（水文学及水资源专业论文）城市化地区雨洪模拟及雨洪资源化利用研究.pdf

摘要 随着城市化的发展，城市的水资源问题和雨洪灾害问题越来越严重。城市 化一方面导致城市的水资源需求增加，出现城市水资源危机；另一方面由于城 市水文特性的改变，使城市雨洪排水系统压力增大，雨洪灾害增多，而我国现 有的雨洪计算方法已不能满足现代城市排水和防洪的设计要求，因此，如何有 效地利用雨洪资源和选择能反映城市化地区雨洪特点的计算方法来设计排涝水 量已成为需要深入研究的问题。 本文以城市化地区的雨洪模拟和雨洪资源化利用为研究对象，总结了目前 国内外在城市雨洪模拟和雨洪资源化利用方面的研究。论文采用美国环保总局 的暴雨雨水管理模型s w m m ，深入分析了s w m m 模型的特点和模拟机理。 根据天津市城区下垫面的产汇流和排水特点，对研究区域进行概化。在借鉴河 海大学刘俊教授相关研究模拟参数及当地降雨径流资料的基础上构建基于 s w m m 的天津市城区雨洪计算模型，并利用模型对研究区域在不同降雨频率条 件下和不同不透水面积条件下的降雨径流过程进行研究分析。 本文针对城市水资源紧缺的问题，对屋顶集雨利用系统、下凹式绿地和蓄 积设施蓄水等几种城市雨洪资源化利用模式进行分析研究，同时结合天津市水 资源特点，对研究区域的雨水资源化可实现潜力进行计算，对不同雨洪利用方 式下的降雨径流过程进行模拟。模拟结果表明，通过各种途径合理利用城市的 雨洪资源不仅可以增加城市水资源供给，缓解城市水资源供需紧张的矛盾，还 可以减小城市径流量，削减洪峰流量，减小城市防洪压力和防洪排涝基础设施 的投资，能够极大地减轻雨洪灾害，产生巨大的经济效益和社会效益。 关键词：城市化s w m m城市雨洪模型雨洪资源雨洪利用 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n ，t h ep r o b l e mo fw a t e rr e s o u r c ea n d d i s a s t r o u ss t o r mw a t e ri sm o r ea n dm o r es e r i o i l s 0 nt h eo n eh a n d ，u r b a n i z a t i o nh a s c a u s e dw a t e rr e s o u r c es h o r t a g ec r i s i sb e c a u s eo fm o r ew a t e rr e s o u r c ei sn e e d e d ，o n t h eo t h e rh a n d d u et oc h a n g ei nu r b a nh y d r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c 也ep r e s s u r eo n u r b a nd r a i n a g es y s t e mi sd r a s t i c a l l yi n c r e a s h a gs ot h a tt h es t o r mw a t e ro f t e nc a u s e d d i s a s t e r a tp r e s e n t ，t h ec l l r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d so fs t o r mw a t e ro fo u rc o u n t r y d o n tm e e tt h en e e do f u r b a nd r a i n a g ed e s i g na n df l o o dc o n t r 0 1 s oh o wt ou t i l i z et h e s t o r r f lw a t e rr e s o u r c ee f f e c t i v e l ya n dc h o o s ep r o p e rc a l c u l a t i o nm e t h o do fs t o r m w a t e rt od e s i g nt h ev o l u m eo fs t o r md r a i n a g ea c c o r d i n gt ou r b a nh y d r o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i cn e e d s 向r m e rr e s e a r c h e s t h i sp a p e rf o c u s e do nt h es t u d i e so fu r b a ns t o r mw a t e rs i m u l a t i o na n ds t o r m w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n da d o p t e dt h es t o r n l f e rm a n a g e m e n tm o d e l ( s w m m ) w h i c hd e v e l o p e db yt h eu s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c ya n d a n a l y z e dt h ef e a t u r e sa n ds i m u l a t i o np r i n c i p l e so ft h em o d e l b a s e do n 也ef e a t u r eo f r u n o f rg e n e r a t i o na n dr a i nd r a i n a g ei nu n d e r l y i n gs u r f a c ei 1 1t i a n j i nc i t ya n dt h e c o r r e l a t i v es i m u l a t i o np a r a m e t e ri nt h er e s e a r c hb yp r o f l i u i t i na n dl o c a lr a i n f a l l a n d1 2 1 1 1 0 f f d a t a ，t h eg e n e r a l i z a t i o no f r e s e a r c ha r e aw a sm a d ea n dt h em o d e lo fs t o r m w a t e rb a s e do ns w m mi nt i a n j i nc i t yw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e l 也e r a i n f a l la n dr u n o f fp r o c e s sw a ss t u d i e du n d e rt h ed i f i e r e n tr e g i m e so fr a i n f a l l f r e q u e n c i e sa n du n d e r 血ed i f f e r e n ti m p e r v i o u sa r e a s f o rt h ep r o b l e mo fu r b a nw a t e rr e s o u r c es h o r t a g e 、t h i sp a d e rm a d ear e s e a r c h o nt h ep a r e m so fs t o r mw a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o ns u c ha sr a i n - h a r v e s ts y s t e mo n r o o f , s u n k e r - l a w n ，r a i ns t o r a g eb yf a c i l i t i e s a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fs t o r mw a t e r i nt i a n j i nc i 饥t 1 1 ef e a s i b l ea r e ao f u t i l i z i n gs t o r mw a t e rr e s o u r c e sw a si d e n t i f i e da n d t h er a i n f a l l - r u n o f fp r o c e s sw a ss i m u l a t e du n d e rt h ed i f i e r e n tp a t t e r n so fs t o r mw a t e r r e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts t o r mw a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o nt h r o u g h d i f f e r e n tm e t h o d sn o to n l yi n c r e a s e dt h eu r b a nw a t e rr e s o u r c es u p p l y , b u ta l s o d e c r e a s e du r b a nr u n o i f , g r o u n ds u b s i d e n c ea n dt h ef l o o dp e a kd i s c h a r g e ，w h i c h f u r t h e rd e c r e a s e dt h ep r e s s u r eo ff l o o dc o n t r 0 1 r e d u c e dt h ei n v e s t m e n to nf l o o d c o n t r 0 1a n ds t o r md r a i n a g ef a c i l i t i e st oo b t a i nh i g h e rs o c i a la n de c o n o m i cp r o f i t k e y w o r d s ：u r b a n i z a t i o n ；s w m m ； u 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 t o r m w a t e rr e s o u r c e ；s t o r mw a t e ru t i l i z 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) ：2 盘：堑丛2 0 0 7 年月，牛日 学位论文使用授权说明 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) ：睦垒丛2 0 0 7 年月，4 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景 1 1 1 城市化引起的水文效应 城市化是社会经济发展的一大主题，也是现代文明发展不可逆转的走向。目 前我国正以世界罕见的速度推行城市化，我国的城市数量已增加到6 6 0 多个，城 市化水平为4 1 8 ，城市地区的经济对国内生产总值的贡献率已经超过7 0 ，全 国城镇人口达到5 4 亿人，城市人口占总人口的3 0 左右，预计到2 0 2 0 年前后可达 到5 0 6 0 【1 】o 据国家统计局提供的数字，1 9 9 0 年至u 2 0 0 1 年1 1 年间，我国地级 市数量由1 8 8 个增加至u 2 6 9 个，城市覆盖的面积达4 0 8 9 万k m 2 ，比1 9 9 0 年增加2 1 9 2 万k m 2 1 2 】。 城市化使经济飞速发展，城市规模不断扩大，城市人工建筑物不断增加，但 同时城市化的发展也带来了城市水资源短缺，城市雨洪灾害和水环境污染等问 题，引起一系列的水文效应，见图1 1e 3 1 。 1 1 1 1 城市化对水循环的影响 水分的蒸发、凝结、降落( 降雨) 、输送( 径流) 循环往复运动过程，称为 水分循环。天然流域地表具有良好的透水性，雨水降落时，一部分被植物截留蒸 发，一部分降落地面填洼，一部分下渗到地下，补给地下水，一部分涵养在地下 水位以上的土壤孔隙中，其余部分产生地表径流，汇入受纳水体。据北美洲安大 略环境部资料，城市化前，天然流域的蒸发量占降水量的4 0 0 4 ，地面径流占1 0 ， 入渗地下水量占5 0 。城市化后，由于人类活动的影响，天然流域被开发，土地 利用状况改变，植被受到破坏，混凝土建筑、柏油马路、工厂区、商业区、住宅 区、运动场、停车场、街道等不透水地面大量增加，下垫面的滞水性、渗透性、 热力状况都发生了变化，城市降雨后，蒸发量减少为2 5 ，降水入渗地下的部分 减少为3 2 ，而产生地面径流的部分增大，由地表排入地下水道的地表径流量为 4 3 t 4 ，这种变化随着城市化的发展，不透水面积率的增大而增大。下垫面不透 水面积的百分比越大，土壤下渗量越小，地面径流越大。 河海大学硕士学位论文 城市化 人口密度增加 需水量增加 ll 废污水增加 建筑物密度增加 不透水面积增加lli 排水系统改变 l 际靠习i 地下水补给量减少ll 暴雨水质恶化 ii径流量增加ll流速增大 基流减少i 受纳水体质量下降ii洪峰流量增大| _ | 汇流时间缩短 水资源问题 i 污染控制问题 li 洪水控制问题 图1 1 城市化的水文效应 1 1 1 2 城市化对水文过程的影响 城市化对水文过程的影响主要体现在对城市降雨的影响，对流域下垫面的影 响和对雨洪径流的影响等方面。 ( 1 ) 对城市降雨的影响 随着城市化程度的提高，大量农村人口向城市聚居，工业、商业高速发展， 污尘排放量显著增加，使城市温度明显偏高，形成热岛效应，造成市区降水量增 多【5 】o 美国的a yp s i n 曲教授对城市气候和降雨变化进行了研究m 1 ，结果表明城 市化地区的降雨量比农村地区的降雨量多5 1 0 ，李蝶鹃和刘俊教授对天津 市区的降雨进行了研究，研究结果表吲7 】：城市化对市区暴雨出现频次有显著增 加的影响，城市化影响使市区各时段设计暴雨量较郊区明显增加，城市工业、市 政建设的高速发展使市区的年降水量明显增加，同时城市化的影响使汛期的小雨 明显增加，降雨年内分配呈现微弱的均化趋势。 ( 2 ) 对流域下垫面条件的影响 城市化后流域下垫面条件的改变主要表现在不透水面积的增加和河道断面 流速的改变两个方面。流域的天然下垫面一般植被良好，下渗能力较大，但城市 2 第一章绪论 化使其改变为楼房的屋顶、道路、街道、高速公路、机场、停车场、公园及建筑 工地等，不透水面积大量增加，使天然的径流过程改变为具有城市特性的径流过 程【s j 。城市化对天然河道进行改造和治理，天然河道被截弯取直，疏浚整治，设 置路旁边沟，雨水管网，排洪沟渠，增加了河道汇流的水力学效应。同时河道漫 滩被挤占，使河槽过水断面减小，行洪能力减弱。据估计，盲目地利用河滩地和 不断扩大不透水面积，百年一遇的洪水可增加6 倍【3 】。 ( 3 ) 对雨洪径流的影响 城市化后，由于不透水地表增多，植被减少，降雨的下渗量、蒸发量减小， 增加了有效雨量，使地表径流增加，径流系数增大。城市雨水管网的铺设，天然 河道的疏通整治使雨水流向排水管网更为迅速，河道汇流的水力效应增加，汇流 速度增大，汇流时间缩短，加之天然河道的调蓄能力减小，使得城市区内产汇流 过程发生变化，进而导致雨洪径流、洪峰流量增大，峰现时间提前，行洪历时缩 短、洪水总量增加，洪水过程线呈现峰高坡陡。据e s p e y 等的研究【4 j ，城市化地 区洪峰流量为城市化前的3 倍，涨峰历时缩短1 3 ，暴雨径流量的洪峰流量为城 市化前的2 4 倍，这取决于河道的整治情况和城市的不透水面积的比重及排水 设施等。 城市化前后的雨洪过程变化如图1 2 所示 9 1 流量q 图1 - 2 城市化前后的雨洪过程对比 时间t 河海大学硕士学位论文 1 1 2 传统城市雨洪计算方法及不足【1 0 】 目前城市地区的雨洪计算方面，常见的有推理公式法、单位线法、等流时线 法等，国内普遍多采用推理公式法，并将其作为常规的城市雨水管道设计方法。 1 、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 r = c i r a( 1 - 1 ) 式中： q r 重现期t 年的洪峰流量，m 3 s ； c 取决于土地利用情况的径流系数； 重现期t 年的设计雨强，m m h 。其历时等于流域的汇流时间，可 由城市暴雨公式计算； 4 流域面积，k m 2 。 由式可知，推理公式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。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，而且对于较小城市流域，往往是 能满足精度要求的，因而一直是雨水道径流计算的主要方法，但也存在许多问题： ( 1 ) 该法假定降雨强度在整个历时内是常数，汇流面积随时间是线性增加 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加往往是非线性的。 ( 2 ) 该法假定设计暴雨历时等于流域的汇流时间，用汇流时间代入暴雨公式 中求设计雨强。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，从而给计算带来误差。 ( 4 ) 土壤前期湿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 4 第一章绪论 却不能反映这种影响。 ( 5 ) 应用推理公式法，不能推算出流量过程线。这样，当需要设计雨水调节 池，抽水泵站等水工建筑物和进行水质研究时，该法就不能胜任。 2 、单位线法 包括经验单位线和瞬时单位线两种方法。它的主要问题在于： ( 1 ) 单位线法是黑箱子模型，并不联系流域上实际的水力状态，使用时必须 有水文实测资料。不能处理汇流非线性变化及降雨面上不均的问题。 ( 2 ) 若想在无资料地区使用，必须有相当数量的资料综合成经验公式。但目 前我国城市管网的实测径流资料很少，难于综合。因而该法在城市化流域的应用 具有较大的局限性。 3 、等流时线法 等流时线法根据出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计，不一定需要实 测资料。这些是等流时线法的优点。 但由于等流时线实际上并不存在，尤其对于城市地面汇流来说，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，等流时线实际上是很难划分的，从而使得该法在城区的应用受 到很大的限制。 从上面的分析可以看出，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，用于计算出口断面的洪峰或流量过程。他们没有多少物理基础，面对 城市化流域的迅速变化，只能经验性的修正其计算结果。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3 平方公里以下；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，城市防洪和水环境保护的问题更加突出，城市水文学的研究 己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【1 l 】。 河海大学硕士学位论文 1 1 3 城市化带来水资源危机 随着城市化的进程，城市规模越来越大，城市人口增加，工业迅速发展，城 市需水量急剧增加。据2 0 0 0 年的统计资料显示，我国目前有1 4 个省、自治区、直 辖市的人均水资源拥有量低于国际公认的1 7 5 0 m 3 用水紧张线，其中低于5 0 0 m 3 严 重缺水线的有北京、天津、上海、河北、山西、江苏、山东、河南、宁夏等9 个 省区市，在全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常年供水量不足，其中有1 1 0 个城市严 重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 【1 2 1 。尤其在我国经济比较发达、人口比较密集的 地区，水资源短缺特别严重，供需问题十分突出。目前我国地表水利用率已达 4 3 4 8 ，地下水开发程度已达4 0 4 8 ，许多城市超量开采地下水，地下 水位下降，地下水资源日趋枯竭，不仅加深了水资源危机，而且使地面沉降漏斗 面积不断扩大，造成地面沉降、建筑物倾倒、倒塌、沉陷、地下水管道破裂、海 水倒灌等问题。如天津市近年来由于人口剧增，工业不断发展，城市用水量增加， 造成水资源紧张，供应不足，据估计，天津市每年缺水达2 6 2 亿m 3 ，由于过度开 采地下水，市区地下水位不断下降，使全市多处地方出现地面沉降。 与此同时，随着城市建设的不断发展，不透水面积逐年增加，传统的雨水处 理方式多为直接排放，从而使得许多水资源严重缺乏的城市，城区的大量雨水没 有得到充分的利用而白白流失。如北京城区以年平均降雨量5 9 5 m m 计算，1 9 9 8 年雨水资源流失量为2 1 4 l m 3 ，占全部降雨量的6 6 。城区大量雨水的流失还直 接造成城市的洪涝危害。我国城市排水设施普遍陈旧、老化，排水能力不足，雨 水径流量的增大，流出时间缩短，加大排水系统的负担。 由此可见，我国许多缺水城市，一方面面临着水资源的短缺；另一方面，城 区不断扩大和完善，不透水面积逐年增加，造成大量雨水资源的流失，矛盾十分 突出，若能采用雨水利用技术措施，将城市雨水加以利用，这在一定程度上不仅 能够缓解城市水资源的供需矛盾，还能防止地面沉降，减轻城市洪涝灾害和防洪 排涝设施压力，减少防洪投资和洪灾损失，同时还能改善城市生态环境，将是解 决城市水资源短缺的有效措施之一。 1 2 国内外城市雨洪径流计算方法的研究动态 1 2 1 城市雨洪模型的概念 6 第一章绪论 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径流的特性，以便对 有关问题作出较好的决策，这些问题包括规划问题、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特性【1 0 t1 3 1 。 城市水文模型一般分为三大类嗍，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。城市雨洪模型的基本 组成【1 0 l 如图1 3 所示。 1 2 2 国外研究现状 在城市雨洪模拟技术研究方面，美、英、法、德等发达国家从六十年代起开 始研制满足城市排水、防洪、环境治理、交通运输、工程管理等各方面要求的城 市雨洪管理模型，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，这些模型主要包括1 3 4 】：美国环保局 的暴雨雨水管理模型( s w m m ) ，美国陆军工程兵团的蓄水、处理与溢流模型 ( s t o r m ) ，伊利诺城市排水区域模拟模型( i l l u d a s ) ，美国地质勘察局的 输入 模型程序 输出 图1 - 3 城市雨洪模型的基本组成 7 河海大学硕士学位论文 扩散式雨水径流模型( d r 3 m - u q a l ) ，辛辛那提大学城市径流模型( u c u r m ) ， 水文计算模型( h s p ) ，英国的沃林福特模型( w a l l 矾g f o r d ) 和公路研究 所法( t r r l ) ，其中主要的一些模型的特点如下【”】： ( 1 ) 暴雨雨水管理模型( s w m m ) s w m m 是由美国环境保护局发起的，于2 0 世纪7 0 年代由麦特卡夫埃迪有限 公司、佛罗里达大学和美国水资源有限公司三个单位研制的一个比较完善的城市 暴雨的水量水质预测和管理模型。该模型可以模拟完整的城市降雨径流和污染物 运动过程，包括地面径流和排水系统中的水流，雨洪的调蓄处理过程，以及受纳 水体模式。模型输出可以显示系统内和受纳水体中各点的水流和水质状况。该模 型主要包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块和调蓄处理模块等模块。 ( 2 ) 蓄水、处理与溢流模型( s 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日降 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，此法预报偏低。 ( 3 ) 公路研究所法( t r r i ，) 这是英国公路研究所根据时间面积径流演算方法提出的一种城市径流模 型，是一种恒定流流量过程线演算方法，该型在美国称为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。实践证明刚也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。 ( 4 ) 沃林福特模型( w a l l i n g f o r d ) 该模型由沃林福特水力学研究所，水文学会和气象局于1 9 7 4 1 9 8 1 年在英国 推行。它是在六十年代的过程线方法佃r i 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 第一章绪论 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。 1 2 3 国内研究现状 我国对城市雨洪模型的研究起步较晚，目前已有一些结合我国实际的研究成 果问世。8 0 年代后期，北京市的水利和城建部门合作，进行了北京市雨洪分析和 控制调度的分析；铁道科学研究院西南研究所进行的城市化对降雨径流影响的研 究；河海大学和上海市政工程设计研究院合作，进行了城市雨水管道计算模型的 研究 1 6 1 ；芩国平在8 0 年代根据北京市百万庄小区的实测资料，用i l l u d a s 模型 做了一些检验，并于1 9 9 0 年提出了城市雨水径流计算模型，这是我国最早自己开 发程序对城市雨水径流进行比较精确的模拟模型；1 9 9 8 年河海大学徐向阳教授等 人提出了平原城市雨洪过程模拟模型；1 9 9 9 年河海大学刘俊教授利用美国暴雨管 理模型( s w m m ) 建立了天津市暴雨管理模型；近年来随着3 s 在水利、环保和 城建等领域中的应用，许多城市正在开发基于3 s 的城市雨洪管理系统，如北京市 的实时雨洪调度模型，针对上海市城市内涝所开发的城市暴雨积水预报系统等。 这些研究对推动我国城市雨水径流研究起了很大的作用，但与国外相比仍存在差 距，且在实际的规划、设计和管理工作中应用较少，还需要进行更深入的研究。 1 3 国内外城市雨洪资源利用的研究动态 1 3 1 国外雨洪利用的现状 随着各国水资源短缺越来越严重和雨洪灾害越来越频繁，近2 0 年来美国、加 拿大、意大利、法国、墨西哥、印度、土耳其、以色列、日本、泰国、苏丹、也 门、澳大利亚、德国等4 0 多个国家开展了雨水利用的研究与实践，并召开过十二 届国际雨水利用大会。其中，德、日、美、英等经济发达、城市化进程发展较早 的国家，已将城市雨水利用作为解决城市水源问题的战略措施，在雨洪利用方面 已走在前列。 美国的雨水利用常以提高天然入渗能力为目的。在芝加哥市兴建了地下隧道 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，其中加洲富雷斯诺市年回 9 河海大学硕士学位论文 灌量占该市年用水量的1 5 1 7 1 。美国不但重视工程措施，而且还制定了相应的法 律法规对雨水利用给予支持，如针对城市化引起河道下游洪水泛滥问题，科罗拉 多州( 1 9 7 4 ) 、佛罗里达州( 1 9 7 4 ) 和宾夕法尼亚州( 1 9 7 8 ) 分别制定了雨水 利用条例。这些条例规定新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平。 所有新开发区必须实行强制的“就地滞洪蓄水” 1 9 l 。 英国的蓄水地面系统，把局部地域内收集到的雨水径流，用人工方式贮存起 来，成为城市中水道的重要水源，提供人们生活所需的部分杂用水，可降低城市 供水的压力，缓解城市水资源危机。如在英国诺丁汉有一个e d w i n s t o w e 青年旅行 社，人们在建筑物附近采用“蓄水地面”，利用人行道、车道、停车场的地下空 间，贮存、截留雨水，即在具有一定强度的多孔、可渗的路面下依次铺设砾石层、 土工织物，以干净的碎石等蜂窝状材料作为基底蓄水层，并用土木工程中使用的 透水性很小的高聚物薄膜土工膜将结构包围起来，贮水量可达1 0 0l m 2 ，收 集的地面雨水与屋面雨水一起成为建筑物内中水道的水源，用于冲洗厕所【1 9 】。伦 敦世纪圆顶的雨水收集利用系统每天能回收5 0 0 m 3 水用以冲洗该建筑物内的厕 所，其中1 0 0 m 3 为从屋顶收集的雨水，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l o 万n 1 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。 日本于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。这些设施大多建在地下，以充分利用地下空 间。1 9 9 2 年日本政府颁布了“第二代城市排水总体规划”，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、改建的大型公共建筑 物必须设置雨水下渗设施1 2 0 。在东京，已有8 3 的人行道采用了透水性柏油路 面，雨水通过透水性柏油路面渗透到地下，经过收集处理后加以利用。经有关部 门对东京附近2 0 个降雨区2 2 万r 长达五年的观测和调查，“雨水利用”后，平均 降雨量6 9 3 m m 的地区，其平均流出量由原来的3 7 5 9 m m 降低到5 4 8 m m ，流出率 由5 1 8 降低到5 4 。此外，日本还在一些建筑物上设置了收集雨水的设施，将 收集到的雨水用于洗车、浇灌、冲厕所和冷却水补给等，也可以经处理后供居民 饮用【2 l l 。据统计，日本目前已拥有利用雨水设施的建筑物1 0 0 多座，屋顶集水面 积2 0 多万平方米。东京江东区修建的收集雨水设施集雨面积5 6 0 0 m ，雨水池面积 1 0 第一章绪论 为4 0 0 m 3 ，每年傲饮用水和杂用水的雨量占其年用水量的4 5 ，东京的一座相扑 观，每天用水量达3 0 0 m ，其中一半用于冲厕所，这些水的大部分来自大屋顶收 集到的雨水。 德国是欧洲开展雨洪利用工程最好的国家之一。目前德国的雨洪利用技术已 达标准化、产业化阶段，市场上已大量存在收集、过滤、存储、渗透、雨水的产 品。德国的城市雨水利用方式有三种： 一是屋面雨水集蓄系统，集下来的雨水 采用简单的处理后，使其达到杂用水水质标准，用于厕所冲洗、庭院浇洒、工业 冷却等。二是雨水截污与渗透系统，将道路雨水通过下水道排入沿途大型蓄水池 或通过渗透补充地下水。德国城市街道雨水管道口均设有截污挂蓝，以拦截雨洪 径流携带的污染物。城市地面使用可渗透的地砖，以减小径流。行道树周围以疏 松的树皮、木屑、碎石、镂空金属盖板覆盖。三是生态小区雨水利用系统，在小 区沿排水道修建渗透浅沟，表面植有草皮，供雨水径流流过时下渗。超过渗透能 力的雨水则进入雨洪池或人工湿地【用。此外，德国还制定了一系列有关雨水利用 的法律法规。如目前德国在新建小区之前，无论是工业、商业还是居民小区，均 要设计雨水利用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨水排放设施费和雨水排 放费。 1 3 2 我国雨洪利用的现状 我国雨洪利用具有悠久的历史。4 1 0 0 年前夏朝的后稷便开始推行区田法，战 国末期有了高低畦种植法和塘坝，明代出现了水窖。2 0 世纪6 0 年代创造出鱼鳞坑 和隔坡梯田等就地拦蓄利用技术瞄】。但真正意义上的城市雨洪利用的研究与应用 却始于2 0 世纪8 0 年代，发展于9 0 年代。总的来说技术还比较落后，缺乏系统性， 更缺少法律法规保障体系。目前主要在缺水地区有一些小型、局部的非标准性应 用。比较典型的有山东的长岛县、大连的獐子岛和浙江省舟山葫芦岛等雨水集流 利用工程。大中城市的雨水利用基本处于探索与研究阶段，但已显示出良好的发 展势头。北京、上海、天津、天津、大连、西安等许多城市相继开展研究，现在 我国许多大型建筑物已建有完善的雨水收集系统。如上海浦东国际机场航站已经 建有完善的雨水收集系统，用来收集浦东国际机场航站屋面雨水。航站楼屋面各 组成部分的水平投影综合面积达1 7 6 1 5 0 m 2 ，该面积远大于伦敦世纪圆顶的 河海大学硕士学位论文 1 0 0 0 0 0 m 2 的面积瞄】，在暴雨季节每小时收集雨量可达5 0 0 m 3 h 。2 0 0 1 年国务院批 准了包括雨洪利用规划内容的“2 1 世纪初期首都水资源可持续利用规划”。北京 建筑工程学院和北京城市节水办公室从1 9 9 8 年开始立项研究，并于2 0 0 1 年4 月建 成了几处示范工程，如第十五中学雨水利用工程、北京西城区华嘉小学雨水与景 观工程、海定区政府大院雨水利用工程、丰台区工会雨水利用工程等；北京市政 设计院开始立项编制雨水利用设计指南；北京市政府6 6 号令( 2 0 0 0 年1 2 月1 日) 中明确要求开展市区的雨水利用工程讲l 。北京城市雨水利用已进入示范与实践阶 段，可望成为我国城市雨水利用技术的龙头，随着水管理体制和水价的科学化、 市场化，通过一批示范工程，有望在较短的时间带动整个领域的发展，实现城市 雨洪利用的标准化和产业化。 1 4 本文的研究任务 1 4 1 研究目的及意义 城市化的发展一方面改变了原有城市水体自然循环的路径，导致城市土地利 用性状改变，建筑物增加，道路及下水道管网建设使下垫面不透水面积增大，城 市雨洪的产汇流特性显著改变，雨洪致灾因素增多，而我国长期沿用的雨洪计算 方法只适用于地面情况比较简单、管网系统简单、汇流面积较小的区域，其计算 精度已不能满足现代城市这种下垫面情况复杂，既有纵横交错的排水管道，又有 明渠暗沟的设计要求，也不能体现城市发展和人类活动对水文情势的影响，因此 有必要依据城市化前后产汇流机制的变化，选择能反映城市化地区雨洪特点的计 算模型。 另一方面，城市化进程的加快使城市的水资源需求增加，导致了城市水资源 的短缺与紧张，如何有效地利用雨洪资源来缓解水资源供需矛盾和减少雨洪灾害 己成为各国相继研究的问题。我国作为一个严重缺水的国家，研究开发雨洪利用 模式具有更广泛的意义。本文介绍的雨洪资源利用方式不仅可以增加城市水源补 给，改善环境，减小城市防洪排涝基础设施投资，还可以减轻城市洪涝灾害，具 有巨大的社会和经济效益，对我国城市化地区的雨洪利用具有参考作用，同时也 对雨水资源利用工程设施和城市排涝工程设施的规划和设计具有指导作用。 本文所建立的天津市雨洪模型不仅可以为天津市城区的防洪排涝规划提供 第一章绪论 依据和参考，同时也适用于我国的其它城市化区域，应用时必须结合当地的水文 水力水质条件加以改进。 1 4 2 研究的内容 本论文以城市化地区的雨洪模拟和雨洪资源利用为研究对象，总结了目前国 内外城市在雨洪径流计算和雨洪资源利用方面的研究。论文选择了美国环保总局 开发的暴雨雨水管理模型s w m m ，将s w m m 应用于天津城区内排水区的雨洪模 拟和雨洪资源利用研究，论文主要的研究内容如下： ( 1 )研究分析了暴雨雨水管理模型s w 在城市雨洪径流计算方面 的应用。对模型的径流模拟系统、污染物累积及径流冲刷模拟系统、管道输送模 拟系统的原理及模型参数进行研究分析，进而讨论s w m m 应用于研究区域雨洪 径流模拟的可行性。 ( 2 )建立基于s w m m 的天津市城区雨洪模型。根据天津市城区下垫面的 产汇流和排水特点，借鉴河海大学刘俊教授相关研究的模拟参数，在对研究区域 进行概化的基础上，建立了模拟天津市城区地表产汇流和管渠汇流的城市雨洪模 型。 ( 3 )应用天津市城区雨洪模型对天津市中心城区主要排水区进行各种设 计条件下的雨洪径流模拟。论文从“不同降雨频率”、“不同不透水面积”等角 度模拟单次降雨的雨洪径流过程，计算单场降雨产生的径流量和洪峰流量。 ( 4 ) 探讨了城市化地区的雨洪资源利用模式，详细分析了屋顶集雨系统、 绿地利用、地面渗透和蓄水池蓄水等雨洪利用方式，分析了各种集流介质的雨水 资源潜力，并应用s w m m 对不同雨洪利用方式下的降雨径流过程进行模拟分析。 1 4 3 研究模型的选择 目前国内外使用的城市两洪径流模型主要有s w m m 、s t o r m 、u c u r m 、 d r 3 m q u a l 、h s p 、w a l l 烈g f o r d 等，每个模型都有自己的优缺点和适用范 围，对于不同的地区，可根据模型特点、研究目标、研究区域的特点和对模型的 熟悉程度来选择最适合的模型和软件。 本文通过对上面的几种雨洪模型进行比较研究，认为s w m m 作为分布式模 河海大学硕士学位论文 型在城市化区域的地表产汇流和排水管网的管道输送过程计算方面具有比较明 显的优势，其在运用上具有以下一些特点1 7 ： ( 1 ) 集水文水力水质过程的模拟于一体。 ( 2 ) 程序采用模块式结构组合。s w m m 包括若干个计算模块，各个模块 具有各自不同的功能，既可单独使用，又可共同使用，比较灵活，便于解决多目 标的城市雨洪问题。 ( 3 )与其它模型相比，s w m m 既可以用于规划设计和模拟设计暴雨条件 下的雨洪过程和水质过程，还可以用于预报和管理，实际暴雨条件的雨洪过程。 ( 4 ) 在模拟具有复杂下垫面条件的城市地区时，可通过将流域离散成多 个子流域，分别考虑各子流域的地表性质逐个模拟，这样可以很方便地解决产汇 流不均匀的城市流域雨洪模拟问题，为模型在大型城市化的应用提高模拟精度打 下基础。 ( 5 ) s w m m 模型不仅可以用于单次雨洪事件的短期模拟，而且还具有连 续多次模拟雨洪的功能。它可以模拟几年乃至几十年连续的降雨径流过程，并统 计分析出有关参数逐日逐月逐年的数值大小，进行频率分析，这特别适用于城市 规划设计工作。 因而，本文选用s w m m 作为本论文的研究模型，结合天津市城区的水文水 利条件，建立满足天津市城区雨洪径流计算的模型。 1 4 4 研究技术路线 本论文的研究技术路线见图1 - 4 。 1 4 第一章绪论 图l - 4 论文研究技术路线图 第二章s w m m 雨浃模型研究 第二章s w m m 雨洪模型研究 2 1s w b l b l 模型概述 s w m m ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ) 城市暴雨雨水管理模型，是 美国环保局于1 9 7 1 年提出的，由麦特卡夫埃迪有限公司、佛罗里达大学和美国 水资源有限公司三个单位联合研制的一个比较完善的城市暴雨雨水的水量水质 预测和管理模型。s w m m 自开发出来至今已经经历了几次更新，目前已发展至 s w m mv e r s i o n5 。最新的s w m m5 实现了在w m d o w s 环境中运行，具有友好 的可视化界面和更完善的处理功能，能够用颜色标记汇流区域，导入导出系统地 图，输出时间系列图、表格、管道剖面图和统计数据。s w m m 模型可模拟完整 的城市降雨径流循环，包括地表径流和排水网络中水流、管路中串联或非串联的 蓄水池、暴雨径流的处理设施以及受纳水体的水质变化。根据降雨输入( 雨量过 程线) 和系统特性( 流域、泄水、蓄水和处理等) 模拟暴雨的径流水质过程，计 算时段长度是可变的。 2 1 1 模型的组成 s w m m 模拟系统主要由输入模块、中央核心模块、相关模块和纳水水体模 块四部分组成【2 5 1 。 ( 1 ) 输入模块 输入模块基于任意降雨雨量记录、土壤前期条件、土地利用和地形资料，由 r u n o f f 模块计算地表径流和地下径流。可以有选择的形成早季条件下水流和 渗流进入管道，供t r a n s p o r t 模块或e x t r a n 模块使用。 ( 2 ) 中央核心模块 r u n o f f 模块、t r a n s p o r t 模块和e x t r a n 模块为中央核心模块，可以 模拟水流和污染物在排水系统中的输移过程。e x t r a n 模块可精细模拟管道内 复杂的水流情