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1、 第八章 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 排水系统设计流量过程线推求 洪水淹没下游城镇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 城市河道城市河道控制性水闸引水闸河流污染 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8.1)。图8.1 城市化对城市水文过程的影响 城市水源
2、紧缺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。这一水文第一重要的问题。 洪水控制问题洪水控制问题 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。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，城市化扩大时，枯水流量减小，城市污水
3、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。也可能产生不利影响，产生了水质污染控制问题。二、二、 城市化与城市暴雨径流城市化与城市暴雨径流城市化过程城市化过程农村阶段：土地处在耕作或放牧状况。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。所覆盖。中期城市：住房中期城市：住房、商贸中心、学校、工厂等建筑物大规模地发展和、商贸中心、学
4、校、工厂等建筑物大规模地发展和 建设阶段。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。筑和一些其他设施所覆盖。三、 城市暴雨径流特点 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l 暴雨径流总量增大，洪峰流量增高，出现时间提前。l 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：l 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
5、、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。流量都大大增加。l 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、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，出现洪洪峰流量的时间提前(图8.2)。图8.2 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。图83 同等降雨下城市化前后洪水过程线比较城
6、市化后城市化前Qt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的降雨条件。城市化对城市暴雨降水的影响( (图图8.4)8.4)图图8.48.4 城市化对城市暴雨或降水的影响及后果城市化对城市暴雨或降水的影响及后果( (ChangnonChangnon等，等，1977)1977)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
7、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。四、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
8、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； 五、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
9、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。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。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，傍临的城市大部分采用这一措施3在城市上游修建
10、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；
11、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。可铺砌透水沥青公路，多孔混凝土广场，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 在城市上游集水区域和城区植树或种草，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
12、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 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 a ip F 式中：Qp 设计洪峰流量，Lsa 径流系数ip 集流时间内平均雨强，Lshm2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，a对应于面积fi的局部径流系数，F流域面积
13、。城市径流系数与地面不透水性有很大关系。表81 各种地表复盖的径流系数表表82 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（1C LgT）/（tB）n 式中, T 重现期，年；i 平均雨强，L（sha）；A、B、C、n 暴雨公式的参数。 表83 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m2，明渠m1.2 计算坡面汇流时间的公
14、式：（1）运动波法公式tc1.359 L0.6 n0.6 i0.4 J0.3 式中，L 坡面流长度，m；n 地面糙率；i 降雨强度，mmmin；J 地面平均坡度。（2）机场排水公式tc 0.703（1.1a）L0.5 J0.333 式中，a 径流系数。（3）SchaaKe公式tc 1.397 L0.24 J0.16 I0.26 式中，I 不透水面积百分比。表84 几种下垫面复盖的糙率表85 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/J12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 m3s
15、；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/（D 2） 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 0.397 n D 23 J 12根据平均流速可计算得管流时间：tfL（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，设计流量之间无直接的物理联系，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长度和坡度设计雨强推求洪峰流量结束径流系数C集流时间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
