城市暴雨与洪水

第二章城市暴雨与洪水城市防洪工程合肥工业大学引言曾有人问：“如果被带到一个陌生的国度，如何分辨它是否发达？”龙应台说：“最好来一场倾盆大雨，足足下它3个小时。如果你撑着伞溜达了一阵，发觉裤脚虽湿却不肮脏，交通虽慢却不堵塞，街道虽滑却不积水，这大概就是个先进国家；如果发现积水盈足，店家的茶壶头梳漂到街心来，小孩在十字路口用锅子捞鱼，这大概就是个发展中国家。”9月11日16时至13日16时，四川广安遭遇今年最强暴雨袭击，出现区域性大暴雨。图1：9月13日,在四川广安市机电工业职业技术学校，学校正在用装载机转移学生。图2：在广安市机电工业职业技术学校，三名学生正在水中转移物资。第一节城市化对水文的影响一、城市化的概念随着一个国家或地区的工业、商业和文化事业的发展，人口不断地向城市集中和城区面积的扩张，这一过程称之为“城市化”城市化进程农村阶段：土地处在耕作或放牧状况早期城市：大量修建城市型房屋，但仍有相当部分土地被原有植物所覆盖中期城市：住房、商贸中心、学校、工厂等建筑物大规模地发展和建设阶段后期城市：使已残留很少的原有植物缩减为零，地面完全由人工建筑和一些其他设施所覆盖三个水文问题：即城市水源资源紧缺、水质污染控制和洪水控制问题城市水资源短缺：随着人口增加，对水的需求量也就随之增大，产生了一个寻求充足水源这一水文第一重要的问题。洪水控制问题：城市污水增多、降雨的径流量变大和流速的增大，使短时间内的大流量径流发生，不可避免地要使洪峰流量增大，从而引起了洪水控制问题。水质污染控制问题：城市化扩大时，枯水流量减小，城市污水的增加及雨水径流水质恶化，引起水源水质恶化。另外，固态及液态致病污染物的处置对地下水水质也可能产生不利影响，产生了水质污染控制问题。城市化过程对当地水文的影响主要表现:（1）城市地貌和排水系统的改变（2）水资源的重新分配（3）水环境的改变（4）大气环境的改变构成城市的供水、排水、防洪、水环境等水文问题。城市化前后对比：城市化前后降水量明显增加同时期城市与郊区的对比：市区降雨量大于近郊雨量，降水以市区为猪心向外依次减小二、城市化对降水的影响暴雨量增多，雨强加大。从此表比较可以看出，在同样的条件下，新的雨量计算值明显大于七十年代的数值。即近年来暴雨有逐渐增大的趋势。二、城市化对降水的影响——城市化影响降水的机理城市热岛效应：城市气温明显高于周围乡村的现象。城市阻碍效应：由于高低不一的建筑物引起湍流，对稳动滞缓的降水系统有阻碍效应。城市凝结核效应：城市空气中大量凝结核促进降雨的形成。造成城市热岛的原因主要为：（1）人为热源（2）建筑材料的热容性（3）建筑结构峡谷形式增加接受辐射的面积（4）大气污染增强了吸收太阳辐射能力（5）下垫面的反射城市热岛现象会对水汽蒸发、空气对流产生明显影响，从而影响到降雨特性。三、城市化对径流特性的影响——机理1．大规模建造房屋，铺砌道路，使下垫面不透水性大大增加，其结果是下渗量和蒸发量减少，而地表径流和径流总量增加，洪峰流量加大；2．城市排水系统管网化，使暴雨径流尽快地就近排入水体，使洪水汇流速度增加，洪量更为集中；3．对城市汇水河道整治与改建，整治后的特点是河道直线化，断面规则化，呈梯形或矩形，边坡用砖石衬砌。增加了河道输水能力，使洪量集中；4．侵占天然河道洪水滩地，减小了洪水滩地储洪容量和泄洪能力，使城市遭遇大洪水时，河道调蓄能力减弱，洪水浸溢积聚城市地面而形成积水；三、城市化对径流特性的影响5．设立各种类型的控制性闸坝，进行人工调节，影响城市径流过程；6．来自城市外的引水和城市本身污水排放，造成径流水量和水质的变化。图同等降雨下城市化前后洪水过程线比较城市化后城市化前城市暴雨径流特点暴雨径流总量增大，洪峰流量增高，出现时间提前。河道中水流流速加大，径流过程中悬浮固体及污染物浓度提高。城市化程度的提高，直接改变了城市的暴雨径流形成条件，使其水文情势发生变化控制性水闸引水闸河流污染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四、城市水文资料的搜集降水和其他气象资料第一类是用于建立、率定和检验城市水文模型的降雨资料，一般是集中在研究区域，要求与其他水量水质资料配套进行，记录年限可不要求很长，但要求观测比较精细第二类是用于进行长期模拟所需的长期降雨资料，这部分资料主要是依靠国家基本站网提供河道及管渠流量资料河道流量：雨洪排水设计管渠流量：与水质参数有关的研究中水质监测资料：样品的采集和流量资料基本同步悬浮沉积物指标无机物指标细菌指标有机物指标四、城市水文资料的搜集土地利用情况资料土地利用特征与流量水污染物质的含量有一定的关系；土地利用特征包括流域物理性质方面的资料，气候因素以及环境状况等；美国地质调查局和环保局城市研究大纲中经常使用的自然地理特征包括22项内容。城市水文测验系统常规测验系统：水位观测和不定期用流速仪观测流量特别研制的城市水文监测系统：在排水管道上第二节城市设计暴雨和暴雨径流的计算城市设计洪水的计算方法概括起来有以下几种：推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法、综合单位线法、等流时线法其中应用最广泛的是推理公式法和综合瞬时单位线法。它们的思路都是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按设计暴雨→设计净雨→设计洪水的顺序进行计算。一、城市设计暴雨的计算城市设计洪水计算，大多数采用由暴雨推求洪水的方法，因此，首先需要推求设计暴雨，以下为基本概念：设计暴雨：具有某一规定频率的一定时段的暴雨量或平均暴雨强度。基本假定：暴雨与其所形成洪峰流量或洪量具有相同的频率一、城市设计暴雨的计算选择设计暴雨的一般假定：若所设计的给水排水系统的承受能力能抵御该次降雨事件，则系统的运行就能满足设计要求最常用的虚拟事件：1、依据历史资料分析雨深-历时-频率关系得到的；2、适用于排水工程设计和给水中的取水工程设计；3、对于城市雨水排除系统，其设计频率和重现期的选定，在原则上可根据工程的造价和运行的费用，以及由于雨洪超标所引起的损失金额，得出经济上最合理的设计频率；4、设计暴雨必须能适用于推求排水管网各个节点处设计洪峰流量的要求（设计相应各种历时的设计暴雨量）；5、城市设计暴雨一般不考虑雨量在空间分布的不均匀性。直接应用某次实测历史降雨资料：可用于滞蓄水库的设计或用于着重考虑水质的工程设计一、城市设计暴雨的计算城市暴雨特点：（1）历时短，一般从几十分钟到若干小时；（2）缺乏实际观测资料（3）面积小，可以忽略暴雨在地区上的分布不均匀性直接应用某次实测历史降雨资料：城市设计暴雨的基本步骤：①把流域中心点雨量作为流域面雨量，无需考虑点面雨量折算②由最大1日设计雨量X1日,p推求历时t的设计雨量Xt,p一、城市设计暴雨的计算城市设计暴雨推求的详细步骤：①通过年最大一日设计雨量间接推求年最大24h设计暴雨量，或根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如《暴雨径流查算图表》）中绘制的暴雨参数等值线图，查算出统计历时的流域设计雨量，如24h设计暴雨量等；②将统计历时的设计雨量通过雨量—频率—历时关系或暴雨公式转化为任一历时的设计雨量；③按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放大，得设计暴雨过程。一、城市设计暴雨的计算1、年最大24h设计暴雨量：①通过年最大一日设计雨量间接推求年最大24h设计暴雨量：最大24h暴雨是一次暴雨过程中连续24h的最大雨量。目前气象和水利部门所刊印的资料，都只给出固定日分界（8h或20h）的日雨量。日雨量一般小于，至多等于24h雨量。因此，年最大日雨量必须换算成年最大24h雨量才能符合计算要求。换算办法一般是将日雨量乘以大于1.0的系数，即：②根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如《暴雨径流查算图表》）中绘制的暴雨参数等值线图，查算出年最大24h设计暴雨量；2、任一历时的设计雨量：①将统计历时的设计雨量通过雨量—频率—历时关系转化为任一历时的设计雨量：1）根据雨量站的自记雨量记录，独立选取不同时段（如t=lmin，l0min，30min，60min，180min，360min，720min，1440min）的年最大暴雨量的系列。分别进行频率计算，绘出各种历时暴雨量频率曲线。不同时段的雨量频率曲线综合图2、任一历时的设计雨量：①将统计历时的设计雨量通过雨量—频率—历时关系转化为任一历时的设计雨量：2）在不同历时暴雨量频率曲线上，读出不同频率的设计暴雨量，再以同一频率的雨量为纵坐标，降雨历时为横坐标，绘制出雨量—频率—历时关系曲线2、任一历时的设计雨量：①将统计历时的设计雨量通过雨量—频率—历时关系转化为任一历时的设计雨量：3）将单站雨量—频率—历时关系曲线变换成雨量百分率—历时关系曲线，消除频率因素，使各单站不同频率的雨量—历时关系曲线合并成单一线。绘制雨量百分率—历时曲线。在该图上上查指定历时相应的百分率，然后换算成设计暴雨量。一、城市设计暴雨的计算2、任一历时的设计雨量：②将统计历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量：暴雨公式——在一定频率情况下时段平均暴雨强度i与历时t的关系式，称为暴雨公式。S—单位历时的暴雨平均强度，又称为雨力，随地区和重现期而变，如果t以小时计，s就是t=1小时的暴雨强度n—暴雨递减指数，随地区及历时长短而变一、城市设计暴雨的计算2、任一历时的设计雨量：②将统计历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量：对公式两边取对数：上式为一直线方程式，lgs为截距，n为斜率，若从平均暴雨强度~历时曲线上将同频率各种历时的暴雨强度i读下，在双对数坐标格纸上以i为纵坐标，t为横坐标，可点汇出一组近乎平行的直线，在线上量取t=1小时的纵坐标值和斜率值，即为s和n值。参数N的确定（1）当t=1小时时，转折点的纵坐标即为s；（2）当t1时，取n=n1；（3）当t1时，取n=n2；一、城市设计暴雨的计算3、设计暴雨的时程分配：根据典型暴雨过程各控制时段降雨量百分比进行分配。小流域设计暴雨的最长时段一般不超过24小时，最大3小时或6小时雨量对小流域洪峰流量的影响较大，暴雨时程分配一般采用3小时、6小时、24小时作为控制时段。二、城市暴雨径流的计算第三节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。第三节排水管网设计流量计算表1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第三节排水管网设计流量计算表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）nT—重现期，年；i—平均雨强，L／（s·hm2A、B、C、n—暴雨公式的参数。城市名称ABCn北京11.9880.8110.711天