（环境工程专业论文）城市暴雨地面积水量分析研究.pdf

城市暴雨地面积水童分析研究 划伟( 环境工程) 指导老师：高俊发教授 摘要 出于城市化豹影响，降雨过程尤其是暴丽过程城市区域汇滤盼洪峰流量增大 和峰现时间提前，使得城市区域比城郊或乡村地区更容易受到洪涝灾害的侵扰。 原本霹以被植物吸收，被洼地存贮或盔接渗入地下的雨水，被地蕊阻隔并集聚成 地面径流流入城市的下水道、排水渠，继而进入流经城市的河道，增加了河流的 降龌径流最。城市f 嚣有的撑水管遴已缝不能孵决城市豹摊涝闰繇，城市产生豹雨 洪径流也远远超出了原来设计的河道防洪工程的承受能力。城市内涝所造成的城 市积水阔邀，影羽了入琵的正常生活，并绘酲家_ ；j 鞫人民的怼产造成了严重的损失。 为充分了解城市化后暴雨过程中城市地表产、汇流的机理和过程，结合西安 市当建的气象、气候及圭| 壁理条件，选择逶当的参数，以计算来说明弓l 起磷安市城 市地表积水的原因和解决办法，本文对以下三个方面进行了深入研究。 ( 1 ) 城市地表产流过程分柝 选择适当的暴雨分析方法，将暴雨公式进行推导计算；根据统计的计算结果 进行暴雨过程线的绘制，依摄洽当的暴雨掩损方法，力图对缄泰迪表产漉计算公 式化，并通过计算得到城市地表净雨过程线。 ( 2 ) 城市地表汇流过程分柝 利用浓解圣维南方程的方法，把均匀雨强下的经典坡面流理论通过分级叠加 的方法，应用到非均匀净雨强度下的流量计算中，模拟了非瞧定坡萄流的汇流过 程，对非均匀净雨强度条件下的城市地表汇流过程进行了研究。 ( 3 ) 城市路露积水的产生和计算分析及对策 利用水量物料衡算法对西安市长安路的纬一街至南二环段，小寨地区雨水管 遴的校核计算，褥出当重瑗期为6 年时，小寨地区的积水深度达到2 5 c m ；为了 防止内涝，雨水管道须在原有的基础上需要增加4 0 0 1 1 0 0 m 篱径才能较好的减 少内涝。嗣时建议在雨水管道设计时，应充分考虑雨水调蓄泡的作阁，调蓄泣能 有效的截流洼蓄，并减小洪峰流量。通过计算，小寨地区在增加4 0 0 0 0 立方米调 瞽池后，雨水管设计重现期可采用o 5 年。 本文利用数学方法对城市产汇流和地表积水量进行了分析与计算，通过计算 校核了已有摊水锊道的管径，为城市雨水管渠改造提供了依据，并提出了改造管 道的办法和措旌。 关键词：暴雨；城市摊涝；暴雨强度；地面积水量；积水深度 _1 s t u 鼗yo n 罩h 嚣矗粼a 疆整so f 封r 蠢轰x | 匕较n s 霉0 薹t 鑫垂 t e r r e n 馘a c c u n m u l a ：r e d 岘rq u a n t l t y 琰挂融i 磐蝴 o 勰 强翅e 糕洳e 赶遮静 静i r e c 据db y p r o f - g a oj u n ，如 b e c a u 辩斌 hu r b 躺妇牲t o ni 聪u e 肚，e s p e c i a u yd u d n g 地ec o u 瑚0 f 慨妇m ，( c l a m a x 翥鞋xo f 珏r b 瓣a 瑶鑫i 酩鞴鹋e sa 程矗| i 辩e 鲻硼赫秘每3 叠莲矗鞴耘e 蠕e 甜堍盎嚣嚣毒e 黼 牲轴b e 蠡鑫聪s 瓣d 酶 e o ( 埔t h 勰氆em f a la r e a a c h l a l l ym er a 搬w a l e ft b a tc o u 捌b e _ d i f n y 曲s o r b e db yt h e 舛a n t ，s l o 把d b yl l l ed c p 糟s s i o n0 rp e 黼e a t 酣t l l r o u g hu n d e q ；f o u n d ，i 8s e p a n 把db y 龇豁o u n da 1 1 dg a t h e r e d s 氍蠢鼹秘躺嚣主辩西 o 娃摊娃史a 珏辩哦醛a 慰矗疆 n a g e 漱避勰莲氇撼t 如鼯i 瓣a 舞f 跏靶璐粕鑫 i n c r e a s e sr a i n f a m n o 博0 f t l l eu r b a nf i v e r 融s o m eo i du r 帆nd r a i n a g ep i 胖l 蛔e sc 粕n o t n t a i nt h e u 南a nf l 。o d 垂l 硅x ，卸d9 0 蚰脚d 氆ee n d h 蝴c 枣。fb 0 0 d 巾辩v e 瓶锄p 卿e c t 蜥a td e s i g d 。靠g i n a l l y q 髓s 哦豫ss 狂蟪器氆。狂痨嚣珏冁靶f 叠。e 搬搬哇鑫l 。珏氇采始t 媾娟磅 b 珏 堍n 辩毫耗f ，l o g 醇拽巍硅￥e 妇n h e 黼o dt h ep e o 出舳。煳a h i f e ，a b 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e rp i p eh a v eb c e ns u g g e s t e da l s o k e y w o r d s ： s t o r i l lr a i n f a l l ：1 1 l cc i t yd r a i n s 丑0 0 d e df i e l d s ；s t o mi 1 1 t e n 矗t y ； s m c c 搬m u l a t e dw a t e f 矗m 懈1 1 d 印l ho fa c c h m u k l e dw 鑫衙 _ - 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引耀的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文侔者签名： 圳钐 论文知识产权权属声明 砌参年6 月6 囵 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权熙 属学校。学校嘉有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者煞名： 导师签名： ，1 钐 殇磁 泖6 年6 疑6b 刎占年6 鹑夕b 第1 章绪论 1 1 问题的提出 十九世纪以来，由于工业革命，城市开始在世界各地发展起来了，随着制造 业的兴盛，市镇的规模扩大，大量的人口涌入城市，使得城市人口与农业人口的 比率不断增加。到二十世纪7 0 年代是发达国家历史性的转折点，城市人口开始 递减，但是全球人口总数还在继续增加。8 0 年代，发达国家城市发展趋于稳定 的阶段，而中国城市化从起始阶段向加速阶段转变。改革开放以来，我国城市迅 速发展，城市化水平从1 9 7 8 年的1 7 9 提高到1 9 9 7 年的2 9 9 ，是世界同期城 市化平均速度的2 倍。按照国际城市化进程的一般规律，我国目前己进入城市化 的快速期。据统计，目前我国大小城市己达6 6 8 座，城市人口已占全国人口的 3 7 ，而且还在不断发展中。 城市化引起了城市气候的改变，从而对城市区域的降雨产生了较大的影响。 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 民区规模、面积不断增大。城市化过程使相当部分的流域被不透水表面所覆盖， 减少了蓄水洼地。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，从而使洪峰出现时问提前。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。1 。 由于城市化的影响，降雨过程尤其是暴雨过程城市区域汇流的洪峰流量增大 和峰现时间提前，使得城市区域比城郊或乡村地区更容易受到洪涝灾害的侵扰。 原本可以被植物吸收，被洼地存贮或直接渗入地下的雨水，被地面阻隔并集聚成 地面径流流入城市的下水道、排水渠，继而进入流经城市的河道，增加了河流的 降雨径流量。城市旧有的排水管道已经不能解决城市的排涝问题，城市产生的雨 洪径流也远远超出了原来设计的河道防洪工程的承受能力。城市内涝所造成的城 市积水问题，影响了人民的正常生活，并给国家和人民的财产造成了严重的损失。 从另一方面来说，城市人口资产密度提高，同等淹没情况下，损失将比城市 化前大大增加；城市空间立体开发，一旦洪涝发生，不仅各种地下设施易遭灭顶 之灾，高层建筑由于交通、供水、供气、供电等系统的瘫痪，造成巨大的损失亦 在所难免。城市资产类型复杂化，水灾之后，即使洪水退去，诸如计算机网络的 破坏等所造成的损失也不可估量，恢复更加困难。城市对生命线系统的依赖性及 其在经济贸易活动中的中枢作用加强，一旦遭受洪水袭击，损失影响范围远远超 出受淹没范围，间接损失甚至超过直接损失“。 城市内涝的关键在于城市雨水排水能力和排涝能力的严重不足或不协调。据 统计，从2 0 0 1 年开始，西安市每逢大暴雨，昆明路、小寨等地区积水便达1 5 米以上，严重影响了市民的正常生活。据专家分析，其主要原因在于降雨量远远 大于市政排水能力，市政建设与城市的改造存在着不同步的现象。 经过以上的分析可以看出，由于受到城市化的影响，城市区域的内涝问题己 经相当严重。随着时代的前进和社会、经济的发展，城市内涝问题成为现代文明 社会等待解决的问题之一。 1 2 课题来源与研究的内容及意义 本课题来源于西安市城乡建设委员会批准立项的“2 0 0 4 年西安市建设科技 教育项目”。 为了解暴雨过程中城市地表产汇流过程和机理，并更加恰当地进行城市雨水 管网的设计和校核，进行了本项研究。希望通过课题研究，能够较准确的分析城 市地表产汇流过程和进行城市路面积水量计算，并提出校核城市雨水管网合理建 议，以便从工程措施的角度减少城市内涝问题造成的损失。 通过第一节的分析发现，城市区域的产汇流过程和其它地区相比有很大的不 同，随着城市化的快速发展，城市区域的产汇流过程表现出越来越鲜明的特点， 因此有必要对城市地表暴雨产汇流过程和路面积水计算进行分析研究。 本文主要研究内容包括以下三部分： ( 1 ) 城市地表产流过程分析 主要内容有选择适当的暴雨分析方法，将暴雨公式进行推导计算；根据 统计的计算结果进行暴雨过程线的绘制，依据恰当的暴雨扣损方法，力图对 城市地表产流计算公式化，并通过计算得到城市地表净雨过程线。 ( 2 ) 城市地表汇流过程分析 主要内容有利用求解圣维南方程的方法，把均匀雨强下的经典坡面流理 论通过分级叠加的方法，应用到非均匀净雨强度下的流量计算中，模拟了非 恒定坡面流的汇流过程，对非均匀净雨强度条件下的城市地表汇流过程进行 了研究。 ( 3 ) 城市路面积水的产生和计算分析及对策 主要内容有通过对城市地表产汇流过程的分析可知，降雨历时短、强度 大的暴雨使得城市雨水排放管道不能及时排水，从而导致路面积水的产生， 通过对已有管道的校核计算得出路面积水量，进而提出解决路面积水的方法 与建议。 1 3 西安市自然条件 1 3 1 - 西安市自然地理概况 1 地理位置 西安市位于陕西省关中平原中部，地处北纬3 4 0 4 5 _ 3 3 0 3 9 ，东经 1 0 9 0 4 9 一1 0 7 0 4 0 之间，南依秦岭，北靠渭北荆山黄土台原，东起零河和霸原山地， 西至太白山和青化黄土台原。 西安市北部与咸阳市的三原县、径阳县、秦都区、兴平县、武功县隔渭河相 望，东北部与渭南地区的渭南、富平两县相接，东部和东南部与商洛地区的商县、 洛南县为邻，南部和西南部与汉中地区的佛坪具、安康地区的宁陕县、商洛地区 的柞水县接壤，西部与宝鸡市的眉县、太白县毗邻。东西长约2 0 0 k m ，南北宽约 1 1 6 k m 。辖莲湖、新城、碑林三个城区，雁塔、霸桥、阎良、未央四个郊区；长 安、蓝田、临潼、高陵、户县、周至六个县，总面积9 9 8 3 k m 2 。 2 地形地貌 西安市地形在渭河以南为南高北低，渭河以北为北高南低，界限清晰，形成 截然不同的自然地貌单元。秦岭为东西向延伸具有巨大褶皱块的中高山，横卧于 西安市南部，是西安市南部的天然屏障：位于周至和眉县交界处的太白山，海拔 高程3 7 6 7 m ，是西安市的最高点；骊山位于临潼县城南，是矗立于渭河地堑内的 断块山地，虽然所占范围不大，但孤立在这个平原之上，构成了西安市仅次于秦 岭山地的低山地貌。在骊山与秦岭之间，分布有高低不等的黄土丘陵，梁面起伏 沟壑纵横，是西安市水土流失严重的地区之一。在长安、蓝田及i 临潼县分布有面 积较大的黄土台原，构成了高出渭河冲积平原的一个明显的地貌层面。沣河以东 各台原大体由东向西，由南向北成阶梯状下降；周至县西南部台原则由西南向东 北倾斜。 3 土壤与植被 西安市土壤共有1 1 个土类，2 8 个亚类，5 5 个土属，1 2 0 个土种。渭河及其 支流河漫滩和一级阶地，以潮土为主，水稻土次之；黄土台原土壤母质为第四季 风成黄土，原面多为漏土，原坡多为黄土性坡白膳土或坡黄膳土；骊山低山丘陵 区在海拔1 0 0 0 m 以上为褐土，以下为红土；秦岭山区根据高程不同自上而下分别 为山地草旬土、暗棕壤土、棕壤土和褐土。 西安市植被类型有自然植被和栽培植被两种。自然植被分为针叶林、落叶阔 叶林、针阔叶混交林、高山灌丛、高山草旬等类型。根据统计西安市现有( 1 9 8 5 年末) 林草覆盖度为3 7 0 3 。栽培植被有：大田农作物型、蔬菜作物型、果园型、 绿化型等。 4 气候 西安市地处内陆，属于暖温带大陆性季风区暖温带气候，四季分明，冬夏温 差大。南高北低的地形引起的受热不均匀又导致了降雨量时空分布不均匀，特别 在夏季易引起局部地区气流的对流和动力抬升，促进和加强了不稳定天气的发 展，形成了西安市夏季常出现的暴雨和旱情，冬季寒冷干燥、春秋季气温波动大 的气候特点。 西安市区多年平均气温为1 3 3 ，其中一月份平均气温最低在一o 5 一 1 3 之间，7 月份平均气温最高在2 6 以上。西安站绝对最高气温4 1 7 ， 绝对最低气温一2 0 6 。 表卜l 西安市主要站多年平均气温表 站年份 各月平均气温 名1 9 5 l 一1 9 8 01234567891 01 11 2 西年份 一12 18 11 4 11 9 12 5 22 6 62 5 51 9 41 3 76 6o 7 安3 0 年平均气温 1 3 3 绝对最高气温 4 1 7 由以上分析可以看出，西安市地处内陆，降雨量偏少，地形崎岖不平。使得 地形受热不均，造成降雨的时空分布不均匀，在夏季容易形成区域大暴雨现象“1 。 1 3 2 西安市水资源概况”1 西安市境内河流除秦岭南部汉江流域内的渭水河、洵河以及直接入黄河的南 洛河外，其余大部分属黄河流域的渭河水系，共有渭、径、霸、沪、沣、黑、石 4 川等4 0 条河流，其中集水面积大于l 0 0 0 k m 2 的河流有6 条。 西安市地下水资源为1 7 2 7 x 1 0 8 m 3 ，可开采量为1 5 4 8 x 1 0 8 m 3 。渭河及其支流 各河谷阶地冲积平原地区，地下水资源量为1 3 5 9 x 10 8 m 3 ，占全市地下水资源量 的7 9 ；台塬、丘陵地区地下水资源量为3 6 8 x 1 0 8 m 3 占全市地下水资源量的2 1 ”1 。 西安市多年平均自产地表水资源量为2 1 7 8 x 10 日m 3 ，在扣除地表水和地下水的 重复量1 2 3 9 x 1 0 8 m 3 后，水资源总量为2 6 6 6 x 1 0 8 m 3 。按1 9 9 9 年全市人口平均， 人均拥有水资源量3 5 0 m 3 ，相当于全省及全国人均占有水资源量2 9 和1 5 。1 。由 此可见。西安市是一个水资源短缺的地区。 1 西安市供水现状 截至1 9 9 9 年底，西安全市已建成水库9 3 座，总库容1 4 7 1 3 x 1 m 3 ( 其中有效 库容8 7 0 0 x 1 0 8 m 3 ) ，自流引水渠道6 3 l 处，抽水站5 0 7 处。城区供水已形成了 1 1 4 x 1 0 8 m 3 日的供水能力，其中地下水源4 2 x 10 8 m 3 d ，地表水源7 2 x l0 8 m 3 d ；己建 成水厂7 座；有地下水源7 处，深井2 0 4 眼；有地表水源6 处；1 9 9 9 年末供水 管道总长度达到1 0 2 6 k m ，自来水普及率达到9 8 0 7 。1 。 2 水资源开发利用的现状 据统计，1 9 9 9 年全市用水总量为1 8 0 7 x 1 0 8 m 3 ，其中地表水5 1 7 x 10 8 m 3 ，扣除 1 9 9 x 1 0 8 m 3 的客水，地表水开发利用程度为1 4 6 ；地下水开采量1 2 9 x 10 8 m 3 ， 占总用水量的7 1 4 ，开发利用程度为7 4 7 。 1 9 9 9 年工业用水量3 7 1 x l0 8 m 3 ，占总用水量的2 0 ；乡镇工业用水量 1 7 4 x 1 0 8 m 3 ，占总用水量的1 0 ；农业用水9 7 9 x l m 3 ，占总用水量的5 4 ；城镇 生活用水量2 0 6 x 1 0 8 m 3 ，占总用水量的1 1 4 ；农村生活用水o 7 6 x 1 0 8 m 3 ，占总 用水量的4 。 1 9 9 9 年西安市共有工业企业4 6 1 0 l 家，工业万元产值用水量为6 1 m 3 万元， 工业用水重复率为7 6 ，在全国处于领先水平。城市人均综合生活用水量为2 5 0 l 人d ，城镇人口为2 7 6 1 万人，农村人均生活用水量为4 6 l 人d ，农村人口 为4 0 7 4 万人，农田综合灌溉定额为3 5 0 m 3 亩。 可以看出，开发利用地表水、地下水，及重复利用的程度己经很高，人均水 资源仍然偏低，因此研究城市雨水利用是有重要实际意义的科研方向。 1 3 3 西安城区降雨特性及分析 1 3 3 1 降雨的多年分布特性“” 西安年均降雨量为6 2 3 9 6 唧。由图卜1 可以看出，多数年份降雨量基本上在 6 0 0 m m 左右波动。表卜l 说明年降雨量在5 5 0 硼以上的年份占到了7 6 。图卜2 大致反映出年降雨量具有一定的周期性，由于数据量较少，不能得出统计规律。 表卜2 年降雨量累积频率图 年降雨量m m9 9 9 7 4 07 3 77 3 57 0 26 9 86 6 66 6 06 5 5 6 4 06 3 l 累计频率 5 1 01 4 1 92 4 2 93 33 84 34 85 2 年降雨量m m6 2 06 0 85 8 15 7 05 6 75 3 2 5 1 84 7 84 0 43 6 3 累计频率5 76 26 77 17 68 l8 69 09 51 0 0 邑 嘲 蜜 澄 唇 一 捌 硅 逝 蚌 星塞萋萤g 茎釜垂妻曼景重量垂塾童星星萋萎薹 年份 图卜1 年降雨量统计表 l 9 8 01 9 8 21 9 蹦l 明61 9 明1 9 9 01 9 9 2 1 9 9 4l l j 9 6l q l l 8z 0 0 0 图卜2 年降雨总量变化趋势图 1 3 3 2 降雨的时间分布特性 由多年月平均降雨量可知( 见图卜3 ) ，降雨集中在下半年，6 1 0 月的月降雨 量省超过了6 0 m m ，1 2 2 月的月降水量较少。降雨最多的月份是7 月，近1 0 0 唧， 6 善啪m跏伽啪撕o 啪季|嘲瑚啪差|耋椭啪瑚m o 8 、9 月紧随其后，这三个月构成了降雨的高峰季节。由月降雨量百分比可以看 出( 表卜3 ) ，这三个月的总降雨量占到了年降雨量的4 6 4 。 陕西虽地处西北比较干旱，但也沿用全国性的暴雨日雨量标准3 ： 童雠莹量打；二 567891 0l j上2 册 图卜3 月平均降雨量图 表卜3 月降雨量比例表 月份123456789l o1 11 2 月平均雨 7 2 81 1 8 53 2 6 05 5 6 05 7 6 57 0 9 79 7 3 59 3 9 19 6 6 46 3 9 73 2 8 75 8 3 量m m 月降雨量 1 21 95 39 093l l _ 41 571 5l1 5 61 0 35 30 9 百分比 暴雨5 0 m m d ，大到暴雨2 5 m d “。经对马渡王日降雨资料的分析得出：2 1 年 共有大暴雨1 0 日，雨量占多年总雨量的5 ；大到暴雨9 0 日，占多年降雨总量 的2 7 。从多年日暴雨分布图( 图卜4 ) 可以看出，日暴雨和年内降雨分布一样， 也集中在夏季6 9 月多雨季节。由大到暴雨分布图( 图卜5 ) 可以看出在4 月到6 月之间，还有一个较小的降雨高峰期。 嘲 驯 。 逝； l 0 。 i i2 j3 - 1 一 i 伊忙j ：j ! | j i 图卜4 多年日暴雨分布图 一 匾： 一 日， 刚 舒 缶 o l删罄澄 日o 6 0 点 鐾4 0 丑 2 。 0 h ii l | i | lil l 一 一 1 懈糖10唧l 卜l1卜l1 -卜lp l7 - j和l lh p il 卜li z - 1 月份 图卜5 多年大到暴雨分布图 1 3 3 3 西安市城区积水现状 西安市现有排水管道8 0 0 多公里，但6 0 以上的道路排雨设施不齐全。据 了解，西安的排雨管道多为五六十年代建成，现在已很难满足排雨需求，目前使 用期超过3 0 年的管道占总数的4 1 5 。 其次，随着西安市城建的加快，一些地方由过去的光土地变成柏油路或铺上 了瓷砖，这也是造成西安市汇水面积大幅度增多、渗水面积减少的重要原因。据 统计，1 9 9 8 年至今，西安的人行道新增铺设面积5 0 万平方米年以上，这意味 着渗水面积减少2 0 0 多万平方米的同时，汇水面积也增加了2 0 0 多万平方米。 另外，西安城市滞洪、分洪设施被占用，损坏严重。西安市原有七个滞洪、 蓄洪池，保存较好的只有曲江蓄洪池和经一路蓄洪池，其他均不同程度地被占用 和损坏，如兴庆湖，其本身的作用是为城市汛期滞洪、泄洪，后来发展成供市民 游玩的观赏性场所，其防汛作用基本消失。同时，连接蓄洪池和城市雨水系统的 渠道、管沟也不同程度地被填埋、堵塞，城市防洪屏障已部分失去作用，汛期雨 水不经调蓄直接进入城区雨水管道，加之下游出口不畅，使得积水严重。目前这 种“上无屏障，下不通畅”的状况，对城市汛期安全极为不利。 目前西安城区( 城墙之内) 9 0 以上排水管道为雨水、污水混合排放，加大了 汛期城区排雨压力，造成一些低洼处不但不排水，甚至还由管道向外冒水。由于 城区内地面硬化程度较高，地面渗水量非常少，目前城区雨水排放主要通过护城 河蓄洪，待退水后慢慢排放。但护城河的蓁洪功能同时也限制了其作为观赏景观 的开发。 按照目前西安市的雨水排放情况，小雨( 雨量1 0 毫米以下2 4 小时) 基本不 会出现积水，中雨( 雨量1 0 一2 5 毫米2 4 小时) 个别地区出现积水，大雨( 雨量 2 5 5 0 毫米2 4 小时) 、暴雨( 雨量5 0 毫米以上2 4 小时) 有4 9 个点会出现不 同程度的积水现象( 见图卜6 ) ，其中有1 7 个地区己成为固定的积水点。最大积 水深度为8 0 厘米以上地区：兴庆路、长缨路、东二环立交、小寨十字、昆明路、 枣园路，其中小寨、昆明路等地区达到1 5 米以上。最大积水深度为5 0 一8 0 厘 米地区：玉祥门盘道、咸宁路、康乐路、含光路及朱雀路、西稍门十字、桃园路、 边家村、南稍门、马旗寨、振华路、吉祥路等。5 0 厘米以下深度的3 2 个积水点： 莲湖路、省政府后门、东大街凯悦、长缨路东头、友谊路兴庆路丁字口、子午路、 大庆路、含元路、自强西路、小北门口、二马路、北关方新村、明珠巷、兴善寺 东街、育才路、雁塔路鲁家村、雁塔路十字、建东街、水文巷、建章路桥下、劳 动北路、纬一街、青松路、韩森路、万寿路、含元路黄河棉织厂门前、社会路、 张家堡、火车站隧道东口、小寨西路、纬二十九街、曲江。 雨水从汇集到排放，大致可分为渗水、收水、输水、蓄水、排水5 部分，这 也是影响积水点形成的因素。从西安市的现状来看，城市建设导致地面硬化影响 渗水、排水管道落后无法及时排水、蓄洪设施破坏难以发挥作用，这三大“硬伤” 使西安市短期内很难根治雨天积水现象。 目前西安的收水井密度为沿道路每4 0 米4 个收水井，南二环等个别地方达 到每4 0 米6 8 个收水井，这样的密度与目前西安的排雨能力基本相符。但几次 大雨过后，收水井却无一例外全部堵塞，这一方面是由于下雨前大风将杂物刮进 收水井，另一方面，饮食摊贩向收水井倾倒垃圾、部分企业将污水直接排放至排 雨管，都造成管道堵塞。 西安的雨水排放基本采取利用重力使雨水自然向地势较低的方向流动，西安 整体地势为东南较高，西北较低，因此雨水排放采取的是由东南方向向西北方向 排放。西安市东郊、北郊部分地区的雨水是通过管道向沪河、灞河、团结渠、渭 河等排放，但大部分地区的雨水还是通过管道向河排放。 据了解，向河排放的雨水管道主要有5 条：( 由北向南) 西斜三明渠、西斜四 明渠、昆明路明渠、纬一街截流干道及丈八东路雨水管道工程。这5 条管道完工 后，西安市雨水的“输送”将基本得到解决，但由于河积淤较深，河床水位明显 高于排水管道位置，致使雨水排放成了问题。这5 条管道里，只有清淤完毕的西 斜三明渠河床位置低于排雨管道，其它4 条管道都与河河床持平或低于河床。也 就是说，这5 条管道建成后，雨水仍然无法通过管道排放至河，如果管道开通甚 至引起河水倒流。鉴于此，有关部门在纬一街西头沿丈八路向北至富鱼路修建了 一条雨水管道，将纬一街雨水管道的雨水向北引至河河床位置较低处，向河排放。 纬一街雨水管道的管径为3 米，这条引管的管径只有l 米，l 米管径的引管一定 时间内排放量只有3 米管径的l 1 0 多一点，显然是“杯水车薪”，无法从根本 上解决西安市南郊地区的雨水排放。 图卜6 西安市主要道路4 9 个积水点 图卜7 城区雨水主要通过护城河蓄洪后排放 l o 图卜8 朱雀门外排水井向外涌水( 2 0 0 3 ，7 ，7 ) 图卜9 西兰路立交桥下积水淹到人胸前( 2 0 0 3 ，7 ，7 ) 图卜1 0 大学南路积水没膝( 2 0 0 3 ，7 ，7 ) 图卜1 1 西安市北门外马路积水的情景( 2 0 0 4 ，7 ，1 5 ) 第2 章城市地表产流计算过程与分析 2 1 城市地表产流过程研究进展 对于城市地表产流过程，一般采用经典的水文学方法或通过由实验数据拟合 成经验公式进行计算的方法进行研究。水文学中的产流模型一般有蓄满产流、超 渗产流和蓄满超渗产流等。从研究城市地表产流的方法来看，大概可以分为以下 几种： 美国s c s 方法。 1 9 7 2 年美国水土保持局提出了这个经验模型。该方法通过计算土壤吸 收水分的能力来进行降雨扣损。通过实地观测，土壤的储水能力与“曲线系 数”c n 密切相关。c n 是表示土壤类型、土地用途和土壤初始饱和度的特征 值“1 。 h o r t o n 公式法。 h o r t o n 公式法于1 9 3 3 年由h o r t o n 提出。他观测到土壤的下渗能力从 某个初始的最大下渗率通过指数形式衰减至一定的稳定下渗率“。 g r e e n a m p t 方法。 g r e e n a m p t 方法的基本假设是水以锋利的浸润面形式下渗到干燥的土 壤。以此假设为基础，进行降雨的扣损计算1 。 径流系数法。 我国现行的室外排水设计规范推荐的降雨扣损方法是径流系数法。通过 把城市地表分成几类并将不同的径流系数赋给每一类地表，计算时用径流系 数乘以降雨强度来进行扣损“。 l i n s l e y 公式法。 i 。i n s l e y 研究蓄满产流模型时通过实验发现，土壤的洼蓄量增量随着降 雨的进行按照指数形式逐渐衰减“1 。 另外，我国的周玉文等于1 9 9 5 年通过在北京百万庄小区进行下渗实验得出 了流域平均径流损失率与降雨强度之间的关系式，将用此公式进行产流计算的方 法称为初损后损法“。岑国平等于1 9 9 7 年在西安也进行了产流实验，研究了土 壤含水量和密实度、降雨强度和历时、不透水区位置和植被对城市地表产流过程 的影响m 1 。 在传统的推理公式法中，用径流系数法进行产流计算；在美国著名的雨水径 流模拟软件s w m m 中，由用户选择用h o r t o n 公式法或g r e e n a m p t 法进行产流计 算；由岑国平在1 9 9 5 年提出的城市暴雨径流计算模型中，对于透水面积，用 h o r t o n 公式法进行计算，对于不透水面积，采用变径流系数法进行计算“；由 周玉文在2 0 0 1 年提出的城市雨水径流模型，由用户选择用径流系数法、初损后 损法或h o r t o n 公式法进行降雨扣损“”。 2 2 暴雨雨型 天然降雨过程变化万千，根据对大量降雨过程的分析，得出如下规律： 雨强大致均匀的降雨，所占比例较小。目前推理公式法假定雨强均匀，与 绝大部分降雨不符。 单峰雨型占多数，而双峰或多峰雨型较少。 在单峰降雨中，雨峰在前部和中部的占绝大多数，而雨峰在后部的很少。 对单峰降雨，雨峰位置是一个很重要的指标。通过对上海黄渡和洋泾、北京 卢沟桥、西安马渡王四个雨量站的短历时暴雨资料进行分析发现，各站多场降雨 的平均雨峰相对位置r 值比较一致，在o 3 5 0 4 5 之间，当降雨历时t = 1 2 0m i n 时，r 在0 3 5 3 0 4 0 6 之间，平均值为0 3 7 3 。国内外大量资料表明，大部分地 区的r 值都在0 3 一o 5 之间，因此当缺乏当地雨量资料时，可取o 4 左右的近似 值1 。 我国城市排水设计中应用最广、最简单的雨型是均匀雨型，但此种雨型计算 出的结果常偏小。为此，y e n 和c h o w 提出一种简单的不均匀雨型，即不对称三 角形雨型，雨峰位置是根据三角形的无因次一阶矩与当地暴雨过程的平均无因次 一阶矩相等的条件来确定；1 9 5 7 年k e i f e r 和c h u 根据“雨强一历时”关系提出 了另一种雨型，称为芝加哥雨型；p i l g r i m 和c o r d e r y 也提出了一种雨型，该雨 型把雨峰时段放在出现可能性最大的位置上，而雨峰时段在总雨量中的比例取各 场降雨雨峰所占比例的平均值，其它各时段的位置和比例也用同样方法确定； h u f f 在研究美国伊里诺斯州的暴雨后，把降雨按雨峰出现位嚣划分成4 类，并 得到各类雨型的平均无量纲累积过程；此外，英国环境研究委员会、美国土壤保 持局等都提出过各自的雨型“。“2 “。 岑国平等。6 1 曾用上海黄渡站雨量资料，用美国i l l u d a s 模型模拟了h u f f ， p i l g r i m 和c o r d e r y ，y e n 和c h o w ，k e i f e r 和c h u 四种雨型下的洪峰流量，并计 算与频率分析法的误差，比较结果如表2 1 ： 表2 1 四种设计雨型的洪峰流量与频率分析法的误差 h u f fp il g r i m 乖lc o r d e r yy e n 和c h o wk e i f e r 和c h u 系统误差( ) 一1 2 93 12 3 0o 2 平均误差( )1 5 o 8 9 2 8 87 7 结果表明，各种设计雨型所得的洪峰流量差异较大，其中h u f f 法及y e n 和 c h o u 法的洪峰受历时影响非常显著，若历时选取不当，会造成较大误差。而 p i l g r i m 和c o r d e r y 法及k e i f e r 和c h u 法受历时影响较小，特别是k e i f e r 和c h u 法雨峰部分与历时无关，与频率分析法的误差最小。在城市雨水道设计时，需从 上而下确定各段管道的直径。用h u f f 法或y e n 和c h u 法确定设计雨型时，降雨 历时也要不断变化，才能减小误差。因此每段管道的流量计算，都需要重新确定 雨强过程，从最上游管段开始重复模拟径流过程，工作量很大。而k e i f e r 和c h u 法的洪峰因不受历时影响，一次确定的降雨过程在各段管道计算时都能适用，流 量计算时只需模拟一次就可得各段管道的发计流量，非常方便。k e i f e r 和c h u 法的雨强过程容易确定，我国各地都有暴雨公式，雨峰相对位置r 值统计也较方 便，且各地的变化不大，一般在0 。4 左右，在缺乏当地资料时可用o 4 的近似值。 p 订g r i m 和c o r d e r y 法的雨型更接近实际降雨过程，但对当地降雨过程资料的依 赖性很强，必须有较多的资料，使用比k e i f e r 和c h u 法麻烦得多。因此进行城 市雨水管网水力模拟和设计时宜采用k e i f e r 和c h u 雨型。 2 3 城市产流过程简述 城市流域的产流过程也就是暴雨扣损过程。当降雨量满足截留和填洼且雨强 超过下渗强度时，地面开始积水，并形成地表径流。影响降雨损失过程的因素很 多，情况比较复杂，目前在估算或选定损失参数时，主要采用经验方法。城市流 域的径流损失主要包括植物截留、洼地填蓄、下渗、蒸发等部分1 。 城市区域水量平衡方程式为： wd = 0nqt 镕一q # 由于一次降雨中的蒸发损失不大，故一般不单独考虑。下面将几种主要损失 类型简述如下： ( 1 ) 截留。截留是指停留在植物的叶和其他地面覆盖物上的降雨量，它消耗 于蒸发。超过截留能力的降雨量刁能到达地面，形成下渗、填洼或径流。小流域 上，截留可能是造成径流滞后现象的原因之一。通常认为，截留的水量全部集中 在降雨的最初部分。霍顿( h o r t o n ) “”1 删曾测量和绘制了单次暴雨对各类树木的 降雨一截留关系，此关系表达式为： i r = 口+ 皂p “ ( 2 1 ) 式中l r 为截留量( 英寸) ，为降雨量( 英寸) ，a ，b ，n 为参数。 ( 2 ) 填洼。填洼量是停蓄在小块洼地中的消耗于蒸发和下渗的不能形成地表 径流的水量。为了模拟的需要，林斯利( l i n s l e y ) 等提出了填洼量岭的逐步累积 过程的计算方法，其增量形式为： 一旦 = e ( 2 2 ) 式中只为净雨( 即降雨扣除蒸发、截留和下渗的量) ，s 。为最大洼蓄量。 林斯利等建议在无资料地区的凡采用如下数值：透水地区为0 2 5 英寸 ( 6 4 m m ) ，不透水地区为0 o b 2 5 英寸( 1 6 m ) 。希克斯( h i c k s ) 建议的值为：沙 土o 0 2 英寸( o 5 l m m ) ，粘土o 1 0 英寸( 2 5 咖) 。丹佛地区政府委员会编制了 城区不同地面覆盖的最大填洼深度表( 见表2 2 ) ，它与希克斯的数值相似。 表2 2 不同地面覆