工程水文学第十章 城市防洪与排水.ppt

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1、第九章城市防洪与排水第一节城市化对水文的影响第二节城市防洪与排水措施第三节排水管网设计流量计算第四节城市圩 垸 排涝模数计算 一 概述 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 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 二 城市化对降水的影响 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

2、象称为 城市热岛 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 城市化尤其使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 不易被人察觉 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

3、三 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 图9 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 Q t 城市河道 控制性水闸 引

4、水闸 河流污染 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 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

5、 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

6、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 土广场 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

7、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

8、径流系数表 表9 2区域不透水性综合径流系数 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 流域集流时间 由下式计算 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

9、 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几种下垫面复盖的糙率 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

10、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 D2 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 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 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

11、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 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 设计管道布设示意图 表9 6排水区域与设计管道基本资料 具体计算是自上游管道向下游管道逐段推求设计流量 先计算1号和2号管道设计流量 流速和管径 最后计算3号管道设计流量 流速和管径 表9 7北京市某区上游排水管道设计计算表 首先计算1号管道设计流量 流速和管径 计算过程及表中各栏说明如下 第 1 栏 管道编号 与管首雨水井编号相同第 2 栏 管道集水面积 它是管首雨水井集水面积以及上游入水管道排水面积之和F1 5

12、 1hm2 对应于各种下垫面情况的面积权重bi在表9 6已给定 根据地面复盖物情况由表9 2查得对应的径流系数ai 则可计算得a1 0 55 0 85 0 60 0 15 0 558 第 3 栏 管道排水面积的权重径流系数 a aibi 第 4 栏 雨水井的地面汇流时间 这里采用机场排水公式计算 tc 0 703 1 1 a L0 5J 0 333 tc1 0 703 1 1 0 556 1030 5 0 104 0 333 17 7 min 第 5 栏 各管道排水面积集流时间 第1 2号管道位于上游顶端 管道排水面积等于管首雨水井集水面积 集流时间 1 tc1 17 7 min 第 6 栏

13、设计雨强 由表5 3查得北京市雨强公式 把T 2年和t 代入 i 167 11 98 1 0 811Lg2 8 0 711 2489 1 8 0 711 i1 2489 1 17 7 8 0 711 248 L s hm2 第 7 栏 设计流量 Qp aipF Qp1 0 558 248 5 1 706 L s 第 8 栏 管道糙率 查表9 8可知混凝土管糙率n 0 014 第 9 栏 计算出的设计管径 这里按满管重力流由曼宁公式计算 D 3 2084nQp J00 5 3 8 D1 3 2084 0 014 0 706 0 0180 5 3 8 0 582 m 第 10 栏 实际采用的管径

14、第 11 栏 管道平均流速 按满管重力流由连续方程计算V 4Qp Dn2 V1 4 0 706 0 62 3 14 2 50 m s 第 12 栏 管流时间 tf L0 60V tf1 109 60 2 5 0 73 min 在上游的1 2号管道计算完毕后 才可推求第3号管道的设计值 说明如下 2号管道计算与1号管道相同 第 1 栏N 3 3 第 2 栏F3 6 3 5 1 2 9 14 3 hm2 第 3 栏 3 0 75 0 60 0 60 0 40 0 69 3 0 69 6 3 0 558 5 1 0 43 2 9 14 3 0 59 第 4 栏 tc3 0 703 1 1 0 69

15、1190 50 0125 0 333 13 5 min 第 5 栏 管道3汇水路径有三条 第一条从管道1汇入 第二条从管道2汇入 第三条从本管首雨水井汇入 各管路流时为 路径1 T1 1 mtf1 17 7 2 0 73 19 2min路径2 T2 2 mtf2 17 2 2 0 75 18 7min路径3 T3 tc3 13 5min 从三条路径中选择最大流时作为管道3的集流时间 即 3 19 2min 第 6 栏 i3 2489 1 19 2 8 0 711 238 L s ha 第 7 栏 Qp3 0 59 238 14 3 2008 L s 第 8 栏 n 0 014第 9 栏 D3

16、3 2084 0 0014 2 008 0 0210 5 3 8 0 837 m 第 10 栏 Dn3 900mm第 11 栏 V3 4 2 008 0 92 3 14 3 16 m s 第 12 栏 tf3 90 60 3 16 0 47 min 第四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