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城市水文学水文水资源专业&农业水利工程专业2014-02绪论第一章城市化对水文的影响第二章城市防洪与排水措施第三章排水管网设计流量计算第四章排水系统设计流量过程线推求第五章城市水文模型第六章城市防洪规划城市水文学水文学（hydrology）是地球物理学和自然地理学的分支学科。研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境与人类活动之间的相互联系和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。一、定义：城市水文学（urbanhydrology）研究发生在大中型城市环境内部和外部，受到城市化影响的水文过程，为城市建设和改善城市居民生活环境质量提供水文依据的学科，又称都市水文学，是水文学的一个分支。二、主要内容：包括城市化的水文效应、城市化对水文过程的影响、城市水文气象的观测实验、城市供水与排水、城市水环境、城市的防洪除涝、城市水资源、城市水文模型和水文预测以及城市水利工程经济等。是一门综合性很强的学科。三、作用&意义对城市发展规划、城市建设、环境保护、市政管理以及工商企业的发展和居民生活都有重大意义。-绪论-四、主要特点1.综合性城市水文学涉及水文科学、水利工程科学、环境科学和城市科学，是一门综合性很强的交叉学科。2.动态性由于城市地区的人类活动十分频繁，随时而变，因此城市水文学不能只研究较长时间内的准平衡状态，还须着重考虑随时间变化的动态过程。五、研究的基本问题城市水文气象、城市暴雨径流及防洪、排水，城市水资源及供需平衡，以及城市水质评价及水污染控制。六、具体探讨问题1.设计标准问题在城市防洪和排水工程的规划设计中，首先需要解决安全性和经济性的关系。以往都用超过某一量级的洪水流量发生的频率或重现期作为设计标准。近年来的研究认为,设计标准不仅要考虑重现期,而且要考虑风险率和可靠度。风险率是某一重现期的水文要素在工程运行期间可能出现的概率。可靠度可用安全因素来反映，安全因素为设计值与实际观测值之比值。由于局部短历时大强度的暴雨是形成洪水的主要原因，因此，城市区域设计暴雨一般只须研究超过短历时（5～60min）点暴雨规律。但对于较大的城市集水区，或研究城市非点污染源的迁移扩散，则还应当确定计算暴雨的时空分布。2.城市流域暴雨径流模拟城市中的道路、屋面和飞机场跑道都是不透水的，因此处理这些地区的降雨损失比较简单。城市排水系统一般由管网和排水河网组成。城市面积上产生的暴雨洪水通常先排入管网，然后排入河网，排水系统较为优良。用于城市流域暴雨洪水计算的模型可分为三类。第一类只给出洪峰流量，如合理化公式。第二类既给出洪峰流量又给出洪水过程线，如芝加哥方法。第三类是多用途模型，如美国环保局暴雨径流管理模型（SWMM）。3.城市供水及优化调度城市中工业和居民用水量很大，用水规律有自身特点，对水质也有一定要求。城市供水水源来自地表水和地下水。有些城市依靠单一水源供水，也有不少城市依靠两种水源联合供水。无论利用何种水源供水，都存在水资源量的估算、质的评价和供需平衡分析等问题，还要考虑如何重复使用水资源和探求最优的供水方式。4.城市污水排放及处理城市中工业排放的废水和居民生活垃圾都是水污染源。城市中的污染源分为点污染源和非点污染源两类。点污染源是在离散点上的废水的集中排放，污水处理厂的出流就是点污染源的实例。非点源污染是由人类活动产生的污染物堆积于街道上再由暴雨径流沿程运送到河流、湖泊而形成。非点污染源是城市污水处理中要着重研究的问题。一、城市化定义：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”。第一节城市化对水文的影响第一章城市化对水文的影响二、城市化过程农村阶段：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。1.城市水源紧缺随着人口增加，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。2.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。3.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。三、城市化与城市水文过程城市化的发展对水环境所产生的直接或间接影响,主要表现为三个方面城市水文问题,即城市水源资源紧缺、水质污染控制和洪水控制问题。图1城市化对城市水文过程的影响四、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。第二节城市化对降水的影响一、城市热岛：与周围乡村相比，城市气温明显偏高。其特征往往是城市中心气温最高，而向周围乡村逐步递减，在郊区递减速度较快。城市气温明显高于周围乡村的现象称为“城市热岛”。二、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。城区工厂生产，交通运输，人们日常活动使得城市上空大气中尘埃比天然情况下高出几倍至几千倍，使得城市空气污染加重，为城区降水提供了更多的凝结核。城市化尤其是对流层气象活动增加，引起局部区域降水增大。城市化往往是一个长期过程，气候变化也是缓慢的，不易凝结核（condensationnucleus）：大气中的水汽能在其上凝结而成小水滴的悬浮微粒。城区工厂生产，交通运输，人们日常活动使得城市上空大气中尘埃比天然情况下高出几倍至几千倍，这不仅使得城市空气污染加重，而且为城区降水提供了更多的凝结核。城市化一般引起局部区域降水增大。但城市化往往是一个长期过程，气候变化也是缓慢的，不易被人察觉。要素与郊区比要素与郊区比凝结核多10倍云量多5～10％微粒多10倍雾多30～100％日照少5～15％温度高0.5～3度降水总量多5～15％相对湿度小6％降水日数多10％风速小20～30％雷暴多10～15％无风日多5～20％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；第三节城市化对径流特性的影响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；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。城市化的程度的提高，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。发生这些现象的原因可从两个方面来分析：不透水面积增加城市化的进程，增加了城市的不透水表面，使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，如屋顶、街道、人行道、车站、停车场等。不透水区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大量减少，造成产流速度和径流量都大大增加。汇流时间缩短排水管渠系统的完善，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。导致径流量和洪峰流量加大，出现洪*资料：城市暴雨径流特点洪峰流量的时间提前(图2)。图2相同暴雨及滞洪条件下城市化对径流量的影响此外，河道中流速的增大，增加了悬浮固体和污染物的输送量，亦加剧了河床冲刷。'mQmQmt'mt流量城市农村时间总之，城市规模的不断扩大，在一定程度上改变了城市地区的局部气候条件，由于这些气候要素的变化，又进一步影响到城市，特别是大都市的降雨条件。城市化对城市暴雨降水的影响(图3)图3城市化对城市暴雨或降水的影响及后果(Changnon等，1977)城市化对城市暴雨或降水的影响雨强增大降雨量增加冰雹增多雷电增多土壤浸蚀增强排水系统负荷加重水流带走的污染物增多总径流量及枯水量增多财产和作物受损失能见度降低在水库及河流沉积增强河流稀释能力水库库容增大作物净产量交通事故增多额外的疏淤开支额外的建筑开支额外的处理开支保险费开支增加洪水增多作物增产作物减产设计标准提高水源污染加重供水条件改善农业收入增加地价升高图1-1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Qt第四节城市化对水文影响的分析1、统计检验方法一般，城市化对水位和流量资料影响较为明显，可以采用水文统计中的ｔ检验和Ｆ检验方法对水文样本系列的均值和方差进行显著性检验。为了进行显著性检验，水文变量系列被划分为容量为ｎ１（城市化前）和ｎ２（城市化后）两个不重迭的子系列，并分别计算出它们的均值ｍ１和ｍ２，方差ｓ12和ｓ２2。首先对方差进行方差比检验或Ｆ检验。计算检验统计量Ｆ＝ｓ12/ｓ２2ｓ1ｓ２Ｆ＝ｓ22/ｓ12ｓ1ｓ２与Ｆ分布表中置信水平为α／２、自由度为ｎ１－１和ｎ２－１的Ｆ值比较。在大部分实用中，α值采用５％比较适当。一般统计教科书和手册中都附有这类统计表。如果Ｆ的计算值超过表列数值，则拒绝关于ｓ1与ｓ２为相同总体方差估计量的零假设。ｔ检验适用于对两个子系列的均值检验。计算检验统计量与ｔ分布表中置信度为α/２，自由度为n１+n２-２的ｔ值比较。若计算值超过表列数值，则拒绝关于ｍ１和ｍ２是同一总体均值估计量的零假设。2/11/121221221221112nnsmmtnn)s(n)s(ns参数检验法主要为t检验和方差分析(即F检验)等，两组间均数比较时常用t检验，两组以上均数比较时常用方差分析；t检验可分为单组设计资料的t检验、配对设计资料的t检验和成组设计资料的t检验；当两个小样本比较时要求两总体分布为正态分布且方差齐性，若不能满足以上要求，宜用t检验或非参数方法。方差分析可用于两个以上样本均数的比较，应用该方法时，要求各个样本是相互独立的随机样本，各样本来自正态总体且各处理组总体方差齐性（方差齐性实际上是指要比较的两组数据的分布是否一致,通俗的来说就是两者是否适合比较）。补充：方差分析(AnalysisofVariance)，又称“变异数分析”或“F检验”，是R.A.Fisher发明的，用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。方差分析的假定条件为：（1）各处理条件下的样本是随机的。（2）各处理条件下的样本是相互独立的，否则可能出现无法解析的输出结果。（3）各处理条件下的样本分别来自正态分布总体，否则使用非参数分析。（4）各处理条件下的样本方差相同，即具有齐效性。补充：2、经验分析方法（1）水文系列分析对水位、流量、雨量系统的时间滑动平均分析，分析水文变量是否受到城市化影响。Xt（a）（2）降雨径流关系分析城市化不同阶段年或次降雨径流关系的差别可以分析城市化的影响程度。(降水量是指在一定时间内，降落到水平面上，假定无渗漏，不流失，也不蒸发，累积起来的水的深度.次降雨量是指某次降雨开始至结束连续一次降雨的总量。用雨量计或雨量器测定，以mm为单位。)PR城市化前城市化后R1R2（3）峰量关系比较分析城市化会引起洪峰～洪量之间的关系变化，对不同时期峰量关系的比较可以分析城市化的影响。WQ城市化前城市化后Q1Q2（4）相邻流域间同一水文变量比较如果参证流域水文变量（R1）未受城市化影响，则两流域间不同时期水文变量关系变化可以反映城市化的影响。R1R2城市化前城市化后R21R22如果统计