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城市雨洪模型研究刘俊(河海大学水文水资源及环境学院 南京 210098)摘 要 针对城市化地区水文特性变化和传统水文分析计算方法的不足, 提出了用于城市化地区水文水力计算和模拟的城市雨洪模型. 模型应用于天津试验区, 效果良好.关键词 城市水文; 雨洪模型; 水文水力计算中图号 P 333城市的出现和城市化的发展, 改变了当地的自然地貌和天然排水系统. 城市地区雨洪观测资料表明, 城市洪峰流量比天然流域高几倍乃至数十倍. 城市雨洪径流的增加, 容易引起下游 洪水泛滥. 由于城市地区人口密集, 建筑物众多而集中, 工商业和交通发达, 遭遇洪水后的损失也更为严重.在城市雨水径流计算中, 推理公式法1 是目前应用最为广泛的方法. 该法形式简单, 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, 推理公式法也存在许多不 足, 主要表现在:a. 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. 推理公式法只能计算洪峰值, 无法满足上述要求.b. 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. 推理公式法难以反映城市水文的动态性.因而, 针对城市化流域的特性, 就需要一种更为先进和完善的分析计算方法, 美、英、法、德 等发达国家从60年代起就开始研究城市雨洪模型, 并取得了较大的进展. 在我国, 由于城市雨洪模型的研究尚处于起步阶段, 目前尚无通用的具有多方面功能的城市水文水力水质模型. 因而, 本文在引进美国城市雨洪管理模型 SW M M (S to rm W a te r M an agem en t M o de l) 的基础上, 通过对我国城市化地区雨洪规律的深入分析, 加以改进完善, 研究较为适用于我国城市化影响 地区的雨洪数学模型.1模型的建立在本项研究中, 城市雨洪模型由地表径流子系统和传输子系统构成. 地表径流子系统适合于模拟上游地区的地面漫流和小的沟和管; 传输子系统的主要作用是将地表径流通过渠系和地下管网、排水系统的分流建筑物, 演算至下游或承受水体的溢流点.该课题获海河水利委员会科技进步三等奖.111地表径流子系统模型首先根据土地的利用状况和地表排水走向, 将一个流域划分成若干个集水小区,各集水小区的特性计算各自的径流过程, 并通过流量演算方法将各集水小区的出流组合起每一集水小区再分为三个部分: (a ) 有滞蓄库容的不透水面积, 其出流侧向排入边沟下水道管; (b ) 无滞蓄库容的不透水面积, 暴雨初始就立即产生地表径流; (c) 集中所有的面积. 小区出流量等于三个部分出流量之和. 应用模型时, 首先要确定这三部分各自的百分11111地面产流计算无滞蓄库容的不透水面积上的降雨损失为雨期蒸发、植物截流两类.有滞蓄库容的不透水面积的降雨损失除雨期蒸发和植物截流外, 还包括洼蓄量. 透水 降雨损失包括雨期蒸发、植物截流、洼蓄和下渗.11112地表流量计算在地表径流模型中, 地面水流的演算方法为动力波近似法. 该法假定摩阻坡降等于地 坡度. 为了求得地表径流模型中三个部分每个时段的水流深度和出流量, 必须联立求解连 程和曼宁方程. 下面以透水地表的径流计算为例加以说明.dVdd =A i3 - Q连续方程= Ad td t式 中V 地 表 积 水 量, V = A d ; d 水 深; t 时 间; A 地 面 面 积; i3 净Q 出流量.曼宁方程Q = W 1 (d -d p ) 53S 12n式中 W 集水小区宽度; n 曼宁糙率系数; d p 地面滞蓄水深; S 集水小区坡合并方程 (1) 和 (2) , 得到一非线性微分方程, 解出未知变量 d , Q.112传输子系统. 2 模型将下水道系统概化为由一些节点连接的一系列的管道. 这些管道和节点作为一体, 有明显的特征值, 可代表整个管网系统. 管道允许水流从一个节点流向另一个节点.下水道系统的流量计算微分方程式为5Q5t5A 2 5A 5H = - gA S f + 2V +V - gA5t5x5x式中Q 通过管道的流量; V 管中流速; A 过水断面面积; H 水头; S f 阻坡度.摩阻坡度用M an n in g 公式确定, 即 K = gA R 43Q |V |S f式中 K = g n 2. 流速项用绝对值符号, 使 S f 为正值, 以确保摩阻力总是与水流方向相反.根据方程 (3) 和 (4) , 即可依次求解各时段内每个管道的流量和每个节点的水头.计 算 实 例222河海大学学报1997年11月例迅速提高, 加上市区内大范围地面沉降, 形成一些排水困难的洼地, 导致不少地区频繁的雨洪排水不畅, 交通中断, 工厂、企业受损, 直接影响市区的生产和生活.由于城市化改变了天然的水文水力特性, 市区下垫面复杂, 水力设施众多, 传统的计算方 法难以反映这种变化, 因而采用城市雨洪模型, 依据城市化前后产汇流机制的变化作排涝分析 计算.212模型在天津市的应用检验由于本模型是在 SW M M 的基础上改进的, 在应用之前先要检验模型的实用性, 率定有关 参数. 本文首先用天津市王顶堤小区和纪庄子试验区的雨洪资料率定模型, 验证模型的适用性, 再推广应用于整个天津市的径流计算.21211王顶堤小区的雨洪计算分析王顶堤小区位于天津市西南部, 汇水面积为103 hm 2 , 其中不透水面积约为总面积的70% ,地表平均坡度为0105% , 土壤为粘性.根据管道及地表情况, 将王顶堤小区分为12个集水小区. 在推求各集水小区的产流过程 时, 选用 H o r to n 公式进行下渗计算. 根据土壤类型和前期湿润状况, 经多次试算调整, 求得初 始下渗率 f 0、稳渗率 f c 和下渗衰减系数 k 分别为7612 mm h , 3181 mm h , 01000 6.经计算分析, 得不透水地表洼蓄深为0138 mm , 透水地表洼蓄深为1152 mm.根据下垫面情况, 不透水地表和透水地表的地表糙率分别取为01015, 01030.用模型算出的1988年7月15日、21日和8月13日的三次降雨径流总量和实测径流总量值如 表1所示.表1王顶堤小区径流总量计算值与实测值比较计算径流总量m 3实测径流总量m 3相对误差( % )暴雨日期1988207215198820722161211472 92885 58168 66084 370 1988208213 38 789 39 960 - 219 由表1可见, 径流总量的计算值与实测值接近, 模型在王顶堤小区的应用情况良好.21212纪庄子试验区的雨洪计算分析纪庄子试验区位于天津市南部. 纪庄子闸为试验区控制闸, 控制面积2713 km 2. 经对试验 区航测图的分析, 得出区内不透水面积约为总面积的80% , 区内土壤主要为亚粘土, 地表平均 坡度为万分之五.根据区内各泵站的控制范围, 将试验区划分为17个集水小区. 各集水小区的水先汇入到该 集水小区的主下水道中, 再由泵站抽入下游下水道或明渠中, 最终到达出口断面纪庄子闸.根据试验区土壤类型和前期湿润状况, 并参照王顶堤的下渗参数数值, 分别取 f 0 = 7114 mm h , f c = 3181 mm h , k = 01000 6. 据分析计算, 不透水地表和透水地表的平均洼蓄深分别 为0176 mm , 3104 mm , 地表糙率分别为01015, 01030.由模型求得的1991年汛期两次大暴雨 (910728, 910901) 洪峰流量、径流总量与实测值的比表2纪庄子试验区模拟值与实测值比较径流总量104 m 3值m 3rs- 1相对误差( % )峰相对误差( % )暴雨日期计 算实测计 算实 测19912072281181701181680102201252012001231 991209201 104140 109115 - 4135 28192 24170 17109 由表2可见, 模型在纪庄子试验区的模拟情况是比较好的.21213天津市海河干流汇流区设计排涝水量及其过程计算 模型在王顶堤小区和纪庄子试验区的应用获得成功, 因此将模型推广应用于天津市干流汇流区的设计洪水计算.研究区域包括整个天津市区、东郊、南郊、西郊和北郊, 以及塘沽市区和塘沽郊区的大区域内的涝水通过各级排水渠道汇入海河干流, 最终流入渤海.利用模型计算设计重现期为2a, 5a, 10a , 20a, 100a 一遇五种情况的市区及海河闸的 过程, 设计峰、量见表3.表3市区出口及海河闸设计峰、量计算重现 期a地 点项目251020100Q m m 3rs- 1W 亿 m 3Q m m 3rs- 1W 亿 m 31531601137209100129129011012184031201463335110128156112016043961501347722180176949114014591 191161112市区出口海 河 闸213天津市区雨洪模拟计算70年代后期以来, 市区的排水问题日益突出, 特别是1978年8月9日和1984年8月10日 大暴雨使市区产生多处较大范围的积水. 用模型估算的上述两次大暴雨在现状条件下和区不透水面积百分比 ( Im p ) 变化以及市区面积扩大情况下可能产生的径流过程及洪峰流 附图所示.24河海大学学报1997年11月由附图可以看出, 城市化的发展, 市区规模扩大和不透水面积增加, 使径流系数提高, 地面径流量和洪峰量加大.结语3a.本文深入分析了城市化地区的产汇流特性, 阐述了研究城市雨洪模型的必要性, 并以SW M M 模型为基础, 对所建模型加以改进完善. 通过对天津市试验区产汇流过程的模拟计算, 验证了模型在城市防洪与排水规划设计中的适用性.b. 模型在模拟具有复杂下垫面的城市地区时, 将流域离散成多个子流域 ( 集水小区) , 根 据各子流域的地表性质, 逐个模拟, 这样可以很方便地解决多特征的城市流域雨洪模拟问题.c. 模型使用方便, 只要输入相应的参数, 就可以得出所需形式的计算成果; 当方案改变时,只须变动几个有关参数, 便可得到新的结果.d. 为了模拟的正确性, 在一个地区使用模型时, 必须对模型进行率定和证实.参 考 文 献1 朱元生生, 金光炎. 城市水文学. 北京: 中国科学技术出版社, 1991. 1 272 D av id F K ib le r. U rban sto rmw a te r h yd ro lo gy. U SA : A m e r ican Geop h y sica l U n io n, 1982.219 248Study on Urban Storm W a ter M ode lL iu Jun(C ol leg e of W a te r R esou rces and E nv ironm en t, H oh a i U n iv. N anj ing 210098)A bstra c t A n u rb an sto rm w a te r m o de l h a s b een e stab lish ed af te r an a ly sis o f th e ch an ge o fh yd ro lo g ica l ch a rac te r ist ic s in u n b an a rea s an d th e def ic ien c ie s o f t rad t io n a l m e tho d s fo r h yd ro lo g ic ca lcu la t io n. T h e m o de l can b e u sed fo r h yd ro lo g ica l an d h yd rau lic an a ly sis an d ca lcu la t io n fo r u rb an ized a rea s