10排涝水文计算

第十章排涝水文计算第一节概述第二节农业区排涝计算第三节城市防洪与排水措施第四节排水管网设计流量计算第五节城市圩（垸）排涝模数计算第一节概述一、涝灾的形成因暴雨产生的地面径流不能及时排除，使得低洼区淹水造成财产损失，或使农田积水超过作物耐淹能力，造成农业减产的灾害，称为涝灾。一、涝灾的形成因地下水位过高或连续阴雨致使土壤过湿而危害作物正常生长造成的灾害，称为渍害。本节重点讨论涝灾。一、涝灾的形成降雨过量是涝灾发生的主要原因，灾害程度往往与降雨强度、历时、降雨总量和分布范围有关。平原洼地平原坡地易涝区分类水网圩区城市地区易涝区分类二、排水系统排水系统是排除涝水的主要工程措施。分为农田排水系统和城市排水系统。二、排水系统：农业排水系统畦格田排水沟排水涵洞二、排水系统：城市排水系统雨水沟检查井排涝泵站三、排涝标准第二节农业区排涝计算我国绝大多数地区农业排水区设计暴雨历时为1~3天。二、入河径流计算：入河径流总量：各种土地利用面积上进入河渠径流量之和。1、水面产流：直接进入排水河渠R=P-E0式中：R为水面产流量，mm；P为降雨量，mm；E0为水面蒸发量，mm；3、旱地及非耕地入河流量可采用新安江模型进行产流计算，资料不足可采用：R=P-I式中：R为水面产流量，mm；P为降雨量，mm；I为次降雨损失量，mm。三、圩（垸）排涝模数计算FQM式中：M为设计排涝模数，m3/s/km2；Q为设计排涝流量，m3/s；F为排涝面积，km2。三、圩（垸）排涝模数计算KTZRM6.3式中：M为设计排涝模数，m3/s/km2；R为t日暴雨产生的涝水总量，mm；α为圩内水面率；ΔZ为圩内沟渠预降水深，mm；K为日开机时间，h/d；T为排涝天数，d。四、区域排涝模数计算式中：M为设计排涝模数，m3/s/km2；R为设计暴雨径流深，mm；F为排涝面积，km2；C为综合系数；m为峰量指数；n为递减系数。M=CRmFn第二节城市防洪与排水措施一、城市地区的洪水问题第一，城市本身暴雨引起的洪水。这是城市排水面临的问题。第二，城市上游洪水对城区的威胁；解决这类问题属城市防洪范畴。第三，城市本身洪水下泄造成的下游地区洪水问题。构成了城市下游地区的防洪问题。海口市暴雨成灾洪水淹没下游城镇广东阳江市江城区堤坝崩溃军民紧急抢险二、城市防洪与排水工程措施（一）防洪工程措施1．疏通和治理城市上下游河道，增加河道过水能力，或者使河流改道，直接进入城市下游区域；2．建造堤防和防洪墙保护城市，阻挡洪水侵入，傍临大江大河的城市大部分采用这一措施；3．在城市上游修建防洪水库储蓄洪水，以达到削减洪峰的目的。工程要结合水资源开发、发电诸方面综合考虑；4．在城市上游建造分洪区分洪。减缓稀遇大洪水对下游城市的威胁。（二）排水工程措施城市排水主体工程是管渠排水系统，将城区雨洪尽快排出。全面解决城市雨洪问题，应结合各城市具体情况，采取综合治理措施来减小、延缓和调节城市雨洪，削减洪峰和减少洪量。1．建立人工蓄洪池塘。在雨洪流量较大时储存一部分洪量，而流量下降时排出，以达到削减洪峰作用。2．设立等高绿地。在广场和住宅区周围沿等高线设置绿地，使雨水进入绿地后再排出，增加下渗量和降低汇流速度，减小地表径流，削减洪峰流量。排水综合治理措施:4．利用屋顶蓄水滞水。采用屋顶蓄水池或屋顶花园；增大屋顶铺面糙率，如波状屋顶、砾石屋顶等，束狭落水管使屋顶雨水滞蓄。5．采用透水性排水管道。多孔的排水管道可以增加透水量，使排水流量降低。6．地下水回灌。利用枯井、深水井对雨水进行地下水回灌。3．采用透水铺面。可铺砌透水公路、广场，砖、砾石人行道和巷道，增加下渗量。三、城市防洪与排水非工程措施1．植树绿化及水土保持在城市上游和城区植树或种草，增加土壤下渗和滞水能力，降低和延缓洪峰；2．洪水预报和警报编制洪水预报方案，在洪水来临之前通告群众和有关部门，及时做好抗洪工作；3．洪水调度结合洪水预报方案和洪水警报制定合理的洪水调度方案，降低洪水对城市的威胁程度；4．洪水保险对遭受洪涝灾害的个人及集体支付赔偿，用经济杠杆提高人们防洪意识。5．水利管理条例国家和地方有关主管部门根据具体情况颁布水利方面的有关管理条例。6．城市水利规划制定合理的水利布局方案并留有充分的发展与改进的余地。第三节管渠水系统设计流量过程线推求在城市管渠排水系统的规划与设计中，当涉及系统的优化设计，超载状态，工程控制调度，管渠溢流计算，调节池与泵站设计，雨水污染分析与防治等工程问题时，需要推求相应的设计流量过程线。一、设计暴雨计算（一）设计雨量在城市管渠排水系统设计雨量的推求，一般采用暴雨公式：i＝A（1＋CLgT）/（t＋B）n（mm／min）若重现期T已确定，则a＝A（1＋CLgT）为一常数，则上式写成i＝a/（t＋b）n（mm／min）上式与水利部门采用的雨强公式完全相同。因此可以推求得降雨历时为tp的设计雨量为P＝atp/（t＋b）n（二）设计暴雨过程拟定1．典型分配：选用实际的暴雨过程作为典型，经同倍比或同频率放大后，得出设计暴雨过程2．同频率分配：按这一途径分配得出一个单峰暴雨过程，每一历时的雨量均满足设计频率，雨峰位置采用地区综合值。3．雨量分配公式：下式是根据暴雨公式推导出的一个瞬时雨强公式，它以雨峰为坐标原点：雨峰前：I1＝a[(1-n)(t1/r)+b]/(t1/r+b)n+1雨峰后：I2＝a[(1-n)t2/(1-r)+b]/[(t1/(1-r)+b]n+1式中，I1，I2—雨峰前t1和雨峰后t2时刻雨强；r—峰前历时与总降雨历时之比；a、b、n—暴雨公式中的参数。例:已知某暴雨公式为i＝18（1＋0.9LgT）/（t＋15）0.8求2年一遇的设计暴雨过程。（1）取计算时段为5min，由暴雨公式式计算得5,10，…,60min共12个历时平均雨强i，列第（1）、（2）栏；（2）计算各历时降雨总量P＝it，列第（3）栏；（3）由第3栏中各相邻历时雨量之差推求时段雨量ΔPj＝Pj－Pj-1，j＝1，2，…，12。此时，ΔPj是按大至小排列，序号即为j，j与ΔPj列（4）（5）两栏；（4）查地区手册得r＝0.45，由0.45×12＝5.4可知，雨峰位于第6时段，按单峰暴雨过程确定时段雨强大小序号K，并按K的顺序位置，分配相应的时段雨量ΔPK，分列第（6）（7）两栏第（7）栏即为推求的设计暴雨过程表5－9同频率暴雨过程推求t(min)i(mm/min)P(mm)jPj(mm)KPK(mm)52.0810.4110.4101.7101.7417.427.082.1151.5122.635.262.8201.3326.644.044.0251.2029.953.327.0301.0932.762.8110.4351.0035.072.335.3400.92737.182.153.3450.86538.991.872.3500.81140.6101.791.8550.76442.1111.5111.5600.72343.4121.3121.3二、排水管网设计流量计算市政部门习惯采用公顷（hm2），升（L），分钟（min）作为面积、水量、时间的基本单位。推求管道设计流量的推理公式形式：Qp＝aipF式中：Qp—设计洪峰流量，L／sa—径流系数ip—集流时间内平均雨强，L／s·hm2在城市区域，下垫面各处差别很大，径流系数也各自不同。平均径流系数计算公式a＝∑aifi/F＝∑biai式中，ai－对应于面积fi的局部径流系数，F－流域面积。城市径流系数与地面不透水性有很大关系。表9－1各种地表复盖的径流系数表地表复盖种类径流系数各种屋面、混凝土和沥青路面0.90大块石铺砌路面、沥青表面处理碎石路面0.60配碎石路面0.45干砌砖石和碎石路面0.40非铺砌土地面0.30绿地和草地0.15表9－2区域不透水性综合径流系数地表复盖种类径流系数建筑稠密的中心区（不透水面积＞70％）0.6－0.8建筑较密的居住区（不透水面积50％～70％）0.5－0.7建筑较稀的居住区（不透水面积30％～50％）0.4－0.6建筑很稀的居住区（不透水面积＜30％）0.3－0.5除了下垫面不透水程度，径流系数大小还与降雨特性、土壤含水量、地下水埋深等特性有关。因此，在选用径流系数时，必须视具体情况而定。市政部门常用的暴雨公式形式为：i＝167A（1＋CLgT）/（t＋B）n式中,T—重现期，年；i—平均雨强，L／（s·hm2）；A、B、C、n—暴雨公式的参数。表9－3我国部分城市暴雨公式的参数城市名称ABCn北京11.9880.8110.711天津22.95170.850.85石家庄10.1170.8980.729太原5.274.60.860.62包头0.05965.40.9850.85哈尔滨17.30100.90.88长春9.58150.80.76吉林12.9770.680.831沈阳11.8890.770.77济南28.1417.50.7530.898南京17.9013.30.6710.8合肥21.56140.760.84杭州60.92250.8441.038南昌8.301.40.690.64流域集流时间τ由下式计算τ＝tc+mtf式中,tc—管道入水口坡面汇流时间，min；tf—上游管道管流时间，min；m—延缓系数，管道m＝2，明渠m＝1.2计算坡面汇流时间的公式：（1）运动波法公式tc＝1.359L0.6n0.6i－0.4J－0.3式中，L—坡面流长度，m；n—地面糙率；i—降雨强度，mm／min；J—地面平均坡度。（2）机场排水公式tc＝0.703（1.1－a）L0.5J－0.333式中，a—径流系数。（3）SchaaKe公式tc＝1.397L0.24J－0.16I－0.26式中，I—不透水面积百分比。表9－4几种下垫面覆盖的糙率地面状况糙率沥青铺面0.012混凝土铺面0.014裸土0.02粗糙裸土0.03耕地0.03割草草地0.03一般草地0.04密集草地0.06灌木丛0.08树林0.20区域分类糙率商业区0.015－0.030半商业区0.020－0.035密集住宅区0.025－0.040郊区住宅区0.030－0.055公园0.04－0.08轻工业区0.015－0.035表9－5几种区域地面糙率管径的计算根据设计流量按满管重力流计算，这里仅介绍用曼宁公式计算圆管管径：D＝（3.2084nQp）3/8/J1／2式中D—设计圆管管径，m；n—圆管道糙率；Qp—指定频率设计洪峰流m3／s；J—管道坡度。在实际应用时，实用管径应等于或稍大于计算出管径。计算管道平均流速V有以下几种方法（以圆管为例）（1）按满管重力流用连续方程计算V＝4Qp/（πD2）式中,D—实际采用的管径，m。（2）按满管重力流用曼宁公式计算V＝0.397nD2／3J1／2根据平均流速可计算得管流时间：tf＝L／（60V）式中,L—上游管道管长，m；tf—上游平均管流时间，min由上游管道的地面汇流时间和管流时间之和,得出设计管道的总集流时间τ代入推理公式可以推得管道设计洪峰流量。管道各自独立地采用推理公式计算设计流量。各管道设计流量并非由同一设计暴雨所形成，仅仅是在计算集流时间τ时，要用到上游管道的汇流时间而已。进入设计管道的流量不是一条路径，应把径流流时最长的那条路径的水流时间作为设计管段的集流时间。应用推理公式推求管道设计流量框图排水面积f长度和坡度、造率设计雨强推求洪峰流量结束径流系数C集流时间τ暴雨公式计算下一管路计算管流时间计算本段管径最后管段［算例］北京市某区域需要铺设排水管网。管网上端三个管道，雨水井以及集水面积见示意图。推求各管道二年一遇设计洪峰流量。132设计管道布设示意图地面状况编号雨水井集水面积f（hm2）地面覆盖百分比地面径流长度L（m）地面坡度J管道长度L0管道坡度J015.1住宅区(I=55％)商业区(I=70％)85％15％1030.01041090.018022.9住宅区(I=40％)公园绿地80％20％620.0099720.008636.3住宅区(I=6