（水文学及水资源专业论文）城市化对海河天津段防洪排涝影响的研究.pdf

摘要 天津作为一个有着重要地位的大城市，其防洪排涝删题具有很强的代表性。 本文针对天津市城市化的进程，研究分析了城市发展对海河天博段防洪排涝的影 响。 论文分析了城市化对天津水文情势的影响，及天津城市的洪涝特性、洪涝 灾害形成机制。根据平原河网地区城市f 垫面产汇流方式的不r j ，将天津市海 河汇水区分成郊区和城镇管网排水地区两部分，并根据各自下挚面的特点分别 采用相应的产流汇流计算方法，建立了模拟天津市城建区地表产汇流及管渠汇 流的城市雨洪模型和郏区地表产汇流模型：海河河网洪水位计算采用求解圣维 南方程组的水力学计算方法，方程组采用p r e i s s m a n n 四点线性隐式筹分格式进 行离散。进而将城市雨洪模型、郊区地表产汇流模型和海河河网水动力学模型 相耦合建立起完整的天津市海河汇水区水文水力学模型。 最后，论文应用建立的模型模拟了在不同来水和调度条件f 的河阁设计水 位，并以计算结果为天滓市城市防洪排涝规划提供科学依据。义中所建议的方 法也可适用于解决其他平原感潮河网区城市的水文计算问题。 关键词，防洪排涝城市化产汇流管渠汇流河网计算 a b s t r a c t a sab i gc i t y , t h ep r o b l e mo ff l o o dp r e v e n t i o na n dw a t e r - l o gd r a i n i n go ft i a n j i n h a sc o n s i d e r a b l er e p r e s e n t a t i o nb e c a u s eo fi t si m p o r t a n tp o s i t i o n c o n c e r n i n go ft h e u r b a n i z a t i o n p r o c e s so ft i a n j i n ，t h i s d i s s e r t a t i o n a n a l y s e s t h ei n f l u e n c eo fc i t y s d e v e l o p m e n to nf l o o dp r e v e n t i o na n dw a t e r l o gd r a i n i n go ft h es e g m e n to fh a i h e r i v e ra tt i a n j i n t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fu r b a n i z a t i o no n h y d r o l o g ys i t u a t i o n s ， t h e p r o p e r t y o ff l o o da n d w a t e r - l o g g i n g ，t h em e c h a n i s mo fd i s a s t e rg e n e r a t i o n c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c eo f r u n o f fc h a r a c t e r i s t i c so nd i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c ei n t h ea r e ao f p l a i n t i d a lf i v e rn e t w o r k t h ec o n f l u e n c es e g m e n to fh a i h er i v e ra tt i a n j i n h a sb e e nd i v i d e dt w op a r t sa n dr e s p e c t i v e l yn a m e ds u b u r b a na r e aa n dp i p en e t w o r k d r a i n i n go ft o w n ，a n ds u i t a b l em e t h o di sa d o p t e dr e s p e c t i v e l yi ne a c hs u r f a c et o c o n s t r u c tt h eu r b a nr a i n f a l l - r u n o f fm o d e lw h i c hs i m u l a t e st h e p r o c e s s o fr u n o f f g e n e r m i o n a n dc o n f l u e n c eo f t o w na n dt h ep r o c e s so f p i p e sc o n f l u e n c ea n dt h er u n o f f g e n e r a t i o na n dc o n f l u e n c em o d e lo f s u b u r b s u r f a c e s a i n t v e n a n te q u a t i o n sd i s c r e t e d b y4 - p o i n tp r e i s s m a n ni m p l i c i ts c h e m e ，i su s e d t oc a l c u l a t er i v e rf l o o dw a t e rl e v e l a t l a s t ，b e c a u s eo f t h ei n t e g r a t i o no f t h eu r b a nr a i n f a l l r u n o f f m o d e l 、t h em o d e lo f r u n o f f g e n e r a t i o na n d c o n f l u e n c eo fs u b u r b ss u r f a c e 、t h er i v e rn e t w o r kh y d r o d y n a m i c s ，t h e h y d r a u l i c sm o d e lo f h a i h er i v e r c o n f l u e n c ea r e ah a sb e e nc o n s t r u c t e df u l l y a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o nh a ss i m u l a t e dt h ed e s i g n i n gw a t e r - l e v e lo fr i v e rn e t w o r k u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f c o m i n g w a t e ra n d a d j u s t m e n tu s i n g t h em o d e l c o n s t r u c t e da n dt h em a i na c h i e v e m e n t so fi t h a v e p r o v i d e dg u i d a n c e f o rt h e p r o g r a m m i n g o ff l o o dp r e v e n t i o na n dw a t e r - l o gd r a i n i n go ft i a n j i n ，a l s o ，t h em e t h o d s s u g g e s t e dh e r ea r ea p p l i c a b l et oo t h e rs i m i l a rh y d r o l o g i c a lp r o b l e m so f c i t i e si np l a i n t i d a ir i v e rn e t w o r ka r e a k e y w o r d s ：f l o o dp r e v e n t i o n a n dw a t e r - l o g d r a i n i n g u r b a n i z a t i o n ，r u n o f f g e n e r a t i o n a n d c o n f l u e n c e ，p i p e s c o n f l u e n c e ，r i v e rn e t w o r k h y d r o d y n a m i c s 学位论文独创性声明： 本人所星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) ：丛 这2 2 0 0 5 年f 月扣日 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) ：盥主氢2 0 0 5 年r 月f 口日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市化对水文的影响 社会的发展和工业化程度的提高，形成农村人i j 大规模向城市转移的浪潮，城 市人口迅猛增长，现在全世界有5 0 的人e l 集中居住在仅占大陆面积5 的城市，城 市已经成为各国经济、政治、文化、商业的中心。城市化水平是衡量社会经济发展 程度的一项重要标准，据预测到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，我国城市化率将分别达到3 5 和4 0 【2 j 。随着城市化的发展，f ： j = 界上出现了一批具有数百万甚至超过千万人口的 城市，城市面积也急剧膨胀，使城区及其附近区域的自然、文化和生态系统都发生 了显著的改变，这其中也包括对水文过程所产生的影响【3 1 。 城市化对降水的影响以城市热岛和城市阻碍效应最为重要，同时城市空气中凝 结核的丰富有促进降水增多的作用【4 】。在城市建设过程中，地表的改变，使地表上的 辐射平衡发生变化，工业和民用供熟以及机动车量增加了大气中的热量，而且燃烧 把水汽连同各种各样的化学物质送入大气层中，这形成了城市的热岛效应。由于热 岛效应，城市空气层结不稳定，有利于产生热力对流，当城市中水汽充足时，容易 形成对流云和对流性降水。城市因有高低不一的建筑物，其粗糙度比附近郊区平原 大。这不仅引起湍流，而且对稳定滞缓的降水系统有阻碍效应，使其移动速度减慢， 在城区滞留的时间加长，因而导致城区降水强度增大，降水时间延长。从降水机制 来讲，云中有大量的过冷却水滴，城市中的凝结核比郊区多这些凝结核促进了云 滴中的水分稳定凝结到冰核上，冰粒逐渐增大，可以促进降水的形成。 城市的出现和发展，剧烈地改变了城市局部的自然地貌。随着城市化的发展， 树木、农作物、草地等面积逐步减小，工业区、商业区和居民区的规模、面积不断增 大。城市化过程使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，减少了蓄水洼地。由于以 大范围和高强度的不透水地面铺砌代替原有透水土壤和植被，造成下渗与蒸发的显 著减少，不透水地表的入渗量几乎为零，使径流总量增大【5 】。一般，城市区域地表径 流系数约为0 。3 0 0 8 0 ，而天然流域多在0 1 0 以下f 6 l 。同时，地区的入渗量的减小， 使得地下水补给量相应减小，干旱期河流基流量也相应减小。不透水地表的高径流 系数还使得雨水汇流速度大大提高，从而使洪峰的出现时间提前。 第一章绪论 城市化的另一个特点是采用人工管渠排水系统。由于管渠系统比降大，排水路 径短，糙率小，汇流速度远远高于天然河网系统，因而使得洪量集中，洪峰增大， 洪水历时缩短，锋现时间提前8 1 。城市地区雨洪观测资料表明，城市洪峰流量比天 然流域高儿倍甚至数十倍n 同时，城市中排水系统的完善，如设置道路边沟、密布雨水管网和排洪沟等， 增加了汇流的水力效率f 9 】。城市中的天然河道被裁弯取直、疏浚和整治，使河槽流速 增大，也导致了径流量和洪峰流量的加火。 1 2 我国城市的洪涝问题 城市洪涝灾害包括江河两岸城市由于洪水泛滥、决堤或上游大坝崩溃所遭受的 洪水灾害；沿海城市由于风暴潮、海啸所造成的海洋灾害：沿湖城市由于湖水高涨 排水受阻而造成的内涝灾害；暴雨强度超过城市排水能力所造成的城市涝灾等。 城市发展引起洪峰流量和洪水总量增大，对城市现有防洪和排水工程造成了新 的压力。此外，城市暴雨径流增加后，可能会使已有排水明沟、阴沟及桥涵过水能 力感到不足，以致引起城市江水泛滥，造成交通中断、地下通道淹没、房屋和财产 受破坏和损失。同时，城市下泻洪水又引起下游地区的洪涝灾害。因此，城市面临 着城市本身和城市下游两类防洪问题。 发生在城市的洪涝灾害会产生比较大的生命和财产损失。目前，我国城市防洪 标准普遍偏低，不能满足城市经济发展的要求。尤其是经济发达地区，城市防洪标 准偏低造成的洪涝损失是非常显著的。据统计，全固5 7 0 个城市中，受洪涝威胁的 就有4 7 0 个，占了8 2 。其中，防洪标准达到百年一遇的仅仅只有4 座城市，防洪标 准超过5 0 年一遇但低于百年一遇的有9 3 座，尚有3 7 0 多个城市防洪标准只能达到 二十年一遇，不少城市仅有十年以下的标准。1 9 9 1 年江淮流域大洪水，江苏、安徽、 湖北共有近8 0 县市城区受洪涝灾害，直接损失数百亿元。1 9 9 3 年汛期，深圳市遭受 两次暴雨袭击，直接经济损失1 7 亿元。还有这几年的辽河、广东西江、北江、湖南 湘江洪灾等，都给有关城市造成惨重灾害损失，并严重影 i ；j n 城市经济发展和社会 稳定。 随着城市化规模的不断扩大，城市遭遇洪涝灾害的机遇和造成的损失也呈增加 之势，如2 0 0 4 年入汛以来我国北京、上海、哈尔滨等大城市相继发生多年未遇的大 第一章绪论 暴雨，造成市区多处积水，城市部分路段交通瘫痪、居民生活受困，使城市形象和 经济建设受到了严重损失。 我国城市的洪涝灾害总体有以下几个特点【：1 、为了满足众多城市人口饮用水 和工业用水的需要，大部分城市都傍水而立。因此，江河水位上涨是引起城市洪灾 的主要原因之。例如，黄河中下游的开封市、郑州市、济南市历史上多次困黄河 决堤造成人民生命和财产的巨大损失。2 、城区一般地势低涟平坦，不透水铺砌与建 筑面积比重高，地表径流系数大，并以管道排水为主，排水区域小，短历时高强度 暴雨极易成涝致灾。3 、城区由于建筑用地紧张，大量行洪滩地被侵占，加之设计排 涝标准一般远低于江河防洪标准，所以遭遇长历时暴雨时，由于外河水位上涨顶托， 会造成大面积、长历时涝灾，如1 9 9 1 年江淮洪水，1 9 5 4 年长江流域洪水等。4 、随 着城市发展，洪涝程度和洪涝损失有增大的趋势，主要原因有地表不透水的面积和 强度增翅，上游排水能力掘强；过度地抽取地下水造成地面下、况，因而洪水位相对 增高；行洪河道受侵占等等。此外，城市经济发展使得同等洪涝造成的损失显著增 加。对此，我国大部分城市均面临此类问题。 1 3 防洪捧涝设计计算的问题分析 城市是一个有机的整体，包括中心城区和郊区。中心城区不透水面积比例大， 郊区同时包含一部分比例的城市化面积和农田面积。当一场降雨产生后，对中心城 区面言，首先要经过地表产流，然后经过坡面汇流进入城市排水系统，包括雨水管 道、排水沟、明渠、城区排水河道等，经过城区排水系统汇流后进入下一级河道； 郊区地面径流经过坡面汇流，地下径流经过地下汇水后直接进入河道：城区和郊区 进入河网的水量包括城市上游的客水经过河道汇流后到达城市下游的河道出口断 面。 长期以来，我国在进行城市防洪排涝设计计算时，在方法上有许多不足和缺陷。 主要体现在： 一、在进行城市防洪排涝设计计算时，现在仍有很多地方采用点频率曲线直接 推求河道设计洪水位的方法。由于城市地区受人类活动影响显著，因此水文资料的 一致性受到破坏，采用这种方法推求出来的结果很难满足设计的要求，可靠性也受 第一章绪论 到质疑。 “：、进行产流计算时，下垫面的划分比较粗糙。对于一个城市而葺，既包括城 区也包括郊区。城区地表覆盖很复杂，有街道、人行道等基本不透水的表面；有草 地、裸土等透水性较好的表面：有透水性介于二者之间的表面，如碎石道路等。郊 区不同的地方土地利用性质也有很大不同，有农田、旱地、水面、工业园区等。下 垫面如此复杂多变，不同的下垫面具有不同的产流特性，因此很难用某一种产流模 式去推求产流。但是现在做时，一般都将其作为一个整体，采用降雨径流相关关系 推求产流或者采用蓄满一超渗产流模型计算径流深。这种做法比较适用于大流域产流 计算，而在城市防洪排涝设计计算时，这样计算出的产流结果显得比较粗糙，没有 在空间上区分不同下垫面的不同产流特性，对河道设计水位的计算可靠性和精度有 较大影响。 三、进行分区汇流计算时，对于城建区的管网汇流往往不予以考虑。城建区一 般都有较发达的排水管道系统，城区产流经过管道汇流后再到达下一级河道，管道 体系具有较强的调蓄功能，忽视管网汇流过程直接进行河道汇流的计算方法，使得 城区部分产流汇流过快，计算出的河道设训。水面线往往偏高，同时具体断面的流量 和水位过程也与实际会有较大偏差。 现在较为常用的城市管道地区汇流计算方法有f 2 6 】： l 、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 ，= ci r 爿 ( 卜1 ) 式中： q ，为重现期t 年的洪峰流量 c 为取决于土地利用情况的径流系数 i ，为重现期t 年的设计雨强。其历时等于流域的汇流时间，可由城市暴雨公式 计算 a 为流域面积 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、 4 第一章绪论 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) 对，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，汇流面积随时问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，不定需要实测资料。 这些是等流时线法的优点。 第一章鳍论 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| ： 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。 四、进行河道洪水演算时，方法过于简单和粗糙。河道洪水演算习惯上采用流 量演算方法，常用的有马斯京根法和抵偿河长法等。这些方法通常适用于山丘区， 对于平原感潮河网地区而言，效果不佳，而大部分经济发达城市都坐落在平原感潮 河网地区。这是因为：1 、感潮河段的洪水运动，受潮汐影响，潮汐项托影响对流量 来说是间接因素，而非直接因素，在流量演算模型中很难直接考虑：2 、感潮河网地 区水位流量关系很复杂，流量演算模型先估计流量，再推求水位，由于断面水位流 量关系的误差由流量推求水位过程中也会带来大的误差；3 、感潮河段的流量观测资 料较少，即使有，其观测误差也较大。使得流量演算模型能用的观测信息少、误差 大，其建立的模型效果就大受影响佗l 。另外，还有一一些城市在推求城市排涝河道设 计排涝水面线时采用恒定流的方法，这种方法推求的设计结果在可靠性、精确性上 都不很高。 从上面述说的目前存在于我国防洪排涝设计计算中的不足，可以看出为研究城 市的防洪排涝问题，为城市的防洪排涝规划提供依据，进行工程性和非工程性措施 的实施，提高城市排涝能力，保证城乡排涝安全，协调好城市排涝与水源保护、河 第一章绪论 道景观的关系，充分利用城市本地雨洪资源，目前急需科学、先进、合理的计算方 法提供可靠的分析计算结果作为依据。 1 4 国内外研究进展 最早的产流理论是霍顿1 9 3 3 年提出的下渗理论，当雨强小于卜- 渗能力时，所有 降雨都被土壤吸收，而当它大于下渗能力时，吸收率等于下渗能力，其余部分就是 产流量。针对流域产流，6 0 年代初，华东水利学院提出了蓄满产流模型【“1 ，该模型 主要适用于湿润和半湿润地区，其基本理论是认为在土湿满足田间持水量以前不产 流，所有的降雨都被土壤吸收，而在土湿满足用间持水量以后，所有的降雨扣除蒸 发后都产流 1 4 】。在蓄满产流模型基础上，7 0 年代后期，华东水利学院对蓄满产流模 型在结构上做了重要改进，形成了目前的三水源模型。以后又提出了较完善的超渗 产流模型，它采用霍顿和菲利浦下渗公式推倒土壤蓄水量和流域平均下渗能力，然 后直接与流域平均雨强对比。计算产流量。此外，还推荐了新的产流计算方法，主 要是蓄满产流模型和超渗产流模型相结合的使用方法，既考虑蓄满面积上的蓄满产 流，同时又考虑未蓄满面积上的超渗产流。在7 0 年代末到8 0 年代初，我国先后引 进了国外一些确定性概念模型和以系统工程理论分析方法的模型。总而言之，到目 前为止，已提出的包括流域产流计算在内的流域水文模型有1 0 多个，即新安江模型、 水箱模型、萨克拉门托模型、h e c 模型、斯坦福流域水文模型等。除上述外，近年 来对降雨的地区变化问题进行了诸多方面的研究，提出了点面折减系数法等。在产 流面积的空间变化方面，7 0 年代有学者提出了土壤中流动态对饱和面积变化的重要 作用，研究发现壤中流也存在着产流面积的空问变化问题。在处理流域内降雨、产 流面积的空间不均匀性时，一是采用分散型模型，二是在模型中引入反映某些因素 空间变化的概率分布。针对城市郊区区域下热面情况差异较大，河海大学程文辉等 研究了不同下垫面条件的产流计算方法，认为水田主要种植水稻，在生长期内，产 流模拟按水田计算，在生长期外作为旱地来计算，早地在作物需水期需灌溉，必须 与非耕地区分开来，总产流计算按各区的下垫面组成加权计算i b 】。 对于流域汇流，其实质就是用水文学的方法，h 口以水量平衡方程代替连续方程， 以水库型槽蓄方程代替动力方程，去求解地表水运动的基本微分方程。流域汇流的 第一章绪论 研究主要沿着物理分析途径、系统分析、随机水文学三个方向发展1 1 6 】。 针对城区产汇流机制的研究，美、英、法、德等发达国家从六十年代起开始研 制城市雨洪模型，以满足城市排水、防洪等多方面的要求，并且取得了较大的进展。 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。这些模型包括雨洪管理模型( s w m m ) ，美国辛辛那提大学c u r m 模型，伊旱 诺排水模型( i l l u d a s ) ，水文计算模型( h s p ) ，蓄水、处理j 溢流模型( s ，l o r m ) ，沃林 福特模型( w a l l i n f o r d ) 等【1 7 l 【18 1 。这些模型可以根据使用者的要求，更为确切的模拟 水文和水质变化的过程。其中几个常用模型的特点如下【4 】： ( 1 ) 雨洪管理模型( s _ l v m m ) 此模型于1 9 7 1 年由美国环保局提出。 条f o r t r a n 语句以上的计算机程序形式， 这一模型在实用中采用一个包含有1 0 0 0 0 它由四个主要子程序块组成。径流程序块 是关于径流过程线推演及与之联系的污染物负荷计算：传输程序块对通过排水系统 的径流过程线和单一污染物质随时间变化过程，存储和接受模块分别模拟污水处理 厂的作用和出流量对接受河道的影响。它在地表处理上将流域概化为不透水和透水 区两部分。透水区计算采用了改进的霍顿公式：在不透水区处理时，则将不透水区 分为两部分，其中2 5 的不透水面积上洼蓄为零，另外7 5 的面积上，净雨必须扣除 初损。 ( 2 ) 美国辛辛那提大学c u r m 模型 该模型是与s w m m 类似的以计算机为基础的模型。此模型在地表处理时，将流域 概化为不透水和透水区两部分。对于完全不透水区，在对通过下水道系统的雨水口 径流过程线进行演算之前，需要扣除下渗量、地表蓄水量、地表漫流量和边沟流量 和，而透水区的下渗计算采用霍顿公式，储蓄采用指数型关系来模拟。 ( 3 ) 美国陆军工程兵团模型( s t o r m ) 此模型与前几种模型的区别在于：前几种方法需要确定地区的下渗资料，而 s t o r m 模型，只需要知道土壤类型、土地利用情况这些较容易确定的资料，便可通过 综合指标号计算出净雨过程。 ( 4 ) 英国沃林福特模型( w a l l i n g f o r d ) 该模型由水力学研究站，水文学会和气象局于1 9 7 4 1 9 8 1 年在英国推行。该方 第一章绪论 法将每个子流域分为：确切表面、屋顶及透水区三部分。在计算各种表面产流时， 必须先计算流域总的出流百分率，以确定各地表的处理率。它由四种方法组成：l 、 沃林福特合理化方法：适用于草拟设计或用于1 5 0 公顷以下面积情况。它可以手算 和计算机计算两种形式，后一种形式包含有模拟雨水溢流设备。2 、沃林福特过程线 方法：这是以计算机为基础，分丌模拟地面和地面以f 阶段径流状态的方法。它可 以用于设计和模拟两种类型情况，并且可以考虑到雨水溢流以及在管线上和不在管 线上的滞洪水池及泵站作用。3 、沃林福特优化方法：它以计算机为基础，采用离散 型动态规划技术获得与最小工程造价有关的管径、埋深及坡度。4 、沃林福特模拟程 序：这是以计算机为基础的方法，可以用来检验超载条件下，现有系统和计划设计 系统的运行情况，亦可考虑到暴雨溢流口，排水系统在管线上与不在线上滞洪水池 和泵站的作用。 河网洪水演算是近2 0 年来得到较快发展的领域。河网中的洪水运动，由于受到 水流之间相互联系和干扰的影响，比单一河道或多支流河道的洪水运动要复杂。据 报道，根据水力学理论来处理河网洪水演算一般有两种方法：其一为河网单元划分 法：其二为基于圣维南方程组数值解的方法【怕 。 1 9 7 5 年，c u n g e 在研究湄公河三角洲河网洪水演算时首先提出了河网单元划分 法。该法要点是：在河网地区，将水力和下挚面特性基本相似，水位差变化不大的某 一片水体概化为一个单元，取其几何中心处的水位为代表水位，并给出它的水位 水面面积关系曲线：将计算区域按上述原则划分成若干单元后，再确定单元之间为 河型连接或堰型连接，河型连接在不存在局部水头损失时采用，堰型连接则用在存 在局部水头损失的情况。然后对单元进行分组，并对每一组单元导出微分形成的水 量平衡方程式。用有限差分法将这些微分方程式离散，考虑边界条件后，就可构成 一一个以代表水位为未知量、以单元问流量系数为参数的闭合代数方程组。用河网单 元划分法进行河网洪水演算，就是在于求解这一代数方程组。 河道洪水演算的基础是圣维南方程组。建j 童在求解完全圣维南方程组基础上的 河道洪水演算方法称为动力波演算法，是目前最具普遍性的一种洪水演算方法。动 力波演算法是一个庞大的方法体系，其中在河道洪水演算中常用的一种方法是由 c u n g e 等人首先建议，后来得到不断完善的一种差分数值解法。该法采用四点隐式差 第一章绪论 分格式将方程组在时间和空间上进行离散化，以时段初的系数值代替其时段平均值 使方程组线性化，最后对演算河段可得到一个闭合的线性代数方程组。 用完全圣维南方程组求鼹环状河网洪水演算，原则上与单一河流积多支河流的 动力波演算相同，但由于环状河网中绝大多数河道两端节点之间水位或流量未知， 所以在求解技巧上会有所不同。当仍采用四点隐式差分格式离散圣维南方程组时， 河网洪水演算方法有直接解法和分级解法之分。早期针刘小型河网，曾采用直接求 解由内河道河段方程和外河道河段方程及边界条件组成的方程组l 伸】。但是这种直接 解法对于大型河网，由于所形成的系数矩阵过于庞大，故实际上难于应用。分级解 法的基本思路是设法将未知数往河道的端点集中，待求出河端未知数后，再将每一 河道作为单一河道来求解。上述直接解法实际上可称为一级解法。在此基础上，如 对河道中f b j 断面未知量形成的子矩阵先行求解，消去中间断面未知量，表达成基本 未知量的函数，从而使方程组的系数矩阵降阶，易于求解。这就成为二级解法。如 果对二级解法的基本未知量再进一步消元，则可形成以节点水位为基本未知量的三 级解法。三级解法对求解大型河网十分适用，已在实际生产中得到广泛的应用。 特别地，当演算河段中存在支流交会、集中旁侧入流、分洪蓄洪、堰闸控制和 河道分汊等情况时，可用“虚拟单元河段”等方法来处理它们对洪水波运动的影响【2 0 2 。 1 5 研究目的与意义 天津作为一个有着重要地位的大城市，其防洪排涝问题具有相当的代表性。因 此本文以天津作为研究对象。 天津是我国北方重要的港口城市，海河干流横穿天津市中心城区，是集行洪、 排涝、蓄水、景观、旅游等多功能为一体的河道，同时也是引黄入津的各用水源地， 海河干流对排除天津市中心城区、环城四区和塘沽区的汛期涝水，发挥着巨大的作 用。近年来随着城市经济的快速发展，海河的功能发生了较大的变化。主要表现在： 引黄期间汛期排入海河的涝水应做到雨污分流，禁止污水排入海河；为最大限度地 保护河道景观，减少汛期排涝水位漫过2 o m 亲水平台的机遇，应运用调度手段，在 不发生大的涝水的情况下，使海河水位控制在2 0 m 以下f 2 2 】。同时天津城市的发展， 第一章绪论 城市周边地区工业用地的增加，使城市化倾向日益明显，不透水面积扩大，排涝峰 量加大，排涝峰值时间提前，增加了汛期海河排涝的压力。 天津地处华北平原，境内河网密步，涝水通过密布的管道、河嘲进入一级河道， 对于一级河道而言，其过水能力取决于下游潮位。由于城市涝水的增加，使得海河 的排涝水位上升，上升的排涝水位反过来又对城市的排涝产生顶托。 这些变化给海河沿岸治涝区的排涝调度提出了新的问题，为研究城市化进程对 海河天津段防洪排涝的影响，协调好城市排涝与水源保护、河道景观的关系，提高 城市排涝能力，保证城乡排涝安全，充分利用本地雨洪资源，需要有科学、先进、 合理的计算方法和可靠的分析计算结果作为依据。因此研制天津市中心城区及新四 区水文水力学模型成为此次研究中非常重要的一项工作。 目前，我国在城市水文模型方面的研究工作刚刚起步，在我国广大的城市地区， 研究适合自己城市的水文水力学模型，即研究城区管网地区产汇流模型，郊区产汇 流模型，河网汇流模型，并将它们耦合成一个完整的模型，这种工作还处于研究探 索阶段，投放的资金和人力还很有限，这无疑制约了我国城市防洪工作的发展，降 低了防洪效益，增加了洪涝风险。 对于海河天津段的防洪排涝问题国内学者也有诸多研究，刘俊等应用美国雨洪 管理模型( s w m m ) 针对天津市城区产汇流特性，在充分论证和经过试验区检验的基 础上，详细进行了市区二级河道的排涝模拟和计算，并首次全面系统地计算出市区 有关控制断面的出流过程【2 3 1 。但完整的研究其防洪排涝问题尚属首次。 对于天津市的研究，针对该地区防洪排涝通道的汇水区域建立包括城区和郊区 在内的完整的水文水力学模型，通过应用建立的模型研究城市化迸程对该市主要排 水通道汛期防洪排涝的影响，并对该城市河道的汛期排涝能力作出评估，其研究思 路和方法，特别是模型的建立和应用，对其他城市防洪排涝问题的研究都有参考意 义。 第二章研究区概况与研究内容 2 1 研究区域概况 第二章研究区概况与研究内容 本文主要研究对象为海河天津段，海河干流横穿天津中心城区。其汇水面积包 括天津市区及新四区。 2 1 1 自然地理 天津市位于华北平原的东北部( 东经1 1 6 4 2 。1 1 8 0 3 。，北纬3 8 3 4 。 4 0 1 5 。) ，北靠燕山，东临渤海，是海河流域五大支流的汇流处和入海口，素有“九 河下梢”之称。全市总面积1 1 9 1 9 7 k m 2 ，其中平原区面积1 1 1 9 2 7 k m 2 。 天津中心城区及新四区位于天津市南部，面积2 1 1 6 6 1 k m 2 ，为海河下游冲积平 原，区内地势平坦低洼，排水不畅。地形由西北向东南倾斜，坡降在l 5 0 0 0 1 2 0 0 0 0 ， 西北部稍高，东南部较低，中心城区地面高程一般在3 。o m ( 大沽，下同) 左右，最 高4 o m ，最低2 0 m 。海河干流市区段两岸商程一般在4 0 3 o m ，解放桥以上在4 o m 左右，赤峰桥以下至郑庄子一带在3 o m 左右。 2 2 2 水文气象 降水：天津市区暴雨特征是历时短、强度大，且在时空分布上不均匀，降雨多 集中在汛期( 6 9 月) ，特别是7 8 月多年平均降雨量为3 7 3 2 m m ，约占全年降雨 量的6 3 2 。在地区分布上亦相差较大，平均雨量与最大、最小之差为4 0 。降水量 由北向南递减，其中中心城区及新四区多年平均降水量为5 5 0 6 0 0 m m 左右。蒸发量 由北向南递增，本次研究区域内多年平均水面蒸发量为( e 6 0 1 ) l l o o m m 。 洪水：天津地区的洪水，主要来自海河流域上、中游，洪水发生时间多在7 、8 月，特点是峰大，历时长，年际变化大。据文献记载和实测资料，自1 7 世纪以来， 海河流域共发生2 0 次较大洪水。北系永定河以1 9 3 9 年洪水最大，三家店洪峰流量 为4 6 7 0 m 3 s ；南系大清河、子牙河以1 9 6 3 年洪水最大，东淀出流最大流量为 6 1 l o m 3 s ，独流减河最大泄量1 2 0 0 m 3 s ( 不包括津浦铁路2 5 孔桥分洪量) ，海河于 流最大泄量1 6 9 8 m 3 s ( 1 9 6 3 年8 月2 8 日) 。 涝水：研究区涝水由本区暴雨形成，涝水的特征是峰值较大，但总水量不大， 第二章研究区撮况与研究内容 一般不会对干流河道安全形成危胁，涝灾损失主要表现在造成城乡多处大范围积水 长时间不退，使城乡正常生活、生产受到影响。天津中心城区地势低且平坦，历年 降雨形成的沥涝水有8 5 通过1 1 2 处泵站、口门排入一级河道，市区排沥顺畅与否与 一级河道的初始水位、是否泄洪以及河道潮位有着直接的关系。 气候：天津气候属温带季风型大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春 季干旱多风，秋季气候凉爽。年平均气温1 1 1 勉3 。c ，1 月份平均气温一39 - - 5 7 。c ，7 月份平均气温2 5 6 2 6 4 。c 。 2 2 3 河流水系 天津市是海河五大支流南运河、子牙河、大清河、永定河、北运河的汇合处和 入海口，素有“九河下梢”、“河海要冲”之称。流经天津的河流有海河干流及南 运河、北运河、子牙河、大清河、永定河、潮白河、蓟运河等，构成了丰富的天津 水系。天津城区及新四区内排水系统大部分要机排，排水的出路主要有永定河、大 清河、海河干流、子牙河、南运河、北运河、独流减河、永定新河及新开河等。 2 2 4 水利工程 截至2 0 0 3 年，中心城区已建成区面积2 5 2 k m 2 ，其中有排雨设施的面积1 2 3 k m 2 ， 服务面积普及率为4 9 8 j 6 ；有排污设施的面积1 5 1 k m 2 ，服务面积普及率为6 1 。市区 现有各类排水干管2 0 6 3 k m ，其中雨水、污水及雨污水合流干管各为7 8 0 、8 2 0 、4 6 3 k m ； 排水泵站】6 7 座，其中雨水、污水及雨污水合流泵站各为9 3 、4 6 、2 8 座。在雨水及 雨污水合流泵站中，排入海河等一级河道的泵站4 7 座，排水能力1 9 6 5 6 m 3 i s ，自流 口门5 9 座，5 2 6 3 m 3 i s ；排入二级河道的泵站3 5 座，排水能力1 7 7 0 7 m 3 i s ，自流口 门6 3 座，4 5 9 6 r n 3 i s 。 新四区城镇及农田沥涝水分别排入永定新河、独流减河、海河、子牙河和北运 河，还有部分地区沥水直接入海河，大部分地区地势较低，排水系统为机排已建 成排水泵站总排水能力7 5 3 6 m 3 i s ，排水渠道总长2 0 4 7 k m 。 2 2 5 社会经济 第- - 章研究区概况与研究内容 天津是我国北方的一个特大城市，在国家经济布局中占有重要的战略地位。近 年来，天津的经济和城市建设有了巨大的发展。天津港是我国北方地区重要的出海 口，又是铁路、公路的主要枢纽，交通便利，连接着华北、西北的广阔腹地，发展 潜力巨大。 根据统计资料，2 0 0 3 年天津全市总人a l1 0 1 1 3 0 万人，其中城镇人口5 4 9 7 4 万 人，耕地面积6 3 6 4 5 万亩，粮食总产量11 9 2 9 万吨，工业总产值4 3 7 0 7 6 亿元， 农业产值1 9 3 5 0 亿元，国内生产总值2 3 8 6 9 4 亿元。 外环线以内的中心城区建成区是天津市居住人口最为密集的地区，也是天津金 融、贸易和商务的中心，集中了众多的大中型工业企业、铁路、通讯、邮电、道路、 市政、公用等重要的基础设施，是全市防汛除涝的重点地区。 2 2 天津市洪涝灾情 2 2 1 历史灾情 天滓中心城区及新四区( 含武清、塘沽部分排入海河干流的区域) 排水面积 2 2 9 9 9 8 k m 2 ，其中由海河干流承泄排水面积1 1 3 8 2 5k m 2 ，地形低洼平坦，积水不能 自流排除，加以降雨分配不均匀，往往形成涝灾。 历史上天津的洪灾和涝灾都是相伴发生的，1 9 17 、1 9 3 9 年历史大洪水也是大涝 年，1 9 1 7 年天津市区西南部全部被淹：1 9 3 9 年市区7 8 的地区被淹。1 9 6 3 年8 月9 日降雨9 8 4 m m ，造成积水9 5 处，积水深度0 2 、0 4 m 。建国后尤其是1 9 6 3 年大洪水 之后，海河流域进行了大规模的水利建设，经过几十年治理，成效显著，但尚未根 治。随着流域内经济建设的发展、上游大量水库拦蓄、人口的增加，使天津市入境 水量日益减少，而用水量却不断增加，致使水资源极度短缺，不得不大量抽取地下 水，市区形成了大面积沉降区，加以经济的发展使城区面积由5 0 年代的6 0k m 2 ，扩 大到现状的的2 5 2k m 2 ，城区坑塘、沟逐渐被填平，地表透水程度日益缩小、地表径 流系数加大等原因，形成排水量的加大，排泄不及致使多处低洼地区易积水。 1 9 7 7 年8 月2 日3 日，市内六区平均降雨量为1 7 3 m m ，河西区最大达2 0 0 4 m m ， 造成4 4 处地区及9 处地道积水，面积约2 2 7 k m 2 ，积水深度为0 ，3 0 9 m ，积水历 时为1 2 4 8 小时。据7 个工业局统计，造成直接经济损失约2 亿元；郊区最大日雨 4 第二章研究区概t l t - 与研究内容 量1 4 6 1 2 0 7 m m ，受淹面积7 0 1 k m 2 ，受淹农f 玛8 4 万亩，直接经济损失2 8 6 亿元。 1 9 7 8 年8 月8 日9 日，市内6 区平均降水量为1 9 8 m m ，耳闸雨量站记录的最大 值为2 1 9 9 r a m ，河西区最小为1 0 9 6 m m 。据当时不完全统计，有4 4 片地区及9 处地 道积水，积水面积约为2 3 8 k m 2 ，积水深度为0 3 1 o m ，积水历时为7 、6 0 小时， 当时海河排水未遇到高水位，海河闸闸上最高水位为3 2 m ( 8 月l o 日) ，最大泄流 量为3 6 0 m 3 s ( 8 月1 1 日) ，市区堤防安然无恙；郊区