出现，亦即城市化使市区暴雨出现的几率明 显增加，但降水的年内分配变化不甚显著川5 1 | 7 州。 2 第一章绪论 1 1 4 城市化对蒸发的影响 在城市化条件下，蒸发的变化相当复杂2 1 | 1 f ”。由于较大的受热量和蒸发表 面积造成了城市蒸发能力提高，但是城市化改变了下垫面条 牛，不透水面积增加， 据国内外有关科研机构对受城市化影响地区的试验观测资料表明：随着城市化、 城区排水系统的不断完善以及植被覆盖率的逐步减少，地表滞水迅速排泄，城区 可供蒸发的水量较少，局地蒸发量大为减少，绝对湿度也较非城市化地区低。一 般来说，水面蒸发的地区变化和年际变化相对较小。 1 1 5 城市化对径流的影响 伴随着城市化的进程，城区土地利用情况改变m ，如清除树木、平整土 地、建造房屋、街道、覆盖排水河道、垦殖水域洼地、缩小水面率、兴建排水管 网等，从而减少蒸发、截留与下渗，直接改变了当地的附洪径流形成条件。流域 降雨径流关系随时间的推移将发生显著的变化，单位线形状亦随之发生改变，城 市化后单位线的洪峰流量约等于城市化前的三倍，涨峰历时缩短三分之一。城市 化改变了天然状态下的产汇流特性。 ( 1 ) 雨水降落到地面后，由于城市地面硬化，地表不透水面积( 如屋顶、 停车场、街道、入行道等) 增加，下垫面糙率显著减少，导致这些面积内的下渗 量基本为零，地面蒸发与洼地蓄量也相应减少，而由降水形成的地表径流却相应 增大，而且汇流历时缩短，从丽使城市的雨洪径流明显增大，径流系数提高。 ( 2 ) 在城市化流域，为使市区免遭淹泡，往往设置边沟、雨水管网和排水 沟，排水管网密布，同时，对天然河道整治疏浚，并裁弯取直，这些措施增加了 汇流的水力效率，加快了汇流速度，增大了雨洪径流总量。使洪峰流量增高和峰 现时间提前。此外。由于入渗量随城市化程度的增加而减少，导致地下水补给量 减少，基流减少并降低地下水位，如超量开采地下水将使地下水水位下降过快， 地表水、地下水转换机制将遭到严重破坏。 河海大学工学碗士论文 城市雨洪关系分析与模拟 城市化前后的流量过程线如图1 - 1 所示1 1 0 流 量 时间 图1 - 1 城市他对流域的影峨 城市化带来的这些影响是相当大的，城市雨洪径流的增加和流速的加快，常 会冲毁道路、桥梁，导致市内低洼地区的淹没积水，造成交通运输和通讯的中断； 城市雨洪径流增加后，使已有排水明沟、暗沟以及桥涵过水能力感到不足，以致 引起下游洪水泛滥，造成交通中断、地下通道淹没、房屋和财产遭受破坏。因而 城市化引起的水文问题是城市水文中重要课题之一。 1 1 6 城市化的河道 城市化的发展，往往在先已存在的天然河网中增加了许多人工河道，郊区的 河网中，一部分是天然的、另一部分是人工河道。 阁1 2 表明了这样的差别，城市的行车道建在高于用围环境的某一高度上， 而四邻的街道却建在低于周围的某一高度上，这就使街道起了排水道的作用。通 常，街道中心有一个路拱，水朝两旁的边沟排除。河道网络的变化大大加快集水 的效应，因此，暴雨流量过程线的峰值和洪水滞时发生变化，从而使城市地区易 产生爆发性洪水，在城市化地区，不能只考虑不透水表面的威胁，而忽略与排水 管网改变有关的一系列同等重要的问题j 。 4 第一章绪论 、 、 ， ， ， ， b 图1 - 2 假设的市郊区河网的排水网络变化 图中a 为原始河网，b 为由于城市化而建造的街道、边沟币排水道c 为部分天然 部分人工的总河网。 1 2 城市排水管网 排水管网的建设是城市基础设施建设的一个重要组成部分，其规划设计、体 制选择、城区管网改建、管理维护等方面的实施，在经济建设的发展、城市的环 境免受污染、保障人民健康与正常生活方面均起着至关重要的作用1 2 l 。 1 2 1 城市排水管网系统 在城市居民的生活中，每天都产生大量的污物和污水，如果不及时排除就会 影响人们的正常生活。在工业、企业生产中，几乎没有一种工业不用水，生产中 每时每刻都产生废水，不及时排除就会影响正常生产。城市区域不透水地表比例 很大，从而破坏了原有的自然降雨径流过程，使径流量变大，如果不及时排除净 雨和融雪产生的径流，不仅会给城市的生产和生活带来不便，而且可能造成洪、 涝灾害，引起严重后果。因此，城市必须采用排水管网系统收集、输送生活与生 产过程中产生的污水和降雨的径流。 城市排水管网系统是重要的城市基础设施，其任务是收集、输送城市产生的 生活污水、工业废水和城市降水、融雪产生的径流的一整套工程设施，它具有保 护环境和城市减灾双重功能。它包括地下管道、暗渠与地表的明渠以及城市的内 河及防洪设施。包括污水管网、雨水管网、合流制管网以及城市内河与排洪设施。 城市排水管网系统的作用就是及时可靠地排除城市区域内产生的生活污水、工业 河海大学工学碗士论文城市雨洪关系分析与模拟 废水和降水、使城市免受污水之害和免受暴雨积水之害，从而给城市创造一个舒 适安全的生存和生产环境，使城市生态系统的能量流动和物质循环正常进行，维 持生态平衡，保证可持续发展。 1 2 2 城市排水管网系统分类 ( 1 ) 排水系统的体制【2 川3 j 对城市和工业企业的生活污水、工业废水和降水骶采取的不昂的收集与摊除 方式所形成的为排水系统，称为排水系统的体制，可分为合流制与分流制。合流 制是将生活污水、工业废水与降水混合在同一。套管网系统内排除的排水系统：分 流制包括污水管网和雨水管网，即将生活污水和工业废水用一套或一套以上的管 网系统，而雨水用另套管网系统排除的排水系统。 合理地选择排水系统的体制是城市和工业企业排水系统规划设计的重要问 题。它不仅从根本上影响排水系统的设计、施工与维护管理，而且对城市和工业 企业的规划和环境保护有重大影响，同时也影响摊水系统的工程总投资以及运行 与维护管理费用。通常应在满足环境保护要求的基础上，根据当地条件，通过技 术经济比较来确定排水系统的体制。 由于城市排水对下游水体造成的污染和破坏与排水体制有关，为了更好地保 护环境，一股新建的排水系统均应考虑采用分流制。只有在附近有水量充沛的河 流或近海而发展又受到限制的小城镇地区，或街道较窄、地下设施较多、修建污 水和雨水两条管线有困难的地区，以及雨水稀少和雨、污水要求全部处理的地区， 才考虑选用合流制排水系统。 在一个城市中，有时是混合排水系统，即既有合流制又有分流制的排水系统。 混合排水系统通常是在有合流制排水系统的城市中，扩建部分采用了分流制而出 现的。在大城市中，因各区域的自然条件以及修建条件有很大差别，可以因地制 宜地在各区域选用不同的排水体制，但应注意不同排水体制管网之间的连接问 题。 ( 2 ) 分流制排水系统 分流制排水系统根据排除雨水方式的不同，又分为完全分流制和不完全分流 制。完全分流制排水系统具有完整的污水排水系统和雨水排水系统。不完全分流 6 第一章绪论 制只有污水排水系统，未建雨水管道系统。雨水沿自然地面、街道边沟、沟渠等 原有雨水渠道系统排泄，或者在原有渠道排水能力不足之处修建部分雨水管道， 待城市进一步发展或有资金时再修建雨水排水系统，逐步改造成完全分流制排水 系统。 1 ) 城市污水管网 城市污水管网包括收集和输送城市生活污水和工业废水的管道系统。它由室 内污水管道系统和设备、室外污水管道系统和附属构筑物、污水提升泵站及压力 管道、排入水体的出水口等组成。 2 ) 工业废水排水系统 工业废水排水系统是将车蒯及其他排水对象所排出的废水收集起来，送至回 收利用和处理构筑物或排放，主要由车闻内部的管道系统和设备、厂区管道系统 及附属构筑物、必要的污水处理系统、污水泵站及压力管道或接入城市排水系统 的管网组成。工业废水的水质十分复杂，应根据水质、处理和回收利用等条件分 质收集、处理和排放，经回收、处理后的水，可再利用，也可排入水体或排入城 市排水系统，若水质比较干净可以不经过处理直接排入水体。 3 ) 雨水排水系统 收集并排除降雨径流和融雪径流的管渠系统称为雨水排水系统。雨水排水系 统主要由房屋雨水管道系统和设备、道路排水系统、街道或厂区雨水收集与管渠 系统、道路雨水管渠系统、雨水泵站及压力管、出水口及排洪沟等组成。 ( 3 ) 合流制排水系统 合流制排水管网系统是将生活污水、工业废水和雨水混合在同个管渠系统 内排除的管网系统。它有直接排入水体的旧台流制、截流式合流制和全处理式合 流制三种形式。 将城市的混合污水不经任何处理，直接就近排入水体的排水方式称为旧合流 制或直排式合流制。国内外老城区的合流制排水系统均属此类。由于污水对环境 造成的污染越来越严重，必须对污水进行适当处理才能减轻城市对环境造成的污 染和破坏，为此产生了截流式合流制。截流式合流制式在旧合流制基础上，修建 沿河截流干管，在城市下游建污水处理厂，并在适当位置上设置溢流井。这种系 统可以保证晴天的污水全部进入污水处理厂处理，雨天一部分污水得到处理。在 河海大学工学硕士论文城市雨洪关系分析与模拟 降雨量较小或对水体水质要求较高地区，可以采用全处理式合流制，将生活污水、 工业废水和降水全部送到污水处理厂处理后再排放。 1 2 3 城市管网排水面临的问题 城市排水管网系统的建立是随着城市发展而逐渐形成的。我国正处在城市化 高速发展时期，随着城市的发展，经济生产的不断调整，新开发区的建立，城市 道路不断修建。旧城区的改扩建等，排水系统也在迅速建立，排水管网的普及率 在逐年提高，现代城市排水管网的设讨、施工与管理任务繁重，城市排水管网事 业存在高速发展的机遇，同时也面临着新的挑战l 畦峭j 。 ( 1 ) 建设投资短缺，管网建设欠账随着我国综合国力不断增强，城市交通、 绿化、景观建设、环境建设的投资增加比例较大，但是城市排水管网工程的投资 力度低于城市的发展速度，造成很多城市的排水管网超期服役。不仅排水能力低 下，而且渗水和漏水情况严重。我国的很多城市在降雨期间严重积水，给城市的 交通和市民的正常生活带来不便。部分城市的局部排水管网已经变为压力流，给 日常养护工作造成困难。现代化的城市必须要有现代化的地面建筑，也应该有与 之配套的地下基础设簏，城市排水管网的改扩建工程必须给予高度的重视。 ( 2 ) 管网配套滞后，处理能力浪费，由于国家对环境保护工作的重视全 国各地正在建设或筹建城市污水处理厂。由于对城市排水系统理解的偏差和投资 渠道等原因，部分污水处理厂建设单位只注重污水处理项目，而忽视配套排水管 网的建设，造成许多已经建成的城市污水处理厂达不到设计处理能力，而又有大 量的污水直接排放的尴尬局面。我国大部分城市的排水系统都是既有合流制又有 分流制的混合排水体制，修建城市污水处理厂必须对排水流域内的排水管网系统 进行彻底改造。才能保证该流域的污水全部进入污水处理厂。 ( 3 ) 科学研究投入量少，管理水平亟待提高。近年来，我困在城市排水方 面的科学研究资金都集中在污水处理技术方面，在铖市排水管网方面的投入极 少。科技进步对城市排水管网领域的推动作用不大，造成城市排水管网管理水平 低。多数城市的城市污水处理厂和城市排水管网分别由两个部门管理，给城市排 水系统的正常、合理、经济运行造成一定困难，管理体制也亟待理顺。先进的城 市污水处理厂管理模式与落后的城市排水管网管理现状形成强烈的反差。 第一章绪论 随着城市化进程的加快，城市规模不断扩大，城市的洪水灾害在国家和地区 的历年灾害损失中所占的比重越来越大。要从根本上解决城市洪涝灾害，还有大 量工作要做，其中最关键问题是必须深入研究城市地区水文变化规律和城市发展 对水文特性的影响过程，这样才能合理和有效地进行摊水工程规划设计与决策管 理。 1 3 国内外城市雨洪模拟技术的发展 随着城市化的发展，城市的雨水排水系统已由原来的沟渠变为复杂的边沟、 渠道和地上地下管渠网。由于这一系统的复杂性不断增加并且对排水的要求也越 来越高，因此必须对这一系统的水文学和水力学特性有更全面的的理解l i3 1 。城 市化地区的雨洪特性与天然流域相比有以下特性| 1 w ： 1 ) 地表覆盖复杂 城市化地区，有屋顶、街道、人行道等基本不透水表面；有草地、花园、裸 等透水表面；还有透水性介于两者之阃的半透水表面，如碎石道路、砖路、停 车场等，此外还有池塘，湖泊等水面。地表覆盖的多样性，导致了地表径流极不 稳定，水流方向、流速、水深等都很不稳定，地面汇流极其复杂。 2 ) 城市地区的发展很快，下垫面变化也很大从而导致城市产汇流性质发 生变化，在城市地区，常常建有大量水工建筑物，如泵站、涵洞、闸等，水流在 进入和通过这些构筑物前后，性质会发生很大的变化。 3 ) 城市排水系统复杂多样，可能是简单的树状，也可能是复杂的环状回路， 管网中的水流可能是自由出流，也可能是有压流，在排水系统的出口，还可能收 到下游河水或潮水的顶托。 因此需要建立适合城市化地区的雨洪模型来进行模拟计算。 1 , 3 1 城市雨洪模型概念 1 ) 模型 模型是指比原型简单的系统，它是根据需要，对实际原型进行概化，并且能 反映原型特性的系统。模型不等于理论，模型所提供的是具有一定精度的系统的 预测，而理论则提供对系统运行规律的理解。在水文学中，模拟模型是代表流域 9 河海大学工学硕士论文城市雨洪关系分析与模拟 中某一阶段水体运动过程数学描述，它将水文现象中的物理概念或状态方程概化 为一个推理计算格式，按水文现象的时序关系、空间关联、水力联系建立起有序 的逻辑协调的计算模式【i o i 。 2 ) 城市雨洪模型 城市雨洪模型即城市水文模型，指在各种条件下，根据城市地区的降雨径流 规律，充分利用现代水文水力知识，从数学上模拟城市雨洪排水系统的特性，以 便对有关问题作出较好的决策，这些问题可被看作为规划问题、设计分析问题和 运行问题，雨洪模型的正确使用是基于这样的前提，即它们在可接受的精度范围 内能复制出现实情况下雨洪排水系统的基本性能f 15 1 。 城市水文模型一般分为三大类 6 l ，即以经验公式为基础的城市水文模型，以 现代流域水文模拟为基础的城市水文模型及城市水质模型。 我国对城市径流模型的研究起步较晚，目前也有一些结合我国实际的研究成 果问世。如对雨水管网模拟的扩散波简化和运动波简化方法，对地表径流系统的 模拟技术包括：推理公式法，等流时线法和瞬时单位线法。 1 3 2 推理公式法 在城市雨水径流计算方法中，推理公式法是世界上应用最广泛的方法，它本 质上是推求洪峰流量的方法。其基本形式为： q = c i a ( 1 1 ) 式中：q 洪峰流量 f 设计雨强 4 流域面积 由式( 1 1 ) 可知，推理方法的基本原理是在稳定降雨强度下，当汇水面积 最大、最远点的雨水流到设计断面时，将出现最大流量q ，或者说，当降雨历时 等于集水时间( 就是汇水面积上最远点的水流到设计断面的时间) 时，会出现最 大流量。 由于推理公式法比较简单，所需资料不多，而且对于较小的城市流域，往往 是能够满足精度要求的，因而一直是雨水径流计算的主要方法，受到人们的欢迎， 1 0 第一章绪论 但也存在很多问题： 1 ) 该法假定降雨强度在整个历时内是常数，汇流面积随时问是线性增加的， 但实际上雨强是不断改变的，当历时较长时尤其如此。同时，当流域面积较大， 形状复杂时，汇流面积随时间的增长常常是非线性的，这种时候按公式计算得出 的下游管段的设计流量会出现较大的偏差。 2 ) 该法假定设计暴雨历时等于流域的汇流时间，用汇流时间带入暴雨公式 中求设计暴雨。而降雨是随机事件，其历时很可能超过推理公式中应用的汇流时 间。 3 ) 径流系数反映了降雨损失情况，它与许多因素有关，如雨强大小、降雨 历时、土壤下渗能力、地表坡度以及流域的地面性质，而用推理公式进行实际计 算时，往往只考虑到地面性质，从而给计算成果带来误差。 4 ) 土壤前期适度条件很可能对洪峰流量有显著的影响，而应用推理公式法 却不能反映这种影响。 5 ) 推理公式法只给出了洪峰流量，而不能推算出流量过程线，有时不得刁； 配条概化过程线，但精度往往很低。这样，当需要设计雨水调节池，抽水泵站 等水工建筑物，计算合流制排水管道溢流流量和进行水质研究时，该法就无法适 应要求，就需要种更加先进的方法。 1 3 3 等流时线法 等流时线法根据初流量是由流域上的降雨形成的概念，把汇流过程与流域形 态相联系，并可处理降雨空间分布的不均匀性，做法是对各块等流时面积按实际 的净雨计算。而且等流时线法中的参数可根据流域状况直接估算，不一定需要实 测径流资料，这些是等流时线法的优点【”l 。 但由于等流时线实际上并不存在，尤其对城市地面汇流来说，由于各子区域 形状复杂，局部分水岭很多，流域汇流速度在一次洪水过程中随坡地、河网的特 性而变，因此，等流时面积实际上是很难划分的，从而使该法在城区的应用受到 很大限制。 河海大学工学硕士论文 城市雨洪关系分析与模拟 1 3 4 城市雨水管道计算模型( s s c m ) 城市雨水管道计算模型( 简称s s c m ) ，主要用于城市雨水管道系统的设计 和校核，也可作为城市雨洪模拟模型，用于城市雨洪的控制和雨水污染防治等。 该模型在回水影响不严重，精度要求不高的管网计算中，流量过程在管渠中的传 播可采用简单的过程线漂移法( 流量过程线滞后叠加法) ；当精度要求较高时， 采用明渠非恒定流计算方法( 扩散波法) 。模型中没有考虑压力流，也没有考虑 环状管网【j “。 目前国内的一套城市排水计算方法，主要适用于城市小区管道排水系统规划 和设计，无法满足排水系统的超载分析及地面淹水过程的模拟计算。 1 , 3 5 国外雨洪模型 美、英、法、德等发达国家从六十年代超，开始研制城市雨洪模型，以满足 城市排水、防洪、环境治理、交通运输、工程管理等各方面的要求，目前在这方 面取得较大进展，许多模型已广泛应用于雨水管道系统的规划、设计和管理。他 们在七十年代初提出了几种通用的雨洪模型并在其后的实际应用与深入研究中 得到完善，当前最著名的有1 1 】： 1 ) 公路研究所法( t r r l ) ，这是英国公路研究所根据时间一面积径流演算方 法提出的一种城市径流模型。是种恒定流流量过程线演算方法，该模型在美国 称为r r l 法。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，因此忽略全部透水地表和不与排水系统直接连接的不透水地表面积。实践证 明r r l 模型估算的洪峰流量和径流量偏低。从演算的观点看，t r r l 法基本上是 线性运动波演算。它假设管道水流在瞬间是恒定均匀的，它允许某瞬时流量过程 线变形和流量衰减，但是它不考虑回水影响和管道蓄水，该模型在预测透水地表 所占比例相当大时的暴雨径流很差。 2 ) 英国环境部及全国水资源委员会的沃林福特程序( w a l l i n g f o r d p r o c e d u r e ) ，它是在六十年代的过程线方法_ t r r l 程序的基础上发展起来的， 可用于复杂径流过程的水量计算和模拟、管理设计优化，并含有修正的推理方法。 该方法将每个子流域分为：铺砌表面、屋顶及透水区三部分，在计算各种表面产 1 2 第一章绪论 流量时，必须先计算流域总的出流百分率，以确定各地表的出流率。 3 ) 美国陆军工程师兵团水文学中心的蓄水、处理与溢流模型 ( s t o r a g e ，t r e a t m e n t ，o v e r f l o w ，r u n o f fm o d e ls t o r m ) ，该程序可以计算径流过 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。 该模型根据土壤类别、土地利用情况这些较易确定的资料，便可通过综合指标号 ( c n ) 计算出净雨过程，但径流曲线号是根据闩降雨量径流量记录经验型确定 的，用来估算一次暴雨中净雨增量是有问题的，另外，对于中、低径流事件，次 法预报偏低。 4 ) 美国环保局的雨水管理模型( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e ls w m m ) ，它 能模拟降雨和污染物质经过地面、排水管网、蓄水和处理设施，最终到达受纳水 体的整个运动、变化的复杂过程，可作单一事件或长期连续时期的模拟。由于该 模型的求解不需要下游边界条件，当水流是缓流时，s w m m 不能考虑下游的回水 影响。在管内不考虑水跃或跌水。 此外还有伊利诺城市排水区域模拟模型( i l l u d a s ) ，伊利诺雨水管道系统模 拟模型( i s s ) ，辛辛那提大学城市径流模型( u c u p 瑚) ，水文计算模型( h s p ) ， l a v r e n s o i i ( 澳) ，c a r e p a s ( 法) ，q q s ( 德) ，r a t i o n a l ( 俄) 和w f p ( 英) 以及 众多的水质模型。 国外雨洪模型主要是用于规划设计，不能用于预测预报，并且其软件不公布， 计算速度比较慢，不能较好的适用于我国，尤其是些资料缺乏地区。 从以上分析可知，常见的几种城市雨洪计算方法基本上是集总型的黑箱子模 型，用以计算出口断面的洪峰或流量过程。它们没有多少物理基础，面对城市化 流域的迅速变化，只能经验性地修正其计算结果，因而，这些方法只能适用于具 有以下特征的简单城市排水系统：1 ) 流域面积在2 3 k m 2 以下；2 ) 具有树枝状 管网系统；3 ) 具有简单的出水口。随着城市化水平的不断提高，下垫面条件的 日趋复杂，城市水文学的研究已不能仅仅局限于城市化小区，它应能够分析大型 城市化地区的产、汇流特性。具有模拟有压流、回水、超载、倒流等复杂的水力 现象及环状管网系统的能力，以便为城市下水道和各种水工建筑物的布置、设计、 安装提供依据，这就迫切需要一种更为先进和完善的手段。 河海大学工学硕士论文城市雨洪关系分析与模拟 1 4 本文的任务 1 4 1 本文的意义 本文通过对城市化地区雨洪规律的深入分析，在对各类城市排水系统结构形 式和运行方式分析的基础上，研制一个适用于我国城市化影响地区通用的雨洪模 型，使模型不仅适用于城市地区，而且适用于受城市化影响的城郊和乡镇地区： 适用于管网为主的排水流域，可以用于管理管网为主的排水流域，亦可用于河网 排水流域的排水工程规划、设计、管理与决策工作。 1 4 2 本文的主要内容 检索国内外在城市雨洪模型方面的研究成果，充分借鉴利用现有的经验成 果分析城市化引起的水文效应以及现代城市管网排水所面临的问题，研制一个 较为适合我国城市化影响地区通用的雨洪数字模型，该模型能够在规划条件及实 时情况下，确定城市的积水区域、面积、水量、历时，通过深入研究城市地区地 表产流、坡面汇流、管网汇流、河网汇流、泵站排水以及水利工程调度运行的规 则，开发合适的水文水力计算模型，该模型由产流子模型，坡面汇流子模型，管 网汇流予模型，河网汇流子模型，泵站控制子模型构成。 由于模型计算的结果都是以数字来表达，很难一目了然显示出区域的积水情 况，因此，需要开发一个可视的模块，将地面积水- 睛况形象的显示出来。随着计 算机运用的推广，地理信息系统不再作为一个单独的应用领域，而是与其他技术 学科相结合。在水利学科中，通过g i s 对各种数据进行分析，并能与数值模型计 算相结合，使模型计算的结果能更形象直观地表达。本文通过与地理信息系统的 结合，使用地理信息系统二次开发组件m a p x 开发一个地面积水显示模块，动态模 拟地面积水情况，为防汛部门提供决策支持。 1 4 3 本文的研究实例 徐汇区是上海的中心城区，总面积5 4 7 6 平方公早，1 9 9 8 年常住人口8 4 f 8 万，人口密度是上海市平均人口密度的1 3 2 倍。徐汇区与黄浦江毗邻，区内地 1 4 第一章绪论 势低平，河网发达，属典型的平原感潮河网地区。受长江口潮汐及本地排水的共 同影响，河道水流呈往复状况，流向和流速不断变化。近j 十多年来，随着徐汇 区经济发展和城市化程度的加强，显著改变了区内原有的上地利用性质和排水系 统，水文气象特性也发生了变化，造成了洪涝灾情的新情况 i ”。 由于徐汇区具有典型的城市化地区的特征，水文边界条件复杂，影响因素众 多( 潮汐、河道水位、上游流量、下游顶托) ，城市排水系统调蓄能力较小，以 及城市汛情预报的可靠性还不够高，汛情发生时间、类型、范围、强度、历时均 具有一定的随机性。 鉴于上海市徐汇区具有我国沿海地区城市洪涝灾害的普遍特性，为了深入研 究适合我国城市化影响地区通用的雨洪模型，为防汛部门提供多层次的信息服务 和有效的支持手段，以徐汇区为典型进行了开发性研究。 口j 海大学工学硕士论文 城市雨洪关系分析与模拟 第二章城市雨洪模型 本文中提出的城市雨洪模型由产流子模型、坡面汇流予模型、管网汇流子模 型、河网汇流子模型、泵站控制予模型组成。 2 1 产流子模型 所谓产流，是指流域中各种径流成分的生成过程，其实质是水分在下垫面垂 直运行中在各种因素综合作用下的发展过程，也是流域下垫面( 包括地面和包气 带) 对降雨的再分配过程。不同的下垫面条件具有不同的产流机制，不同的 产流机制又影响着整个产流过程的发展，呈现不同的径流特征。 2 1 1 城市化地区下垫面特性 从城市地理学的观点出发，城市化的过程体现在土地利用情况的变化上。 城市化程度可分成四个阶段。”： ( 1 ) 农村阶段 农村阶段是指该区域的土地处在耕种或放牧情况的未开发阶段。 ( 2 ) 早期城市阶段 早期城市土地利用的特征是大量修建城市型房屋，但仍有不少土地被原有植 物所覆盖，植物与房屋共存，许多农村的小型社区和城郊就属于此类。 ( 3 ) 中期城市阶段 中期城市阶段是指住房、商业中心、学校和工厂等建筑物大规模发展和建设， 所有这些还伴随着越来越多的土地用于街道和人行道，在大城市郊区多属于中期 城市发展阶段。 ( 4 ) 后期城市阶段 后期城市阶段是整个城市更大发展的结果，可能使本地区原有的植物缩减为 零，地面完全以人工建筑物和某些设施所覆盖。 图2 一】阐明了两种极端的情况，一个是天然流域，一个是完全城市化流域。 天然流域的降水，部分被植物截留，其余部分经填洼、下渗当植被和土壤含水 量达到饱和时，超渗水就形成地表径流，同时壤中流也丌始流动，由于壤中流比 1 6 第二章城市雨洪模型 地表径流慢，所以壤中流汇入河道的时间较长。 在城市化区域，因为填洼和下渗几乎减少到零，相j i ：1 j 而言，地表径流产生较 快，因此城市化区域的降水很快填满洼地而形成地表径流，所有超渗水增大了河 流流量。 十 蒸发和散发 天然流域( 城市化前) 流 量 流 量 1 0 0 不透水的城市流域 图2 - 1 天然流域和城市流域的比较图 产流过程是降水与下垫面的多种因素相互作用的产物。降雨特性与下垫面条 件是影响产流的主要因素。城市化地区由于下挚面的硬化，造成其产流计算与天 然流域的产流计算有很大不同。因此，研究城市下垫面情况有助于研究城市产汇 流形成机制。 2 1 2 地面系统概化 城市地区下垫面的土地利用性质差别很大，但从下渗角度考虑，可以划分为 完全不透水面积和透水面积两类【1 9 】【2 0 】，这样，可以简化产流分析工作。 时间 河海大学t 学硕士论文城市雨洪关系分析与模拟 在实际情况下，往往难以精确地确定某一区域不透水面积的比例，通过航测 图或城市规划设计方案，可以得出城市各排水区域铺砌面积与透水面积比例，一 般，城市铺砌面积远大于完全不透水面积，因为铺砌面积中包含半透水砖石铺面、 出流经过透水面积的铺面、具有裂隙的铺面等等，而这三类铺面均存在不同程度 的下渗。 假设完全不透水面积f 1 可以由铺砌面积f o 乘以个小于l 的系数a 折算求 得，即 f 1 = a f 0( 2 1 ) 则透水面积f 2 应看成流域面积f 与不透水面积f 1 之差 f 2 = f - - f 1( 2 - 2 ) 2 1 3 完全不透水面积产流计算 完全不透水面积上的降雨损失为雨期蒸发，植物截流和洼地蓄水三类。 地面蒸发e 1 根据水面蒸发e 折算求得 e 1 = b 】e( 2 - 3 ) 植物截流一般不单独计算，因其特性类似于洼地蓄水，可归并于洼蓄量中分 析。洼蓄量d 应随降雨过程逐步累积至流域摄大洼蓄值d m ，其过程满足指数形 式 d ，：d 。( 1 一e 一( 懈r ) 7 。m ) ( 2 - 4 ) 在实际计算上，将上式写成按时段的递推公式形式 ( d m 一0 d m d i ) e 1 啪】峨p j e 、i d = e 】， ( 2 一j ) l0 只+ d ，e 1 ， 由水量平衡方程求出第1 时段地表净两 p e 1 + d ，一d i + 1只 e l ， 只se 。， ( 2 - 6 ) 由于不存在下渗，净雨在不透水面积上不会产生地下径流。 1 8 丁1 第二章城市雨洪模型 2 1 4 透水面积产流分析与计算 雨降到地面后，首先满足植物截留，湿润地表土壤和填洼等损失，然后当雨 强大于下渗率后，爿。产生地表径流尺，渗入到土壤中包气带层的水被土壤吸收， 当土壤含水量大于阳间持水量时，出现自由水在十壤中流动，一部分流出地面称 为浅层流或壤中流，另一部份继续下渗补充地下水，在城市中这两部分水在当次 洪水中基本不流出川1 2 2 l 。 透水面积降雨损失包括雨期蒸发、植物截流、填洼与土壤蓄水，计算的关键 是下渗量的分析。 土壤蒸发量与不透水面积类似： e 2 = 口2 e ( 2 - 7 ) 式中，b2 是地区性参数。 城市地区透水面积下渗量较大。为了简化计算，将植物截流和填洼统归于下 渗损失之中分析计算，假定流域平均下渗率7 满足霍顿方程f 2 3 i ： 厂，= 厂。p “+ ，。( 1 一p “) ( 2 8 ) 其中：厂i = 厂o p “ ( 2 - 9 ) 代表t 时刻平均毛管下渗率，下渗水量补充土壤包气带缺水。 ，2 = ，。( 1 一e “) ( 2 - 1 0 ) 表示t 时刻透水面积平均重力下渗率，下渗水量形成地下径流。如图2 - 2 所 示，霍顿下渗曲线是初始土壤含水量为0 时，连续充分供水条件下的下渗过程线。 f f m f 渺j 0a 1 9 1 o 留托鬟簟节参霸竣幕蠢髑 下渗率7 ，与土壤含水量w 的关系推导如下： = f f ，d t = f f f o e - k 出= - ( 1 - e - k ) ( 2 - 1 1 ) 将( 2 - 9 ) 式代入得 = 去( 7 。一7 ) ( 2 - 1 2 ) 或7 l = 一f 。k w ( 2 1 3 ) 将( 2 - 1 0 ) 式代入( 2 - 1 2 ) 式得 7 2 = k w f 。一f 。 ( 2 1 4 ) 因为土壤蓄水容量 暇= r 7 。d t = - * d t = 7 。k ( 2 1 5 ) 即 k = fa w m ( 2 - 1 6 ) 故有 7 ，= f 一。( 1 一w w d ( 2 1 7 ) 7 2 = 一fo , w w ( 2 1 8 ) 因此，根据霍顿下渗公式导出的土壤下渗率7 * u f ，与土壤含水量之间为线 性关系，这样，由式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) ，可以直接由土壤含水量w 推求流域平 均下渗率，和厂：。 由于城市化地区土地利用性质的复杂性，流域各处下渗能力差另, h b i 大，下渗 率在流域面上是不均匀分配的，假定下渗率在透水面积上的分配曲线为b 次抛物 线形式，如矧2 - 3 所示： 口= 1 一( 1 一，厶) 6 ( 2 1 9 ) 式中，f 一点下渗率；厶一点最大下渗率；口一下渗率小于f 的西积比例e 则平均下渗率与最大点下渗率关系为 7：l0+6)(2-20) 第啊二章城市雨洪模型 或 o 圈2 - 3 下渗