（水文学及水资源专业论文）天津市区暴雨径流模拟模型的研究.pdf

摘要 天津市区地处海河干流汇流区，近年来随着城市规模的不断扩大，城市防洪 排涝问题越来越突出，严重危害了城市居民的生命和财产安全，在很大程度上制 约了城市的经济和社会发展。对城市的暴雨径流进行模拟计算，可以分析和预报 城市的雨洪灾害，提高城市雨洪管理的效率，从而最大限度的减少暴雨洪水带来 的危害。因此，本文在充分研究天津市区降雨径流规律后，针对天津城市防洪排 涝的需要，建立了天津市区暴雨径流模拟模型，为天津的城市防洪提供有价值的 参考。 本文将p c s w m 应用于天津市区暴雨径流的模拟计算，主要对以下四个方面 的内容进行了深入研究： ( 1 ) 总结了天津市区暴雨洪水的基本特征。在分析城市化对天津市区暴雨 径流影响的基础上，本文结合天津市区和郊区水文站的降雨径流资料，总结了天 津市区暴雨洪水的基本特征，并得出天津市区暴雨洪水的基本变化规律。 ( 2 ) 建立了模型信息数据库。对天津市区的基本资料进行提取和研究后， 建立了模型信息数据库，并着重介绍了建立数据库的三个步骤：下垫面信息提取、 子流域概化和管网概化，并对各个步骤采用的方法做了详细的介绍。 ( 3 ) 建立了天津市区暴雨径流模拟模型。通过对比分析国内外现有的城市 暴雨径流模拟方法，结合天津市区的气象、水文、水力等各方面的资料，构建了 基于p c s w m m 的天津市区暴雨径流模拟模型。该模型把暴雨径流的汇集过程分 为地表产流子系统、地表汇流子系统和径流传输子系统三部分，从而模拟出完整 的城市暴雨径流过程。 ( 4 ) 进行了天津市区暴雨径流的模拟计算。本文利用天津市区比较有代表 性的1 0 次暴雨过程的实测资料，进行了市区暴雨洪水的模拟计算。并通过参数 率定和模型验证，获得了符合天津市区特征的模型参数。 模拟结果表明，该模型对于城市暴雨径流的模拟具有较好的效果，合格率达 到了9 0 ，这说明该模型是可行的、可靠的，在研究区域具有很好的适用性，完 全可以用于天津市区暴雨径流的模拟计算。特别是该模型对于百毫米级暴雨径流 的模拟的效果最好，合格率达到了1 0 0 ，这对于城市防洪排涝有着特殊的意义。 关键词：暴雨径流模拟模型p c s w m m 数据库防洪排涝 a b s t r a c t t i a n j i nu r b a nd i s t r i c ti sl o c a t e di nt h eh a i h er i v e rm a i nf l o wc o n c e n t r a t i o na r e a w i t ht h es c a l ec o n t i n u o u s l ye x p a n d si nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o b l e mo fc i t yf l o o dc o n t r o l a n dw a t e r l o g g i n gi sm o r ea n dm o r es e r i o u s i ti sb i gt h r e a tt ol i v e sa n dp r o p e r t i e so f u r b a nr e s i d e n t , a n dh a v i n gr e s t r i c t e dt h ec i t y se c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n tt oa g r e a te x t e n t s i m u l a t i o no nt h ec i t ys t o r mr u n o f fc a na n a l y s ea n df o r e c a s tt h ec i t y s t o r m sa n df l o o d sh a z a r d , i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs t o r m sa n df l o o d sm a n a g e m e n t ， g r e a t l yd e c r e a s et h ed a m a g er e s u l t e df r o ms t o r mf l o o dt h e r e b y t h e r e f o r e ，a f t e rt h e s u f f i c i e n ts t u d yo fs t o r mr u n o f fl a wa n df l o o dc o n t r o ld e m a n d si nt i a n j i nu r b a n d i s t r i c t w ee s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fs t o r mr u n o f fi nt i a n j i nu r b a nd i s 仃i c t i n t h i sp a p e r t h em o d e lc a np r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c ef o rc i t y sf l o o dc o n t r o la n d w a t e r l o g g i n g i nt h i sp a p e r , p c s w m mw a sa p p h e dt os i m u l a t ea n dc a l c u l a t et h es t o r mr u n o f f o ft i a n j i nu r b a nd i s t r i c t ，a n dt h em a i ns t u d yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) s u m m e du pt h eb a s i cf e a t u r e so fs t o r mf l o o di nt i a n j i nu r b a nd i s 仃i c t o nt h e b a s i so fd a t a , w ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t o r mr u n o f fa f t e ru r b a n i z a t i o na n d o b t a i n e dt h eb a s i cf e a t u r e so fs t o r mf l o o da n dt h ec h a n g i n gl a wo fs t o r mf l o o di n w i 删i nu r b a n d i s t r i c t ( 2 ) e s t a b l i s h e dt h em o d e li n f o r m a t i o nd a t ab a s e t h ed a t a b a s ec o n t a i n st h eb a s i c d a t ao ft i a n j i nu r b a nd i s t r i c t i nt h i sp a p e r , w ed e t a i l e d l yd i s c u s s e dt h et h r e ep r o c e s s e s o f e s t a b l i s h i n gt h em o d e l ，i n c l u d i n ga b s t r a c t i n gt h eu n d e r l y i n gs u r f a c e si n f o r m a t i o n , s i m p l i f y i n gt h es u b b a s i n sa n dc o n d u i tn e t w o r k , a n de x p l a i n e dt h em e t h o di nd e t a i l ( 3 ) e s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo ns t o r mr u n o f fi nt i a n j i nw b 趾d i s t r i c t i n t h i s p a p e r , a f t e ra n a l y z i n gt h e m e t h o do fs t o r mr u n o f fs i m u l a t i o na n dt h e m e t e o r o l o g i c a l ，h y d r o l o g i c a la n dh y d r a u l i c sd a t ao ft i a n j i nu r b a nd i s t r i c t , w e e s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo ns t o r mr u n o 行b a s e do nt h ep c s 、7 v m m t h em o d e l c o n t a i n e dt h r e es y s t e m s ，i n c l u d i n gt h eg r o u n dr u n o f fy i e l ds y s t e m , a n dt h eg r o u n d f l o wc o n c e n t r a t i o ns y s t e ma n dt h ec o n d u i tn e t w o r kt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m , w h i c h c o n s t i t u t et h ei n t e g r a t e ds t o r mr u n o f fp r o c e s s 4 ( 4 ) s i m u l a t e dt h es t o r mr u n o f fi nt i a n j i nu r b a nd i s t r i c t w eu s e dt h ed a t ao ft h e t e nr e p r e s e n t a t i v es t o r m st os i m u l a t et h es t o r mr u n o f fi nt h i sp a p e r a n db yc a l i b r a t i n g t h ep a r a m e t e ra n dv e r i f y i n gt h em o d e l ，w eo b t a i n e dt h ep a r a m e t e r sw h i c ha r es u i t a b l e f o rt h ef e a t u r e so ft i a n j i n i ti ss h o w ni nt h es i m u l a t i o nt h a tt h em o d e lh a sh i g he f f i c a c yi nm o d e l i n gt h e u r b a ns t o r mr u n o f f , a n dt h eq u a l i f i e dr a t ec a nr e a c h9 0 ，w h i c hi n d i c a t e dt h em o d e l i sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e ，a n di t sg o o dp e r f o r m a n c ei m p l i e si tc a nb ea p p l i e di nt h e s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o ni nr i 画i n p a r t i c u l a r l y , w h e ns i m u l a t e dt h es t o r m sm o r e 也雒 o n eh u n d r e dm i l l i m e t e r s ，t h ee f f i c a 锣i sh i g h e s t , c a nr e a c h10 0 ，w h i c hi so f g r e a t s i g n i f i c a n c et ot h ec i t y sf l o o dc o n t r o la n d w a t e r l o g g i n g k e y w o r d s ：s t o r mr u n o f f , s i m u l a t i o nm o & l ，p c s w m m ，d a t a b a s e ，f l o o dc o n t r o l a n dw a t e r l o g g i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：致画之花签字日期：工伪7 年6 月岁e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解尘垃有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：酴舀己花 导师签名： 吻争 签字日期：2 0 吖年参月岁日签字日期：啊年6 月乡e t 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 研究的主要目的及意义 城市化的不断加快，带来了经济社会的飞速发展，最大限度的满足了人类发 展的需求，扩大了人类的生存空间，但也大幅度改变了地球上长期形成的自然生 态系统的结构，改变了自然界固有的物质循环和能量循环模式。这种急剧的变化， 不仅使人类面临着人口、资源、环境等一系列的问题，也使得自然灾害发生的频 率逐渐加快，造成的损失也愈来愈大。城市化发展改变了城市的自然地貌和天然 排水系统，引起下垫面条件的剧烈变化、热状况等小气候条件的改变，导致降雨、 径流等水文气象要素的变化，也带来了水资源紧缺、城市水资源污染和城市雨洪 灾害三大水文问题，严重制约着城市的健康发展。 我国是一个多暴雨灾害的国家，很多城市由于排水系统不完善，雨洪调度和 洪灾管理手段落后等各方面的原因，使得暴雨成为城市最为严重的自然灾害之 一。在历史上，从公元前2 0 6 年到公元1 9 4 9 年的2 1 5 5 年期间，发生较大水灾达 1 0 9 2 次，很多城市多次遭受洪水的洗劫和扫荡【l 】。1 9 4 9 年至今的5 0 多年间，虽 然城市防洪工作有了很大的进步，但仍赶不上城市发展的速度，城市洪涝灾害问 题依然非常突出，带来的危害也越来越大。 城市是人类最集中生活与工作的地方，是地区的政治、经济、文化和交通的 中心。因此，一旦城市中暴雨肆虐，就会影响城市的经济、交通、通讯、建筑以 及一些公共设施，对城市居民的生活带来不便甚至威胁人民的生命安全，并带来 社会物质财富的巨大损失。暴雨过后还会造成路面积水、垃圾漂浮、疾病流行等 环境问题，是城市病生成的一个主要原斟引。同时，随着社会经济的发展，生产 力水平的提高，社会财富和人口不断向城市集中，城市洪水灾害的损失呈现不断 增长的趋势。而且，城市洪水灾害还会对整个社会发展造成较长时期的不良影响， 甚至影响社会的稳定。 洪水灾害甚至会影响城市的发展进程。我国古都开封，在宋朝时就有1 0 0 多 万人口，其繁华兴盛程度放在现代也是一个举足轻重的城市。但由于其特殊的地 理位置，经常遭受黄河洪水危害，几度兴废，使其发展受到严重制约i l l 。现代城 市的政治、经济、军事、科技和文化等多方面功能更加突出，如果遭受洪水灾害， 第一章绪论 不仅城市的发展会受到制约，整个地区甚至国家的发展都会受到制约。 所以，如果对城市暴雨径流的研究不能给予足够的重视，带来的损失，将是 不可估量的。 天津市作为我国的几个重要的中心城市之一，在我国的各个历史时段都发挥 着重要的作用。近年来，天津的发展尤其迅速，国家的“十一五”发展规划更是 将天津的发展纳入了国家战略的轨道，天津在全国的地位必将更加重要。因此对 天津市暴雨洪水进行研究是非常有必要的。 天津市地处“九河下梢，仅有1 1 9 万k m 2 的地域，却承担着海河流域2 6 5 万k m 2 面积中7 5 的泄洪量，受到西、北、南三面来水和海潮的威胁；同时，天 津市降雨的时空分布极不均匀，年降水量6 0 在7 、8 月份，又因地势低洼，极 易发生洪水，造成了内涝灾害、海河防洪等问题。特殊的地理位置、地形特点、 雨情和水情，都使天津市城市暴雨径流问题比较突出。 1 9 3 9 年发生的海河流域洪水，曾经使天津市被淹达2 个月之久。建国以来， 天津市的防洪工作虽然取得了很大的成效，但随着城市的发展，近年来天津市区 低洼地区淹泡的频次、历时和范围都有增长的趋势，不仅加重了城市的防汛排涝 的任务，对经济建设和人民生活也造成较大影响。这些情况虽已引起政府和广大 公众的重视，并已开始采取或计划采取一些措施，取得了一些进展，但还不能从 根本上改变天津市雨洪灾害的形势。 - 城市暴雨径流问题的解决有赖于城市暴雨径流理论的发展和计算模型的改 进【3 】。随着城市化的快速发展，城市区域的产汇流过程和其他地区相比有很多的 不同，并且表现出越来越鲜明的特点，传统的暴雨径流计算方法已不能满足现代 城市对防洪排涝的要求，必须用更加符合实际的方法来准确进行暴雨径流的模 拟、计算和预测。因此有必要针对天津城市化流域的特性，依据城市化前后产汇 流机制的变化，建立一种比较先进和完善的分析计算方法，来准确计算出市区在 遭受不同频率暴雨时的产流量。 同时，随着城市化进程的加快，城市水资源管理的费用也不断加大，由于城 市水资源的管理不当而带来的代价也是非常高的，甚至会受到大自然无情的惩 罚。因此研究一种可靠的城市暴雨径流模拟方法就变得越来越紧迫和重要。 城市暴雨径流模型是一个非常好的工具，通过本研究建立的天津市区暴雨径 流模拟模型，可以了解暴雨过程中城市地表产汇流和管网传输的过程和机理，并 更加恰当的进行城市暴雨径流的模拟计算和雨洪的防治。希望通过本次研究，建 立较为准确的天津市区暴雨径流模拟模型，为天津市的防洪排涝和海河干流的防 洪调度提供科学依据，并提出合适的方法和建议，以便从工程和非工程措施的角 度减少城市雨洪带来的损失。 第一章绪论 1 1 2 城市暴雨径流的特点 城市化发展最突出的表现就是各种不透水道路的铺设，居民区、商业区和工 程的建设。这些建筑设施覆盖在城市地表，取代了原来的草地、耕地，使城市化 地区的水循环系统发生变化，随之而来的就是降雨变化、产汇流速度加快等水文 气象过程的变化，这些变化都给城市带来了极大的压力。 加拿大安大略城市排水下属委员会发表的关于城市排水实用手册中提出 了城市化引起水文要素之间分配比例的变化，见表1 1 。其中城市化后的地表径 流与屋顶截留直接进入城市的排水管网，成为管网径流。 表1 - 1城市化前、后水文循环要素的变化【4 】 一、城市化对降雨量的影响 城市化发展过程中，城市下垫面的改变以及人类的生产生活共同作用，形成 城市热岛效应、城市建筑物阻碍效应和城市凝结核效应等机制，使大气边界层的 特性发生变化，从而影响城市地区的气温、辐射及降水，形成不同于城郊农村的 气候状况。 l 、城市化前后对比 美国爱德华兹维尔【1 】对早期1 9 1 0 1 0 4 0 年未经城市化时的降雨量和近期 1 9 4 1 1 9 7 0 年已经城市化时的降雨量进行对比，发现近期降雨量比早期增加了 4 2 5 。 雷凡尼和怕皮【l 】研究了意大利都灵市城市发展和降水的关系。他们指出，在 1 9 5 2 1 9 6 9 年期间，都灵人口由7 0 万增加到1 2 0 万，汽车由7 万辆增加到3 9 万 辆，城市化发展速度相当快。夏季阵雨的频率明显增加，但每次降雨量却不大。 帕露波等【l 】对意大利那布勒斯城的降雨历史资料进行分析时指出，在 1 8 8 6 - 1 9 4 5 年这一长时期中，那布勒斯的降雨量没有明显的变化，但是近3 0 年 即1 9 4 6 - , 1 9 7 5 年，随着那布勒斯城市化的发展，降雨量比前一时期增加了1 7 左右。 2 、同时期城市与郊区的平行对比 早在1 9 1 0 年，韩葆【l 】研究了瑞典首都斯德哥尔摩与其附近郊区5 0 年 ( 1 8 6 1 - 1 9 1 0 年) 的降雨资料，发现郊区的降雨量在这5 0 年中变化很小，而斯德哥 第一章绪论 尔摩市区的降雨量明显地增加。v i j g a yp s i i l g h 5 】对美国城市化带来的城市气候变 化进行研究时发现，城市化使城市地区的降雨量比农村环境下多5 一1 0 ，其 中2 英寸降雨日数比农村环境多1 0 。王坪等人【6 】对中国北方城市的降雨资料研 究发现城市雨季空气中较多的漂尘提供了降雨凝结核，使城区相对于郊区降水量 增加明显，暴雨强度也有所增加。 二、城市化对径流的影响 随着城市化的发展，城区土地的利用方式发生了根本的改变，树木、农作物、 草地等面积逐步减小，工业区、商业区和居民区规模、面积不断增大，城市的一 些洼塘被填埋。 城市化过程使城市区域大部分被不透水表面所覆盖，减少了下渗损失和蓄水 洼地。由于不透水地表的入渗量几乎为零，使径流总量增大；不透水地表的高径 流系数使得雨水汇流速度提高、地面汇流时间缩短，从而使洪峰出现时间提前； 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：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，导致径 流量和洪峰流量加大。此外，城市暴雨径流增加后，还可能使已有排水明沟、暗 渠及桥梁过水能力不足，引起城市上游洪水泛滥，导致城市洪涝灾害频发r 7 1 。 1 、径流系数 美国国家城市径流计划( n u r p ) 1 9 8 3 年的研究结论表明【8 】，随着流域内不 透水面积百分比的增加，观测的径流系数雅也在增加。径流系数与不透水面积 百分比的关系可以用式( 1 1 ) 9 1 和图1 - 1 来表示： c ：1 8 5 8 1 0 。7l ，3 一1 7 8 1 0 巧l ，2 + 0 0 0 7 7 4 i + 0 0 4 ( 1 - 1 ) 式中：c ，_ 一径流系数； 卜不透水面积百分比( ) 。 j b 籁 垛 鼙 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 2 04 0 6 08 0 不透水面积百分比f ( ) 图1 1 径流系数不透水面积百分比关系 4 1 0 0 第一章绪论 由式( 1 1 ) 和图1 1 表示的径流系数与不透水面积百分比的关系是在两年 实测资料的基础上建立的，所以它代表的是常遇暴雨条件下( 所谓小于或等于2 年一遇) 的城市径流数据。丹佛城市排水及防洪署经过1 2 年的研究发现【l 们，径 流系数随着降雨量的增加而增加，所以对给定的土地利用情况，c 并不是常数， 而是随着降雨而变化的。贺宝根等人【1 l 】在杭州市对城市化地区的径流系数研究中 也发现了同样的规律，即随着降雨量和不透水面积的增加，城市地区的径流系数 也增大了，得出的规律如图1 2 所示。 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 饕o 5 嫣0 4 驻 0 3 0 2 0 1 0 0 0 不透水面积百分比( ) 图l - 2 城市化地区径流系数关系图 8 01 0 0 2 、洪峰流量 由于不透水表面要比草地、牧场、森林或农田光滑，所以城市区域的地表径 流流速大于非城市区域。随着径流量的增加和流域内各部分径流汇集到管道或渠 道里，使得流速不断加大，因而使流域内不同地点的汇流加快，最终导致城市化 地区实测洪峰流量增加【1 2 1 。 据e s p e y 等【1 3 ，1 4 1 9 6 9 年的研究表明，城市化后的单位线洪峰流量比城市化前 要增大近三倍，峰现时间缩短了近三分之一。四川省成都市峨眉山保宁小区峨嵋 径流试验站的小流域雨洪观测点，汇水面积1 4 3 k i n 2 。1 9 6 4 年起，城市化进程对 这里的暴雨径流产生影响，现在不透水面积已达全流域面积的2 5 以上。根据 1 9 6 0 年及1 9 8 4 年雨洪资料，图1 3 给出了两次暴雨径流无因次单位过程线的对 比结果【1 5 】。 第一章绪论 表1 3 保宁小区流量无因次单位线比较结果 m i n ) 从图中可以看出，洪峰流量增大，洪峰出现时间提前，是城市暴雨径流的显 著特点。而且，城市小区的不透水面积要远远高于2 5 ，所以相同的降雨条件 下，洪峰流量的值会变得更大，洪峰流量的出现时间也会比图中显示的有更大的 提前。 1 2 城市暴雨径流模拟的研究进展 1 2 1 城市暴雨径流研究的基本途径 城市化改变了下垫面的性质，使降雨径流过程受到极大的影响，而当有暴雨 发生时，城市化地区特殊的水循环过程，易导致洪峰增加和洪现时间缩短，造成 洪水灾害损失。因此，城市暴雨径流的研究已成为水文学中一个非常重要的研究 方向。 城市暴雨径流的研究工作，开始时只是针对个别地区进行简单的分析计算。 随着研究的开展，在1 9 世纪中期开始出现了一些常规的水文学方法来解决城市 暴雨径流问题，如推理公式法、等流时线法、单位线等方法，其中推理公式法是 目前应用最为广泛的方法。 这几种方法比较简单，所需资料不多，对于较小的城市流域往往是能满足计 算要求的。但是，上述几种方法也存在许多不足，主要表现在 1 6 , 1 7 ： ( 1 ) 城市地区空间和时间的尺度都较小，要求城市水文研究更精细，且须 考虑过程中所涉及的各项影响要素及其相互之间的作用。上述方法在计算过程中 考虑的方面较少，无法满足上述要求。 第一章绪论 ( 2 ) 城市化的过程是一个不断发展的过程，水及其环境都处在动态变化中， 分析城市地区的径流量、水质及雨洪过程都需要考虑这种动态性。上述方法基本 上属于集总型的“黑箱子模型，主要依靠输入和输出分析流域产汇流特性，难 以反映城市水文的动态性。当流域特性出现变化时，这些方法很难满足规划设计 的要求。 ( 3 ) 上述方法一般只适用于具有实测雨洪资料、单_ 出水口、管网系统为 树枝状、地面情况比较单一，且排水系统水流条件稳定、汇流面积较小的区域， 显然不符合大城市对暴雨径流模拟的要求。 在我国的一些城市中，使用室外排水设计公式法【1 8 】模拟暴雨径流也是非常普 遍的，但这种方法有时间的滞后性，往往不能代表城市下垫面变化的实际情况， 因此计算误差以比较大。 模型是人们认识自然、研究自然规律所需要的强有力工具 1 9 】，也是人类对水 文循环规律研究的必然结剽2 0 1 。城市水问题研究者们尝试用数学方法去描述和模 拟城市暴雨径流的过程，提出了城市暴雨径流模型的概念。 2 0 世纪7 0 年代左右，在一些团体和个人的努力下，城市暴雨径流的研究发 展迅速，并且建立了一些具有特色的分析方法，先后提出了基于物理过程模拟的 一些适应于不同问题的、大型综合的暴雨径流模型，经过试用、修正，形成了几 个通用性很强的模型软件包，如s t o i 泓、s w m m 等。这些模型的出现为研究 城市暴雨径流提供了很大的帮助。从此，城市暴雨径流模型的研究进入了成熟发一 展期，各种先进的方法得到了不断的推广和完善，逐渐成为城市暴雨径流计算的 主要方法。 在城市暴雨径流模型的研究上，大多是将城市划分成不同的汇水小区，采用 h o r t o n 、g r e 姐a m p t 或p h i l i p 下渗公式计算透水面积上的产流，利用简化的非稳定 流方程及动力波理论进行城市地面和管网汇流计算【2 1 】。这些模型与传统的推理公 式法相比，具有精度高、功能多等优点，在城市防洪、排水系统的规划设计、水 质模拟、水资源管理等方面发挥了非常有效的作用， 欧美、日本等诸多发达国家对城市暴雨径流问题研究较多，他们针对不同的 应用目的和要求，开发了一些暴雨径流模型，在城市雨洪管理、防洪排涝、洪水 风险管理和非点源污染控制中取得了非常明显的效果【2 2 2 3 1 。目前，国外常用的城 市暴雨径流模型主要有s w m m 、h s p f 、s t o r m 、d r 3 m q u a l 、m o u s e 、w a s p 、 m i k e 等，这些模型可以对整个城市的降雨径流过程进行量( 降雨量与径流量) 和质( 降雨与径流水的水质和受纳水体的水质) 上较为准确的模拟幽。s w m m 模型【2 5 】作为一个水文水力水质模型，完全依据暴雨洪水形成的物理机制，可以连 续模拟降雨径流问题，是最早提出的也是应用最广泛的暴雨径流模型。h s f p t 2 6 幞 第一章绪论 型是一个流域水文水质模型，可以模拟流域的水量和水质变化，预测暴雨产流和 其中的水质问题。s t o r m 2 7 】模型是一个主要用于城市合流制排水区的暴雨径流 模型，通过点面关系计算面雨量，将透水和不透水面积分别模拟，能模拟市区的 降雨、径流及水质变化过程，能绘制径流中简单的水量图，并能模拟排水管网的 溢流问题。d r 3 m q u a l 2 8 】模型的功能与s t o r m 类似，该模型可以模拟单一降 雨时间或者多个降雨时间，但对下垫面地形和市政管网资料的数据要求较多。这 些模型为探讨城市暴雨洪水规律，发展城市暴雨径流研究方法做出了贡献。 在此期间，由于观测时段的完善，资料更加精细，使得对城市水文物理过程 的认识更加深入，因而模型建立时所采用的一些假定得到验证或修正，使模型更 加符合客观实际，进一步提高了模拟的精度。同时，国外这些模型的开发常与工 程项目的应用联系密切，经过一段时间的积累，政府主管部门便会组织协调，推 出定型模型供给有相同开发目的人士，。因此国外城市暴雨径流模型的应用已非常 普遍【2 9 】。 在我国，也逐渐开展了这方面的研究，如解以扬等【3 0 】以城市地表与明渠河道 的水流运动为主要研究对象，提出了城市暴雨内涝数学模型，经验证在天津、南 昌和南京都有良好的适用性；岑国平等【3 】提出了城市暴雨径流计算模型，模型结 构合理，经检验获得了较好的模拟精度；徐向阳等【3 l 】针对平原城市的雨洪过程， 选择了适合平原城市特点的城市地面积水数学模型，经验证表明成果较为合理可 靠；徐振辞等【3 2 】提出了城区暴雨径流分布式模型，对不同下垫面的降雨入渗一径 流关系进行研究，精度满足应用要求。他们在暴雨径流方面的研究都取得了一些 可喜的成果，也为我国的城市暴雨径流研究做出了很大的贡献，但因国内的研究 起步较晚，目前还没有一个通用的城市暴雨径流模型，城市暴雨径流的研究也大 都是在引进国外成形模型的基础上，结合本地区实际的水文、水力和水质条件， 加以改进，研制适合当地使用的城市暴雨径流模型。如刘俊等【1 6 】对s w m m 模型 加以改进，使其在我国城市暴雨洪水研究中有了非常好的实用价值；刘兴坡等 3 3 】 应用s w m m 模型对镇江市的排水管网进行分析，为城市排水管网系统的改造提 供了科学参考。 近年来，随着计算机技术、地理信息技术与遥感技术和一些交叉学科的发展， 空间信息的获取与处理取得了极大的进展，城市暴雨径流研究的突出趋势主要反 映在计算机技术、空间技术、遥感技术等应用方面，出现了一些新的模拟城市暴 雨径流的方法，如利用地理信息系统( g i s ) 建立的一些模型3 卅和模拟方法 3 5 , 3 6 。 g i s 的空间数据存储和分析处理功能强大，并且利用g i s 进行计算可以实现计算 的可视化，特别在计算洪水淹没范围及损失统计中应用比较广泛。但是这种方法 对数据的要求非常高，而且功能比较单一，对复杂管网的模拟也存在着一定的困 第一章绪论 难。因此在暴雨径流的模拟中，g i s 很少作为一种单独的模拟方法来进行应用， 大多是用作暴雨径流模型中的一个工具，来很好的发挥它的优点。如p c s w m m 模型中就利用g i s 工具来进行下垫面和管网等属性数据输入，既发挥了g i s 的优 点，又增强了模型本身的功能。 同时，城市暴雨径流研究发展至今，虽然方法和模型名目繁多，但就目前常 用的方法来看，其理论正渐趋一致，各个方法或模型之间更多的是相互补充，而 不是相互排斥【3 7 】。因此当前城市暴雨径流模型的研究，越来越多的将具有各种特 点的模型相结合，来取得更好的模拟效果。 1 2 2 城市暴雨径流模型的比较 为了更加清楚的认识城市暴雨径流模型的研究内容，本文选取了当前影响较 大、应用较广的4 个模型s w m m 、h s p f 、s t o r m 、d r 3 m q u a l ，并对这四个 模型的主要特点进行了比较 4 0 , 4 1 , 4 2 , 4 3 ，如下页中表1 - 2 所示。后来出现的许多城 市暴雨径流模型都是在这些模型的基础上开发出来的，只是模型的应用方向或范 围有所不同，但原理基本相随 e 3 8 , 3 9 。 通过对表1 2 中四种城市暴雨径流模型进行比较，可发现s w m m 作为分布 式、连续模拟模型是最完善的一个，它完全依据城市暴雨洪水形成的物理过程， 因而具有较高的准确性，在城市区域内的暴雨径流计算方面有着明显的优势。因 而，选用在s w m m 基础上开发的p c s w m m 模型进行天津市区暴雨径流的模拟 计算。 同时，每种方法或模型都有自己的优缺点和适用范围，对于不同的地区、不 同的研究目的，可根据模型的特点、研究区域的特点、研究目标的特点和对方法 或模型应用的熟练程度选择最佳模型或软件。 1 2 3 城市暴雨径流模拟的发展方向 传统的城市暴雨径流数学模型功能已经比较强大，可以很好的模拟城市暴雨 径流中管网中的水量、水质和水位，但是由于城市的暴雨径流条件复杂，下垫面 常变化，管网的分布复杂、数量众多、受人为影响较大，需要的资料也非常详细 和繁多，因此在一些基础资料比较缺乏的地区，城市暴雨径流模型的发展遇到了 瓶颈，模型强大功能得不到体现。 g i s 和遥感为城市暴雨径流模型的发展带来了新的生机。g i s 作为一种多信 息源的空间化、动态化、多学科交叉的信息科学和技术，用于空间数据及非空间 属性数据的获取、存储、分析和显示的功能已非常成熟，可为水文模型提供非常 详尽的背景环境描述，已经成为流域水文系统模拟研究的关键技术之一畔4 5 】。由 第一章绪论 表1 2 常见暴雨径流模型比较 模型s w m m h s p fs t o r m d r 3 m - q u a l 美国环保局美国水文工程中心 开发商美国环保局( e p a )美国地质勘查局 ( e p a ) ( h e c ) 径流过程、管道输小排水区( 尤其是城市 模拟的主要 综合性的水城市区域的降雨、 送过程、储水及水的水文过程和污染物 过程 文、水质过程径流、水质变化程 处理过程的迁移转化过程) 径流量、泥沙 水量( 水文过程线负荷以及用户 模拟的主要水量、b o d s 、总悬浮扩散式雨水径流 变量 和径流量) 、水质参定义的污染物 物等水文水质参数模型一水质 数浓度的时间序 列 主要适合于城市区流域模型，模主要适合于模拟城市可以模拟任何时 域综合性的水量、拟连续或一次化地区的离散降雨过间的暴雨情况，还 模型的主要 水质模拟过程，可的暴雨过程；程；但也可以用于非城可以模拟一组暴 特征 以模拟连续或一次模拟污染物的市化地区和模拟1 年以雨( 忽视当中的旱 降雨过程变化过程 上的较长时间序列季) 情况。 模拟降雨类 连续、单次连续连续、单次连续、单次 型 排水系统流 可以可以不可以可以 程 溢流模拟可以不可以不可以可以 调节池、溢流 可以不可以可以不可以 设备 数据和人员 高高低一般 要求 整个模型复 高高一般一般 杂性 微型计算机 可以可以 不可以不可以 应用 1 0 第一章绪论 于g i s 在水文中的应用，基于物理过程的分布式水文模型得到了很大的发展，利 用上千个空间单元进行水文模拟已逐渐成为可能。同时，复杂而又具有物理意义 的分布式水文模型的发展极大地提高了对空间数据的要求，使传统地面观测站 网的密度和数据量远远不能满足模型对数据的要求，而遥感方法是一种新的成 本低廉的数据采集方法，在水文模型中具有很好的应用前景m 】。 城市暴雨所产生的径流受许多方面因素的控制，而这些因素大部分同地理位 置有关。g i s 的基本功能是数据信息的采集、管理、处理、分析和输出，由此衍 生出空间分析技术、模型分析技术、数据库和数据集成技术，这对城市暴雨径流 研究中复杂的数据处理、城市下垫面模拟有非常重要的帮助h 7 1 。同时，利用g i s 技术还可以方便的进行下垫面和管网属性数据的输入，简化了模型流程。以g i s 为基础，再结合使用水文、水力、水质学方法，就能很好的分析流域的暴雨径流 过程，对城市暴雨径流过程的模拟、计算和预测等都会带来方便。因此，结合 g i s ，城市暴雨径流模型的应用潜力将是十分巨大的。 结合g i s 空间分析功能的城市暴雨径流模型，可以建立流域下垫面、降雨、 径流三者之间的关系，将城市地表数字化，借助数字高程模型( d e m ) 进行城 市空间的三维分析，并可以对下垫面要素进行分析、提取等操作，获得我们所需 要的信息，这对城市暴雨径流研究无疑是一个很大的帮助。根据城市空间分别数 据库，通过研制的城市单位过程线，来模拟城市的水文过程【4 8 】，这是城市暴雨径 流模型的重要发展方向。 还可以利用g i s 对下垫面的各种因素进行综合分析，通过各种专题图表达处 理，分析不同情况下暴雨所造成的损失和积水淹没范围，并计算出最优决策方案， 可帮助决策者优化决策，减少暴雨对城市所造成的损失。 同时，未来城市暴雨径流模型还应具有以下的特点： ( 1 ) 完备性，能完整的整合g i s 信息和模型，不需要添加额外的g i s 和 c a d 等其他组件。 ( 2 ) 普遍适用性，给用户提供模拟各种模拟的可能选项，以适应不同的模 拟需求。 ( 3 ) 开放性，对数据文件的格式没有特殊要求，有开放的模型操作界面， 能和模拟需要的其他系统或软件理想的结合到一起。 ( 4 ) 兼容性，未来城市面临的水问题会越来越大，因此也就要求模型具有 更强的模拟性能，并且在面临某一专门目的的模拟要求时，能非常专业的给出解 决方案。这就要求模型能成为一个操作平台，这个平台兼容或者整合在某一特定 领域有非常高适用性的模型成为一个整体。 ( 5 ) 支持性，要有可以支持世界上主要语言的应用平台，这样才能拥有更 第一章绪论 多的使用者，模型也才能得到更大的发展。 1 3 本文研究的主要内容 天津市区地处海河干流汇流区，近年来随着城市规模的不断扩大，城市中的 水文问题日益突出。天津城市水文问题的解决，有赖于降雨径流理论的发展和计 算模型的改进。为此，本研究在充分研究天津市区降雨径流规律的基础上，针对 天津市日益严峻的城市防洪排涝形势，结合天津市区的气象、水文、水力等各方 面的知识和资料，提出了天津市区暴雨径流模拟模型。因此，本文研究的主要内 容如下： ( 1 ) 天津市区暴雨洪水基本特征的分析 本文首先通过选取市区和郊区水文站的降雨资料，分析市区和郊区降雨量， 降雨量的年内分配、多年均值，暴雨的最大值、频次和不同时段设计暴雨的变化 特征，并且找出这些变化的原因。其次，分析城市化影响后天津市的暴雨洪水特 征，并总结出影响城市暴雨洪水发生变化的主要原因。最后，分析天津市区的雨 洪灾害，总结出天津雨洪灾害的发生规律和原因。 通过对比分析城市化影响后天津市区与郊区暴雨洪水的区别，可以发现天津 市暴雨洪水的基本特征，为天津市区暴雨径流的模拟计算打下良好的基础。 ( 2 ) p c s w m m 模型介绍 加拿大计算水力学研究所( c o m p u t a t i o n a lh y d r a u l i c si n t c a n a d a ) 开发的 p c s w m m 模型首次进入国内。因此，本文希望通过对p c s w m m 模型的发展、 特点和功能的介绍，把模型的主要特征作详细的研究，为模型的应用打下基础。 ( 3 ) 模型数据库的建立 模型数据库的建立，是进行天津市区暴雨径流模拟计算的基础，通过建立数 据库模型可以有效的简化模拟过程，方便的获得模拟所需要的一些参数。 本文首先通过地形概化、划分网格和提取网格信息完成下垫面信息的提取工 作。其次，使用g i s 的拓扑关系和空间分析功能得到管网的概化信息，再用 f o r t r a n 程序图画到m a p i n f o 中完成管网概化过程。再次，在掌握天津市的管 网、泵站等资料的基础上，根据信息的相似性和地理的临近性两个原则，进行子 流域的概化。最后，根据上面三步工作，在m a p i n f o 中建立模型信息数据库。 ( 4 ) 天津市区暴雨径流模拟模型的建立 在充分研究天津市区降雨径流规律和下垫面特征的基础上，采用水文与水动 力学相结合的方法，建立天津市区暴雨径流模拟模型。该模型包括地表产流子系 统、地表汇流子系统和径流传输子系统三部分。地表产流和汇流子系统主要模拟 第一章绪论 上游地区的地面漫流和小的沟或管的流动。径流传输子系统的主要模拟是从渠 系、地下管网和排水系统的分流建筑物，演算至下游或承受水力的溢流点，从而 模拟完整的城市暴雨径流过程。本文通过对这三个系统的研究，获得模型模拟的 基本原理和方法，为模型应用到实际中打好基础。 ( 5 ) 天津市区暴雨径流的模拟计算 选取天津市区1 0 场有代表性的暴雨进行暴雨径流的模拟计算。 在模拟计算的过程中，首先通过产汇流特征分析和文献调研，确定模型中的 未知参数。然后用天津市耳闸水文站有代表性的6 场暴雨进行参数率定，确定出 符合流域特性的模型参