基于物理模型的城市综合径流系数特性研究.pdf

2016 年 01 月第 0l期 城 市道桥 与防 洪 防洪排水87 D O I 10 16799 cnki csdqyfh 20 16 01 025 基于物理模型的城市综合径流系数特性研究 梁海 邵敏 上海 市水务 业 务受 理 中心 上海 市海洋 业务 受理 中心 上海 市 200050 摘要 根据在上海市松江农田水利试验站开展的人工模拟降雨条件径流系数试验研究的数据成果 开展城市综合径流系数 特性 研究 得 到了在 不 同降雨强 度 雨型作 用下 城市 综合径 流 系数在动 态平 衡前 中的特 性 研 究成果 可供海 绵城市 建设 参 考 关键词 城市 综合径流系数 人工模拟 特性分析 中图分 类号 TU992 02 文献标 志码 A 文章 编号 1009 7716 2016 O1 0087 03 0引言 针对 国 内城市 内涝形 势严 峻的问题 2013 年 l 2 月中央城镇化工作会议要求 在全国开展建设 自然积存 自然渗透 自然净化 的海绵城市 的试 点 工作 要 求构建低影响开发雨水 系统 系统控制 目标包括径流总量控制 径流峰值控制 径流污染 控制 雨水资源化利用等 其中 径流总量控制是 首要的规划控制 目标 而实现径流 总量控制 的关 键 因素就是综合径流系数 因此 本文采用模 型试 验研究 的方法 开展了城市综合 径流系数特性研 究工作 研究成果可供与上海市相类似的海绵城 市建设参考 1 城市综合径流 系数研究方法 城市综合径流系数是一个综合性参数 影响 因素较多 是一个随时间而变化的动态变量 反映 的是 汇水 面上各种 性质 的地 面覆 盖 的组 合效应 目前 暴雨径流模拟所经常采用的研究方法中 主 要有数学物理方法 黑箱方法 与概念性模 型 1 数学物理方法 数学 物理方法依 据水流 的连续方程 与动量方 程求解水 流的时空变换 一维 二维 乃至三维不稳 定流数值 解已发展得 比较成熟 计算精 度可达相 当高 的程度 但 对于流域或排水系统 的雨洪径流 过程 由于流域下垫 面过于复杂 产 流汇流交 织发 生 加之排水 系统灌 渠本身具有的调洪能力 致使 难 以建立这样 复杂系统 的数学物理方程 在实际 的操作过程 中 也 无法 同步精确地 获得 支持庞大 收稿 日期 2 015 10 0 8 作者简介 梁海 1977一 男 江苏滨海人 工程师 从事水安全 管 理研究 工作 数理方程求解所需 的大量 自然数 据 因此 目前还 不可 能完全依赖数理方法求得 2 黑箱方法 黑箱方法是一种系统分析方法 该法将流域 或者 排水系统视作 一种 动力 系统 利用输 入与输 出资料 建立某种确立性关系并率定其 中系数 3 概念性模型 概念性模 型是通 过建立 物理模 型 仿真 模 拟流域的降雨径流过程 本次城市综合径 流系数的研 究方法是依据黑 箱方法与物理模型方法 的基本思路 建立一套简 捷 易行的物理模型 仿真地模拟排水系统的降雨 径流过程 从而获得一组具有实用价值 的实验数 据 以此来确定城市综合径流 系数 2城 市综合 径流 系数特性 研究试 验 2 1研究对象的确定 从径流 系数研究对 象来 划分 可 以从二个方 面着手 1 综合法 选取具有代表性 的由多种地 面类 型组合而成的下垫面作为研究对象 将研究实验 结果与传统方法所得的结论进行比较 2 单 一法 选 择 目前 城 市下 垫 面 的典 型种 类 逐一进行场地试验 得 出实验结果应于用排水 系统 的抽水试验 中 城市建设 的 日新 月异 下垫 面类型种类繁多 要选择 具有 良好代表性 的下垫 面覆 盖种类并 非易 事 综合法能够适应城市综合径流系数研究的要 求 实用性强 场地试 验效率高 周期 短 有利于将 场地试验结果直接应用 因此 本文研究中采用综 合法 由多种地面覆盖组合而成的下垫面作为 研究对象 从 中提出一套适用于上海地 区的综合 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 88 防洪排水 城 市道桥 与防洪 2016 年 01月第 01期 径流系数修正系数 2 2径流 系数特性研究的场地试验 暴雨地 面径流过 程极 为复杂 径 流系数 影响 因素 繁多 场地径 流系数研究 的主要 目的是从 雨 水沟道 的设计要 求 城市暴雨 径流特点 以及 上海 地 区典 型地形 地 貌 出发 选 取既 能满 足科研 的 实 际需 要 又 能使 物理模 型试 验有效进行 的影 响 参 数 按 正交试 验 原则 实施 实验 方案 从 中获得 径流系数变化的基本规律 由于径流系数的场地 试 验便于人 为调控 受 自然条件 的制约较少 因 此试 验方 案可 根据 实 际需要 及实 验结 果任 意增 减 改动 且试验数据正确性 可靠性及可 比性 均 较强 是 城市 综 合径 流 系数 研 究 的重 要 组 成部分 为了弄清径流系数在不 同参数影响下 的变化 过程 以利提供在城市圩 区中适合于上海地 区的 径流系数 上海市城市建设设计院会 同松江 区松 江农 田水利试验站在松 江佘 山建立 了一块可供径 流系数人工模拟降雨的试验基地 并为使场地径 流系数的试验更 逼真 地模拟一场降雨在以城市 地 区为下垫面 的暴雨径 流的全部过程 对该块不 封底观测场地进行 了较 大规模 的改建工程 经过 六个月近百场人工模拟降雨 获得 了大量有关径 流系数变化特性的第一手实验资料 3 城 市综 合径流 系数特性分 析 降雨 条件 包括强度 历时 雨峰位置 前 期雨 量 强度递减情况 全场雨量 年雨量等 和地面条 件 包括覆盖 坡度 汇水面积及其 宽度长 比 地下 水位 灌渠疏密等 是影 响城市综合径流系数 的两 大基本因素 此外 城市建筑密度 建筑物高度 以 及城市热岛效应等亦会在一定程度上影响着径流 系数的数值 本场地试验从雨水沟道的设计要求 和城市暴雨 径流的特点 出发 根据上海地 区的地 形 地貌 选取 了既有满足科研 设 计工作 的实 际 需要 又能使 场地 试验 有 效进行 的主要 影 响参 数 降雨 强度 降雨历 时 降雨 雨型 不 同下渗 率 的下垫面覆盖 进行特性分析 3 1洪峰径流 系数在趋 向动态平衡过程中的特性 分 析 径流系数是一项 随降雨历 时而变化 的动态参 数 试验 中以 5 ra i n 为一记 录时段 产流开 始前 为 1 m i n 其值 随历时 的增长而增大 但一般从 降雨 开始 50 90 m i n 后 便达到了稳定值 1 径流系数与时间成正 比 试验研究表 明 径 流系数 与时间成 正相关的 规律 不受地表覆盖 降雨强度 雨 型等 因素 影响 由于每次试验前的土壤含水率 基本 相同 因此随 着 降雨 的进行 场地上各点产 生的地表径流通过 收集管渠 均有一个从小 到大 的汇流过程 相应地 洪 峰径流 系数也形成 了一个 由小到大直至稳定 的 过程 场地不透水面的变化 只是影 响这一过程 的 时间长短 即下垫面不透水覆 盖比例越大 这一过 程时间就越短 2 雨强增大过程 中 下垫面覆盖变化对径 流 系数的影 响越来越小 从 20 m i n 40 m i n 最大差值 所示计算结果来看 这一规律十分明显 以 40 ra i n 时段的试验结果为例 在设计暴雨重现期为 P I a 时 各种下垫面覆盖 的过程径 流系数之间的最大 差值为 0 231 而在设计暴雨 P 5 a 时 这一差值仅 为 0 113 在其余实验时段 过程径流系数均呈这 一 基本特征 3 下 垫面在可 透水层 覆盖 的增 加过程 中 雨 强 对洪 峰径 流 系数 的影 响程度 越来 越 小 以 20 m i n 时段 的试验结果 见表 1 最大差值 A 为 例 当下垫面的加权径流 系数 为 0 336 时 在不 同 雨强作 用下 径流系数之 间的最大差值为 0 570 当下垫面 的不 透水 面覆盖至 0 825 时 其洪峰径 流系数间的最大差值 为 0 038 从径流系数在其达 到峰值的过程中所呈 现的上面两点特性 对 于认 识上海地 区 特别是排水 系统基本 均已建成 的中 心城 区的径流系数 的变化特点具有 重要 的参 考价 值 表 1 洪 峰径 流 系数 变化过程 3 2洪峰径流 系数达到动态 平衡 峰值状态 时的 基本特性 径流系数达到动 态平衡 峰值状 态 是指在一 定人工模 拟降雨作用下 由各种地 面覆 盖组 合而 成试验场地上的径流量 大小 不再瞬时发生变化 达到恒定值 的状态 明确这一状态 时的径流系数 特性是径流系数场地试验的关键 1 降雨强度与不同地表覆盖的洪峰径流系数 呈有条件 的相关关系 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2016 年 01 月第 01 期 城 市道桥 与防 洪 防洪排水89 从试验资料可以清晰地看出 P I a 36 m m hm 的降雨 强度是试验条件下各种地面覆 盖之洪峰径 流系数 峰值 大小与降雨强度 的分界值 当降雨强 度 的频率小于 P I a 时 径流系数峰值随 降雨强度 的增 大而增 大 而 降雨 强度 的频率 大于 或 等于 P I a 时 不论何 种下垫 面覆 盖 其下 垫面之 径流 系数 峰值基本保持不变 下垫面透水性 的高低 降 雨强度 的大小仅影响径流系数达到峰值所 需的历 时 2 洪峰径流系数峰值 洪量径流系数 与面积加权径 流系数 间存 在着一定 的关 系 a 洪峰径流系数峰值 与洪量径流系数 间的关 系 试验表 明 洪峰径流系数峰值 与洪量径流 系数 具有 明确 的相关 关系 qG 的比值 随 下垫 面不透水覆盖 的增加而减小 并 随降雨强度 的增加 的数值下降 在试验资料中 除个 别数值受到 自然因素干扰而略有波动外 Iq n 随 不透水覆盖 以及雨强影 响的这一特性 十分明显 b 洪峰径 流系数 峰值 与加权径 流系数 的关系 从试验结果来 看 加权径 流系数越大 的比值 越小 换言之 下垫面的透水面所 占比例越 大 与 的偏 差越大 当下垫面按加权径流 系 数 为 0 336 铺垫 时 其实测径流系数峰值可达 0 83 3 3土壤 含水率 降雨强度对达 到径流 系数 峰值 历 时的影 响 在雨水 沟管的设 计 中 非 常湿润的地 面是决 定雨水 沟道大流量 的条件 此 时的径流系数应 为 设计 中所采用 的径 流系数值 从试 验资料可 以看 出 1 在试验条件下 土壤前期含水率变化较 小 对达 到洪 峰径 流 系数 峰值 所 需历 时影 响 甚小 2 达到径流系数 峰值所 需历时 随着下 垫面 不透水 层覆盖 的增加呈减小趋势 并与雨强成有 条件 的相关关系 3 4前 后峰雨雨型对径流 系数的影响 1 前 后峰雨对造峰的作用 的影响 为方便 分析 对照试验结果 将前 后峰雨 的小 时 降雨总量调至与 P I a 36 m m hr 的小时降雨总 量一 致 前 后峰雨相 比 由于后峰雨在其峰值 到 达之前 有更多 的雨量来满 足场地 上的初损 相对 而言场地人渗 更趋于稳定 因而降雨扣除损失 后 净雨所 占降雨量份额相对较 大 径流系数较 大 相应造峰作用亦越 明显 2 场地雨水下渗对于形成洪峰径流 的影响 试验结果表明 在相当于 P I a 强度的等强度降 雨作 用下 达到其实测峰值 时 场地雨 水下渗 已完 全趋于稳定 即稳 渗状态 而 当以后峰雨进行 人 工降雨 时 场地雨水下渗受雨强变化 的影响 始终 处于一种变化过程之中 降雨损失较为明显 相比 之下前峰雨雨型的降雨 损失更 为明显 场地雨水 下渗率 受降雨强度大小 的影 响外 还 与场地地面 透水性强弱 加权径 流系数大小 有关 具体 为透 水性 越好 的场地覆 盖 其初损越大 相应下渗作用 也越大 反之 则越小 4本 文研 究 结论 根据松江农 田水利试验 站径 流系数人工模拟 降雨试验研究资料 径流系数有 以下基本特性 1 洪 峰径流 系数在趋 向动 态平衡 过程 中的 基本特性 a 径流系数与时间成正比是基本规律 b 雨强增大过程 中 下垫面覆盖变化对径流 系数 的影响越来越小 c 下垫 面在可透水 层覆盖 的增 加过程 中 雨 强对洪峰径流系数 的影响程度越来越小 2 洪 峰径流系数 达到动 态平衡 峰值状 态 时的基本特性 a 降雨强度与不同地表覆盖的洪峰径流系数 呈有条件 的相关关 系 b 洪峰径流系数 峰值 洪量径 流系数 与面积加权径流系数 问存 在着一定的关 系 3 土壤含水率 降雨强度对达到径流系数峰 值历时的影响 a 在试验条件下 土壤前期含水率 变化较 小 对达到洪峰径 流系数峰值 所需 历时影 响甚 小 b 达到径流系数峰值所需历时 随着下垫面 不透水层覆盖 的增加呈减小趋势 并与雨强成有 条件的相关关系 4 前 后峰雨雨 型对径流系数 的影响 a 由于后峰雨在其峰值到达之前有 更多的雨 量来满足场地上 的初损 相对而言场地 入渗 更趋 于稳定 因而降雨扣除损失后 净雨所 占降雨量份 额相对 较大 径 流系数 较大 相应造 峰作用亦越 明显 b 当后峰雨进行 人工降雨时 场地雨水下渗 受雨强变化 的影 响 始终处于一种变化过程之 中 下转 第 105 页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2016 年 01月第 01 期 城 市道桥 与防 洪 管理施工 105 制 能够确保 事故处理 的高效 性 安全性 科学性 和有序性 从而提高城市道路交通事故的处置效 率 其运行机制见 图 3 l 臣 三 l 圣 L 叵 图 3城 市道路 交通安全 管理运 行机制 3 2加 强机动车的管理 完善交通设施 车辆性能 对城市道路交通安全 也有着重要影 响 城 市道路 的追尾 刮擦等交通事故也会受到车 辆制动效能的影响 因此 提高车辆的行车性能 并对 车辆进行 13 常 的维护 规范车辆管理 能够在 一 定程度上保障城市道路交通安全 城市道路交 通设施 主要包括交 通标志 交通 标线等交通静态 管理设施 减速带 护栏等交通安 全设施 地下通道 照明设施 视线诱导设施 栅栏 等交通服务设施 完善城市 道路交通安全设施 提 高城市道路交通安全水平 能够有效降低城市道 路交通事故率 3 3提高城市道 路交通安全管理部 门工作效 率 目前 城市交通 安全管理部 门较 零乱 没有形 成有效的管理组织机构 例如 机动车辆需取得多 个交 通管 理部 门的批准 手续才 能在道路 上行驶 且手续繁琐 不仅降低了交通部门管理的效率 还 对人们的生活造成了一定影响 因此 整合城市交 通安全 管理部 门 深化城市交通安全管理体制 引 进先进 的管理理念 加快信息化建设 从最 大程度 上提升城市交通安全管理效率 3 4完善城市交通救援体 系 据统计 城市交通事故发生后 在半小 时内的 死亡人数 的比例达到 了 85 究其原 因 大部分都 是 因为救援不及时所导致 的 事故发生后 对于伤 者而言 每一秒都是极其宝贵 的 若 城市交通事故 救援体制不完善 将间接导致交通事故死亡率的 增加 因此 应根据各城市的实际情况 健全城市 交通事故救援体系 首先 城市交通管理部门应与 医院等卫生部 门组建交通事故救援 队 并对其规 范化 救援模拟演 习也能在一定程度上救援效 率 此外 救援体系 的标准化 规范化 信息化 对完善 交通事故救援体制具有重要作用 4结语 本文 分析 了城市交 通安 全问题形 成 的原 因 总结 了城市交通安全管理类 型及特 点 在此基础 上 提出了