城市水文課品課件

1、 第一章 城市化對(duì)水文的影響 第二章 城市防洪與排水措施 第三章 排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算 第四章 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量過程線推求 第五章 城市水文模型 第六章 城市防洪規(guī)劃 城市水文學(xué) 一、概述 隨著一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的工業(yè)、商業(yè)和文化事業(yè)的發(fā)展，人口不斷地向城市集中和城區(qū)面積的擴(kuò)張，這一過程稱之為“ 城市化”。第一節(jié) 城市化對(duì)水文的影響第一章 城市化對(duì)水文的影響 城市化過程對(duì)當(dāng)?shù)厮牡挠绊懼饕憩F(xiàn): （1）城市地貌和排水系統(tǒng)的改變 （2）水資源的重新分配 （3）水環(huán)境的改變 （4）大氣環(huán)境的改變 構(gòu)成城市的供水、排水、防洪、水環(huán)境等水文問題。 第二節(jié) 城市化對(duì)降水的影響 與周圍鄉(xiāng)村相比，城市氣溫明顯偏

2、高。其特征往往是城市中心氣溫最高，而向周圍鄉(xiāng)村逐步遞減，在郊區(qū)遞減速度較快。 城市氣溫明顯高于周圍鄉(xiāng)村的現(xiàn)象稱為“ 城市熱島”。 造成城市熱島的原因主要為： （1）人為熱源 （2）建筑材料的熱容性 （3）建筑結(jié)構(gòu)峽谷形式增加接受輻射的面積 （4）大氣污染增強(qiáng)了吸收太陽輻射能力 城市熱島現(xiàn)象會(huì)對(duì)水汽蒸發(fā)、空氣對(duì)流產(chǎn)生明顯影響，從而影響到降雨特性。 城區(qū)工廠生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，人們?nèi)粘；顒?dòng)使得城市上空大氣中塵埃比天然情況下高出幾倍至幾千倍，使得城市空氣污染加重，為城區(qū)降水提供了更多的凝結(jié)核。城市化尤其使對(duì)流層氣象活動(dòng)增加，引起局部區(qū)域降水增大。 城市化往往是一個(gè)長(zhǎng)期過程，氣候變化也是緩慢的，不易被人察

3、覺。 城區(qū)工廠生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，人們?nèi)粘；顒?dòng)使得城市上空大氣中塵埃比天然情況下高出幾倍至幾千倍，這不僅使得城市空氣污染加重，而且為城區(qū)降水提供了更多的凝結(jié)核。城市化一般引起局部區(qū)域降水增大。 但城市化往往是一個(gè)長(zhǎng)期過程，氣候變化也是緩慢的，不易被人察覺。要素與郊區(qū)比要素與郊區(qū)比凝結(jié)核多10倍云量多510微粒多10倍霧多30100日照少515溫度0.53度降水總量多515相對(duì)濕度小6降水日數(shù)多10風(fēng)速小2030雷暴多1015無風(fēng)日多520 1大規(guī)模建造房屋，鋪砌道路，使下墊面不透水性大大增加，其結(jié)果是下滲量和蒸發(fā)量減少，而地表徑流和徑流總量增加，洪峰流量加大；第三節(jié) 城市化對(duì)徑流特性的影響 2城市

4、排水系統(tǒng)管網(wǎng)化，使暴雨徑流盡快地就近排入水體，使洪水匯流速度增加，洪量更為集中； 3對(duì)城市匯水河道整治與改建，整治后的特點(diǎn)是河道直線化，斷面規(guī)則化，呈梯形或矩形，邊坡用磚石襯砌。增加了河道輸水能力，使洪量集中； 4侵占天然河道洪水灘地，減小了洪水灘地儲(chǔ)洪容量和泄洪能力，使城市遭遇大洪水時(shí)，河道調(diào)蓄能力減弱，洪水浸溢積聚城市地面而形成積水； 5設(shè)立各種類型的控制性閘壩，進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，影響城市徑流過程； 6來自城市外的引水和城市本身污水排放，造成徑流水量和水質(zhì)的變化。 圖1-1 同等降雨下城市化前后洪水過程線比較城市化后城市化前 Qt第四節(jié) 城市化對(duì)水文影響的分析 1、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法 一般，城市化對(duì)

5、水位和流量資料影響較為明顯，可以采用水文統(tǒng)計(jì)中的檢驗(yàn)和檢驗(yàn)方法對(duì)水文樣本系列的均值和方差進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。 為了進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，水文變量系列被劃分為容量為（城市化前）和（城市化后）兩個(gè)不重迭的子系列，并分別計(jì)算出它們的均值和，方差12和2。 首先對(duì)方差進(jìn)行方差比檢驗(yàn)或檢驗(yàn)。計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 12/2 1 22/12 1 與分布表中置信水平為、自由度為和的值比較。在大部分實(shí)用中，值采用比較適當(dāng)。一般統(tǒng)計(jì)教科書和手冊(cè)中都附有這類統(tǒng)計(jì)表 。如果的計(jì)算值超過表列數(shù)值，則拒絕關(guān)于1與為相同總體方差估計(jì)量的零假設(shè)。 檢驗(yàn)適用于對(duì)兩個(gè)子系列的均值檢驗(yàn)。計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與分布表中置信度為/，自由度為n+ n-的值比

6、較。若計(jì)算值超過表列數(shù)值，則拒絕關(guān)于和是同一總體均值估計(jì)量的零假設(shè)。 2、經(jīng)驗(yàn)分析方法 （1）水文系列分析 對(duì)水位、流量、雨量系統(tǒng)的時(shí)間滑動(dòng)平均分析，分析水文變量是否受到城市化影響。Xt（a） （2）降雨徑流關(guān)系分析 城市化不同階段年或次降雨徑流關(guān)系的差別可以分析城市化的影響程度。PR城市化前城市化后R1R2 （3）峰量關(guān)系比較分析 城市化會(huì)引起洪峰洪量之間的關(guān)系變化，對(duì)不同時(shí)期峰量關(guān)系的比較可以分析城市化的影響。WQ城市化前城市化后Q1Q2 （4）相鄰流域間同一水文變量比較 如果參證流域水文變量（R1）未受城市化影響，則兩流域間不同時(shí)期水文變量關(guān)系變化可以反映城市化的影響。R1R2城市化前城

7、市化后R21R22 如果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果拒絕了零假設(shè)，或通過經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)方法認(rèn)為該地區(qū)城市化對(duì)水文變量影響顯著，則表明該地區(qū)水文系列的一致性受到破壞。此時(shí)，不宜直接采用流量資料由頻率分析方法推求設(shè)計(jì)值。 一般說來，與流量和水位資料相比，降雨受城市化影響相應(yīng)較小，因此常假定降雨不受城市化影響，采用由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位的途徑。 第一節(jié) 城市地區(qū)的洪水問題 第一，城市本身暴雨引起的洪水。由于城市不斷擴(kuò)張，這一問題會(huì)變得愈加尖銳。這是城市排水面臨的問題。 第二，城市上游洪水對(duì)城區(qū)的威脅；可能來自城市上游江河洪水泛濫，山區(qū)洪水，上游區(qū)域排水，或水庫的下泄流量。解決這類問題屬城市防洪范疇。 第三，城市

8、本身洪水下泄造成的下游地區(qū)洪水問題。由于城區(qū)不透水面積增加，排水系統(tǒng)管網(wǎng)化，河道治理等使得城市下泄洪峰成數(shù)倍至十幾倍增長(zhǎng)，對(duì)下游洪水威脅是逐年增加的，構(gòu)成了城市下游地區(qū)的防洪問題。第二章 城市防洪與排水措施 一、防洪工程措施 城市上游洪水的防洪工程措施： 1疏通和治理城市上下游河道，增加河道過水能力，或者使河流改道，直接進(jìn)入城市下游區(qū)域； 2建造堤防和防洪墻保護(hù)城市，阻擋洪水侵入，傍臨大江大河的城市大部分采用這一措施 3在城市上游修建防洪水庫儲(chǔ)蓄洪水，以達(dá)到削減洪峰的目的。這類工程要結(jié)合水資源開發(fā)、發(fā)電、漁業(yè)、航運(yùn)諸方面綜合考慮。為了防止水庫失事造成嚴(yán)重后果，還應(yīng)制定水庫失事的應(yīng)急措施； 4在

9、城市上游建造分洪區(qū)分洪。減緩稀遇大洪水對(duì)下游城市的威脅。這是面臨江河的重大城市才有可能采取的一類耗資大、影響廣的措施，必須經(jīng)過詳盡的論證。第二節(jié) 城市防洪與排水工程措施城市下游的防洪措施： 1、疏通和整治匯水河道； 2、建造下游河道堤防； 3、減小上游城市下泄洪量和洪峰流量。 （二）排水工程措施 城市排水主體工程是管渠排水系統(tǒng)，將城區(qū)雨洪盡快排出。全面解決城市雨洪問題，應(yīng)結(jié)合各城市具體情況，采取綜合治理措施來減小、延緩和調(diào)節(jié)城市雨洪，削減洪峰和減少洪量。 1建立人工蓄洪池塘。在雨洪流量較大時(shí)儲(chǔ)存一部分洪量，而流量下降時(shí)排出，以達(dá)到削減洪峰作用。 2設(shè)立等高綠地。在廣場(chǎng)和住宅區(qū)周圍沿等高線設(shè)置綠

10、地，使雨水進(jìn)入綠地后再排出，增加下滲量和降低匯流速度，減小地表徑流，削減洪峰流量。排水綜合治理措施: 4利用屋頂蓄水滯水。采用屋頂蓄水池或屋頂花園；增大屋頂鋪面糙率，如波狀屋頂、礫石屋頂?shù)?，束狹落水管使屋頂雨水滯蓄。 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、深水井對(duì)雨水進(jìn)行地下水回灌。 3采用透水鋪面?？射伷鐾杆疄r青公路，多孔混凝土廣場(chǎng)，磚、礫石人行道和巷道，增加下滲量。 植樹綠化 在城市上游集水區(qū)域和城區(qū)植樹或種草，增加土壤下滲和滯水能力，降低和延緩洪峰 洪水預(yù)報(bào)和警報(bào) 編制洪水預(yù)報(bào)方案，根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓蛏嫌魏樗闆r預(yù)報(bào)城市水位和流量，在洪

11、水來臨之前通告群眾和有關(guān)部門，及時(shí)做好抗洪工作 洪水調(diào)度 結(jié)合洪水預(yù)報(bào)方案和洪水警報(bào)制定合理的洪水調(diào)度方案，降低洪水對(duì)城市的威脅程度第三節(jié) 城市防洪與排水非工程措施 洪水保險(xiǎn) 對(duì)遭受洪澇災(zāi)害的個(gè)人及集體支付賠償，使國(guó)家用于水利建設(shè)和救災(zāi)損失的資金得到合理的應(yīng)用。 水利管理?xiàng)l例 國(guó)家和地方有關(guān)主管部門根據(jù)具體情況頒布水利方面的有關(guān)管理?xiàng)l例。 城市水利規(guī)劃 制定合理的水利布局方案并留有充分的發(fā)展與改進(jìn)的余地。 市政部門習(xí)慣采用公頃（hm2），升（L），分鐘（min）作為面積、水量、時(shí)間的基本單位。 應(yīng)用推理公式推求管道設(shè)計(jì)流量一直是最為廣泛應(yīng)用的方法，采用徑流系數(shù)由降雨量推求地表凈雨。 根據(jù)三個(gè)基

12、本假定條件，推求管道設(shè)計(jì)流量的推理公式形式寫成： Qp a iF 第一節(jié) 推理公式 第三章 排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算 在城市集水區(qū)域，下墊面各處差別很大，徑流系數(shù)也各自不同。在使用推理公式時(shí)，應(yīng)采用按面積加權(quán)平均的徑流系數(shù)。平均徑流系數(shù)計(jì)算公式為a aiFi/ F biai 在城市，徑流系數(shù)與地面不透水性有很大關(guān)系，地面不透水性越強(qiáng)，則徑流系數(shù)越大。表3-1列出了幾種指定下墊面條件下的徑流系數(shù)；表3-2列出了一些綜合區(qū)的權(quán)重徑流系數(shù)。 第二節(jié) 地表徑流系數(shù) 表3-1 各種地表復(fù)蓋的徑流系數(shù)表 表3-2 區(qū)域不透水性綜合徑流系數(shù) 除了下墊面不透水程度，徑流系數(shù)大小還與降雨特性、土壤含水量、地下水埋深

13、等特性有關(guān)。因此，在選用徑流系數(shù)時(shí)，必須視具體情況而定。 市政部門常用的暴雨公式形式為： i 167A（1C lgT）/（tB）n 式中, T 重現(xiàn)期，年； i 重現(xiàn)期為T 年的t 時(shí)段內(nèi)平均降水強(qiáng) 度，L（shm2）； A、B、C、n 暴雨公式的參數(shù)。 第三節(jié) 暴雨公式表3-3 我國(guó)部分城市暴雨公式的參數(shù) 流域集流時(shí)間由下式計(jì)算 tcmtf 式中 tc 管道入水口坡面匯流時(shí)間，min； tf 上游管道管流時(shí)間，min； m 延緩系數(shù)，管道m(xù)2，明渠m1.2 第四節(jié) 流域集流時(shí)間 （1）運(yùn)動(dòng)波法公式tc1.359 L0.6 n0.6 i0.4 J0.3 式中，L 坡面流長(zhǎng)度，m；n 地面糙率；

14、 i 降雨強(qiáng)度，mmmin；J 地面平均坡度. （2）機(jī)場(chǎng)排水公式tc 0.703（1.1a）L0.5 J0.333 式中，a 徑流系數(shù)。 （3）SchaaKe公式tc 1.397 L0.24 J0.16 I0.26 式中，I 不透水面積百分比。表3-4 幾種下墊面復(fù)蓋的糙率表3-5 幾種區(qū)域地面糙率 管徑的計(jì)算根據(jù)管道入口端設(shè)計(jì)洪峰流量按滿管重力流計(jì)算，計(jì)算公式采用曼寧公式或其它有關(guān)流量公式。 曼寧公式計(jì)算圓管管徑： D（ 3.2084nQp）3/8/J12式中 D 設(shè)計(jì)圓管管徑，m； n 圓管道糙率； Qp 指定頻率設(shè)計(jì)洪峰流m3s； J 管道坡度。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，實(shí)用管徑應(yīng)等于或稍大于計(jì)

15、算出管徑。 第五節(jié) 管徑計(jì)算 計(jì)算管道平均流速V有以下幾種方法（以圓管為例）： （1）按滿管重力流用連續(xù)方程計(jì)算 V 4Qp /（D 2） 式中, D 實(shí)際采用的管徑，m。 （2）按滿管重力流用曼寧公式計(jì)算 V 0.397 nD 23 J 12 第六節(jié) 管流時(shí)間計(jì)算 根據(jù)平均流速可計(jì)算得管流時(shí)間： tfL（60V） 式中, L 上游管道管長(zhǎng)，m； tf 上游管道中徑流平均管流時(shí)間，min 由上游管道的地面匯流時(shí)間和管流時(shí)間之和得出設(shè)計(jì)管道的總集流時(shí)間代入推理公式可以推得管道設(shè)計(jì)洪峰流量。 在下水道設(shè)計(jì)中采用推理公式方法時(shí)，各管道設(shè)計(jì)是各自獨(dú)立地采用推理公式計(jì)算洪峰流量的。因各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪峰流量

16、并非由同一設(shè)計(jì)暴雨所形成，各設(shè)計(jì)洪峰之間無直接的物理聯(lián)系，僅僅是在計(jì)算集流時(shí)間時(shí)，要用到上游管道的匯流時(shí)間而已。 進(jìn)入設(shè)計(jì)管道的流量不是一條路徑，此時(shí)，應(yīng)把徑流流時(shí)最長(zhǎng)的那條路徑的水流時(shí)間作為設(shè)計(jì)管段的集流時(shí)間。 第七節(jié) 管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算圖3-1 應(yīng)用推理公式推求管道設(shè)計(jì)流量框圖排水面積管長(zhǎng)和坡度設(shè)計(jì)雨強(qiáng)推求洪峰流量徑流系數(shù)集流時(shí)間暴雨公式計(jì)算下一管路計(jì)算管流時(shí)間計(jì)算本段管徑結(jié)束最后管段 是 否 算例 北京市某區(qū)域需要鋪設(shè)排水管網(wǎng)。管網(wǎng)上端三個(gè)管道、雨水井以及集水面積見示意圖。推求各管道二年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量。132圖3-2 設(shè)計(jì)管道布設(shè)示意圖 表3-6 排水區(qū)域與設(shè)計(jì)管道基本資料 表3-7

17、 北京市某區(qū)上游排水管道設(shè)計(jì)計(jì)算表 具體計(jì)算是自上游管道向下游管道逐段推求設(shè)計(jì)流量。先計(jì)算1號(hào)和2號(hào)管道設(shè)計(jì)流量、流速和管徑。最后計(jì)算3號(hào)管道設(shè)計(jì)流量、流速和管徑。 首先計(jì)算1號(hào)管道設(shè)計(jì)流量、流速和管徑，計(jì)算過程及表中各欄說明如下： 第（1）欄，管道編號(hào)，與管首雨水井編號(hào)相同 第（2）欄，管道集水面積，它是管首雨水井集水面積以及上游入水管道排水面積之和 F15.1hm2 對(duì)應(yīng)于各種下墊面情況的面積權(quán)重bi在表56已給定。根據(jù)地面復(fù)蓋物情況由表52查得對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)ai，則可計(jì)算得 a10.550.850.600.150.558 第（3）欄，管道排水面積的權(quán)重徑流系數(shù) aaibi 第（4）欄，雨

18、水井的地面匯流時(shí)間，這里采用機(jī)場(chǎng)排水公式計(jì)算。 tc 0.703（1.1a）L0.5J0.333 tc10.703（1.10.556）1030.50.1040.333 17.7（min） 第（5）欄，各管道排水面積集流時(shí)間。第1、2號(hào)管道位于上游頂端，管道排水面積等于管首雨水井集水面積，集流時(shí)間1tc117.7（min） 第（6）欄，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)。由表53查得北京市雨強(qiáng)公式，把T2年和t代入i 16711.98（10.811Lg2）/（8）0.711 2489.1/（8）0.711 i1 2489.1/（17.78）0.711 248（Lshm2） 第（7）欄，設(shè)計(jì)流量 QpaipF Qp10.5

19、582485.1706（Ls） 第（8）欄，管道糙率。查表58可知混凝土管糙率 n0.014。 第（9）欄，計(jì)算出的設(shè)計(jì)管徑，這里按滿管重力流由曼寧公式計(jì)算D （3.2084nQp/J0 0.5）3/8 D1（3.20840.0140.706/ 0.0180.5)3/8 0.582（m） 第（10）欄，實(shí)際采用的管徑。 第（11）欄，管道平均流速，按滿管重力流由連續(xù)方程計(jì)算 V 4Qp /（Dn2） V140.706/（0.623.14）2.50（m/s） 第（12）欄，管流時(shí)間tfL0（60V） tf1109（602.5）0.73（min） 在上游的1、2號(hào)管道計(jì)算完畢后，才可推求第3號(hào)管道

20、的設(shè)計(jì)值，說明如下： 2號(hào)管道計(jì)算與1號(hào)管道相同。第（1）欄 N33 第（2）欄 F36.35.12.914.3（hm2） 第（3）欄， 30.750.600.600.400.69 3 (0.696.30.5585.10.432.9)/14.3 0.59 第（4）欄， tc30.703（1.10.69）119 0.50.01250.333 13.5（min） 第（5）欄，管道3匯水路徑有三條，第一條從管道1匯入，第二條從管道2匯入，第三條從本管首雨水井匯入，各管路流時(shí)為 路徑1：T1=1+mtf1=17.720.7319.2 min 路徑2：T2=2mtf2=17.220.7518.7 min

21、 路徑3：T3tc313.5 min132 從三條路徑中選擇最大流時(shí)作為管道3的集流時(shí)間，即319.2min 第（6）欄，i3 2489.1（19.28）0.711 238（Lsha） 第（7）欄，Qp30.5923814.32008（Ls） 第（8）欄，n0.014 第（9）欄，D3（3.20840.00142.008 /0.0210.5）3/8 0.837（m） 第（10）欄，Dn3900mm 第（11）欄，V342.008（0.923.14）3.16（ms） 第（12）欄，tf390（603.16）0.47（min） 在城市管渠排水系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，當(dāng)涉及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，超載狀態(tài)，工程

22、控制調(diào)度，管渠溢流計(jì)算，調(diào)節(jié)池與泵站設(shè)計(jì)，雨水污染分析與防治等工程問題時(shí)，需要推求相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量過程線。 第四章 管渠水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量過程線推求 一、設(shè)計(jì)雨量 在城市管渠排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)雨量的推求，一般采用暴雨公式。市政部門常用的雨強(qiáng)公式采用mmmin為雨強(qiáng)單位時(shí)為 i A（1CLgT）/（tB）n （mmmin） 若重現(xiàn)期T已確定，則aA（1CLgT）為一常數(shù)，則上式寫成 i a /（tb）n （mmmin） 上式與水利部門采用的雨強(qiáng)公式完全相同。因此可以推求得降雨歷時(shí)為T的設(shè)計(jì)雨量為 P at /（tb）n 如果設(shè)計(jì)流域有較充分的雨量資料，也可以通過雨量頻率計(jì)算途徑推求得設(shè)計(jì)雨量。 第一節(jié) 設(shè)計(jì)

23、暴雨計(jì)算 二、設(shè)計(jì)暴雨過程擬定 1典型分配：選用實(shí)際的暴雨過程作為典型，經(jīng)同倍比或同頻率放大后，得出設(shè)計(jì)暴雨過程 2同頻率分配：按這一途徑分配得出一個(gè)單峰暴雨過程，每一歷時(shí)的雨量均滿足設(shè)計(jì)頻率，雨峰位置采用地區(qū)綜合值。 3雨量分配公式：下式是根據(jù)暴雨公式推導(dǎo)出的一個(gè)瞬時(shí)雨強(qiáng)公式，它以雨峰為坐標(biāo)原點(diǎn)： 雨峰前：I1a(1-n)(t1/r)+b/(t1/r+b)n+1 雨峰后：I2a(1-n)t2/(1-r)+b/(t1/(1-r)+bn+1式中，I1，I2雨峰前t1和雨峰后t2時(shí)刻雨強(qiáng)； r 峰前歷時(shí)與總降雨歷時(shí)之比； a、b、n 暴雨公式中的參數(shù)。 t1/t=r t=t1/r ； t2/t=1

24、r t=t2/（1r ）雨峰前：I1a（1-n）（t1/r）+b/（t1/r+b）n+1雨峰后：I2a（1-n）t2/（1-r）+b/（t2/（1-r）+bn+1 0 t1 t2 t例: 已知某暴雨公式為 i 18（10.9LgT）/（t15）0.8 求2年一遇的設(shè)計(jì)暴雨過程。 （1）取計(jì)算時(shí)段為5min，由暴雨公式式計(jì)算得5,10， , 60min共12個(gè)歷時(shí)平均雨強(qiáng)i，列第（1）、（2）欄； （2）計(jì)算各歷時(shí)降雨總量Pit，列第（3）欄； （3）由第3欄中各相鄰歷時(shí)雨量之差推求時(shí)段雨量PjPj Pj -1，j1，2， ，12。此時(shí)，Pj是按大至小排列，序號(hào)即為j ，j與Pj列（4）（5）兩

25、欄； （4）查地區(qū)手冊(cè)得r0.45，由0.45125.4可知，雨峰位于第6時(shí)段，按單峰暴雨過程確定時(shí)段雨強(qiáng)大小序號(hào)K，并按K的順序位置，分配相應(yīng)的時(shí)段雨量PK，分列第（6）（7）兩欄 第（7）欄即為推求的設(shè)計(jì)暴雨過程表59 同頻率暴雨過程推求 由設(shè)計(jì)暴雨通過產(chǎn)流計(jì)算扣除暴雨損失，可以推求出設(shè)計(jì)凈雨過程，暴雨損失一般是指流域內(nèi)植物截留、填洼、雨期蒸發(fā)和下滲損失。第二節(jié) 設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算 一、城市地區(qū)產(chǎn)流計(jì)算的特點(diǎn) 1城市管渠排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求是短時(shí)間內(nèi)迅速排除暴雨徑流，排水工程規(guī)模受洪峰控制，由于形成洪峰的水量主要來自地表徑流，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法注重地表徑流計(jì)算，簡(jiǎn)單處理甚至忽略地下徑流； 2城市不透水

26、面積比例較大，由于城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度低，透水面積上產(chǎn)生的地表徑流很小，地表徑流主要產(chǎn)生于不透水面積； 3當(dāng)設(shè)計(jì)中需研究水質(zhì)問題時(shí)，需涉及植物截留與填洼計(jì)算。 二、降雨損失的分項(xiàng)計(jì)算 霍頓用方程表示植物截留量與降水量的關(guān)系 IRabP n 式中, a、b、n 參數(shù)。 表4-2 部分植物的霍頓截留公式參數(shù) 填洼量一般采用經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)。例如，美國(guó)丹佛地區(qū)政府編制了不同地面復(fù)蓋的填洼深度表。表4-3 不同地面覆蓋物的填洼量 三、指標(biāo)法 絕大部分城市排水缺乏實(shí)測(cè)下滲資料，無法推求出下滲曲線。由于流域各點(diǎn)的下滲特性相差很大，使采用下滲曲線推求地表凈雨過程的方法應(yīng)用受到限制。 在城市排水區(qū)

27、域，由設(shè)計(jì)暴雨推求凈雨計(jì)算中，一般采用徑流系數(shù)折算出徑流總量。根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨總量P，徑流系數(shù)，可以求得地表徑流總量R和降雨損失總量I： RP I（1）P 采用均勻分配原則將損失量平均分?jǐn)偟矫恳粫r(shí)段的降雨中，即指標(biāo)扣損法。 圖中的值需試算求出。根據(jù)值可以求得第i時(shí)段地表凈雨 hi 0 Pi hi Pi Pi 最終得出設(shè)計(jì)凈雨過程h1，h2， ，hm 。 IR圖4-1 指標(biāo)扣損法 一、等流時(shí)線方法 為了勾繪等流時(shí)線，需調(diào)查、收集排水區(qū)域和管渠系統(tǒng)的水力特征值，計(jì)算匯流速度，推求各點(diǎn)匯流時(shí)間，作為勾繪等時(shí)線的依據(jù)。 坡面集流時(shí)間可采用經(jīng)驗(yàn)公式估算。 邊溝或淺渠可概化成寬淺三角渠，用曼寧公式計(jì)算流速：

28、V 0.63Hm23J12/n 式中，Hm渠道最大水深，m。 管道應(yīng)根據(jù)具體情況采用滿管或非滿管水流計(jì)算流速。 渠道應(yīng)根據(jù)斷面形狀、河道坡度、糙率用曼寧公式計(jì)算流速。 根據(jù)流速和水力長(zhǎng)度求得管渠匯流時(shí)間。 在流域圖上點(diǎn)繪各點(diǎn)匯流時(shí)間，據(jù)此勾繪等流時(shí)線。第三節(jié) 匯流計(jì)算圖4-2 某城區(qū)集水面積等流時(shí)線圖 圖4-2 某城區(qū)集水面積等流時(shí)線圖 1234567891011121311109866 據(jù)流域等流時(shí)線圖，可以作出流域的匯流面積隨匯流時(shí)間的累積曲線，簡(jiǎn)稱匯流曲線。全流域匯流曲線T是由各子集水區(qū)域匯流曲線累積得出，即（t）i（t） 式中 （t） t 時(shí)刻全流域匯流面積，hm2； i（t） t 時(shí)

29、刻第i個(gè)子集水區(qū)域匯流面積，hm2。 由匯流曲線錯(cuò)開T相減，得等流時(shí)面積i（tit）（ti） i1，2， ，n 根據(jù)各時(shí)段的等流時(shí)面積1，2， ，n，由設(shè)計(jì)凈雨推求設(shè)計(jì)流量過程線。圖4-3 某排水區(qū)域匯流曲線1（t）2（t）3（t）（t） 等流時(shí)線法的優(yōu)點(diǎn)： 1、無須已知設(shè)計(jì)流域的徑流資料； 2、城市排水系統(tǒng)調(diào)蓄能力不大。 等流時(shí)線法的缺點(diǎn)： 1、需要對(duì)進(jìn)行廣泛的調(diào)查或勘測(cè)，繪制等流時(shí)線工作非常繁復(fù)； 2、為考慮管渠調(diào)蓄作用。英國(guó)運(yùn)輸與道路研究所（TRRL）在等流時(shí)線法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出一種新的方法，簡(jiǎn)稱TRRL方法。 TRRL方法與等流時(shí)線方法的差別主要有以下幾個(gè)方面： 1匯流面積：TRR

30、L方法假定，只有直接與排水管網(wǎng)系統(tǒng)相通的不透水面積產(chǎn)生地表徑流，而透水面積或與下水管道不直接相通的不透水面積均不產(chǎn)生地表徑流，不能作為排水面積。 因此，TRRL方法定義出來的排水面積比實(shí)際面積小得多，而且是一塊塊從地表看起來并不相互關(guān)連，但地下管道相通的不透水面積所組成。這些直接連通的不透水面積之和即為流域的匯水面積。 2、匯流曲線：每一塊直接連通不透水面積作為一小單元面積，假定每單元面積的匯流曲線在地面集流時(shí)間內(nèi)是線性增加的，即直線匯流曲線?？倕R流曲線是單元匯流曲線縱標(biāo)之和。 圖4-4 TRRL方法匯流曲線計(jì)算示意圖 圖中，1 、2分別為單元1和單元2匯水面積；t1，t2分別為單元1和單元2

31、距流域出口管流時(shí)間；T1t1，T2t2分別為單元1和單元2地面集流時(shí)間。1tt2t1 2 2 1 tt1t2T1T2 3、調(diào)蓄計(jì)算：把管渠系統(tǒng)看作一個(gè)調(diào)蓄水庫，把未經(jīng)管渠系統(tǒng)調(diào)蓄的，用等流時(shí)面積途徑推求出的流域出流，作為水庫的入流。再采用水庫演算方法計(jì)算經(jīng)調(diào)蓄的出流過程。 （Q1+Q2）/ 2 -（q1+q2）/2 =V2-V1 Q F（V ）式中， Q1，Q2 時(shí)段T 始、末經(jīng)管渠水庫調(diào)蓄的入流 量，Ls； q1，q2 時(shí)段T始、末未經(jīng)管渠水庫調(diào)蓄后的出 流量，Ls； 聯(lián)立求解以上兩式，可求得經(jīng)調(diào)蓄的出流過程線Qt。 二、水力學(xué)方法 匯流過程中，水流的流態(tài)一般是非恒定和非均勻的，可用圣維南方

32、程組來描述式中，Q流量，A過水面積，h水深，t時(shí)間，X水流方向，g重力加速度，J底坡，Jf摩阻坡度。 在給定初始條件和邊界條件下，聯(lián)合求解得出t時(shí)刻的流量和水深。 圣維南方程組的簡(jiǎn)化： （1）慣性波方程 如果水流運(yùn)動(dòng)中摩阻損失很小，如深水水體中的水流運(yùn)動(dòng)，閘門啟閉等突然變化引起河流水位的波動(dòng)等，則有JfJ,動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為慣性波方程： （2）擴(kuò)散波方程 如果下游回水影響不大， 可以忽略，動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為擴(kuò)散波方程： (3)運(yùn)動(dòng)波方程 當(dāng)河底比降J較大， 相對(duì)很小，動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為運(yùn)動(dòng)波方程 J =Jf 如果用曼寧公式來估計(jì)Jf，則有 如果是寬淺斷面 R 可以用平均水深 h 近似,則方程組為 式中，為

33、波速系數(shù)，即波速與流速的比值。采用曼寧公式估算則1.67，按哲西公式估算則1.5。 當(dāng)徑流沿X方向流動(dòng)過程中有水量沿程匯入（出）時(shí)，圣維南方程組應(yīng)改寫為 式中，Q假定為均勻匯入（出）的單寬流量；Vx流沿x方向的流速分量。 實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)方程也常采用區(qū)域或河段水量平衡方程表達(dá) 1坡面漫流 一般坡面下游無回水頂托，且屬寬淺斷面，故動(dòng)力方程可以用寬淺斷面的運(yùn)動(dòng)波方程推求流量 連續(xù)方程可寫為 在初始條件已知時(shí)，未知參數(shù)為第i時(shí)段平均流量Qi和時(shí)段末水深hi1，故可以求得唯一解，hi1又可作為下一個(gè)時(shí)段的初始條件，繼續(xù)逐時(shí)段求解方程。 2管渠匯流 對(duì)于一段渠道式管道，如果坡度較大，且下游無回水頂托時(shí)，

34、也可以簡(jiǎn)單地采用運(yùn)動(dòng)波和水量平衡方程聯(lián)合求解，即 因?yàn)镽、A、V均為水深h的函數(shù)，所以方程組未知參數(shù)僅Q和h兩個(gè)，根據(jù)初始條件可以聯(lián)立求出唯一解。第五章 城市雨洪水質(zhì)模型第一節(jié) 雨洪管理模型（SWMM）第二節(jié) 蓄水、處理、溢流模型（STORM）第三節(jié) 沃林福特模型（Wallingford procedure）第四節(jié) 伊里諾排水模型（ILLUDAS） 所謂模型，是指比原型簡(jiǎn)單的一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。它可以根據(jù)具體的需要，再現(xiàn)原型的部分特性。模型與理論是有著差別的，它是根據(jù)人們的具體要求，預(yù)測(cè)所研究系統(tǒng)的某些特性，而理論則是揭示該系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。建立一個(gè)模型應(yīng)該以正確的理論為基礎(chǔ)最為合理，但也常常建立在某

35、種假說前提下。如果模型確能再現(xiàn)研究系統(tǒng)的一些特性，就可以證實(shí)支承模型的假說的合理性部分，從而發(fā)展成理論。 第一節(jié) 數(shù)學(xué)模型 在排水系統(tǒng)徑流計(jì)算方面的水文模型，并不是象水工實(shí)驗(yàn)通過幾何尺寸變換的物理模型，而是用數(shù)學(xué)語言來描述的數(shù)學(xué)模型。采用這類數(shù)學(xué)模型來模擬排水系統(tǒng)的水流和污染物的各種狀態(tài)，一般需要大量的計(jì)算工作，不采用計(jì)算機(jī)是無法完成的。所以，一個(gè)模型往往都是采用計(jì)算機(jī)運(yùn)算格式或程序語言來表達(dá)的。 模型的建立是與工程實(shí)際緊密相聯(lián)的，根據(jù)不同實(shí)際問題的要求，建立各種形式和內(nèi)容的模型。例如，排水系統(tǒng)規(guī)劃是要求預(yù)估在規(guī)劃的未來?xiàng)l件下的水文情勢(shì)，研究實(shí)施各種可供選用的規(guī)劃方案時(shí)的排水系統(tǒng)效應(yīng)；排水系統(tǒng)

36、的設(shè)計(jì)是要求得出最經(jīng)濟(jì)有效的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案；排水系統(tǒng)的改進(jìn)，則要求模擬和分析已建系統(tǒng)的運(yùn)行情況；而排水系統(tǒng)運(yùn)行管理要求各種最佳管理與調(diào)度方案，以使損失最小和效益最高。由于城市水質(zhì)問題的重要性日益增加，排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理都必須同時(shí)考慮到水質(zhì)狀況。 隨著工程上對(duì)模型的要求不斷提高和擴(kuò)展，模型也不斷得到改進(jìn)和完善，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜和精細(xì)。但其結(jié)果使得程序復(fù)雜，占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間較多，需要過多或過于詳盡的資料，不能適應(yīng)各種用戶對(duì)精度和計(jì)算費(fèi)用的不同要求。最近的發(fā)展趨勢(shì)是建立通用的模型程序包，由多個(gè)程序塊組合而成，適用于各種條件和不同區(qū)域的組合，包括由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，根據(jù)用戶要求調(diào)用組合。 模型是七十年代大

37、型計(jì)算機(jī)普及運(yùn)用中發(fā)展起來的，與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，具有這樣一些特點(diǎn)：（）以計(jì)算機(jī)程序形式表達(dá)；（）能進(jìn)行時(shí)序上連續(xù)性模擬，也可分析一次雨洪過程；（）參數(shù)在很大范圍內(nèi)適用；（）可同時(shí)模擬水量水質(zhì)過程；（）模型的各個(gè)環(huán)節(jié)都提供幾個(gè)不同的程序或方法供用戶選用，用戶可以根據(jù)計(jì)算要求、資料情況和當(dāng)?shù)貤l件組成一個(gè)適用的程序包。每一模型都具有上述特點(diǎn)中的一個(gè)或幾個(gè)，甚至全部。 在城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，不但考慮正常運(yùn)用條件，而且要考慮到在非常條件下，即系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)回水、環(huán)流和超載等各種特殊情況時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以便對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。還需研究生活污水、生產(chǎn)廢水，以及暴雨徑流污染沖刷對(duì)城市徑流和承受

38、水體水質(zhì)的影響，確切了解城市水質(zhì)變化規(guī)律，為城市污水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)和污水處理方式的規(guī)劃提供合理的依據(jù)。正是為了這一目的，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局研制了雨洪管理模型（Storm Water Management Model），簡(jiǎn)稱。第二節(jié) 雨洪管理模型（） 把排水系統(tǒng)劃分成地面徑流子系統(tǒng)，地下輸送子系統(tǒng)，污水處理子系統(tǒng)和承受水體子系統(tǒng)四部分。以計(jì)算機(jī)程序形式表達(dá)，采用語言。子系統(tǒng)可以由流域的地表、管網(wǎng)、處理設(shè)施、承受水體的一些特征來表達(dá)。模型水量部分的輸入是時(shí)段降雨過程，經(jīng)地面徑流子系統(tǒng)和地下輸送子系統(tǒng)的扣損與調(diào)蓄計(jì)算，可以得出排水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)及出口的流量過程線。在雨水及生活污水中的水質(zhì)組份是、懸浮固體、溶

39、解氧和大腸桿菌，構(gòu)成所謂“污染過程線”，考慮了排水系統(tǒng)、污水處理廠、承受水體對(duì)污染過程線的降解、稀釋、擴(kuò)散等作用。 “徑流”程序塊：模擬地面徑流子系統(tǒng)對(duì)降雨的扣損和調(diào)蓄，以及降雨洗刷引起的雨洪污染負(fù)荷。 在地表徑流子系統(tǒng)中，排水區(qū)域概化為數(shù)塊單元集水區(qū)，每一塊單元區(qū)由透水面、具有洼地蓄水容量的不透水面、無洼地蓄水容積不透水面三部分組成。每一單元區(qū)域三塊面積匯水均進(jìn)入一條排水溝。上游區(qū)域排水進(jìn)入下游單元區(qū)域的排水渠道、全部排水區(qū)域產(chǎn)匯流推演自上游向下游進(jìn)行，直至流域出口。這樣，只要輸入降雨過程線及其與之關(guān)聯(lián)的污染負(fù)荷，就可以得出經(jīng)地表徑流子系統(tǒng)調(diào)節(jié)過的排水區(qū)域出流過程線。圖5-1 地面徑流子系統(tǒng)

40、的調(diào)蓄作用 子區(qū)域1 子區(qū)域2 程序中的基本方程為水量平衡方程和曼寧公式。在輸入降雨過程線后，首先對(duì)各單元區(qū)域三種平面進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算和調(diào)蓄演算，它們的流量之和，加上上游的來水流量，形成該單元區(qū)域排水溝的入流過程線，經(jīng)排水溝調(diào)蓄計(jì)算后得出該單元流域出口流量過程線。對(duì)排水區(qū)域自上游向下游逐單元區(qū)域進(jìn)行演算，最終得出總的出流過程線。 “徑流”子程序塊中主要的雨水污染指標(biāo)是懸浮固體（），其中所含各類污染物的數(shù)量要根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋乩玫男再|(zhì)而定。在每一單元集水區(qū)域的灰塵與污泥的沉積量是雨前晴天日數(shù)與清掃街道數(shù)次與效率的函數(shù)，采用一種經(jīng)驗(yàn)公式表征。降雨后，被雨水沖走的污染物與地面污染沉積量和雨水徑流強(qiáng)度成正比。

41、程序中采用了指數(shù)衰減形式的刷洗公式： d/d式中，地表積聚的污物總量；地面徑流流率；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。 考慮到地面徑流流率較小時(shí)，徑流輸送和沖洗地面能力會(huì)迅速減弱。因此，在上式中增加一個(gè)效率因子（.）來修正，即 d/d 值可采用經(jīng)驗(yàn)公式得出 上式也可寫成 （A）式中，地表污物初始蓄量；時(shí)刻地面污物殘存量。由地表徑流子系統(tǒng)調(diào)蓄演算得出的徑流過程線和污染過程線即為地下輸送系統(tǒng)的輸入。 “輸送”和“擴(kuò)充輸送”子程序塊 原來僅設(shè)置“輸送”程序塊，主要是考慮排水管網(wǎng)不存在回水、環(huán)流，在不超載的正常運(yùn)行情況下，采用圣維南方程組的差分形式對(duì)通過管網(wǎng)系統(tǒng)的流量過程線進(jìn)行演算，而對(duì)超載情況僅進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。后來，根據(jù)用戶

42、需要，又研制出“擴(kuò)充輸送”程序塊，可以對(duì)發(fā)生回水、環(huán)流、超載諸情況下的管網(wǎng)進(jìn)行流量演算。 “擴(kuò)充輸送”程序塊中的地下輸送子系統(tǒng)是把排水管網(wǎng)系統(tǒng)用“輸送管”和“節(jié)點(diǎn)”來簡(jiǎn)化，輸送管代表管道，節(jié)點(diǎn)代表雨水井或管道交叉點(diǎn)。徑流演算基本方程采用明渠緩變非恒定流方程和連續(xù)方程。在程序中采用的是方程的差分形式，根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)徑流的邊界條件和初始條件求解。 在具體應(yīng)用時(shí)，如果排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或分析中無須研究超載情況，并且不存在回水、環(huán)流等復(fù)雜水流狀態(tài)時(shí)，一般采用“輸送”程序塊，因?yàn)樗?jì)算速度快而且節(jié)省運(yùn)算費(fèi)用。只有需要考慮超載或復(fù)雜水流情況時(shí)，才需要調(diào)用“擴(kuò)充輸送”程序塊進(jìn)行運(yùn)算。 由“徑流”程序塊輸出的“污染

43、過程線”是“輸送”或“擴(kuò)充輸送”程序塊的水質(zhì)輸入。若徑流過程中的通過雨水井時(shí)，水流速度低于不沉流速，則泥沙顆粒沉積在雨水井中。另外，還得考慮下水道內(nèi)污物的沖刷，沖刷量與通過管道的水流速度和管道內(nèi)污染物沉積量成正比。管道內(nèi)污染物沉積量是前期暴雨后無雨天數(shù)的函數(shù)。在管道系統(tǒng)內(nèi)有蓄水池時(shí)，應(yīng)考慮到蓄水池沉積污染物的作用。城市污水流量可作為節(jié)點(diǎn)的輸入。 “蓄水”子程序塊。 該程序塊主要模擬污水處理設(shè)施對(duì)“輸送”或“擴(kuò)充輸送”程序塊得出的徑流過程線和“污染過程線”的調(diào)蓄與降解作用。使用者可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用程序。程序可模擬下列內(nèi)容：污水蓄水池、攔污格柵、篩網(wǎng)、上浮和氣浮、砂濾、高速過濾、旋流分離器、渦旋濃

44、縮、加氯器以及其它一些化學(xué)處理設(shè)施等。只要使用者輸入處理設(shè)施的尺寸和所要求的處理程序，程序可自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。“蓄水”程序塊還同時(shí)兼有計(jì)算各項(xiàng)處理設(shè)施工程費(fèi)用、土地利用費(fèi)用以及運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用的功能。 “承受水體”子程序塊。 它的輸入是“輸送”或“擴(kuò)充輸送”程序塊的出流（分流制排水系統(tǒng)出流或合流制排水系統(tǒng)溢流），也包括“蓄水”程序塊的出流（即經(jīng)污水處理廠處理過的污水出流）。程序計(jì)算它們對(duì)承受水體水質(zhì)的影響。承受水體一般為廣闊的水體，可描述成與排水系統(tǒng)相連的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其邊界條件可以是堰閘或某種潮汐水流條件。 程序還有一個(gè)輔助性子程序塊，它的主要作用是根據(jù)用戶要求把各程序塊連接起來，并兼有定

45、義一些函數(shù)的作用。 自從研制使用后，已經(jīng)有過幾次新的版本。使用程序的用戶組成一個(gè)理事會(huì)，定期討論和交流使用情況，并提出修改意見，以便使模型更為完善和在實(shí)際中能適應(yīng)各種條件與要求。 蓄水、處理、溢流模型（Storage，Treatment and Overflow Runoff Model）簡(jiǎn)稱。它是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文中心年研制的,是一個(gè)水量水質(zhì)模型。程序共分四大部分：徑流形成、水質(zhì)處理、蓄水與溢流、土壤侵蝕。 的輸入是整個(gè)排水面積的平均雨量。模型將排水面積分成透水和不透水兩種下墊面情況分別計(jì)算地表徑流。 第三節(jié) 蓄水、處理、溢流模型（） 對(duì)于不透水面積，降雨損失僅需考慮洼地蓄水量和雨期蒸發(fā)量

46、。洼地蓄水量可以看成前次降水后尚余的洼地蓄水量（或稱有效洼地蓄水量）和前次降水后洼地蓄水量的蒸發(fā)總量，后者為兩次雨間無雨日天數(shù)的函數(shù)，模型用下式來表達(dá)： 式中，雨前排水區(qū)域洼地蓄水量，；上次降雨后的有效洼地蓄水量，；自上次雨后迄今的間隔天數(shù)，；消退因子，。 降水量扣去雨期蒸發(fā)和洼地蓄水量，即為不透水面積的地表徑流量。 透水面積的降水量除一部分損失于雨期蒸發(fā)和洼地蓄水外，還有一部分會(huì)下滲變?yōu)橥寥佬钏偷叵聫搅?。這時(shí)采用地表徑流系數(shù)來折算 （） 式中，地表徑流量；降水量；雨期蒸發(fā)量；洼地蓄水增量；地表徑流系數(shù)。 透水面積與不透水面積產(chǎn)流量之和為排水區(qū)域地表徑流量。并采用三角形單位過程線推求徑流過程

47、。這些徑流量由排水管渠送至污水處理廠處理。 當(dāng)雨水徑流與污水流量之和超過污水廠處理能力時(shí)，多余的水量送入排水管渠系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)池和系統(tǒng)以外的蓄水池儲(chǔ)蓄。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)外的蓄水池全部蓄滿后，徑流經(jīng)排水系統(tǒng)溢流堰溢入承受水體。當(dāng)降雨徑流逐漸減小至小于污水處理廠的處理能力時(shí)，則系統(tǒng)內(nèi)外所蓄污水將逐步輸送至污水處理廠直至庫容騰空。 圖5-2 徑流演算流程圖 輸入Pi、Ei扣除Ei、ViRi（iiVi）蓄水池蓄水排水系統(tǒng)溢流承受水體打 印徑流及蓄水池出流至污水處理廠處理Ri Ri水池蓄滿降雨結(jié)束是是是否否否 中的水質(zhì)指標(biāo)是懸浮固體（），可溶固體（），生化耗氧量（），總氮（），正磷酸鹽（）。雨水沖洗的污染物質(zhì)組成

48、采用經(jīng)驗(yàn)公式推求。其污染物的沖洗量與地面徑流流率、雨前干旱日數(shù)、灰塵和污泥累積速率、污染物組分占地面累積污物的比例成正比。 模型可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)模擬排水區(qū)域降雨徑流過程，并根據(jù)不同的管網(wǎng)內(nèi)外蓄水池容量、污水處理廠處理速率計(jì)算出排水系統(tǒng)每年的溢流次數(shù)，并輸出各種污染物過程線。圖5-3 舊金山排水系統(tǒng)特征關(guān)系曲線mV（in）0.100.080.060.04 由于模型可以提供這樣一組關(guān)系曲線和污染過程線，因此，根據(jù)水量水質(zhì)對(duì)承受水體的影響，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)方面的綜合評(píng)價(jià)，可以就開挖排水系統(tǒng)蓄水池，增加污水處理廠的處理能力和程度，或者使排水系統(tǒng)年溢流次數(shù)增加之間作出適當(dāng)選擇。根據(jù)STORM的這些特點(diǎn)，很適用于排

49、水系統(tǒng)規(guī)劃計(jì)算。因?yàn)槟Ｐ涂蛇M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間徑流事件模擬，計(jì)算速度較快，也可作為排水系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，然后用SWMM詳細(xì)論證計(jì)算。 沃林福特模型（ ）是英國(guó)給排水常設(shè)委員會(huì)從年至1年，歷經(jīng)年研制的結(jié)果。該委員會(huì)下水道水力設(shè)計(jì)小組通過對(duì)英國(guó)應(yīng)用的各種排水設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜合評(píng)判、研究和修改，采用最新提出的系統(tǒng)途徑將它們結(jié)合起來，制成了大型程序包，即沃林福特模型。模型由四種方法合并而成.第四節(jié) 沃林福特模型 （）修正推理方法：它是推理方法的修改形式。仍然僅可用于估計(jì)洪峰流量，適用于排水面積小于150公頃的均質(zhì)流域； （）過程線方法：用于模擬地面徑流和管道水流情況，可以得出完整的流量過程線，并且能夠模擬雨水溢流設(shè)

50、施、泵站和蓄水池的作用； （）優(yōu)化方法：采用離散動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)，用以獲得工程最小造價(jià)的管道埋深、坡度和管徑； （）模擬方法：可以在超載條件下，檢驗(yàn)分析已建系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，亦能模擬暴雨溢流、滯蓄池和泵站作用。若系統(tǒng)未超載，計(jì)算結(jié)果與過程線方法相同。 修正推理方法：修正推理方法對(duì)原推理公式加以修改，增加了一個(gè)修正系數(shù)以反映流域匯流曲線的非線性，以及流域集流時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)變化的情況。經(jīng)修正后的推理公式形式為 式中，洪峰流量，ls；流域面積，hm2；集流時(shí)間內(nèi)的平均雨強(qiáng)， ls hm2 ；徑流系數(shù)；修正系數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)條件，可簡(jiǎn)單地取.。 徑流系數(shù)與地面復(fù)蓋物類型和土壤濕度關(guān)系最密切，可采用經(jīng)驗(yàn)公式求

51、出。 流域集流時(shí)間是地面匯流時(shí)間和管流時(shí)間之和的最大值。地面匯流時(shí)間隨集水面積大小、地面坡度以及設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不同而變。對(duì)于年最大暴雨情況取分鐘，五年一遇暴雨取分鐘。在面積較小和坡度較大的集水面積，取較小值為宜。 過程線方法：過程線方法是對(duì)方法加以改進(jìn)后得出的。方法把流域劃分成數(shù)塊排水子區(qū)域，徑流過程分為地面階段和管網(wǎng)匯流階段分別模擬。并通過設(shè)計(jì)暴雨途徑推求設(shè)計(jì)流量過程線。具體計(jì)算過程及說明如下： （）首先收集流域特征資料，包括地面坡度，不透水鋪砌面積，屋頂面積，透水面積，雨水口個(gè)數(shù)及控制面積，排水管網(wǎng)布設(shè)和水力特性，并把流域劃分?jǐn)?shù)塊子集水區(qū)域； （）采用頻率計(jì)算方法或暴雨公式計(jì)算流域面上指定頻率

52、和歷時(shí)（一般取，分鐘）的設(shè)計(jì)雨量，根據(jù)同頻率方法得出雨量時(shí)程分配； （）地表產(chǎn)流量計(jì)算。 英國(guó)采用經(jīng)驗(yàn)公式估算子區(qū)域地表徑流系數(shù)： 0.8290.250.00078- 0.207式中，子區(qū)域地表徑流系數(shù)；子區(qū)域內(nèi)不透水面積百分比；土壤指標(biāo)，由英國(guó)水文所發(fā)行的圖集查得；土壤濕度指標(biāo)，由英國(guó)各地的土壤濕度年平均雨量關(guān)系得出。 過程線方法假定，當(dāng)不透水面積上的地表徑流系數(shù)小于0.時(shí)，透水面積上不產(chǎn)生地表徑流。因此，當(dāng)由J經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來的0.時(shí)（為不透水面積比） ，則說明地表徑流量全部出自不透水面積。此時(shí)有： 透； 鋪頂 式中，透透水面積地表徑流系數(shù)；鋪不透水鋪砌面積徑流系數(shù)；頂屋頂面積徑流系數(shù)。

53、子區(qū)域內(nèi)不透水面積包括不透水鋪砌面積和屋頂面積兩部分。 當(dāng)計(jì)算出來的0.時(shí)，應(yīng)把超過量平均分配到全部子區(qū)域面積上，即： 透0. 鋪頂0.透得出子區(qū)域各類面積的地表徑流系數(shù)后，便可通過折算得出相應(yīng)的暴雨損失。例如，對(duì)于鋪砌面積 鋪（鋪） 式中，暴雨損失，mm；設(shè)計(jì)雨深，mm。 透水面積與屋頂面積損失計(jì)算與之類似。 暴雨損失包括初損和持續(xù)損失兩部分，對(duì)于鋪砌面積和透水面積，計(jì)算初損采用下式： 0.0. 式中，初損，這里主要指洼地蓄水，；子區(qū)域平均地面坡度，。 對(duì)于瀝青屋頂，建議采用0.的初損值。初損從暴雨初始時(shí)期扣除，剩余的損失量均勻分?jǐn)偟狡溆嗟慕涤隁v時(shí)內(nèi)。從而計(jì)算出以上三種類型面積上的凈雨過程。

54、 （）地面對(duì)凈雨過程的調(diào)蓄計(jì)算，采用非線性水庫演算方法。地表蓄量與出流量之間滿足下式： 式中，地表蓄量；出流量；庫容常數(shù)。 鋪砌面積和透水面積庫容常數(shù)： 0.0.0. 式中，地面坡度，；雨水口平均控制面積，。 屋頂面積的庫容常數(shù)可取0.。 子區(qū)域流進(jìn)下水道的入流過程線，是來自三種類型面積上的，經(jīng)非線性水庫方法演算過的流量過程線之和。 （）采用馬斯京根法，對(duì)通過下水道的入流過程線進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算，可以得出各管段的流量過程，并用以作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。 沃林福特模型可適用于城市集水區(qū)域的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理問題。在不同研究階段可采用不同的方法。一般，修正推理方法為設(shè)計(jì)和分析提供初步評(píng)價(jià)；優(yōu)化方法則在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

55、中用來確定最經(jīng)濟(jì)的管道尺寸、埋深和坡度；然后用過程線方法進(jìn)一步詳細(xì)分析和檢驗(yàn)；模擬方法可以在遭遇超標(biāo)暴雨時(shí)發(fā)生的排水系統(tǒng)的廣泛超載和淹水情況進(jìn)行模擬，以便對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，或?qū)σ呀ǔ傻呐潘到y(tǒng)進(jìn)行分析。 伊利諾（）模型是美國(guó)伊利諾州水利勘測(cè)局研制，并于年公布的。該模型是以英國(guó)方法為基礎(chǔ)加以改進(jìn)的，可模擬城市單次雨洪事件的全過程，包括產(chǎn)流、地面匯流、管網(wǎng)匯流、調(diào)蓄池作用等，并得出排水管網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的洪水過程。模型可以用于設(shè)計(jì)新的雨水管渠系統(tǒng)，也可用于城市原有排水系統(tǒng)的校核。 模型主要包括地表凈雨、地面匯流、管渠匯流、調(diào)蓄池計(jì)算四部分內(nèi)容。 第五節(jié) 伊利諾排水模型地表凈雨計(jì)算 根據(jù)地面狀況和排水系

56、統(tǒng)布置，把匯水面積劃分成若干子區(qū)域，各子區(qū)域包括三種地面類型： （）直接與下水道相連的鋪砌面積。降落在這部分面積上的雨量?jī)H需扣除植物截流、地面潤(rùn)濕和填洼等初損量，便可得出地表凈雨； （）出流透水面積，包括那些排水必須經(jīng)過出流透水面積的鋪砌面積在內(nèi)。這部分面積上的降雨除了扣除初損外，還需扣除下滲損失才能得出地表凈面，下滲率計(jì)算采用霍頓公式。 （）不出流草地面積。這部分草地面積的特點(diǎn)是地勢(shì)低洼或坡度平緩、距出口距離較遠(yuǎn)，因而匯流時(shí)間很長(zhǎng)，對(duì)本次降雨所引起的洪水過程線主體部分幾乎不產(chǎn)生影響。故認(rèn)為這部分面積不產(chǎn)生地表凈雨。地面匯流演算 由上所述，子區(qū)域地面徑流分成兩部分：直接鋪砌區(qū)徑流和出流透水區(qū)徑

57、流。這兩部分先分開進(jìn)行地面匯流計(jì)算，然后合并作為該子區(qū)域雨水口入流過程。地面匯流采用等流時(shí)線方法。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，匯流曲線概化成直線，即假定匯流面積隨時(shí)間線性增加。 對(duì)于直接鋪砌區(qū)，采用曼寧公式計(jì)算地面徑流流速，然后根據(jù)徑流路徑長(zhǎng)度推求匯流時(shí)間。 透水面積地面匯流時(shí)間采用公式： 34.23（0.00165）0.0.0. 式中，地面匯流時(shí)間；降雨強(qiáng)度；地面流程長(zhǎng)度；地面坡度；地面滯留系數(shù)：平坦路面0.；水泥路面0.；濃密草地0.。公式限制條件為。 需要經(jīng)過出流透水區(qū)排水的鋪砌面積，由于在鋪砌面積上的匯流時(shí)間與透水面積匯流時(shí)間相比很小，故忽略不計(jì)?？蓪伷雒娣e上的雨水直接均勻分灑在出流透水面積上，然

58、后進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算。管渠匯流演算 地面徑流從雨水口進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)。與上游管道徑流合并，向下游進(jìn)行演算。演算方法有兩種： （）時(shí)間推移法：如果在計(jì)算的匯流路徑內(nèi)沒有區(qū)間入流，則徑流過程線形狀不變，僅是向后平移一個(gè)傳播時(shí)間。這等價(jià)于管道對(duì)徑流沒有調(diào)蓄作用，方法簡(jiǎn)單，但精度不高； （）運(yùn)動(dòng)波法：基于運(yùn)動(dòng)波方程，采用隱式差分形式進(jìn)行管道匯流演算。方法精度較高但計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)。調(diào)蓄池計(jì)算 在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，若節(jié)點(diǎn)的流量大于下游管段的設(shè)計(jì)值時(shí)，需要修建調(diào)蓄池。模型可以模仿調(diào)蓄池作用進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)蓄計(jì)算，把超過下游設(shè)計(jì)流量的水量暫時(shí)儲(chǔ)存于調(diào)蓄池，待流量小于下游設(shè)計(jì)流量時(shí)再泄放出來，超過下游設(shè)計(jì)流量的部分水量就是調(diào)蓄

59、池所需的設(shè)計(jì)容量。如果沒有調(diào)蓄池，這部分水量就是該節(jié)點(diǎn)處的溢流總量。 與其它一些城市徑流模型相比，伊利諾模型計(jì)算簡(jiǎn)便，應(yīng)用方便，并且完全可以在微機(jī)上實(shí)施，計(jì)算結(jié)果也比較合乎實(shí)際，因而也得到較為廣泛的應(yīng)用。 伊里諾模型缺乏水質(zhì)部分的內(nèi)容。近年來，有人對(duì)伊利諾模型加以改進(jìn)，增加了水質(zhì)內(nèi)容，并且具有模擬連續(xù)降雨徑流過程的功能，如U模型和模型。第六章 城市防洪規(guī)劃第一節(jié) 城市防洪標(biāo)準(zhǔn)第二節(jié) 城市防洪總體規(guī)劃的原則第三節(jié) 城市防洪規(guī)劃的內(nèi)容及程序第四節(jié) 防洪規(guī)劃方案效益分析第五節(jié) 防洪規(guī)劃水文水力計(jì)算 一、確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基本原則 城市防洪標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系到防洪工程規(guī)模、投資及建設(shè)期限等問題。目前我國(guó)對(duì)城市防洪標(biāo)

60、準(zhǔn)是根據(jù)城市具體情況，由設(shè)計(jì)部門提出意見，報(bào)請(qǐng)有關(guān)主管部門審核批準(zhǔn)。因此，適當(dāng)提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，是今后城市防洪建設(shè)的主要任務(wù)。第一節(jié) 城市防洪標(biāo)準(zhǔn) 在確定城市防洪工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，除了進(jìn)行保護(hù)范圍內(nèi)的安全效益與工程造價(jià)比較外， 還應(yīng)考慮以下幾項(xiàng)基本事項(xiàng)： （）充分調(diào)查研究歷次洪水的成因及災(zāi)害情況。 （）根據(jù)防護(hù)對(duì)象在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用、受洪水威脅的程度、洪水所造成的淹沒損失、工程修復(fù)難易程度以及人口多少等。 （）根據(jù)城市防洪建設(shè)的需要與投資的可能，全面規(guī)劃，分期實(shí)施，對(duì)近遠(yuǎn)期工程分別定 出不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)。 （）在同一城市中，可以根據(jù)市區(qū)、工業(yè)區(qū)、郊區(qū)等不同防護(hù)對(duì)象的重要性，采用不同的 防洪標(biāo)準(zhǔn)。 （）