城市水文学讲义

'城市水文学讲义（CityHydrology）目录第一章绪论……………………………………………………………………………………1第一节城市化与城市水文问题………………………………………………………………1第二节城市水文学的发展……………………………………………………………………6第三节我国面临的城市水文问题……………………………………………………………7第二章城市气候………………………………………………………………………………11第一节概述……………………………………………………………………………………11第二节城市热岛状况…………………………………………………………………………第三节城市化对降水的影响…………………………………………………………………第四节城市气候与城市规划发展……………………………………………………………第三章城市化的水文效应…………………………………………………………………………第一节概述……………………………………………………………………………………第二节城市化对对径流形成的影响………………………………………………………………第三节城市化对径流水量平衡的影响第四节城市化对洪水的影响……………………………………………………………………第四章城市水文资料的收集和测验设备第一节概述……………………………………………………………………………………第二节降水等气象资料…………………………………………………………………………第三节河渠及管道流量资料……………………………………………………………………第四节水质监测资料………………………………………………………………………………第五节土地利用情况资料…………………………………………………………………………第六节城市水文站专用设备简介………………………………………………………………第五章城市设计暴雨………………………………………………………………………………第一节概述……………………………………………………………………………………第二节年最大24小时设计暴雨………………………………………………………………第三节雨量～频率～历时关系分析与应用…………………………………………………第四节设计暴雨的时程分配……………………………………………………………………第六章城市雨洪径流计算…………………………………………………………………………第一节概述……………………………………………………………………………………第二节城市流域的产流计算……………………………………………………………………第三节城市雨洪过程汇流计算的水文学方法………………………………………………第四节城市雨洪过程汇流计算的水力学方法………………………………………………第五节城市雨洪汇流计算的推理公式法……………………………………………………第七章城市径流的水质分析……………………………………………………………………第一节概述………………………………………………………………………………………第二节面污染源的来源和种类………………………………………………………………第三节地表污染物的集聚、冲洗和输送……………………………………………………第四节产生径流污染物负荷量的计算方法…………………………………………………第五节城市径流污染与环境评价……………………………………………………………第八章城市水质模型概述………………………………………………………………………106 第一节规划模型………………………………………………………………………………第二节设计与分析模型…………………………………………………………………………第三节运行与控制模型…………………………………………………………………………第四节城市水文使质模型的应用………………………………………………………………第八章城市水污染防治和水环境治理规划…………………………………………………第一节概述………………………………………………………………………………………第二节城市水污染防治的目标与任务………………………………………………………第三节制定水污染防治规划的方法…………………………………………………………第四节城市水环境整治规划的指标体系……………………………………………………第五节国内城市水环境整治规划实例简介…………………………………………………第六节城市污水的处置…………………………………………………………………………106 第一章绪论第一节城市化与城市水文问题一、城市的定义是人类文明的产物，也是人类活动最频繁的地方。由于城市的自然过程、生态过程、经济过程和文化过程异常活跃，因此，构成了一个综合的特殊的地理环境。1、城市的综合性城市的综合性不仅表现在它拥有河流、阶地、海滨、山丘等自然景观以及建筑、园林、绿地、服饰、饮食习惯、语言特点、音乐风格等人文景观，更体现了也城市有关的诸多方面，诸如城市水资源、城市气候、城市规划、城市管理、城市犯罪等。2、城市环境的特殊性城市环境的特殊性包括：（1）人是城市环境的能动主体；（2）城市是人类对自然环境干预还改变最强烈的地区；（3）城市也是自然环境变化最敏感的地区，城市的生态链通常是最脆弱的；（4）城市区域面积小，人口密度高，以及高强度的经济社会活动，是一个区域的凝聚核心。3、城市的定义各学科的理解不一，而且政府往往从行政管理中给城市定义。拉采尔从城市形态入手，认为：城市是指地处交通方便，覆盖一定面积的人群和房屋密集的结合体。前苏联经济地理学家巴朗斯基则认为从城市的作用和发生角度考察认为：城市是靠那些从农村经济中分化出来的非农业经济部门——工业、商业、运输业以及行政、文化部门而成长起来的。周一星定义：城市是历史上形成的以非农业活动为主体的高度密集的人口、经济、政治、文化的社会物质系统。王铮、丁金宏则认为：判断一个居民点是否为城市的标准是双重的：一是大多数居民从事非农业活动，二是地域上存在着作为中心的商业区。二、城市化过程根据土地利用的变化情况，城市的发展过程可分为以下四个阶段：1、农村阶段：土地处在耕作和放牧状况。显然地球上大部分土地是处于这个阶段。2、早期城市阶段：土地利用特点是大量修建城市型房屋，但仍有相当部分土地被原有植被覆盖。3、中期城市阶段：住房、商贸中心、学校、工厂等建筑物大规模的发展和建设阶段，还伴随着越来越多的土地用于街道、人行道的铺设，在大城市的郊区多属于中期的城市发展阶段。4、后期城市：则是整个城市更大发展的结果，地面完全有人工建筑和一些其他设施所覆盖。三、城市化城市化是城市发展的简称。不同的学者有各自不同的定义。城市化水平是指城市人口占总人口的百分数。1997年联合国人口中心预测到2030年全世界将有60%以上的人口居住于城市，2050年世界城市化水平将达到61%》106 中国目前生活在城市的人口约6亿人，占全国总人口的45%，而美国的城市人口比例超过80%。麦肯锡（WekiseyClobatInstiute）新近完成的一次研究预计在2050年之前中国城市人口数量将增加35亿，其中2.4亿人将来自农村。人口年增长率是净增人口与总人口的百分比。世界人口的增长是呈非线性的，可用下式表述：P=P-1（1+α）=P-2（1+α）2=……P-n（1=α）n（1——1）式中P、P-1、P-2、……P-n——分别为当年、前一年、前二年前n年的世界人口总数；α——世界人口年增长率。目前，世界人口年增长率α为2%。每年净增人口8000万人。预计到2020年世界人口将达到80亿。联合国国际经济及社会事务暑1981年预测世界及各主要地区人口增长情况如下图1-1所示。表1-1世界城乡人口变动情况表年份19631970198019902000类别人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）总人口全世界32.8910036.3510044.6810054.5610065.15100发达地区10.3710010.9110012.1110013.3710014.54100发展中地区22.5210025.4510032.5710044.1910050.61100城市全世界11.5835.213.5237.218.5441.52501746.133.2961.1发达地区6.5162.87.1765.78.6471.410.2176.411.7480.2发展中地区5.0722.56.3525.09.9030.414.9636.321.5542.6农村全世界21.3164.822.8362.862.1458.529.3953.831.8648.9发达地区3.8637.23.7434.33.4728.63.1623.62.8019.8发展中地区17.4577.519.1073.022.6769.626.2363.729.0657.4106 根据人口资料统计分析，人口增长率α并非恒定常数。长期以来有逐渐增大的趋势。然而，上世纪70年代初期是个历史性的转折点，人口转为递减。见图1-2。全球人口总数还在继续增加。城市地区的人口占总人口的比例逐年上升，城市地区的人口总数的上升更为明显。而发展中国家和地区，城市人口比例和总人数上述速度更是惊人。（见表1-1、表1-2）。表中所示，发展中地区人口增长率α高达4.2%。这意味着只需17年人口总数就要翻一番。这就要求人们在一代人的时间（35年）内把住房和其他一切相应的城市设施翻上两番，才能满足人口的增长，维持现有的居住和生活水平。我国在控制人口出生率方面做出了巨大努力，然而，仍很难遏制城市认可的快速增长，特别是改革开放以来的三十年，大量人口流动涌入城市，仅以北京一地粗略统计，每天流动人口有些季节可达100万人以上。参照世界发达国家的城市化趋势，预计我国城市人口急剧膨胀势头短期内不会缓解。现在全世界有50%的人口集中居住在仅占大陆面积5%的城市范围内，势必造成资源、能源、交通、住房和排污等全面紧张。尤其是水资源，随着城市化的快速发展，水的供需矛盾日益尖锐。水资源是制约城市发展，影响城市生活质量和社会福利水平下降的重要原因之一。各城市都通过兴建和运用各种供水、排水和水处理工程措施以及制定和实施一些管理法规，以期处理城市水资源的供需矛盾，提高城市的生活质量和社会福利水平。四、城市的水文问题1、对水资源短缺认识不足，水资源浪费严重。长期以来人们把水资源看作是取之不尽，用之不竭的再生资源。在处理有关城市水利问题时，往往强调当前和局部利益，很少考虑城市长远的发展和对周围环境的影响。国内外在城市的给排水的指导思想上都存在一定的片面性，例如用水时大手大脚，采取“随用随弃”，而在排水时则采取“尽快排除了事”。第二次世界大战以后，欧美各国城市规模和需水和排水量都成倍增长，上述指导思想已不再适用。2、城市雨洪灾害问题。随着城市发展，不透水面积扩大，雨洪径流量增大，洪峰流量增加，城市雨洪灾害频繁，下水道漫溢，低洼地段道路积水，交通车辆壅堵经常发生。经过多年实践城市水文形成了以系统分析的力量和途径，把城市地区的水文过程作为一个系统，在充分开发利用当地水资源的效益的同时最大限度的减少雨洪造成的洪涝灾害。3、水环境和水质污染。城市的发展直接或间接的改变了水环境，加重受纳水体的水质污染，影响城市居民的生活质量和社会福利。城市是一个区域或河流流域的重要的点污染源。4、冰冻雪害。北方地区春末初冬的季节大量的雨夹雪及冻融的雪水，造成道路结冰，阻塞交通，高压输变电线路结冰，影响输电线路正常工作。大量积雪使郊区大棚垮塌，影响农业生产。近年来，冰冻雪害不仅仅限于北方。特别是2008年1月中旬至2月初我国南方大范围长期的低温雨雪天气，造成十余省份大面积道路结冰，铁路、公路交通严重受阻而中断，航空机场关闭，城市供水管线冻裂，厚重的雨雪使农业生产大棚、农村民房垮塌，树木折断，农业生产受损严重。为了把城市地区的水文过程作为一个系统，进行多目标的系统分析，就必须建立适用的模拟模型，选择符合实际的约束条件和目标函数，还需要对城市水文物理过程进行深入观察，以便掌握其中各项影响因素及其相互关系。实现水资源的综合利用，协调各地区各部门、当前与长远、投资与效益等方面的利害关系，寻求最优解决方案。106 第二节城市水文学的发展城市化的水文研究工作，开始只是对个别问题，简单的满足城市规划、设计和管理运用的需要进行一些分析计算。随着研究的进展，逐渐发展形成了水文学的一个分支——城市水文学。美国德吕尔（Delleur）列出了城市水文研究的大事年表。（略）该大事年表描述了自1850年——1981年百余年期间研究工作的进展。麦克费森（Mcpherson）把这一进程分为三个阶段：1、1850——1966年为形成城市水文学的分析方法的孕育阶段。该阶段基本上是运用一些常规的水文学方法来解决有关城市水文问题。如推理公式，下渗曲线，单位线等方法。2、1967——1974年期间为城市水文学的分析方法的研究阶段。这一期间建立了一些具有特色的分析方法，先后提出了一些适用于不同问题的，大型综合性的模拟模型。经过试用，修正，形成了几个通用性很强的模型软件包，如STORM、SWMM和ILLUDAS等。这一时期是城市水文学研究发展最快并逐渐形成独立学科时期。3、1975年以后是城市水文学的分析方法的推广应用阶段。该时期进入了较为定型的成熟阶段。主要的工作是应用、推广和完善，资料更加精心，使得城市水文学物理过程的认识更加深入，因而，有可能验证或修正模型建立时是所采用的一些假定，使模型更加符合客观实际，进一步提高模型的精度。城市水文学体系的主要特征。自上世纪70年代开始，逐渐形成了城市水文学体系主要特征有二，即综合性和动态性。城市水文现象都是关于水的物理——化学——生物系统的综合作用结果。（1）城市水文学的综合性。一方面是城市地区空间和时间尺度都很小，其水文要素的响应过程十分敏感：另一方面是城市化使环境的改变十分显著。这两方面的原因要求城市水文学的研究更精细，并且要考虑过程中所涉及的各项影响因素及其相互之间的作用，这就需要建立具有物理基础的，分布式的模拟模型。而流域水文学中常用的，经验性的集总式的模型，在城市化的研究中不大适用。在研究城市水文过程中，必须打破水文工作中一些传统的分界线，如水量和水质，地表水文和地下水文，市区水文和流域水文等的分科界限。城市水文工作往往把这些内容综合在一起，很难划分。城市水文观测和实验的站网布设、测验手段、仪器设备、测验方法等，都必须充分考虑上述各方面的要求，这就是城市水文学的综合特性。（2）城市水文学的动态特性。由于城市人口和物质的高度集中，加以近年来科学技术高度发展，使水环境发生异常迅速的变化。一个自然流域的演变是缓慢的，一般是以地质年代为长度的，可将其水文过程作为“准平稳过程”来研究，在解决各种实际问题时都是针对某一稳定的水平进行研究，并认为整个环境处在相对平衡状态。而城市化的过程是一个不断发展的过程，水和环境都处在“动态”之中，分析研究城市地区的径流量、水质及雨洪径流过程都要考虑这种动态过程。具体来说，必须考虑这资料观测期间内城市环境已有的变化，及其对各种水要素响应过程的影响。因此，需要同时观测和调查与城市化有关的资料，并不断更新，在这方面，航空、卫星、遥感等空军地理信息得到广泛应用。另一方面考虑城市化以后的发展趋势，研究环境演变的规律，作为建立各种预测模型的基础。106 第三节我国面临的城市水文问题我国地域辽阔，国土面积仅次于俄罗斯、和加拿大，居世界第三位。据统计，全国多年平均降水总量为61889亿m3（648mm），可提供水资源总量为28124亿m3，扣除蒸发后，其中河川径流总量为27115亿m3（284mm），居世界第六位。仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印尼。1、我国水资源并不富裕；地区分布极不均衡；年内年际变化大。我国水资源总量并不少，但全国亩均水量约为1800m3，是世界平均数的3/4；人均占有量2630m3，仅为世界人均数的1/4！水资源与人口、耕地分布极不相应。见表1-4、1-5。2、人口集中的城市地区水资源贫乏问题日严重。随着城市速度的加快，城市用水量将大幅度增加，而且，城市废水及排污量增加，水污染加重了供水矛盾。3、全世界用水情况将迅速增加。农业灌溉占73%，工业用水占21%，生活用水占6%。并且各地用水量差别很大，发达国家工业用水占40%以上，而发展中国家仅占10%左右，见表1-6。在发展中国家里，随着工业生产的增长，其用水量不断增加，市民生活用水（包括饮用水、家用水、卫生及下水道用水）随着生活水平的提高也将迅速增加。目前北京市居民生活用水水平很低，平均每天只有145kg，相当于发达国家的1/3。黑龙江省多年平均水资源量810.3亿m3，人均水量2160m3，低于全国平均水平。哈尔滨市人均水量只有1350m3，是全国人均的一半。市区人均占有量更少，仅有91m3！北京市人均水量在世界首都排位在百位以后！4、中国城市用水量成倍增长根据测算，全国工业总产值每增加1亿元就需增加日供水量0.4万吨；城市人口每增加1人，需增加日供水量120kg。下图是台湾省用水量近年增长情况，见图1-5所示。可以看出，工业用水和生活用水呈直线上升的趋势。城市是工业和人口最集中的地区。1980年统计，我国有大中小城市3000多个，城市人口达1.4亿，城市工业企业总产值占全国的70%以上，城市生活用水和工业及郊区农业用水量成倍增长。城市缺水已成为当前影响经济发展和人民生活的突出问题。根据1980年191个城市初步调查，有154个城市缺水，估计每天缺水880万吨。特别是北方一些城市，如北京、天津、青岛大连等城市，水荒已限制了城市发展，其它中小城市也都或多或少的出现供水问题。甚至一些邻近大江河水源充沛的上海、广州、温州等城市也因水污染而相继出现水源危机。为了保证城市的生产生活，不得不采取一些兴建一些蓄水工程，引水工程和开采地下水等措施。5、超采地下水形成地下水漏斗。我国许多城市。特别是大城市，由于大量抽取地下水，形成大面积的地下水漏斗，并引起地面沉降。据初步统计，截至1983底，我国北方平原地区，已形成浅层地下水漏斗40多个，漏斗面总面积达1.5万km2。漏斗中心地下水位埋深10～40m，地下水位平均下降为0.3～0.4/年。随着浅层地下水枯竭，有些城市转向开采深层地下水。在天津白庙和北站，北京酒仙桥，山东德州等地先后又出现了深层地下水漏斗，影响范围达数万km2，中心水位埋深达30～40m，深层地下水位下降率达1.5～5.0m/年。我国北方地区年降水量较少，地下水补给恢复条件差，而且地下水资源有限，一般不易作为城市长期稳定的供水水源。超量开采地下水的严重后果已日趋明显，形成的地下水降落的海滨地区还会造成海水入侵，出现水质恶化的局面。6、地下水位下降引起地面沉降。106 超采地下水引起地面沉降危及高层建筑物的安全，影响道路交通急上下水管路。天津北站累计地面沉降达1700mm，上海累计地名沉降达1600mm，虽然各城市主动采取一些补救措施，如回灌地下水，限制开采地下十等。使沉降速度有所消减，但已很难使地面回弹至原有高程。台湾省台北市地面沉降现象非常严重，1955～1981年累计沉降达2120mm沉降速度为81.5mm/年。最近几年沉降速度明显降低，但并未停止。见图1-6所所示。7、城市排污是造成城区周围及河流污染的重要来源。城市污水排放造成河流及地下水的污染，使水质恶化。根据全国1845个城市统计，1980年排放的废污水达315亿m3，其中90%以上的污水不经任何处理直接排入受纳水体。我国环保部门对近十几年资料统计表明，污水排放以每年7.9%的增长率加大，水污染情况越来越严重。根据有关资料记载，废污水量集中在35个日排水量大于50万吨的大中城市，（见表1-7）。可见大中城市废污水排放量是我国水体的主要污染源（1-8）、（1-9）。有些地区，人口和工业区密集，但污水处理措施跟不上去，是造成这些地区水质污染的重要原因。吉林、辽宁、河北、山东、江苏、浙江、福建、广东、北京、天津、上海等八省三市，土地面积仅占全国的12.7%，人口占39.8%，而工业总产值为全国的65.8%，废水排放量却占全国的52.2%。长江下游的太湖流域土地面积仅占全国土地面积的0.38%，工业总产值占全国的14.3%，日排放污水量占到全国的11.5%。1980年全国共有乡镇企业143万个，其产值占全国工业总产值的20.1%，这些企业规模小，发展快，发表广，但其生产工艺比较落后，基本上没有污水处理设施，废污水中的污染物质繁多，造成了对局部水域的严重污染，影响了农村饮用水源和农业生产。例如，海河流域不仅要受纳北京、石家庄、保定和天津等大中城市排放的废污水（据1980年统计为36.8亿m3），还要受纳全流域耕地所施农药造成的面源污染（如有机磷，有机氯等，估计每年亩平均用药量为0.77kg，总量可达130吨）。但是，自海河引取的水量却在不断的增长，致使每年入海水量逐年下降，排污能力急剧降低。1980年入海水量仅为11亿m3，1983年入海水量更下降为3亿m3。因此，决大部分废污水量是通过蒸发和下渗消耗在本流域内。而污水中所夹带的大量难于降解的无数物质逐年积存起来，使环境日趋恶化。特别是一些有毒物质的积蓄，将形成严重危害。如位于珠江沿岸的广州城区，长时间以来都是依靠市区内纵横交错的河涌会集大量未经处理的工业废水，生活污水和垃圾等，排入珠江广州河段，实际上该江段已成为了排污明渠。根据1981—1985年统计，广州市区废污水排放量为64821万吨，其中工业废水为37922万吨，生活污水26899万吨。1985年广州环境监测部门对广州河段的水质做了评价，发现市区内十条河涌已全部超过了三级污染标准，达到相当严重程度。在受纳水体的广州河段中，许多断面大部分时间也超过了三级，甚至水源地所在的西航道水也很难保证其水质要求。北京的通榆河，上海的苏州河，苏州的内外城河和南京的秦淮河都已成为了排污明渠，频频出现恶臭现象，严重恶化了周围环境。在上海市区不仅苏州河终年恶臭，而且殃及黄浦江。50年代黄浦江黑臭期一年有20天，而80年代则高达180天。苏州内外河自1978年至1985年的8年期间，有6年出现长短不等的黑臭期，直接损害了东方威尼斯旅游城市的美誉。8、城市防洪问题将更加突出。我国是一个洪灾频繁的国家，从公元前206年到1949年的2155年期间，发生较大洪水灾害达1092次，很多城市多次遭受洪水的洗劫和扫荡。解放以后，我国政府采取了一系列措施，城市防洪能力有所提高，如武汉、济南、哈尔滨、天津相继战胜了长江（1954年、1998年）、黄河（1958年）、松花江（1957年，1998年106 ）、海河（1963年）的大洪水。但从全国来看，城市的洪水灾害和经济损失都是很可观的。目前，世界各国对城市防洪都非常重视，防洪标准也比较高。例如，美国一般采用100～500年一遇标准，波兰为500年一遇，日本为100～200年一遇，英国伦敦和奥地利维也纳的防洪标准高达1000年一遇（见表1-10）。我国城市现有的防洪标准相对偏低。上海市人口超过1千万，城市防洪标准只有100年一遇；哈尔滨市区堤防放标准只有40年一遇；南京市区堤防放标准只才达到30年一遇。我国城市防洪形势严峻。应充分认识到问题的严重性，一旦遭受洪灾，除经济损失、人员伤亡和疾病流行等直接损失之外，其间接损失很难估算。我国部分城市现有防洪标准见下表1-11。随着城市发展，城市防洪问题将会更加突出。特别是处在江河两岸的城市，往往由于局部侵占河滩地，造成行洪障碍，甚至破坏防洪设施。例如，本溪市太子河由于倾倒煤灰和矿渣，使河床缩窄一半以上，1960年洪水使本溪市工业直接损失达3亿元。南京市北十里长沟，1972年7月暴雨使化纤、化工厂、电瓷厂受淹，水深达1.5～2.2m，停产一个多月，直接损失数百万元。城市化改变了流域自然面貌，直接影响并改变了雨洪形成过程，增大了洪水总量，加快了汇流速度，使洪峰增高，峰现时间提前，从而加大了洪水威胁。这也是近年来各大城市洪灾频繁发生的原因之一。根据北京实测雨洪资料对比分析：城郊非城市化地区降雨小于10.0mm，基本不产流，大雨的径流系数小于0.2。城市内：由于大部分为把透水地面，损失明显减少，一般洪水的径流系数为0.4～0.5；并且汇流情况明显改变，单位线峰值提高一倍，峰现时间缩短2小时。通过对北京城市航测图分析可知，城区建筑面积成倍增长，1949年城区为100kｍ２，１９５９年增加为２２０.９ｋｍ２，而１９８３年则为３７１ｋｍ２。根据有关资料统计：北京市铺砌的不透水路面积１９８３年相当于解放初期的１０倍。图１－８为北京市通榆河乐家花园站１９８３年８月的一次实测雨洪过程对照图，把它和６０年代前后两次洪水过程对比可见：这三次洪水降雨过程比较接近，但洪峰流量相差达一倍，见表１－１１、图１－８。综上所述，我国城市所面临的水文问题十分严峻，特别是水环境污染和防洪能力较低，严重威胁着城市发展和影响城市居民生活和安全。过去由于观测资料不足，未能及时开展城市水文研究，致使许多问题积累成堆。现在必须引起足够重视，加强城市水文观测工作，以及必要的规划设计和控制管理，给城市的发展提供可靠资料。更好地为城市建设服务。第一章小结本章介绍了城市、城市化的基本概念，重点学习城市的水文问题和我国面临的城市水文问题。我国是水资源贫乏的国家，城市的水文问题将更加突出。第一章课堂讨论与练习一、填空题1、城市化的过程可分为农村阶段、城市、城市和城市。2、全世界人口增长率为、每年净增，到2020年世界人口将达到亿。3、我国目前城市人口约占全国总人口%，美国城市人口比例超过%。4、城市发展带来的水文问题概括为四个方面即、、、和。5、城市水文学发展的三个阶段是阶段、阶段和阶段。106 6、城市水文学的两大特性是性和性。7、我国城市工农业总产值占全国的以上，城市生活用水和工业用水及郊区农业用水将增长。工业用水增长率将，农业用水增长率将。8、我国长江下游的太湖流域土地面积占全国的，工业总产值占全国，日排放的污水量占到全国的。9、我国环保部门资料统计表明城镇污水排放量以每年增长率加大。城市排污是造成地区周围和河流污染的。10、我国城市面临的水文问题，特别是污染和较低，严重威胁发展和居民生活安全。11、城市水文学的三个发展阶段是、、和。12、城市是人口高度集中的地区，问题日趋严重，随着城市的发展，城市的大量将大幅度增加，城市的增加，水污染加重了。二、概念题1、城市；2、城市化；3、人口增长率4、城市水文；5、城市气候；6、受纳水体；7径污比。三、简述题1、简述城市环境的综合性与特殊性？2、简述城市化的进程和发展趋势？能否判别城市的发展阶段？3、简述城市的水文问题有那几方面？4、试说明城市水文学的两个基本特性？5、简述我国面临的城市水文问题？6、地下水的超采的后果和问题有那些？7、为什么说随着城市的发展，城市的防洪问题会更加突出？106 第二章城市气候第一节概述随着科技进步，社会发展，越来越多的人口走进城市生活，城市逐渐扩大，农村田园，甚至大片森林将逐渐缩小或消失，下垫面条件发生较大改变。城市的生产活动和特殊的地面机构共同作用于大气，使大气的边界层特性发生变化，从而影响城市地区的气流、温度、降雨和能见度等，形成与临近乡村不同的气候情况。例如，赤道城市终年高温多雨；温带城市四季分明；寒带城市长冬无夏；季风气候区城市夏雨冬干；沙漠气候区的城市全年干旱；地中海气候区的城市冬雨夏旱；海洋性气候区的城市全年湿润，雨水均匀。这些都是大气候作用下形成的各个不同地区的气候类型。城市气候是指在同一区域气候背景下，由于受到特殊下垫面和人类活动的强烈影响，在城市地区形成不同当地区域气候的局部气候。（城市小气候）这种差异虽然还不足以改变区域气候的基本特征，但在各项气候要素（如放辐射、运量、气温风和降水等）的变化上表现得很明显。劳瑞（Lowry）用下表达式来说明城市气候特征的三个组成部分，即气候背景、地形影响和城市化影响。M（i，t，x）=C（i，x）+L（i，X）+E（i，t，x）式中M——表示t时刻x地点i型天气条件下某种气候要素变量取值；C——该气候变量的背景值，代表当地区域气候因素的作用；L——该气候变量的地形影响分量，代表由于地形地理特征使气候变量偏离背景值的差值，假定也不随时间变化；E——该气候变量的城市化影响分量，代表城市使该气候变量偏离背景值的差值，显示对于非城市化自然状态的情况，E=0；为了确定城市化对该气候特征影响的分量E，可分别在城市区和非城市区（乡村）设立观测站，获得城市气候特征M（i，t，x）u和M（i，t，x)r即，M（i，t，x）u=C（i，x）u+L（i，X）u+E（i，t，x）uM（i，t，x）r=C（i，x）r+L（i，X）r由此得△M=M（i，t，x）u-M（i，t，x）r△C=C（i，x）u-C（i，x）r△L=L（i，X）u-L（i，X）r如果城乡对比测站的观测时间t，观测地点x和天气类型i都非常接近，那么，气候背景C及地形分量L可作为城市化程度无关的常数，即△L=0，△L=0，于是则：E（i，t，x）=△M即可直接由城、乡气候特征的差值△M求得城市化的气候影响分量E值。但实际上，城乡对比资料的观测时间、地点和天气类型不可能完全一致，因此，差值△M中还会有气候条件不同和地形条件不一致所产生的偏差△C和△L。通过对比资料分析城市化影响时，必须正确区别和处理好这些偏差。1981年兰茨伯格（Landerg）综合了多数学者关于城市与郊区气候的对比，统计了主要气候要素的差值如下表：106 表2-1城市与郊区气候特征值比较表因素与郊区比较因素与郊区比较大气中污染物质凝结核微粒气体混合物多10倍多10倍多5～20倍云量云量雾：冬季夏季多5～10%多100%多30%辐射水平面上总辐射紫外线辐射：冬季夏季日照时数少0～20%少30%少5%温度年平均气温冬季最低气温（平均）夏季最高气温高0.5～30C高1～20C高1～30C相对湿度年平均冬季夏季小6%小2%小8%降水降水总量大于5mm雨日数降雪量：市中心区市下风方向雷暴少5～15%多5～15%多10%少10～15%多10～15%风速年平均极大阵风无风日少20～30%少10～20%多5～20%城市气候特征的影响因素：1、辐射和气温由于空气中的微粒及CO2、NO2、CO、H2S等有色气体和微粒比郊区多，必然减弱空气的透明度，从而减少城市的日照时数，降低太阳直接辐射强度。同时，城市下垫面热容量小，空气中CO2吸收地面长波辐射。加之人工热源等原因，致使城市气温高于郊区。例如，北京根据气象资料统计，城区日照时数比郊区低7.8%，主要是因为烟尘较多，使能见度下降，影响日照和直接辐射。而城区气温高于郊区，多年平均相差0.5～0.60C，春节差额较大，达1.00C，其他季节略小。是人工热源和二氧化碳温室效应所致。2、风和湍流大气的水平运动称为风。不规则的急速气流（多指上升或下降气流）称为湍流。城市热岛效应（详见下节）产生的热岛环流是由风和湍流组成的。这种局地风系在天气形势比较稳定、风速微弱时尤为显著。由于城市中建筑物高低交错，大大增加了地面的粗糙度。大多数情况下城市风速小于郊区，而且风向复杂多变。这是城市中特有的热力、动力性质所造成的。以北京市情况最为典型，市区静风日数多于郊区，城区多年平均静风日为76.6日，郊区为62.0日。平均每年风速大于17.0m/s的大风日城区为11.2日，郊区为38日。由于北京市地形为东西向长，南北向短的椭圆形，时区建筑物使地面起伏而影响风速，一般东西向风市区风速为郊区的60%，而南北向风速为郊区的80%。3、蒸发和湿度蒸发主要包括地面蒸发和植物散发两部分。由于城市中地面大部分为不透水面的路面和建筑物，人工排水管网有利于迅速排泄降水，植物减少很多。城市蒸散发量理应明显小于郊区。但是，由于城市气温高于郊区，使城市湿度降低，而提高了蒸发能力。在这些因素综合作用下，城乡间蒸发量的差别一般不很显著。应指出的是在一定的条件下，城市夜间有时绝对湿度可能较大，会形成“城市湿岛”现象。106 4、雾与露观测资料表明，城市中或城市周围的雾比郊区多。这是因为城市空气中粉尘、吸湿性核极其丰富的缘故。虽然空气中的水汽并未达到饱和，但在相对湿度为70～80%时，城市中往往就会有雾出现。有些城市因汽车尾气排放的废气在阳光作用下，会形成“光化学烟雾”。郊区空气湿度虽比市区大，但凝结核少，雾人反而稀少。露是地面或地面物体上的水汽凝结物。郊区因土壤潮湿，又有丰富植被，因此，郊区凝露量比城市区多。5、云和降水城市区由于热岛中心上升气流，而且湍流较多，加之空气中存在大量凝结核，因此，城市云量多于郊区。根据许多学者观测研究，认为城市降水较郊区为多。但也有少数学者持相反意见，认为城市降水比郊区少。美国近年组织的大城市研究计划（METROMEX）所取得的观测资料数据，优有力的支持了城市降水增多的观点。随着世界城镇数量和规模的急剧扩大，对城市气候的研究日益迫切，促使城市气候学的形成和发展。就城市水文工作者来说，也应十分关心城市化后的某些气候变化。例如，需要了解城市化对空气的污染，对降水（包括降水的水质和水量），以及城市的热和风的情况等。这些气候特征都直接或间接的与城市排水系统、防洪、水污染防治和城市水资源等有关。本章重点叙述城市热岛状况、城市化对城市降水的影响和城市气候与城市规划问题。第二节城市热状况一、城市热状况的一般特性城市地区空气中的CO2等气体和微粒含量远高于乡村，至使城市地区空气透明度减弱，日照时数减少，太阳辐射强度降低，而且，空气中CO2、烟雾会在夜间阻碍并吸收地面长波辐射，加上城市的特殊下垫面具有较高的热传导性和热容量。这种温度的异常称为“城市热岛效应”。1、热岛效应的定义。热岛效应是指城市地区，由于人口稠密，工业集中，造成温度高于周围地区的现象，在温度空间分布上，城市好向一个温暖的热岛屿，故称为热岛。表2-2伦敦地区年平均气温统计表地区海拔高度（m）年平均气温最大最小平均周围乡村城市边缘地区郊区（高海拔）郊区（低海拔）中心区87.5144.2137.261.926.513.713.413.414.214.65.56.25.96.47.49.69.89.710.311.0表2-2是昌德勒（Chandler）统计伦敦市地区年平均气温值，该资料表明，市中心地区年平均、年最高、年最低气温均高于郊区、城市边缘和乡村。年最高温度相差较小，年最低温度相差较大。图2-1是蒙特利尔市1968年3月7日实测气温分布图，明显看出城市热岛效应的存在。资料表明，城市热岛效应在空间和时间上有明显变化。一般热岛区域范围与城市轮廓大体一致，边缘地区温度梯度大。2、热岛强度106 热岛强度是以热岛中心气温与同时间同高度（通常是距地面1.5m高处）近郊气温的差值。以△Tu-r表示。△Tu-r值越大表示热岛效应越强烈。热岛强度与城市规模、人口数量和建筑物密度等密切相关。图2-2表明欧美的一些城市的城乡温差△Tu-r与居民人数的相关关系。3、热岛强度的影响因素（1）局部地区气象条件（如云量、风速等）、季节；（2）地理位置，地形地貌等；（3）人口、城市规模、建筑物密度；（4）与城市中心距离增加而减小。4、热岛效应对城市的影响（1）城市热岛效应有影响并阻止大气污染物的扩散和稀释作用；（2）造成城市风（高楼间的空气水平流动）等局部地区气象异常；（3）城市区从城市中心、工业商业区最高，随着与市中心距离的增加，温度不断下降。城乡间年平均气温之差：纽约为1.1～1.80C；米兰为1.30C；莫斯科为0.80C；列宁格勒0.6～0.80C；巴黎和斯德哥尔摩为0.70C；洛杉矶：0.5～1.50C；北京为0.7～1.00C；上海：0.5～1.40C；前苏联实测最强烈的热岛效应是查波罗什市在夏季微风条件下，夜晚温差可达4～60C。这可能与工业生产散发热量有关。根据测定一般是生产散热为0.01千卡/cm2.。年，而耗能大的重工业区可达1～24千卡/Cm2。年，相差10～100倍，而对于工业集中的大城市可以再增加到10～100千卡/cm2。年。在南方的一些中小城市，市区河湖较多，城市热岛效应不大明显，大量热量消耗于蒸发使温度增加缓慢。二、城市热岛的结构随着观测手段的改进和资料的积累，人们对热岛接管的认识越来越深入。事实上，城市热岛内部温度场相当复杂，而且还受日照、风等因素的影响，热岛效应表现出明显的日变化和季变化。日变化表现为：夜晚强，白天弱，最大值出现在明朗无风的夜晚。季变化与城市特点、地理位置和气候条件有关。北京冬季最强，夏季最弱春秋居中；上海、广州以10月最强。奥克（Oke）给出了热岛热力机构典型图（见图2-3），可代表中纬度的城市的热岛结构。一般来说，夜间的城市地面热岛效应明显。图2-3A是城市中心和郊区的夜晚气温变化曲线。城市中心上空气温分布形式为：进地面有一层不厚的不稳定层（约200m），其上为一层位温基本不变的混合层，再上则进入位温θ随高度增高而提高的稳定层。在郊区夜晚辐射散射热的作用下，形成进地带明显的逆温层，逐渐过渡到位温θ随高度增高而缓慢提高的稳定层。当有风时，城区上空形成的不稳定层将吹向下风方向形成“热羽”，飘在下风方向的郊区上空，见图2-3A（A）。使下风方向郊区上空气温分布变成如图中所示的形式，上风向郊区则仍保持无风情况下的形式。将城区中心点和上风向郊区点位温分布图绘在同一张图上，可得出不同高度的热岛强度△θ变化曲线（图2-3（b）、（c），向上就逐渐减弱，甚至在部分高度上出现负值（如图示220～30m处），被称为“交叉现象”。106 在午后14时左右，热岛效应较弱，市区中心与郊区上空气温分布基本相同，进地面存在一薄层不稳定层，其上是位温基本不变的混合层，只是这城区混合层厚度一般大于郊区。再向上则为稳定层，位温逐渐增高，如图2-3（b）、（c）所示。上述模式只是在无云微风的天气下对中纬度的大城市热岛强度垂直结构的概括，未必能代表所有城市和不同天气条件下的热岛结构。实际上，各城市的热岛结构是多种多样的，城市热岛效应所及的高度还与城市规模大小应该，而且与风速的关系也很密切。三、城市热岛的形成条件城市热岛是由城市本身所造成的。同时，热岛的形成还必须具备一定的外界条件，这就是天气形势必须稳定，气压梯度小，风速微弱或无风，天气晴朗无云或少云和空气层结比较稳定。奥克认为，要更好地认识和理解热岛效应，必须把城市上空的大气层分成城市覆盖层和城市边界层两部分来分析。表2-3列出了促使两层热岛形成的能量平衡要素和导致这些要素变化的城市特征。表2-3城市热岛的形成因素导致增温的热量平衡要素引起城市热量平衡变化的运用A：城市覆盖层1、增加短波辐射的吸收2、增加来自天空的长波辐射3、减少长波辐射损失4、人为热源5、增加储热量6、蒸散发减少7、湍流总热量输送减少建筑物形成峡谷几何形态——表面面积和多次反射增加城市大气污染——吸收和释放增加建筑物形成峡谷几何形态——天穹可见度减小建筑物和交通运输热量释放建筑材料——热容量增大不透水面积扩大——防水性能变好建筑形状起伏加大糙率——风速减小B：城市边界层1、短波辐射吸收增加2、人为热源3、由覆盖层输入储热量增加4、边境层外输入储热量增加空气污染——气溶胶吸热量增多烟囱热量放散城市覆盖层热岛——覆盖层进入边界错误能够热通量增加热岛和糙率——湍流热量增加在城市覆盖层中，热岛形成的主要因素有以下几方面：1、城市中由于下垫面性质特殊，如有高大的建筑群、砖石、水泥、柏油铺设的路面，因其反射率小，能吸收较多的太阳辐射。特别是深色的屋顶、墙壁与地面之间多次的反射和吸收，在其他条件相同的情况下，能够比郊区获得更多的太阳辐射能，为城市热岛的形成奠定了能量基础。2、城市下垫面的建筑物和构筑物的材料比郊区自然下垫面的热容量C大，导热率K大，总热导率μ=√KC要比郊区大得多。因而，白天城市下垫面吸收的辐射能，即储存在下垫面在热量Qs也比郊区多，这就使得日落以后城市下垫面降温速度比郊区慢，同时，通过各种方式提供空气的热量也比郊区多。城市的热岛强度夜晚大于白昼。这是主要原因。3、城市下垫面储热量多，夜晚城市下垫面温度比郊区高，并通过长波辐射提供给空气的热量比郊区多。再加上城市内部上空有污染覆盖层有利于吸收地面长波辐射，特别是CO2吸收地面辐射能力强。这就使城市夜晚气温高于郊区，并且大气逆辐射也比郊区强，地面更不易冷却。4、城市下垫面建筑物参差不齐，城市内部街道峡谷中天穹可见度小，大大减少了地面长波辐射的损失。奥克根据澳大利亚、欧洲和北美31个城市中心覆盖层在夏季无风无云夜晚实测资料，绘制了相关图（见图2-4）。由图可见，天穹可见度越小，夜间热岛强度越大。其负相关是明显的。106 5、城市中有较多的人为热能进入大气。在冬季对中高纬度的城市影响较大，鼓许多城市的热岛强度冬季比暖季大。另外，工作日的热岛强度比周末大，也是这个原因所致。6、城市中不透水面积大，降水之后雨水很快从人工排水管道流走，地面蒸发量小，再加上植被面积比郊区农村小。而通过湍流输送给空气的湿热都百郊区大，这对城市空气增温起到相当重要的作用。7、城市建筑物密度大，通风不良，不利与热量向外扩散。在大多数情况下，地面风沙小于郊区，而城市气温高于郊区，促使日落后城市气温下降速度远远小于郊区，这也是原因之一。以上七个原因，对城市覆盖层热岛的形成都起作用，但在不同纬度、不同区域气候条件下，不同城市，不同季节和一天中不同的时段所起的作用和程度是不同的。城市边界层热岛形成的主要有以下四个原因：1、城市市覆盖层中的暖空气通过上升运动进入城市边界层；2、由建筑物顶部和烟囱放散出来的人为热；3、城市边界层之上为逆温层所覆盖，其上空有更暖的空气。城市产生的湍流运动，可以冲破逆温层底部。并且在穿透对流中使上层较暖的空气向下混合，因而使城市边界层气温增高。4、在城市污染的大气中，通过短波辐射热量交换获得较多的热量。第三节城市个化对降水的影响一、城市个化对降水的影响城市个化对降水的影响，不仅是城市水文学，而且也是城市气候学中的一个重要课题。不少学者，基于城乡降水观测资料的基础上，从各自的角度做了大量的对比研究。1、城市化前后的对比美国爱得华兹维尔（Edwardsrille）采用早期1910——1940年未经城市化时的降水量和近期（1941——1970年）已经城市化时降水量进行对比分析，发现近期降水量比早期增加4.25%。特拉维夫市附近地中海气候区，美女从11月分开始降水。11月份江苏量占全年降水总量的12%。1901——1930年特拉维夫市尚未城市化，而1931——1960年其城市化发展速度较快。单就11月降水而论，后30年比前30年增加了16%。各站的年降水量近30年来增加5——17%左右。雷凡尼和帕皮（RaffanelliandPapee）研究了意大利著名城市都灵（Turin）的城市发展和降水的关系。他们指出，在1952——1969年期间，都灵市人口由70万增加到120万，汽车由7万辆增加到50万辆，城市化发展速度相当快。夏季阵雨的频率明显增加，但每次降雨量并不大。帕露波（Palumbo）等人对意大利那布勒斯成（Naples）的降水历史资料进行分析时指出，在1886——1945年这长时期中，那布勒斯的降水量没有明显的变化，但在近30年即1946——1975年，随着城市化的发展，降水量比前期增加17%左右。2、周末与工作日对比在西方国家，周末休息，工厂停工，人类活动地降水影响是星期日要比工作日小。在西方国家，周末休息、工厂停工，人类活动对降水的影响是星期日要比工作日小。阿斯瓦尔首先就英国的工业城市罗奇代尔与另一个不发达的城市斯托里赫尔斯特1918——1927年10年的降水资料按周进行统计（见表2-4），发现：因罗奇代尔市工业发达，一周内工作日的降水量明显比工作日多。星期日降水量比工作日平均少13%。而工业发达的城市106 斯托里赫尔斯特降水量周日差别并不明显。由表2-4可见，其星期日的降水量仅比工作日少6%左右。据阿瓦尔斯的研究，这种差值又因季节而变化。冬季差值比夏季大。表2-4英国两城市讲演量的周变化（单位：mm）星期日一二三四五六纪录年代罗奇代尔（工业发达城市）153.9211.1173.2180.9173.7164.8178.11918～1927斯托里赫尔斯特（工业不发达城市）169.2206.2173.2201.7171.7159.8181.61918～1927德特维勒（Dettwiller）对法国巴黎1666～1967年的暖季（5～10月）降水量按周日顺序进行统计，其结果如图2-5所示。上图中明显看出：从周一至周五是降水量增加的，到了周六和周日降水量突然锐减。周末平均降水量为1.47mm，而工作日平均降水量为1.93mm。周末降水量比工作日降水量低24%。弗锐德瑞克（Frderrik）根据美国22座城市气象站50年（1912～1962年）降水量纪录按周日顺序统计分析，发现冬季城市降水量有一个以一周（一个星期）为周期的变化。冬季星期日的平均降水量比工作日的平均降水量少8%，（见图2-6）。而夏季则未发现这种周期变化。3、同期城市与郊区平行对比早在1910年，韩宝（Hanbeng）研究了瑞典首都斯德哥尔摩与其附近的乌普萨拉（Uppsala）的1861～1910年（50年）的降水量资料，发现乌普萨拉的降水量在这50年中变化很小，而斯德哥尔摩的降水量明显增加。如表2-5所示。莫斯科、慕尼黑和美国的芝加哥、厄巴拉（Urbana）及圣路易斯等城市的降水量都比其附近郊区多。其年平均降水量的城乡差别如表2-6所示。联邦德国的不来梅市中心与相邻1.5km的港口相比，15年平均年降水量相差+16%，莫斯科1910——1962年与郊区库茨巴斯站相差+11%。表2-5斯德哥尔摩与乌普萨拉市降水量比较（单位：mm）年分18611865186618701871187518761880188118851886189018911895189619001901190519061910哥市（Ⅰ）369.6430.4387.2436.2515.4478.2461.6590.6517.2548.0乌市（Ⅱ）527.8322.8494.8491.0545.6540.8501.4574.8514.6551.0比值Ⅰ/Ⅱ0.700.690.780.890.940.880.921.031.010.99表2-6一些城市年平均降水量的城乡差别比较（mm）城市资料年数降水量文献来源城市郊区城郊差别（%）莫斯科慕尼黑芝加哥厄巴拉圣路易斯1730123022605906871948876539843812873833+11+8+7+9+5Bogolopow1928Kratzer1956Changnon1962″″哈尔滨市与周围县乡的年降水量对比分析也看出同样的规律。哈尔滨市城区面积约1500km2。人口约300万，北面30km106 的呼兰县（现已划为哈市行政区）、南面40km的双城市、西面40km的谢家屯。采用1951——1987年降水量资料系列对比分析：哈尔滨多年平均降水量比南北二县高4——5%，比西部的谢家屯多14%。而年降水日数规律相似，即哈尔滨多年平均年降水日数比二县多4——6%，比谢家屯多43%！说明城市热岛效应对增加城市降水量和降水日作用明显。应该指出，引起城市降水量的变化除有城市因素之外，还有地形和区域气候的变化因素。因此，对历史资料对比分析，必须考虑滤去区域气候变化这一因素的影响。就同一地点城市市化前后雨量进行对比，必须消除大气环流变化所造成的丰枯水年降水的年际变化。利用同一时期城市与其近郊降水资料的对比，在必须消除地形的影响，而且，要用较长的资料，才能避免随机误差。研究城市化对降水影响时，最好是把历史资料的前后期对比和同期城乡资料平行对比结合起来。设法从前后期对比所得出的降水差额中，区分和消除不同时期区域气候特征自然变化对降水的影响；从平行对比中，区分和消除城乡测站两地理位置和局部地形的影响。二、城市化影响降水的机制一、城市化影响降水形成过程的物理机制有以下几种：1、城市热岛效应城市由于有热岛效应，城市的空气层结不稳定，有利于产生热力对流。当产生上空水汽充足时，容易形成对流云和对流性降水，这方面的观测实例是很多的。艾金森（Ackinson）曾对伦敦的城市热岛效应引起的对流性降水有过深入研究。1959年8月12日伦敦城区干湿球温度皆比郊区高，有较强的热岛现象存在。由于热力的对流作用，地区出现最大降水量为68mm，而附近郊区则根本无雨。浩勒克（Harnack）和兰茨宝曾对华盛顿城市由城市热岛引起的降雨做过研究，图2-10是其中的一例。这一天只有华盛顿市区从孤立的雷雨云中降下25mm阵雨，（等值线为英寸标注）。从气象台的预报中，并未提到该次降雨的预报。当天风速狠小，露点高，产生热岛强度越为20C左右。热岛中心的上升气流使当地最先形成积云，然后逐渐转为浓积云和积雨云。这次阵性降水主要是由热岛的推动作用形成的。胡菲（Huff）曾就1972——1975年夏季圣路易斯城区所观测的1550次初始雷达回波的分布进行分析，发现在城市中心和工业区初始雷达回波占绝对优势。见图2-1。雷达回波指示空气中存在着大的水滴，这种大水滴能够引起阵性降水。兰茨宝指出这罪能显示城市对降水的影响。大水滴的形成是与热岛上升气流密切相关的。2、城市阻碍效应城市因为有高低不一的建筑物，其粗糙度比附近郊区平原大。这不仅能引起湍流，而且对移动滞缓的降水系统（静止锋、静止切变线、缓进冷锋等）有阻碍效应。使其移动速度更缓慢，在城区滞留时间加长。因而导致城区降水强度增大，降水时间延长。早在1940年贝尔格（Belger）就对柏林城市阻碍效应对降水的影响做过比较深入的分析。他指出，当冷锋经过柏林，本来冷锋移动速度为30km/h，可是到了柏林地区减速为13.3km/h。并且使锋面产生变形，由于冷锋移动速度缓慢，使得城区降水量比郊区大。并且城区降水时间也比郊区长。城区降水时间为64分，降水量为18.3mm，而郊区降水时间为48分，降水量为5.8mm。而1934。4。29的一次降水，除了冷锋受城区阻碍移动速度减暖外，再加上上热岛效应，致使城区这次降水为雷暴雨，雨量特别大，竟占到该地区年降水总量的1/6。1977年鲁斯和伯恩斯坦（LooseandBornstein）观测到纽约上空由于城市阻碍作用使得锋面移动速度减缓，而导致了该地区降水时间增长。并且还发现当有较强的城市热岛情况时，在迎风面的半个城区锋面被阻碍减速，而在下风面的另半城区，则出现锋面移动加速的现象。风速可达上风面的一倍。这显然对降水地区分布有很大影响。106 3、城市凝结核效应众所周知，城市区空气中凝结核比郊区多。米（Mee）曾就北大西洋波多黎各（Puertorico）附近大西洋表面洁净空气层对流云底部的空气取样分析，发现其凝结核数目仅为50粒/cm3。在未受污染的郊区空气中凝结核为200粒/cm3。而在该岛北岸的圣明安（SanJuan）城区的下风侧空气中的凝结核数目剧增至1000～1500粒/cm3。在城区下风侧至少100英里的范围内仍受到城市高密度凝结核的影响。特佛尔德（Talford）、伦格尔（Langan）等观测城市工业区特别是钢铁工业区是冰核的良好源地。摩根（Morgan）、舍弗尔（Schaefer）和贺刚（Hogan）等先后都指出在某些工厂和汽车排放的废气中的铅粒与碘蒸汽混合时，能形成非常有效的冰核。这些凝结核和冰核对降水的形成起什么作用，是一个有争议的问题。从冷云降水机制来讲，云中有大量过冷水滴，如果缺乏冰核不宜形成降水。产生中有一定数量的冰核排放到空气中，促使过冷云滴中的水分转移凝结到冰核上，冰核逐渐增大，可以促进降水个形成。在暖云中降水的形成。主要是依靠大小云滴的冲碰作用，使小云滴逐渐增大，直至以降水形式降落。如果城市中排放的微小凝结核甚多，这些微小的凝结核吸收水气形成大小均匀的云滴。那么按照顾斯和非利浦斯（Cunnandphilips）等人的观点，这些凝结核反而不利于降水的形成。近年来，普诗俄（Pnechel）等对美洛衫矶炼油厂喷出的废气污染及其对气候的影响进行了研究。他们指出，这些炼油厂排放的废气污染屋有两种物资对降水有明显的影响，一类是硝酸盐类，另一类是硫酸盐类。前类比后类粒子大，且善于吸收水汽。硝酸盐类粒径一般大于1微米，如果这类微粒多，云层又是够厚时，则有利于降水。相反，硫酸盐颗粒较小，（小于0.1微米），这种粒子多，有利于云的胶性稳定，不利于降水的形成。城市化影响降水的机制，以产生热岛和城市阻碍效应最为重要。至于城市空气凝结核丰富对降水的影响，一般认为有促进降水增多的作用。城市降水量增多，很可能是这三者共同作用的结果。、如上所述，按现有资料分析，产生地区降水量比其他地区将会有所增加，一般平均增加10%左右。应当考虑到随着烟尘的治理，绿地面积的扩大，城市化增加降水的热岛效应和凝结核因素将会受到抑制，降水增量将会有所减少。此外，城市化增加降水的范围并不大，不可能造成广大地区降水量的增加。从一个地区来分析，可以看出城市对地区降的再分配作用。而且这种作用要明显大于提高地区降水总量的作用。4、人工增雨效应人工增雨又叫人工降雨。人工降雨的由来和发展。1932年诺贝尔化学奖得主、美国化学家兼物理学家兰茂尔，一生中进行许多有益的研究，但他在科学中的最大突破是人工降雨。在获得诺贝尔奖后，他就和化学家射弗等人，共同进行了人工降雨的研究。在他们的实验室保持着小小的人工云，就是充斥在电冰箱里的水蒸气。兰茂尔一边降低电冰箱里的温度，一边加入各种化学颗粒进行降雨实验。1946年7月的一天，天气异常炎热，由于实验装置出了故障，装有人工云的电冰箱里的温度一直降不下来，兰茂尔只好临时采用故态二氧化碳（干冰）来降温。当他把一块干冰放入电冰箱，这时奇迹出现了：水蒸气变成了许多小冰粒，在冰箱里盘旋飞舞，人工云化成了纷飞的飘雪。这一奇特现象使他明白了尘埃微粒有促进降水的作用。只要将温度降到零下400C以下，水蒸气就会变成冰粒而降落下来。106 1946年的一天，一架飞机在云海上飞行，当兰茂尔和射弗将干冰撒播在云层里，30分钟以后就开始降雨，第一次真正的人工降雨获得成功。后来，美国通用电气公司的本加特对兰茂尔人工降雨方法进行了改进，用碘化银代替干冰，使人工降雨更加简便易行。兰茂尔于1957年去世时，终于满意地看到了人工降雨大规模地推广开来。人工降雨的发明，标准着气象科学发展到了一个新的水平。（1）人工降雨的基本原理可概括地用“触发机制”四个字来描述。即在充分研究自然降水过程的基础上，人工触发自然降雨机制。有云才能有雨，但不是所有的云都能有降雨的潜力，只有那些云水资源丰富、云层较厚以及有比较丰厚的过冷水区的冷云，才有可能被用来摧化致雨。运用云和降水物理学原理，通过向空中撒播摧化剂（盐粉、干冰和碘化银等），促使云滴或冰晶增多增大，最后降落到地面，形成降水。通过撒播摧化剂，影响云的微物理过程，促使自然条件下能自然降水的云，受激发而产生降水；也可是本来能自然降水的云提高降水效率。（2）人工降雨的条件人工降雨有是要有充分的条件。一般自然降水的产生，不仅需要一定的宏观天气条件，还需要满足降雨的物理条件。比如，在00C以上的暖云中要有大水滴；在00C以下的冷云中要有冰晶。没有这个条件，天气形式和云层条件在好，也不会下雨。然而，在自然情况下，这种微物理条件有时不具备，或者不充分。此时。通过人工向云中撒播催化剂，增加云中的凝结核和冰水的转化过程，加速水滴的自然碰撞过程，就能产生降水或增大降水量。（3）人工降雨的作业方式目前，人工降雨的摧化方式有以下三种：一是以在地面上布置碘化银（AlI）燃烧炉为首手段。碘化银在人工降雨在所起的作用在气象学上称作冷云催化剂。碘化银只要受热后就会在空中形成极其微小（只有头发直径的百分之一到千分之一）的碘化银微粒子。1克的碘化银可以形成几十万亿个微粒。在冷云中能产生几万亿到上百亿个冰晶。因此，用碘化银催化降雨不需要飞机，设备简单，费用低廉。地面上布置碘化银（AlI）燃烧炉产生的催化剂依靠山区向阳坡在一定时段常有的上升气流输送到云中产生降水。这种方法的优点是经济、简便，其缺点是难以确定催化剂入云的数量。这种方法主要适用于经常有地形云发展、交通不便的山区。二是以高炮和火箭为主的地面作业。中国气象科学研究院已研制成功BR—91—Y型高效碘化银焰剂炮弹和焰剂火箭弹。产生含AlI的复合冰核气溶胶，具很高的成核率，其性能指标高于美国和独联体的同类产品。并配合有车载火箭装备。优点是可在一定范围内移动，或在固定目标区作业，特别适合于对飞机飞行安全有威胁的强大对流云进行催化增雨作业。目前应用比较广泛。WR—1B型增雨防雹火箭作业系统是目前国家认证的唯一火箭作业系统。三是飞机作业。飞机催化增雨作业的面比较宽，可以根据不同的云层条件和需要，选用暖云催化剂及其撒播装置，选用制冷剂及其撒播装置（如干冰、液氮），也可挂载碘化银（AlI）燃烧炉、挂载飞机燃弹发射系统。还可装载探测仪器进行云层结构的观测和催化后云层的宏观、微观状态变化的追踪监测。飞机催化增雨作业一般应在低云族中的雨层云和层积云，或中云族中的高层云较为适宜。（4）人工降雨的应用近年来我国的人工增雨作业发展较快，为农业生产的抗旱减灾做出重要贡献。获得很好的经济效益和社会效益。仅以2009年为例。人工消云确保北京60周年国庆大典天气良好2009年9月30日，处在北京外围地区的内蒙古、山西也进行了提前降雨作业，飞机增雨飞行3架次。106 10月1日07时20分北京西部和西南部地区相继涌现对流云团,云团快速向天安门方向移动.为确保天安门上空地带无降水,从1日07时30分进行4次人工消云减雨作业，共发射火箭弹432枚，实现了国庆大典天气晴朗能见度良好。（二）城市对降水影响的相反观点通常认为，降水量受海陆位置、纬度位置、地形等因素的影响。但早在19世纪就有人提出城市化对降水的影响问题。1968年，美国科学家Changnon建议发起和实施了METROMEX计划(大城市气象观测试验计划)，其主旨是寻找城市化对降水影响的证据。随后，在对METROMEX计划观测资料分析和数值模拟的基础上，Changnon等进一步指出了城市对夏季中等以上强度的对流性降水的增雨效果尤其显著的结论，并提出了3种城市增强降水机制的假说。王喜全说：“虽然METROMEX计划关于城市对降水影响的结论还存在不确定因素，但仍不断有新的研究结果支持METROMEX计划的研究结论。”2000年，Rosenfeld发表在《科学》上的研究结果指出：在工业区和城市群空气污染排放源的下风方向，由于大气污染物转化而带来的冰核和云凝结核的加入，层状云产生更多小云滴，云滴谱分布更加均匀，从而降低了云水向雨水的转化效率，使城市下风方向的降水受到抑制。“Givati等关于以色列和美国西海岸城市群下风方向多年降水变化趋势的研究结果，支持和印证了Rosenfeld的结论。”王喜全补充说。目前，城市化对降水的可能影响问题，存在两种相反的观点：多数研究者认为城市的动力、热力作用使城区和城市下游地区降水增加；少数研究者认为城市大气污染物的微物理过程使城市下游地区的降水减少。北京及其周边地区是我国快速发展的城市群之一。在上世纪80年代以前，北京城区集中在现在的二环路以内。1980年以来，北京城市化进程加快：1984年三环路通车，1990年四环路建设，2003年五环路全线通车，到现在的六环路建设，北京市中心城区从约60平方公里发展到目前的约300平方公里。最近几年，东起定福庄，西到石景山，北起清河，南到南苑，方圆1040平方公里内的城市化进程发展迅速虽然已有许多关于北京城市热岛效应方面的研究，指出北京的城市热岛强度有随城市化进程增强的趋势，但城市化进程对北京地区降水影响的研究并不充分。第四节城市气候与城市发展规划城市及其附近地区的特殊气候特征，无疑会影响城市居民生活及城市的发展。因此，在进行城市规划时，理应充分考虑城市气候的可能变化。充分利用其有利方面，避免不利方面。有些城市的发展，对城市气候特点的考虑是不同的。例如，城市规划人员经常只考虑到要把工业区布置在盛行风的下风方向。而忽略了或较少考虑城市地区局地气候对当地大气污染的作用。由于地形、地貌的差异，造成地表温度梯度的变化，往往形成局部气流，一般范围不超过几十公里。最常见的局部气流有海陆风、山谷风和城市热岛效应的城乡风。海陆风：海滨或大型湖泊水库等水体边的城市。白昼陆面温度高于水面，陆地地面空气受热上升，则水面空气向陆地上运动，陆上空中的气流流向水面形成环流。即为海陆风。如图2-所示。因此，海边或湖泊水体近旁可以感受到环流的微风吹拂。是布置居民区的适宜位置。然而，若在环流范围内存在大气污染，如工业大量排放烟尘，就有可能使烟尘在环流中循环，并逐渐增加污染浓度。山谷风：106 地形作用下形成的局部环流。由于山谷和山坡受热不同，白天向阳坡受热空气上升，谷底空气顺坡上升形成谷风，夜晚山坡冷却较快，空气密度大于山谷同一高度的密度，将构成一股速度较大、层次较厚的气流，沿山坡流向河谷并沿着河谷流向下游平原形成山谷风。在不受的的天气形势影响的情况下，山峰、风和谷风相互交替。在寒冷地区，向阳坡地处形成非常适宜居住的气候，而在热带日照强烈的地区，背阴坡则是理想居住地。但是，位于山谷地区的城市规划部门，必须注意当地微气候特点。有些封闭的山谷盆地，因为周围山地的屏障作用，造成当地静风、小风的频率很大。我国许多城市静风频率都超过30%。如重庆为33%，西宁为35%，昆明为36%，遵义为52%，承德为54%，兰州为62%，万县为65%。（牡丹江市也有类似情况）这些城市静风和微风历时长，本身就不利于大气污染物的扩散。山谷风环流有可能使大气污染不断积累。如图2-所示。谷地工业区夜晚排放的烟尘，随气流由山风压回谷底，不断积累在谷底，由于山坡冷空气沉人谷地，在谷地上方形构成逆温层，施工、使空气稳定，阻止了污染物的扩散和转移，有时会出现十分危险持久的污染浓度。城市热岛乡村风：图2-所示。城市热岛效应使地区增温，热空气上升到一定高度（一般数百米）向四周扩散。郊区乡村相对冷空气向城市水平流动（即乡村风）。郊区空中空气下沉，形成热岛环流。从而使得城市及近郊气温相对升高，霜冻、雪盖期相对缩短，市区郊区植物生长期延长。虽然这种情况在夏季会产生不利影响。城市冬季取暖费用可适当节约。日本北海道旭日市位于封闭的山谷盆地中心，有20万人口，工厂布置在郊区周围山区地带，由于城市热岛效应，强化了上述山谷风的作用，结果使周围工厂排放的烟尘涌入时区，造成市中心烟雾弥漫，其污染浓度反而高于工业区，有时达3倍之多。见图2-。城市建筑设计一般应考虑地形气候特征，如干燥沙漠地区，白天时间长而炎热，夜晚寒冷，一般房屋墙体厚，窗户狭小，房屋高，道路狭窄，易遮荫。而温暖潮湿气候的城市则相反；在海滨城市，适当的布置垂直岸边的街道，有助于海上的风吹入内地。在寒冷地区，城市建筑采光是要特别注意的，使住房获得较多的阳光可节约采暖费用。1977年章农等人在美国密苏里州圣路易斯市进行了一次称为METROMEX的城市气候实验，其中对降雨量变化及其影响作了很深入的研究。实验观测表明，城市地区夏季降雨次数、总雨量和大暴雨的平均雨强度都明显增加了。同时，雷暴发生次数也增多了。他们认为，城市规划部门必须估计降雨的变化及其影响后果。降雨量的增加其直接影响后果是：加剧了城市防洪压力。同时，增大的雨洪径流将使流域侵蚀加强，非点源污染加大，使受纳水体的污染情况恶化及河道蓄水池淤积加速等。因而需要增加一系列管理养护费用。此外，降雨量的变化还会产生一系列的间接影响。例如，可能增加从大气中淋洗下来的污染物，加重水质污染。降雨量增加会使枯水径流增加，可缓解枯水期供水紧张，改善农田旱情等。雷电冰雹等天气灾害，会使居民生命财产受到损失，加上能见度下降，可能使交通事故增高。见图2--16。章农等人实验结果指出，城市化引发降水量的变化及其影响后果，总的来说对城市经济生活是不利的。这种变化是难以控制的。不过在城市规划中应充分注意这一点，并适当安排不同土地利用区位置，可能减少其影响程度。对于一些的城市，气候的变化及其结果可能会大大超过圣路易斯市的观测实验结果。106 第二章小结掌握城市气候、及城市的气候影响分量的基本概念；城市气候特征的影响因素；掌握城市热岛效应、热岛强度概念、及热岛强度的形成条件，了解城市热岛结构的一般特点；重点掌握城市化对降水的影响机制。了解人工增雨（城市规划发展的关系及城市化对夏季降水影响利弊分析。第二章课堂讨论与练习一、概念题1、城市小气候；2、；热岛效应；3、热岛强度；4、阻碍效应；5、凝结核效应；6、城乡风；7、山谷风；8、海陆风；9、人工增雨；二、简述题1、写出城市气候通用表达式，并说明公式中各项符号意义及公式的用途？2、试说明城市与郊区主要气候特征区别与不同？3、简述城市气候特征的影响因素？4、简述城市热岛强度的影响因素？5、绘图说明城市热岛结构变化特点？6、简述城市花影响降水的机制？7、为什么大城市的周末的降水量少于工作日？8、试说明城市化对夏季降水量的影响的有利和不利后果有那些？9、试分析城市化造成降水量增加的直接后果和间接后果有那些？10、什么样的城市易促进微风和静风频率的增加，微风和静风频率增加的后果是什么？11、试说明城市气候特征的影响因素有那些？12、为什么城市的规划发展必须考虑城市的气候特征及其影响？三、填空题1、城市化促进年降水量，阵雨的频率明显。郊区年降水量比市区。2、城市化影响降水的机制可概括为四个效应即效应、效应、效应和效应。3、城市的阻碍造成区降水量分布，阵性降水，降雨强度，城市的下风区降水量。4、常见的城市局部气流有风、风和风。5、海陆风发生在的城市，山谷风发生在的城市，城乡风发生在的城市。6、城市化引发的降水量变化及其影响，总的来说对城市的经济生活是。7、增加城市绿地面积，不仅可以改善，而且可以起到削弱的作用。8、大城市的周日降水量比，并且冬季的差值比夏季。9、同期的城市降水量比郊区降水量。并且现代城市比早期城市降水量有。10、城市气候特征的三个组成部分是、、和。106 11、城市规划最常见的局部气流有风、风和风12、城市化后将增加次数、增加量、暴雨及次数。13、降雨增加促使洪水，提高工程设计标准，增加。14、城市化后的单位线的变化是单位线的峰值就、峰现滞时。15、城市化降水量的增加其影响后果是，是很难。第三章城市化水文效应——城市地区雨洪径流及水量平衡第一节概述从城市地理学观点出发，城市化的程度体现在土地利用情况的变化上。如第一章所术，城市化程度分为四个发展阶段。即农村，早期城市、中期城市，后期城市。随着城市化的进程，城区土地利用情况的改变，如清除树木，平整土地，建筑房屋、街道和整治排水河道、兴建排水管网等，直接改变了当地的雨洪径流条件，使水文情势发生变化。例如，雨洪径流总量增加，洪峰流量增高，峰现时间提前；河道中水流速加快，径流中悬浮物和污染物增加。这些变化往往加剧了城市本身及下游地区的洪水威胁，河道中污染物荷载墚显著增加。见表3-1。表3-1城市化可能出现的水文效应城市化过程可能的水文效应树木和植被清除减少蒸散发量；增加水流中悬浮物和污染物；接受下渗和降低地下水位；增加雨洪径流和减少基流。房屋街道下水道建筑初期增加不透水面积，减少径流的汇流时间。住宅区商业区和工业区全面发展增大洪峰流量，缩短汇流时间，增加径流总量，洪水威胁大大增加。建筑雨洪排水系统河道整治减轻局部泛滥，而洪水汇集可能加重下游洪水问题。出现上述现象的原因可以归纳以下两方面：第一是流域部分地区为不透水面积所覆盖，如屋顶、街道、人行道和停车场等。不透水区域的下渗几乎为零，洼地蓄水量大为减少。在两次暴雨之间，大气中沉降物和城市活动产生的尘土、杂质、渣滓及各类污染物积聚在这些不透水面积上，最后在降雨期被径流冲洗掉。没有被不透水物质覆盖的城市地区，一般都经过修饰装点，如覆盖以草地、植物并施用肥料和杀虫剂。这些风景修饰往往增加坡面径流。进而增加污染物的冲洗。其结果使城市地面径流中污染物浓度增加。第二是排水管道增加了汇流的水力效率。市中的天然河道往往被裁弯取直，疏浚和整治，并设置道路的边沟、雨水管网和排洪沟，使河槽流速增大，导致径流量和洪峰流量增加，峰现时间提前出现。（见图3-1）此外，河道中流速增加，加大了污染物和悬浮物的输送量，也加剧了河床冲刷106 。这样，在汇集程度径流的下游，污染物荷载量将明显增加。例如，可以用生物需氧量（BOD）及悬浮物固体浓度与排除率的增大来说明。当雨洪和污水的排水道合流时，污水处理设施的能力一般是按旱季水流设计的，在多次暴雨期间就可能大大超过了，而引起合流式下水道的冲刷和未经处理的污水的溢出进入受纳水体。城市雨洪径流增加后，使已有的排水明沟、阴沟及桥涵过水能力感到不足，以至引起下游泛滥，造成交通中断，地下通道淹没，房屋和财产遭受破坏等。下渗量的减少，使补给含水层的水量减少，致使城市河道中的枯水基流有下降的趋势。第二节城市化对径流形成的影响当土地被开发为城市用地时，该地区便从自然状态转化为完全的人工状态。致使流域内不透水面积增加，汇流速度加快，并且蓄水能力减弱。当城市建筑物等覆盖面积达100%时，地表天然植被消失，下渗接近为零。图3-2是两个极端的例子：一个是自然流域，一个是完全城市化的流域。在自然流域内，部分降水通过植物截流、甜洼、下渗后形成地表径流、地下径流，最终通过河川径流流出。汇流时间较长，洪峰流量偏低。而完全城市化的流域，只有部分降雨耗于填洼蓄存，完全以地表径流汇入河道，流量过程较尖瘦，峰高量大，汇流时间大大缩短。在城市化流域内，因填洼和下渗几乎为零，相对来说，地表径流加快，使降落到城市流域的雨水很快填满洼地而形成地表径流。所有超渗水量增大了河流流量。许多学者用试验模拟的方法，证实了不透水面积对洪水过程线的显著影响。罗伯慈（Roberts）和克宁曼（Klingeman）于1970年做过试验研究，分别试验了不透水面积为1%、55%和100%三种情况在相同降雨强度下流量过程线的变化。其结果表明，随着透水面积的减少，涨洪段变陡，洪峰滞时缩短，退水历时也有所减少。（见图3-3）虽然很难在自然流域上进行上述试验。然而，不透水面积确实影响地表径流和汇流时间，已被许多研究所证实。为了消除降水过程和气象条件的差异，一般不直接对比流量过程线，而是对比单位净雨形成的单位过程线，分析城市化改变流域汇流条件对洪水的影响。研究了有关城市化进程中的地区，其单位线的变化为：城市化后单位线的峰值越等于城市化前的三倍，而峰现滞时缩短1/3；暴雨径流的洪峰流量预期可达未开发流域的2～4倍。这取决于河道整治情况，不透水面积的大小，城市植被及排水设施等。大多数城市排水设施采用下水道。安德森（Andeson）1970年在研究了美国菲吉尼亚州北部地区之后指出：排水系统的改善，洪峰滞时可减少到天然河道的1/8。由于洪水滞时缩短，以及不透水面积增加的径流量，使洪峰流量增大为原来的2～8倍。第三节城市化对径流水量平衡的影响一、城市化改变了当地水文循环。如下图3-所示。城市地区水文特性取决于以下几种情况：1、城市地区的水文循环中包含的水量有相当部分是来自相邻流域，或来自地下含水层，或者是不经过河流而排泄。因此不仅是城市排水区参与了水文循环，而且，其他地区的水量也参与了本市区的水蓄循环。2、城市地区流域下垫面条件发生了根本性的变化，加上修建引水、排水系统，等，创造了一个新的径流形成条件，从而使天然径流流速加大。106 3、由于城市地貌的改变和空气的污染，，造成降雨和蒸发趋势的变化。4、由于不透水面积的比例较大，又开采大量地下水，从而影响了地表水和地下水的相互转化。5、非净化和部分净化的污水集中排入天然水体。6、形成了新的人工地貌，改变了天然水体。以上所有变化都取决于城市化面积、人口、工业发展水平、用水量和供水系统等条件。城市化对降雨情势的影响是强烈的。现代工业城市和下风侧年总降水量一般比非城市地区的天然降水量偏高5～10%，个别增高可达30%。为了计算和分析城市和近郊地区的水量平衡，估算降雨的增加量是很重要的。然而，应当指出，城市化地区降雨量的增加可能仅是局部性的，不会扩展到很大的范围。大城市对降雨的一些主要是降雨量的再分配，在一些地区出现降雨量大增时，而另一些到则减少。可谓此赢彼亏。在城市化的条件下，蒸发的变化相当复杂。这时由于较大的受热量蒸发面积造成了蒸发能力的提高（约高5～20%）。然而，由于汇流迅速，城区可供蒸发的水量减少。作为粗略的近似，可假定城市与乡村蒸散发量之差别不超过蒸散发观测误差。当然也可能有例外，如在干旱和半干旱地区，由于修建水库和增加植被，有可能造成蒸发量的提高。城市地区的年径流比同一地区天然条件下的年径流要大。如果水循环不包括从外流域的引水量，那么，现代工业化发达的大城市，年径流量的增加量为10～15%。可用下式表示：△R=△R1+△R2（3-1）式中△R1——城市地区因降雨量的增加引起的径流增量；△R2——径流系数的增加引起的径流增量。是河流情势的主要因素。在春汛可达5%。一般在年径流和水流情势主要取决于降雨量的地区，城市的的年径流可能是天然流域的2～2.5倍。如果城市供水系统包括深层地下水或从外流域引进的水量，那么年径流的额外增量等于引入量减去引水和用水系统的损失量。但是，由于通过下水道排水可能将部分水量输送到流域以外、或直接派入大海，从而也可能造成城市径流的减小。此外，城市径流的减少还可能由于供水系统不可避免的水量蒸发，即主要由于开敞水面和潮湿地表面蒸发所造成的。二、城市地区年径流量的一般表达式：R=R0+R＇—R＂+△PC±△E-L（3-2）式中R——城市地区年径流总量；R0——非城市化流域多年平均径流量；R＇——外流域引入水量或从与河流无水力联系的地下水开采量；R＂——输送到流域以外或直接派入大海的下水道排水量；△P——城市地区降水增量；C——年径流系数；±△E——城市化引起的蒸发量变量；L——供水、排水系统的损失量。损失量是一个习惯提法，因为它是包括的水量是从供水系统中渗入地下的水量，而其中一部分还要河道中。前苏联欧洲森林地区位于Suisloch（斯维斯洛奇河）河畔的明斯克市。该市城市面积156km106 2，人口100万以上。建筑物大约占总面积的60%，为建筑物的空地（停车场和公园等）占20%，并有4.5%的面积铺盖着沥青、金属、砾石、块石铺路占5.5%，池塘、水库占2.5%，还有7.5%的地面没有被利用。城市化地面的变化大大改变了水资源的构成和斯维斯洛奇河的水流情势。经过适当处理和净化的污水排入斯维斯洛奇河及它的支流，在明斯克下游断面（A=1060km2），1974年平均流量为8.9m3/S，1975年为10.3m3/S。明斯克市所在地区多年平均径流模数MO=7.0（ml/s。km2）），1974、2975年地区平均径流模数分别为5.6和6.4。模比系数分别为8.0和9.0。各年模比系数可反映该年的气象条件，同一地区应基本相近。而斯维斯洛奇河这两年径流模数都超过该地区多年平均值7.0。若按M=7.0计算该二年模比系数分别为1.2和1.4。见表3-2。表3-2斯维斯洛奇河及其所在地区1974、1975年径流模数比较表项目径流模数（（ml/s。km2））模比系数比（M/M0）斯维斯洛奇河比地区平均多出水量对比斯维斯洛奇河地区平均斯维斯洛奇河地区平均（ml/（。km2））（%）197419758.49.75.66.41.201.400.80.92.83.35052上述反常情况说明，明斯克市的多年平均径流模数M0有所增加，根据这二年的资料估计，M0=10.56。河道径流的增加可能由下列因素引起：城市降水量的增加；地表将乐系数的增加；从外流域引水或利用与本河流为水力联系的地下水。河道年径流减少的因素有：下水道排水直接入海或输送到流域边界之外；用水系统中由蒸发引起的附加的不可避免的损失。三、城市化对流域年径流的影响可用下式表达：R2=R0（A1-A2）+A2R1（3-3）式中R2——城市化条件下流域多年平均年径流量；R0——非城市化流域多年平均年径流量（区域多年平均径流量）；R1——城市化地区多年平均年径流量；A1——流域总面积（视为一个单位）；A2——城市化面积，是流域总面积的一部分。顿河流域的计算结果表明，城市化引起该流域河道年径流的增加量很小，目前仅为0.6%，到2000年将达到2%。城市化对小流域的影响可能比大流域大得多。城市化对枯水流量的影响。通过对明斯克市1974——1975年进行分析计算，斯维斯洛奇河是唯一的受纳水体。因此，城市下游断面的流量是反映城市化引起水文循环总变化的一个指标。结果表明，地区平均多年最小径流模数：冬季为4.2；夏季为3.6。斯维斯洛奇河下游明斯克市出口断面1974——1975两年月平均最小径流模数：夏季为6.6，是地区平均值的2倍；冬季为7.1，比地区平均值大约偏高25%。（见下表3-3）表3-3斯维斯洛奇河下游明斯克市出口断面（A=1060km2）月平均最小径流模数表年份季节径流模数（ml/（。km2））模比系数斯维斯洛奇河月平均最小径流模数比区域值多斯维斯洛奇河地区平均斯维斯洛奇河地区平均（ml/（。km2））%106 1974夏冬1975夏冬7.36.76.07.53.65.13.06.62.01.61.71.81.01.20.81.63.71.63.00.91033110014冬季流量增量较少是因为该季节用水量少，减少了下水道排向河流的水量。此外，冬季不需要给草地浇水，而草地浇水会增加向河流的排水量。另外，还由于市区的部分积雪运送到其他流域而造成。四、城市化对年径流影响的分析方法。对比分析同一地区在不同的城市化对径流影响程度，目前多采用显著性统计检验法和双累积曲线法进行分析研究。1、显著性统计检验——即F检验主要做法是：把年径流系列分成两个互不重复的子系列，例如，城市发展前、后两个不同时期，其相应系列样本容量分别为n1（发展前）、n2（发展后）；分别计算各系列的均值和标准差。方差分析：设S12＞S22，由F=S12/S22（3-4）作为计算F检验用统计量，并与n1-1、n2-1及置信水平α/2的F表值作比较，一般取α=5%；如果计算F值超过表中所列数值，则拒绝接受原假设，即说明S1＞S2，不是出自同一总体的方差，如果计算值小于表中所列数值，则接受原假设，此时，合并系列估算方差由下式计算：S2=〔（n1-1）S12＞+（n2-1）S22〕/（n1+n2-2）（3-5）计算合并系列均方差作另一次显著性检验，即应用于两个子系列均值t检验；检验均值的统计量计算公式为：t=│（m1—m2）│/S（1/n1+1/n2）1/2（3-6）计算结果与自由度为n1+n2-2及置信水平α/2的t值表相比较，如果计算值大于表中所列数值，则拒绝接受原假设，即拒绝m1和m2为出自同一总体的均值这一假设。（说明城市化后改变了原系列）举例：索耶（Sawyer）（1963年）对纽约长岛上的东梅多布鲁克流域年径流资料的分析计算，应用了上述检验方法。该流域从1952年起受到了城市快速发展的影响，流量资料系列可分成两个子系列，即发展前的14年（1938——1951年）和发展后的9年（1952——1960年）。前后两个时期的均值，标准差见下表。表3-3EaseMeadowBrook流域年径流资料均值与标准差统计表时期资料年数径流均值（mm）标准差（mm）1938——1951年1952——1960年1491852143330用方差比检验计算F值为1.21，自由度为13和8，置信水平为2.5%，查F值表为4.18。因此，愿假设可以接受，即两个系列方差都出自同一总体。由（3-5）式计算合并系列方差的估计值为10.7mm，由此计算t统计量值为2.13。由自由度21和置信水平2.5%查表得t值为2.09。上述两个数值十分接近，通过这个检验足以使人们对原假设产生怀疑，即两个子系列是否出自同一总体。（这里需要更多资料再重新进行检验，才能得出更明确的结论。）106 为了说明径流特性变化，在评价径流时间序列时，除了做统计显著性检验之外，还可采用双累积曲线分析法。2、双累积曲线法该法是依据检验变量X与参证变量Y之间存在着线性关系，即Y=CX或Y=aX+b（3-7）式中a、b——为系数和指数。目前多用于检验城市地区降雨量的变化。即分析双累积曲线时注意分析双累积曲线斜率的变化（转折点）。该曲线就是根据检验变量的累积量与同期参参证变量的累积量点绘相关线。如果资料成比例，则点据应为一直线，若其斜率有转折，则转折点说明了变化发生的时间。为了避免混淆两者的影响，在检验城市地区降雨量时，应在该地区选择若干个同期的非城市地区雨量站，取多站平均值作为参证变量。此外，还应注意水文时间序列所固有的随机波动也会使累积曲线引起转折，一般可忽略那些持续时间短于5年的小曲折。举例：印度的学者曾对孟买地区雨季降雨量做过分析。该地区共有五个雨量站，其中两个位于非城市化的郊区，其余三个站位于城市及下风方向。各站均具有1901——1970年的70年观测系列。在这段时期中，城市地区在1940年以后工业发展很快，城市化程度迅速提高。他们以1909——1910年的10年时间的雨季平均降水量P0作为标准，求得逐个10年时段的雨量平均值Pi的相对偏差即δi=（Pi-P0）/P0如表3-4所示。可以看出1940年以后有增大的趋势。表3-4对比时段19011910191119201921193019311940194119501951196019611970非城区各站AlibagPan002.7-4.85.45.88.112.62.75.823.022.05.414.6全区平均偏差δ累积偏差∑δ00-1.05-1.055.64.5510.314.854.219.0522.541.5510.051.55城区各站ColabaPurvelKalyan000-3.24.22.49.72.10.012.911.612.014.520.016.843.534.736.122.620.619.3全区平均偏差δ累积偏差∑δ001.131.133.395.0612.217.2617.134.3638.172.4620.693.06根据上表绘制城区和非城区相对偏差双累积曲线相关图（如图3-所示）。图中可以看出，1940年以后的明显转折点，说明城市化以后，雨季降雨量却有明显增大趋势。以1940年底分界，划分城市化前后两个时期分别计算了个站城市化后雨季降雨量的相对增量，见表3-5。城区与非城市化前后雨季平均雨量及增量统计表（单位：英寸）时段不同时期雨季平均降水量城市化后雨季平均降水量雨量城市化以前（1901～1940）城市化以后（1941～1969）非城区各站AlibagPan77.5106.781.6147.44.110.7全区平均92.199.57.4城区各Colaba65.678.613.0106 站ParvelKalyan99.785.4118.9103.319.217.9全区平均83.6100.316.7地区雨季平均降水量增量-8.50.89.3根据资料分析计算城区和非城区、全区不同时期的平均增量，同时，计算同一时期城区和非城区的增量。表中所见，非城区城市化后的1941——1970年时段雨季降水量为99.5英寸，只能说明这是两个时期当地大气环流天气因素的变化所造成的。同意在城市化以前的1901——1940年时期，城区与非城区降水量的差额为-8.5英寸，只能说明是两区地理因素作用的结果。因此，直接用城区两个时期降水量增量16.7英寸，或直接用城市化时期以后两区降水量增量0.8英寸来说明城市化的作用都是不恰当的。综合考虑气候因素和地理地形因素，城市化后的增量应为9.3英寸。该城市化前本区计算的平均降水量为83.6英寸，则相对提高11.1%。对于两个系列不同（径流与降水），双累积的直线关系未必成立。针对这种情况，席尔赛（Searcy）提出了修正办法，概述如下：1、按时间顺序列出检验变量（径流），从大到小排列；2、对参证变量（降雨），亦大到小排列；3、计算两系列同步项的排列序号受到平方和；4、计算一个有效降雨，其数值等于当年和前几年雨量的加权运动平均值，并同2步所术进行排列；5、对不同权重值重复3、4步的过程，直到其平方和为最小，选定权重；6、按选定的加权值定出的有效降雨和径流做线性回归计算；7、把回归方程中得出的径流估算值作为参证变量，检验实测径流系列。佛兰克（Franck）（1968年）加伯（Garber）和萨朗（Sulan）（1976）在纽约市城市发展迅速的长岛区，为估算兴建雨洪排水和把废水抽排到处理厂的下水道系统对地下水位的效应时，运用了这种技术。哈里斯（Harris）和1兰兹（Rantz）（1964）在加利福尼亚洲估计一条季节性河流由于流域内城市发展而引起的径流变化时也用过了双累曲线积分析法第四节城市化对洪水的影响洪水对城市化程度是很敏感的。图3-11所示是英国东南部的小流域面积为47km2（包括格拉瓦（Grawley）新城部分）的黑泽尔威克朗达包特（HaielwickRoundabout）流域格兰特布鲁克站（GrantersBrook）的年最大流量和不透水面积历年变化图。图3-（b）表示城市发展不透水面积历年增长情况。洪峰流量最大的一些年分比较明显的集中在60年代以后（即后半段）。即不透水面积比例超过20%以后。说明城市不透水面积的增长对洪峰流量的增加存在着某种关系。美国图斯森（Tucson）市所在的桑塔格鲁日（SantCraz）河的洪峰流量系列也有类似的情况。Tucson市自1960年开始有较大发展，SantCraz河1915—1984年的70年洪峰流量系列可以看出，以1960年为分界的前后两段时期的洪水特性有明显变化，70年间出现的七次最大洪峰中，有6年是发生在1960年以后的24年里，见图3-12。对比两个时段的洪水资料绘制的两条频率曲线的点群趋势（见图3-13），可以看出它们的明显差异。，106 拉扎诺（Lazano）分析了华盛顿附近的小流域安纳斯提河（Anacostia）（A=73.8km2）的32年洪峰流量系列，分别绘制了城市化前的`16年系列和全部32年系列的频率曲线，发现两者有一定的差别。为了证实这部分差别的原因是城市化的作用，又对邻近的伯图信河（Patuxent）26年实测径流系列做了分析。由于两个流域气候条件基本相同，且伯图信河流域始终保持天然状态。因此，可通过分析安纳斯提河城市化与伯图信河洪水频率曲线有无系统偏离。分析这段时期气象条件是否一致。发现两条频率曲线交叉在一起并且无系统偏离，见替3-。拉扎诺肯定了安纳斯提河洪水频率曲线的偏离能反映城市化的影响。上述的直接对比分析法，一般仅适用于对个别流域的城市化影响做定性评价，不能用于城市水利工程规划设计的定量计算。这是因为流域在城市化前后都应具有长期的观测资料很少，另一方面城市化发展是一个渐进过程，很难确切划分系列的时间。因此，需要研究一致性改正的通用程序，把城市化发展过程不同时期的洪水系列经过改正，转换为相应某种规划水平情况下的洪水，构成具有一致性的资料系列，再进行洪水频率分析。随着城市化的发展，流域内土地利用状况的改变，对固体径流的形成过程的影响更加显著，对于天然流域，一般其悬移质固体含量与河流流量之间存在一带的关系，因此，两者的年内分配过程具有相似状态，峰形起伏一一对应。见图3-15。城市化高度发展的流域，河流中悬移国体的来源，除了雨洪冲刷形成的泥沙颗粒外，还有大量的工矿企业排放的废污水中夹带的国体颗粒，及城市生活污水中的固体颗粒。其排放量的变化与雨洪程关系不大，枯水季节径流量降低，悬移质含量急剧增高，见图3-15（b）。甚至超过汛期洪峰阶段，往往这一时期其含量超过标准。第三章小结本章介绍了城市化对径流形成及径流水量平衡的影响，重点是城市化对洪水的影响，造成城市防洪压力加大。掌握城市化对径流水量平衡的影响，对雨洪径流的影响及城市地区雨洪径流的特点。第三章课堂讨论与练习一、简述题1、简述城市化过程及其可能的水文效应？2、说明城市化水文效应的原因？3、绘图说明未城市化和完全城市化流域的径流过程的特点？4、写出城市地区年径流量的水量平衡方程式一般表达式，并说明各项的意义？5、说明城市地区河道径流量增加的主要因素有那些？使河道年径流减少的因素有那些？6、为什么城市化对小流域的影响比大流域要大？7、城市化发展，径流过程与悬浮污染物过程是否相一致？为什么？8、城市化的发展对流域洪水的影响是敏感的，这种说法对吗？为什么？9、城市化造成年径流增加两个原因是什么？10、城市化造成地区降水量增加的说法是否正确？为什么？11、能否说明城市雨洪径流的增加带来的后果？二、填空题1、研究表明城市化进程地区，其单位线的变化是：城市化后单位线的峰值约等于城市化前的倍，峰现滞时缩短。暴雨径流的洪峰流量可达到未开发流域的106 倍。2、城市地区的年径流比同一地区天然条件下的年径流，不包括从外流域的引水量，现代化工业发达的大城市年径流的增加量为%。雨量较多的湿润城市地区的年径流可能是天然流域的倍。3、分析城市化的影响及分析径流（降雨）的时间系列的变化特性常采用和法。4、双累积曲线依据的是检验变量与参证变量之间存在着，曲线的转折点说明系列变化的。5、城市化对洪水的影响小流域比大流域。小流域城市资料表明,不透水面积超过%,增高,增多。城市化后洪峰频率曲线。6、双累积曲线法是依据变量与变量存在着关系。7、小流域城市化不透水面积的增长与洪峰流量的增加关系，而大流域则。三、判断题（正确用√，错误用×）1、城市化的发展，流域的径流过程与悬浮物污染物含量过程具有一致性。（）2、城市化后流域洪峰频率曲线的偏高可以作为城市化影响的定性分析方法。（）3、双累积曲线法可以用于分析同流域的不同水文系列。（）4、资料分析表明，城区与非城区在城市化以后雨季平均降水量相对提高11.1%。（）5、城市化影响流域河道径流增加的因素有城市降水量的增加和地表径流系数的增加。（）第四章城市水文资料的收集和测验设备第一节概述城市水文研究工作的重要组成部分是精心设计的资料收集工作。其原因是：收集水文资料的费用往往比其他项目花费要高。城市水文研究工作成功与否在很大程度上取决于资料的收集。本章任务就是介绍各种城市水文资料的收集方法，包括所需资料的类别及各种研究所需的测验设备。对于城市水文研究工作，收集资料的对策是一个重要先决条件，因为收集资料工作往往受经济、技术和制度上的约束和制约。必须考虑到各种不同类型的城市水文研究课题，如下表4-1所列，对于不同课题要求不同的资料收集对策。表4-1城市水文研究的各种类型课题着重于水量着重于水量和水质1雨洪排水设计和复核设计2、可能发生的洪水及市区河道水面线3、现场研究以定出复杂的明渠和排水系统的水力特性1、合流式排水系统设计2、雨洪排水系统的实时运行3、雨洪汇入下游受纳水体的水质分析4、雨洪处理方案的系统分析5、为确定城市雨洪水质的基本过程现场研究6、为确定清扫街道、滞洪水库等措施的效益和管理研究106 水文资料收集需要明确一些必要的问题，如：流域的选择、站点位置、测次和历时等。收集资料还应注意以下及方面：1、由于大部分研究工作是由市县政府机构委托规划工作组进行的，政府机构和工作组都应对收集资料的对策有很好的理解。此外，应有有关研究目标的明确说明，在研究开始时达成并签订协议。２、由于城市水文资料包含明确的自然事件成分，如：河道流量、降水量单位能够。收集资料的对策必须适应当地的水文状态。例如，事先计划要求在给定的市区面积内，经过多少年（或月）后，要求观测到若干次雨洪资料，这往往是不现实的。由于自然水文现象的随机性，观测人员必须时刻处于准备状态，不要由于人为原因或设备失灵而使资料受到损失。３、在资料收集阶段内，在能满足需要的条件下，应可能调整测验工作计划和要求。例如，为了建立一个暴雨径流模型，刚一开始若测到几次适用的雨洪资料，达到了对模型的率定和检验的要求，可能使收集资料的费用大大降低。如果资料分析工作与资料收集联系在一起进行，可实现节约开支。例如，有可能在取样计划中辨别出一些不重要的变量，若根据某有特定的化学成分的监测希腊分析，已发现它是固定不变的，就可以及时停止该部分的测验工作。第二节降水等气象资料降水是城市水文的基本要素，因此，降水资料的观测是非常重要的。城市水文研究所需要的降水资料可分为两类：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内，要求与其他水量水质资料配合进行。观测纪录年限不要求很长，但要求观测比较精细。第二类是用于进行长期模拟需要的长期降雨资料。这部分主要依据国家基本站网提供。下面主要介绍第一类降水资料的观测与收集工作。由于城市地区降水特性比较复杂，因此，集水面积超过1km2，雨量站不得少与2个。目前，多数雨洪模型有能力接受多个雨量站的输入。或是以各自的过程线作为输入；或以加权平均值输入。①一般雨量站应设在指定的流域，该站的控制面积应和代表区的地形相近；②新设雨量站其附近的地面应比较开阔。在城市市区这一要求比较困难；③雨量计应位于尽可能接近地面而不是按放在屋顶；④雨量站与建筑物和树木的距离不应小于其高度的２倍；⑤应尽可能在坡地上或陡坡附近设立雨量站；⑥多风城市还应加设防风罩。蒸发资料。有些城市水文模型中需要使用蒸发资料，可以从基本气象站网获得。如果通过土壤入渗模型（即通过土壤湿度计算降雨入渗过程）一般可不使用蒸发资料。其他气象资料——如气温（包括最高、最低、日平均）、湿度、风速、日照、气压及冰情等，可由城市附近基本站网提供。降水量观测仪器简介关于降水量观测仪器。我国有许多厂家如上海、广州南京等气象仪器厂都有相应的仪器产品。目前，水文气象部门多采用普通雨量器和自纪雨量计。比较先进的是雨量遥测系统。由以下三部分组成：１、雨量传感器；２、传输系统；３、终端接收处理系统。下面着重介绍重庆华正水文仪器有限公司（原重庆水文仪器厂）的产品：（１）ＪＤＺ（０２）型、（０５）型雨量传感器106 承雨器口径为２０ｍｍ，分辨率为０.５ｍｍ）、（０.２ｍｍ）两种。工作原理：单翻斗式结构，雨水集入小漏斗+全方向虹吸附件，翻斗翻转时带动磁钢吸合舌簧，发出断信号并传给纪录、发讯系统。翻斗计量误差≤4%，测量降雨强度范围为0.01～4.0mm/min（分钟）工作范围为-100C～+500C。（２）ＪＤＺ——１型数字雨量计（存储式）纪录时间：≥90天；分辨率为0.1mm；纪录方式：显示、打印、存储；存储容量：32K。第三节河渠及管道流量资料在城市水文研究中，另一关键的要素是河道流量，当河道水位流量关系较好时，可用水位代替。河道流量测验工作对于表1-4中所列各项城市水文研究项目中都有非常重要作用。例如，城市的雨洪排水设计工作，或绘制洪水可能淹没区域地图；根据实测流量推求设计流量；在水质的观测分析研究中，计算水质浓度和污水排放量等都需要流量资料。在城市水文研究中，河道流量记录时段应与降雨观测时段相应。美国地质调查局的大部分城市水文站测验时段是以小时（h）为时段，也有些站是以5min为时段，个别专用站使用1min为时段记录。设置城市水文站时，站址选择必须慎重考虑如下几项：①明渠或管流测验具备良好的水力条件；②测点以上要包含要求的土地利用条件；③站址处土地要有使用权；④河道水质特性分析研究时，站点以上应包括有代表性的水质条件；⑤为了分析研究各种土地利用情况的影响，有时在一个流域内，多设几个流量站是必要的。流量测验基本方法在水文测验课程中已有详细介绍。这里重点介绍部分较先进的流量测验仪器的基本原理和特点。我国重庆华正水文仪器有限公司（原重庆水文仪器厂）的定型产品：（1）WFH——2型全机械编码水位计该仪器主要由水位传感器部分和水位显示器组成。自身配套后可为有线遥测水位计；还可与各种水位遥测系统配套。水情自动测报系统，水位数据收集、存储、处理系统等。仪器特点：浮子传感器，结构简单，性能稳定；测井结构，井径小，浮子直径D=15cm，可采用工业管做竖井，投资建筑飞跃低。机械编码，数字显示，四位水位数字。（2）WML——2型微电脑明渠流量计该仪器为连续监测明渠的智能化系列仪器。主要由超声波、弹片机和水利学测流槽组合而成。能监测污水累积流量和时间。技术指标：1、流量误差≤5%，时间误差≤5min/30d；2、能通过键盘显示两年中任意一天、一月即当时的总流量；106 3、记录周期长，数据可保存10年；4、可与遥控系统相连接。第四节水质监测资料随着城市的发展，人们越来越重视环境影响，收集化学和生物资料就成了城市水文研究的项目。由于需要实验室的化学分析和昂贵的水质取样设备，因此，这种资料的收集大大的增加了研究的费用。应该注意的是，确保样品（人工取样或自动取样）的收集要与流量测验保持适当的同步关系。总之，使水样在流量过程线上的分布合理，水样应尽可能在涨水段和峰顶采取。而落水段水样可以少取些。根据实测的流量过程和离子过程，便可计算该次洪水的雨洪承载量（即离子总量），计算公式：I=qtCtf△t（4-1）式中I——△t时段内雨洪承载量的增量，以mg计；qt——△t时段内雨洪流量，m3/s；Ct———△t时段内内插得出离子总浓度，mg/m3；f——单位换算系数；△t——时段长，S。在整个雨洪期间，雨洪承载量I的总合即为该次雨洪的总承载量。图4-1是佛罗里达州的Miami附近的一个小流域一次完整的雨洪水样过程，使用的是自动取样设备，其化学成分为总氮，分析计算得该次雨承载总量是0.64磅（290.6g）。表4-2列出了水质成分的主要小项目清单，是与美国全国城市研究大纲配合的，同时，还列出了有关美国地质调查局实验室的费用（1981年）。这里列出的水质成分有四类：悬移沉积物指标，无机物指标，细菌指标和有机物指标。表4-2美国地质调查局城市研究大纲的水质要素明细表要素和实验室实验室费用（1981美元）样本保存及处理方法沉积指标悬浮沉积物颗粒分析a，b无机物指标电导率aPHa溶解物溶解氮溶解氨氮溶解氦Kjeidahl总氮Kjeldahl溶解磷总磷总铅主要正离子和负离子b微量金属的多元素扫描d9.0060.001.001.009.003.503.509.009009.0010.0024.0062.0068.00小于12小时小于12小时过滤过滤，冷冻小于12小时过滤，冷冻小于72小时过滤，冷冻小于72小时不过滤，冷冻小于72小时过滤，冷冻小于72小时不过滤，冷冻小于72小时酸化酸化106 有机物指标溶解有机碳（DOC）悬浮有机碳（SOC）化学需氧量（COD）最综生物化学需养量（BOD）ab（BOD）5a1c重点考虑的污染物如杀虫剂矿物油和动物油细菌指标大肠杆菌a，c其他指标温度13.0013.0014.00冷冻冷冻酸化冷冻，小于6小时冷冻，小于6小时冷冻，小于6小时现场测定，每次暴雨一次附注：（1）在现场或当地实验室分析。其他分析工作这美国地震调查局中心实验室进行。（2）对选定的水样（即每次雨洪一次或二次。）（3）每个终点在一些选定的雨洪中，多次选样。（4）在第一年内，每站点取样数次。（5）将样品送到与国家环境保护局定有合同的实验室，去分析129种应优选的分析的污染物。悬移沉积物的输送与流域侵蚀、受纳水体污染物沉积和环境美化有关。悬移沉积物对很朵化学污染物，如微量金属、营养物、杀虫剂以及其他有机化合物和耗氧物质，起着传送作用。在这种情况下化学成分的浓度与悬移沉积物的浓度可以建立相关关系。多种沉积物的指标，如挥发性悬移固体、总挥发固体，可沉积固体和沉降速度，要根据研究项目的对象来考虑。此外，颗粒分析以及按照粒径大小测定化学成分的浓度也是一项重要资料。无机化学成分中包括营养物、微量金属和公路融雪用盐，可能从溶解状态随悬移武装输送。有关的微量元素在各种研究中可能是不相同的，这要依据土地利用情况而定。美国观测了大约25种微量金属，主要集中在铅（Pb）、镉（Cd）、铬（CI）、铜（Cu）、锌（Zn）、铁（Fe）、锰（Mn）和砷（As）等原的元素上。电导率、PH值和一些较易于测定的指标，应对所有样品与一些主要离子一同施测。有机化学指标包括一些好氧物质和有毒物质，如杀虫剂和一些工业有机化合物等。由于清洁水条例和有毒物质控制条例的规定，在任何研究中对危险毒物（如杀虫剂和聚氯联苯）都要给予慎重考虑。其他还有一些分析包括最终的BOD、COD以及溶解有机碳和悬浮有机碳等。细菌指标如大肠杆菌（这些杆菌可以指出病原体和引起疾病的病菌是否存在）。如果城市径流中发现此类物质有特高的数量，可以使用自动采样器取样。但如果数量较低，在取样中可能出现明显的污染。除了对暴雨径流取样外，也要对街道表面收集的垃圾中取样进行水质分析和大气的湿干沉降物中取样。第五节土地利用情况资料城市水文研究中，土地利用情况资料是一个非常重要的因素106 。土地利用特征与流域水污染物质的含量有一定关系，并作为水力模型或分布式径流水质模型的参数。土地利用特征包括流域物理性质方面的资料、气象因素及环境状况等。下面给出了由美国地质调查局——国家环境保护局城市研究大纲中经常使用的自然地理特征一览表，可根据研究的课题，选择这些与此相似的土地利用特征。在研究过程中土地利用特征应及时更新，以便说明流域正在发生变化。流域的自然地理资料可以从土地利用、土壤、地貌、雨洪排水等内容的地图及航空摄影的地图中得到。（可以利用最先进的地理信息系统即GPS资料中获得）。现将22项自然地理、土地利用和水质特点（在国家大纲中）列举如下：1、总排水面积（包括不产流面积）；2、不透水面积，按排水面积的百分数计；3、有效不透水面积，按排水面积的百分数计，仅包括直接与下水道或主要输水设备相连的不透水面积；4、平均流域坡度，用较好的地形图，在50或大于50个平均分布点处测定，取其平均值；5、主要输水设备坡度，沿着主输水渠，以控制断面到分水界全长的85%的两点，进行计算；6、土壤的透水率；7、有效含水量；8、土壤水分PH值；9、土壤透水性（根据美国水土保持局的分组方法确定所属的组别）；10、人口密度，以单位面积人数计；11、街道密度，以单位面积的街道长度计；12、流域内土地利用情况，以排水面积的百分数计。包括：农村或牧场；农业区；地密度居民区（每处住宅面积占0。2～0。8公顷）；中密度居民区（每公顷有7～20处住宅）；高密度居民区（每公顷有22处以上住宅）；商业区；工业区；建筑中的土地（尚未用的地面）；未用荒地；湿地；公园。13、滞洪库容，以容积计；14、滞洪库容以上控制集水面积所占百分数；15、合流式下水道（雨水和污水合流）排水面积所占百分数；16、路边有明沟排水的街道的百分数；17、具有沟槽和洼地排水的街道所占百分数；18、年平均降水量，以mm计；19、十年一遇一小时雨强；20、在径流中各种水质成分的平均年荷载量，以单位面积重量计；21、在降雨中各种水质成分的平均年荷载量，以单位面积重量计；22、在干沉积物物中各种水质成分的平均年荷载量；在以水污染控制和管理为主要研究课题的项目中，必须收集每个流域的环保资料，以便建立因果关系，以及进一步制订管理办法。这种资料对于较大面积的流域来说很难收集。所以，经常采用在空间上抽样的办法。1表4—3给出了建议的环境保护资料总的清单。如果是检验最佳管理措施，完善和掌握选择最佳管理措施和记录每种最佳管理措施的运行次数、类型和地点。表4—3环保情况资料清单数据性资料描述性资料106 清扫街道平均频次（天）估计流域中年施用氮肥量（kg/ha）估计流域中年施用磷肥量（kg/ha）两次下水道清理间的平均时间间隔（天）两次雨水井清理间的平均时间间隔（天）估计日平均交通量（辆/km。天）街道清扫设备类型和方法农业耕作水平和制度影响垃圾收集情况流域中固体废物堆积区，洪水滞蓄情况如卵石滤层地带流域中植物落叶处理情况，查明主要沉积无来源，大街、人行道铺砌情况，防冰冻化学制剂第六节城市水文站专用设备简介这里主要介绍美国目前使用的两种设备系统，即城市（小流域）水文测验的常规系统和美国地质调查局城市水文监测系统（UHMS）。一、城市水文测验常规系统常规的河道水文测验的基础是水位观测和不定期的用流速仪观测流量，并根据水位流量关系推算流量。美国现有一万多个常规的测站系统。然而这些对于一些水位变幅不大的城市水文站点，都建立了专用的测站系统。一般水文站由一台水位记录装置（浮子式），一台自记雨量计，一台最高水位计和两只直立水尺组成。这两个自记仪器都有由电池推动的石英钟计时器并编有程序。两台自记仪器安置在在防护栅内加以保护，没台都安置在51mm直径的钢管上，管座三脚架底座的腿。第三条腿支撑最高水位计。为了防止破坏，不设永久性的梯子和工作台，进行观测时需要使用便携式梯子。这套装置适应性较强，花费不多，可以用在任何水位变幅不大的地方。如果需要较大的浮子井，可用102nn的聚氯乙烯管或156mm的钢管连接。钢管是支撑自记水位计的。如果流速较高，这三个51mm的钢管可以从上游至下游成一直线安装，用以代替常规的三角形安装布置。如果雨量计四周不够开阔，雨量计和水位计可以分开几百米。美国现有的城市水文测验系统与上述基本相似。二、美国的城市水文监测系统近年来城市测验设备有两个方面值得一提。第一、由于对城市水质的关注日益增长，各种各样新的精密仪器已经出现。这些设备一般都包括有先进的电子装置（包括微处理技术）。第二、在城市地区，具有足够的常规站网控制的机会是有限的，因此，就有必要在地下排水管道上设站。这些城市设备很自然的逐渐形成了成套设备的概念。下图是美国使用的成套设备示意图。图4-2算是美国（UHMS）水文监测系统安装示意图该测站系统叫做城市水文监测系统（UHMS）。该系统是专门为地下排水管道流量测验而设计的以量水建筑物收缩水流作为流量控制，并可同时获取雨量、径流和水质方面的资料。UHMS是由5个子系统组成即：系统控制装置（SCU）；雨量取样子系统；大气取样子系统；水位（流量）传感器子系统；水质取样子系统。1、系统控制装置（SCU）系统控制装置是一台微处理机，用以记录数据，控制自动采样设备，通过低压电话线路记录一个或几个雨量计的雨量和连续观测水位。也能监测选定的水质参数，如电106 导率、浑浊度和温度。在两次暴雨间隔时间内，系统控制装置是处于待命状态。在待命状态下只有当发生降雨时，才开始记录数据（除每天记录一次所有各种参数之外）。选定一个水位门槛值（相当于某个流量值），一旦水位达到这个值，该系统就自动开启或停止工作，并连续记录各种数值（从30s至1h的时间间隔）。根据没站装有的微处理程序，水质取样可以是每个记录时段取一个水样，也可以几个时段取一个水样。取样可有多种选择，包括水位、流量、水位变化的上涨段或下降段以及时间等。使用分配式降雨、径流水质演算模型，对雨前的水质和水量进行模拟，或根据有经验的专家的判断，做及时调整。另外应备有制冷设备，以便保存好径流水样在高温季节不变质。系统控制装置所测得的数据，记录在存储器中（纸带或硬盘等）。没项记录数据包括：时间，以小时、分、秒计；公历日；水位和流量（一个站或数站）；水样样品顺序号数。为了避免不必要的现场检查，控制装置设有应答电话询问，这个应答系统可报告：该装置是否处在记录是否取样或关机状态。2、降雨取样子系统与城市测验系统配套使用的是一种遥测自记雨量计。如美国1977年型号为P501-1的产品，这套仪器有直径8英寸承雨器和一个水银开关的翻斗装置，翻斗每翻转一次的降雨量为0.254mm。城市水文监测系统可以同时记录3个或4个雨量计的累积雨量。3、大气取样子系统图4-3是美国早期使用的大气取样子系统说明图。这套装置用以搜集降水和总沉集量。干降尘量可以从总沉集量减去降水量求得。使用两个矩形的涂敷聚四氯乙烯的采样器。可动搜集器用12伏直流电动马达驱动，可以垂直转动，而马达由雨量计翻斗启动。图中可动搜集器的搜集面积是处在打开向上的状态。如果预先调定的时段内雨量达到和超过0。254mm，则搜集器保持开启内状态，如果在时段内雨量低于0。254mm，马达就将搜集器转回到关闭状态，这样就不会搜集到干沉降物。可动搜集器的控制包括一个取水样模式选择开关，决定取一次或数次，另一个开关控制取样器保持开放的时间长度，如果模式为只取一次水样，则搜集器只打开或关闭一次。在采集多个水样模式时，如果降雨量再次发生，搜集器将再次开启取样。样品是保存在仪器室内（见图4-3），并有制冷装置。4、水位传感子系统常规水文测验方法一般不适用城市雨洪排水管道。现已有一种专业测验设备，如图4-2所示。城市水文监测系统有一个附加的雨洪地下排水管道测流控制或收缩段使用两个水流压力计型的传感器，用以监测代表水位的水压盖，通过两个压力计的喷嘴以定速向外喷出干氮气，一个管嘴位于稍向上游的位置，而另一个则放在收缩段内。收缩管段其纵向视图呈U型。在非满管流情况下，仅用收缩管段的水位计算流量。在满管流（即压力流）时，要同时使用两个水文传感器，这个收缩管段具有文杜里测流计的性质。根据实验室的试验结果，于明渠流和满管流的情况下，在恒定流试验中，收缩管段测流的方法是可靠的，误差近于5%。但是这个方法也有一定问题：例如当明渠水流过度到满管流或压力流时，水位流量关系是敏感的。变动比较大，这就需要在使用时，正确选定水文流量关系。此外，收缩管测流方法对变动的淹没流来说，是不适用的，至少还未经过试验。最后，对于上游管道复杂的排列和2坡度，因城市雨洪的快速变化的非恒定流影响，故实验室很难率定。5、水质取样子系统水质自动采样器的取样时间应与降雨、流量资料记录时间同步。如果可能应设置程序使自动106 采样器的最小取样时间间隔等于其他连续水文资料记录的时间间隔。最好还应在可能的地点，用人工以积深采样器取样，以便检查用手取样工或自动取样点水样的代表性。城市水文监测系统，使用一种特制的取样子系统，有24个顺序取样器，各具有3升容积。取样器安置在市场上买得到的冰箱顶部金属盘上，这个冰箱要改造成一个恒温器，使水样保持在50C左右的环境中第四章小结本章学习了有关城市水文资料的内容和收集方法，介绍了美国的城市水文站的专用设备，增加了3S技术在水文学中应用简介。了解城市水文信息采集的目的、内容、方法和发展方向。一、简述题1、为什么要进行城市水文资料的收集工作？为什么要研究收集水文资料的对策？2、收集城市水文资料需要注意那几方面的问题？3、城市水文研究中所需要的降水资料分为两大类是什么？4、城市水文站址的选择需要考虑那些方面？5、城市水质监测中的水样采集要注意什么问题？为什么水样与流量资料同步进行？6、什么是“3S”技术？“3S”技术在水文学中应用有那些方面？7、城市水文资料与流域双轨外资料有何异同？二、填空题1、城市水文研究工作中，收集资料的对策是一个重要的，因为收集资料工作往往受的制约。2、土地利用特征资料包括方面、方面和方面等资料。3、城市地区降水特性比较，因此，当集雨面积超过km2，雨量站不得少于。4、环保情况资料包括资料和资料。5、美国城市水文监测系统包括五个子系统是系统、系统、系统、系统和系统三、概念题1、合流式下水道，2、雨洪承载总量，3、受纳水体，4、街道密度，5、人口密度，第五章城市设计暴雨第一节概述设计暴雨是城市排水设计或有关其他工程系统设计的主要依据。选择设计暴雨的一般假定是：如果排水工程设计系统的承载能力能够抵御该标准的降雨事件，则该工程系统的运行就能满足设计要求。暴雨设计分为两种基本类型：第一类是最常用的虚拟事件，即通常而言的（设计暴雨）。它是根据历史资料分析雨深~历时~频率的关系得到的。这类设计暴雨适用于城市排水设计106 或其他主要考虑洪峰流量的有关问题。第二类是直接使用一次实测历史降雨资料（典型暴雨）。这类设计暴雨可适用于滞蓄水库的设计，或用于着重考虑水质的工程设计。实际上，决定这些工程承载能力的因素不仅是一次降雨的雨量或雨强，而是整个降雨过程、前期蓄水情况、流域污染物积聚情况等众多因素组合而成的。从实际历史暴雨资料中选取一次最恶劣的生设计条件作为设计依据，显然是可行的，而且是一种方便的解决方法。这类设计暴雨不仅指该次实测暴雨的某种历时的雨量或雨强，还包括其他各种因素的组合遭遇。本章所讨论的设计暴雨是指第一类型的狭义的设计暴雨。后一类已经超出了本书的范围。前一类设计暴雨一般包括下列各种要素：频率（重现期）、雨量与历时的对于关系，以及设计暴雨的时间、空间上的分配过程。城市雨洪排水系统的设计暴雨，其设计频率（重现期）的选定，在原则上可以根据工程造价和运行费用以及由于雨洪超标准而而造成工程破坏而引起的洪水泛滥，交通中断等损失金额，权衡两者的得失来优选得出经济上最合理的设计频率。目前国内外大多数城建部门是综合考虑当地经济能力和公众对洪水灾害的承受能力后选定的。一般不进行详细的经济比较。城市雨洪排水系统是由一系列口径不同的管路构成的。各条管路的设计洪峰流量是控制工程设计的重要参变量，而且设计洪水总量和设计洪水过程线一般作用较小。因此，城市设计暴雨必须能适用于推求排水管网各个节点处的设计洪峰流量的要求。由流域汇流面积曲线的概念，可以知道参与形成洪峰流量的暴雨核心即“成峰暴雨”，其历市为汇流时间，即自管路负担排水面积最远点，流达管路入口处的时间。如图5-1所示。各节点处负担的排水面积不同，其成峰暴雨历时长短也不同，为适应设计计算需要，就必须计算各种历时的设计暴雨量。城市设计暴雨一般不考虑雨量在空间分布的不均匀性。这主要是因为城市排水管网所负担的地面排水面积不大，可以忽略点雨量与排水区面平均雨量的差别。虽然一场实际上的空间分布是不均匀的。雨量在空间分布的梯度可能相当大。但是由于暴雨中心的位置是不确定的，使点面雨量的差别不那么明显。若分别求出各次暴雨在一个不大的面积上的平均面雨量和该面积中心的点雨量，即点绘同一次暴雨定点定面雨量相关图，可以看出点据分别相当散乱。对于面积不大的排水区，其相关线是接近450的直线。如图5-2所示。图5-2中可以看出，在小面积中，具体一次暴雨，可能点雨量大于面雨量，也可能相反，两者的差值大小也是不确定的。在平均情况下，定点定面雨量相差是不大的。由于同样原因，同频率的定点定面雨量关系，折点系数接近1.0。考虑到上述暴雨空间分布特性,可以用点雨量代替面雨量,即用排水区中心点的设计雨量代替排水区面平均设计雨量。城市地区由于暴雨造成的灾害恢复时间相对较短，有可能在一年内遭遇一次以上的损失。因此，作为暴雨频率分析时，应当采用次暴雨作为频率分析的基本事件。但是在次暴雨选样时，在相邻两次降雨的分界问题上存在一定的困难，若改变时段长度标准就会使选样次数改变。如图5-3为某站逐时雨量过程线图。其中有24h降雨量大于零，其余17h小时雨量为零。最短段无雨时间间隔分别取1、2、3、……7h，则将分成7、6、……1次暴雨事件，见下表5-1。目前国内外城市水文部门做暴雨频率分析时，是以日历年划分基本事件，选取逐年的降水过程中最大时段雨量作为样本进行统计的。优点是简便易行，而且成果一致，不受主观因素影响。缺点是：只考虑了年内最大时段雨量，忽略了其他各次暴雨对频率分析的作用。106 可以设想，A与B两站的时段雨量年极值频率曲线相同，则两地按年极值频率标准设计的雨洪排水管路尺寸是相同的。但若A站年内暴雨次数明显多于B站，则A站的雨洪出现超标准的风险也要大得多。第一节年最大24小时设计暴雨城市设计暴雨计算的要求，是推求排水管路各节点处符合设计频率的成峰暴雨。计算时，一般不考虑暴雨空间分布上的不均匀性。以中心点的设计暴雨量代替设计面雨量。城市排水区成峰暴雨历时，一般都比较短，从几十分钟到若干小时，一般都小于一天。不过各个排水区并不相同。因此，只要在所负担的排水区中心具有充分长期的自记雨量计资料，才能按要求历时选取的暴雨量进行频率分析，从而求得设计成峰暴雨量。实际上，并不可能如此进行直接计算，因为我国目前自记雨量资料站点少，（多数为大中城市才有），系列较短。所以，城市设计暴雨计算方法必须适应当地无资料的条件。目前的方法分成两步走：首先求得中心点最大24h设计雨量X24，p，然后由暴雨～频率～历时关系推求任意历时的成峰暴雨量Xt，p。推求年最大24小时设计暴雨的常用方法有两种，可根据当地实际资料条件而定。1、由年最大一日设计暴雨量X1日，p，间接推求。如果排水区中心附近有较长的实测暴雨资料系列，可通过最大一日设计暴雨量X1日，p，按下式计算最大24小时设计雨量：X24，p=αX1日，p，（5-1）式中α=X24，p/X1日，p即最大24小时雨量与最大1日雨量比值,α一般在1.1～1.2之间。（黑龙江省取1.16）这是因为，最大一日雨量是根据日历年雨量资料进行统计的，日雨量分界是8：00。而最大24小时雨量不受此限制，故此，X24＞=X1日，则X24/X1日＞1.0。2、当设计排水区无实测暴雨资料时，可查阅各省（区）水文图集中暴雨等值线图中X24，p均值等值线及相应CV值等值线，而CS=3.5CV。于是设计排水区的X24，p即可求的得。第一节雨量～频率～历时关系分析与应用为了适应不同的成峰暴雨历时，需要分析确定当地的Xt，p～P～t关系。并可根据X24，p做历时转换，求得相应排水区成峰暴雨历时的设计雨量。Xt，p～P～t关系的是在具有充分暴雨资料系列的单站的分析基础上，在做地区综合，分区确定Xt，p～P～t关系。其表示方法有两种：一种是用曲线图形式，一种是经验公式形式。现分述如下：1、雨量～频率～历时曲线（1）有充分暴雨资料系列单站雨量～频率～历时曲线绘制基本步骤如下：①从实测段历时暴雨资料中，摘录每年各时段的最大雨量，统计时段一般取10、30、60、180、360、720、1440分；②对每个时段的暴雨系列进行频率计算；③绘制个时段暴雨频率曲线（可绘制在同一张几率格纸上），并综合比较各种历时的频率曲线，并进行适当调整，使不同历时的频率曲线不能相交。当短历时的暴雨频率曲线受特大值影响而适线较困难时，可分区将相同历时各站暴雨频率曲线综合在一起进行比较，然后，根据地区平均曲线变化规律，调整各站频率曲线。④从不同历时暴雨频率曲线上，摘取不同频率的设计雨量，在以同一频率的设计雨量Xt，P为纵坐标，以降雨历时历时为横坐标，在均匀方格纸和对数格纸上绘制暴雨～频率～历时关系曲线（图5-4）、，或绘制重现期（频率）各站暴雨（频率）～雨量～历曲线（图5-5）、（图5-6）所示。106 （2）雨量～历时关系曲线的地区综合为了便于地区综合，一般将单站雨量～频率～历时曲线变换成雨量百分数～历时曲线，消除频率因素，使各单站不同频率的雨量～历时曲线合并为单一线。绘制雨量百分率～历时曲线，就是变换原雨量～频率～历时曲线的纵坐标，将原纵坐标t时段的雨量（Xt，p）变成与同一频率的最大24小时雨量X24，P的相对百分数即，X24，P/X24，P。横坐标不变仍为历时t，在均匀坐标纸上绘图，即看绘出雨量百分率～历时曲线，见图5-7。图中可以发现，不同频率p的雨量百分率～历时曲线，基本上密集在一起，因此，可以消除频率p的因素，并且各站还可以通过点群中心绘制单一的雨量百分率～历时关系曲线。再将本地区各站的曲线绘在同一张图上，定出一条平均线作为地区综合的雨量百分率～历时曲线。应用时，只需要根据设计最大24小时雨量，在地区综合雨量百分率～历时曲线上查得指定历时相应的百分率，然后即可换算成设计暴雨量，即Xt，P=（Xt/X24，P）·X24，P，应用十分方便。2、暴雨公式的`形式与参数的确定（1）暴雨公式的形式暴雨公式是依据图5-5形式的i～p～t曲线综合得来。暴雨公式应用是很方便的。几种基本公式形式如下：①it，p=Sp/（t+c）n（5-2）②it，p=Sp/（tn+c）（5-3）式中it，p——相应给定频率，历时t的平均雨强（mm/h）；Sp——雨力，即i～p曲线t=1h（60min）时的雨强，（mm/h），给定频率p（重现期）为常数；t——历时，（s）；n、c——常数，与p（T）无关，T为重现期；上述公式是建立图5-5的i～p～T基础上属于幂函数类型而建立的经验公式。但能较好的拟合图解分析成果。公式中的参数可以用曲线拟合的方法（如最小二乘法）解出，也可以在某一重现期的雨强～历时曲线上，在研究范围内选取三点，代入上式，以三个联立方程解出。在使用上述2式时，如果超出了建立公式依据的频率和历时范围，应特别慎重。此外，这些常系数可能随地区不同，有很大变化。因此，只适合在本地区进行估算。下表5-2给出了上述二式中常系数在美国不同地区10年重现期的比较，可以看出，美国不同地区常系数的变化情况。我国关于公式it，p=Sp/（t+c）n中参数取的推求方法。当i与t点绘在双对数坐标纸上是一条曲线时，可用试摆法使之形成直线。试摆法就是对某一重现期的曲线，保持其纵坐标Lgi不变，而在各个历时t上，106 试加相同的c值，使横坐标Lgt变成Lg（t+c），若各点连线变成一条直线时，则试加之值就是所求解的c值。因此各不同重现期T，都有各自合适的c值。③it，p=Sp/tn（5-4）上式是我国水利部门习惯的短暴公式。短暴公式中的参数推求方法：（5-4）式实际上是（5-2）和（5-3）式c=0时的特例。n为B暴雨衰减指数。显然雨力S随重现期T而变，它与T的关系如下：S=A1（1+CLgT）（5-5）对（5-4）式两端取对数则有Lgi=LgS—nLgt（5-6）表明暴雨强度曲线在双对数格纸上为一直线。n为斜率。由（5-5）式得S=A1+ACLgT=A1+BLgT（5-7）上式在半对数纸上（S为普通分格，T为对数分格）也是一条直线，B为斜率。根据上式成为直线的特点，即可采用图解法或最小二乘法求解暴雨公式参数。A、图解法——适用于具有较充分的多年自记雨量资料时。主要作法是：采用年最大值法，统计多年不同历时（5、10、15、20）、30、45、60min）的短历时暴雨系列，并作频率计算；统计摘录i～t～T（暴雨强度～历时～重现期）关系表，见表5-3。T（a）t(min)5101520304560i(mm/min)0.250.330.501235100.3180.4320.5570.8131.1801.3501.5301.8300.2180.3080.4460.6520.8630.9731.1201.3400.1890.2580.3660.5440.7120.8100.9311.1100.1690.2300.3250.4700.6310.7150.8200.9800.1410.1910.2660.3950.5200.5960.6820.8180.1170.1550.2270.3300.4350.4960.5750.6800.1030.1430.1980.2880.3820.4340.4970.596∑i859204.9204.3403.6093.0152.641平均i10.740.6150.5420.4520.3760.330表5-3某站i～t～T关系表在双对数纸上点绘以重现期T为参数的i～T关系线.如图5-8所示。图中共有8组点据（即8个T值），对每组均做回归线，即绘制各组的回归线（即平均线）。在绘制这些直线时，要特别注意使它们的斜率彼此相等；为简化这一工作，可把各历时t相同的各组i值求其平均值，如表5-3中最下一行所示（这一组平均点椐并不具有重现期的意义），把它们点绘在图5-8106 中的上方，并绘制一条与之相应的回归直线（图5-8中的虚线），在绘制其他8条直线时可用这一虚线作为参考，使各直线都与它平行，各组直线具有相同的斜率，本例n=0.45。表5-2暴雨公式中的常系数（不同地区10年重现期）地点it，p=Sp/（t+c）nit，p=Sp/（tn+c）SpntSpnt芝家哥丹佛休斯顿洛杉机米亚美纽约奥林匹亚亚特兰大海伦那圣路易克兰夫兰圣大法154712902497277202913061601628782154912098180.810.480.800.510.730.750.400.760.810.780.790.769.5610.509.301.157.247.850.608.169.568.968.868.542410245424745163155198433524769352659187215880.880.970.770.630.810.820.640.830.830.890.860.899.0413.904.802.066.196.572.220.886.469.448.259.10由（5-6）式可知，当t=1min时，Lgi=LgS，意即直线与纵坐标相交处的截距为S值，据此可得出对应于各不同重现期T的S值。在图5-8中将各条直线均延长到t=1的纵坐标处，可得出对应T～S关系如下表5-4。表5-4某站T～S关系表重现期Ta1053210.50.330.25雨力Smm/min3.8036.182.772.411.801.230.890.65把这些点据点绘在半对数格纸上，如图5-9所示。它们也排列成有规律的直线趋势，配合一条回归直线即方程S=A1+BLgT。当T=1时，S=A1，即为该直线的截距，图中A1=1.80当T=10时,S10=A1+B,即斜率B=S0-A1,图中B=3.8-1.8=2.0因而，C=B/A1=2.0/1.8=1.11,由此得S=1.8(1+1.11LgT)最后,由图解法求得该地暴雨公式为:i=1.8(1+1.11LgT)/t0.45(5-8)B、最小二乘法求解暴雨公式参数图解法求得的暴雨公式参数,完由人工目估定线，个人经验对成果精度有一定作用。当点据比较散乱时，可采用最小二乘法原理求解暴雨公式参数。（可利用计算机）此处将每一重现期的暴雨强度i与降雨历时t看作一组观测系列,每组有m1对(i,t)值,由(5-1)式可知:Lgi-(LgS-nLgt)≠0根据最小二乘法原理,若使所求得的参数为最佳值,则可使观测值i与其匹配的直线之间误差平方和为最小.设［Lgi-(LgS-nLgt)］2＝M令M/n=0得106 ∑(Lgi·Lgt)－∑(LgS·Lgt)-n·Lg2t)=0对于某一重现期,LgS为常数,所以∑(Lgi·Lgt)－LgS∑(Lg)-n·Lg2t)=0(5-9)又令M/LgS=0得∑Lgi－∑LgS+n·∑Lgt)=0同理∑Lgi·－m1LgS_n∑Lgt)=0(5-10)式中m1---降雨历时的总项数.联解(5-9)、(5-10)式，可得（5-11）和（5-12）两式，即n=（∑Lgt-n∑Lgi∑Lgt）/（m1∑(Lg2t)-∑(Lgt)（5-11）此式所求得的只是属于某一重现期T的暴雨衰件指数n、T。对应不同重现期T，可得出多个略有不同的n、T。在统一的暴雨公式中，应取平均值作为采用值，即n=∑nT/m2。因此得LgS=1/m1（∑Lgi+n∑Lgt)（5-12）最后，为了求得参数A1和B值，对式S=A1+BLgT运用最小二乘法得第四节设计暴雨的时程分配设计暴雨的时程分配就是设计暴雨的降雨强度过程线，也称设计雨型。设计暴雨时程分配对流域的设计洪峰和设计洪水过程线影响较大。我国拟定设计暴雨的时程分配方法有两大类；一种是当有充分实测暴雨资料时，采用典型暴雨放大法。即选择能反映本地区大暴雨特性的，且总量大，强度大，接近设计条件，对排水工程不利主峰雨偏后的暴雨过程作为典型暴雨，以不同时段的同频率设计暴雨量控制，分段放大，使设计暴雨过程的各时段雨量都达到同一设计频率。另一种是缺乏实测暴雨资料情况下采用分区综合概化的典型概化雨型(一般以相对百分数表示)，推求设计暴雨的时程分配。各省市（自治区）水文图集均有典型概化雨型的使用方法。第五章小结本章介绍了设计暴雨的概念、作用和主要计算方法。重点是年最大24h设计暴雨和雨量~频率~历时关系的分析及应用。第五章课堂讨论与练习一、简述题1、什么是城市设计暴雨？为什么要研究城市设计暴雨？2、为什么城市设计暴雨不考虑暴雨量在空间上分布的不均匀性？3、为什么城市雨洪排水管网设计以设计洪峰为主要控制参数？4、城市设计暴雨为什么可以用点雨量代替面雨量？5、我国目前为什么要推求年最大24h设计暴雨量？6、写出我国常用的短历时暴雨公式，并说明各项参数意义和确定方法？7、什么是设计暴雨的时程分配？我国拟订城市设计暴雨时程分配的方法有那两种？106 8、对分析综合暴雨的雨量~频率~历时关系曲线有什么实际意义？二、填空题1、推求设计暴雨分为的两个基本方法是和。2、设计暴雨的计算内容包括设计暴雨、和设计暴雨。3、暴雨点面关系是指和的关系。4、最大24h雨量与最大1日雨量的比值α是，黑龙江省的α是。5、短历时暴雨公式中的ip表示。Sp表示。三、概念题1、成峰暴雨，2、设计暴雨，3、雨力，4、暴雨衰减指数。第六章城市雨洪径流计算第一节概述城市雨洪的产流和汇流计算，其基本原理和一般流域的产汇流计算基本一致。其差别主要在于由于其城市下垫面条件的某些特殊性，如城市地区的不透水面积比例较大以及下水管道汇流等。致使城市地区的雨洪过程计方法具有一定的特殊性。例如，城市排水系统中的雨洪过程绝大部分为地面径流，径流过程线历时短，涨落幅度大，，且基流小。因此，城市地区的产流计算应着重于地表径流部分，对于对于壤中流可不予考虑，即把地下径流作为损失处理。城市地区的汇流特点是：从屋顶、路面、和一些铺砌面上产生的径流进入人工筑砌的边沟、渠道，再汇入下水道系统或受纳水体，这与天然流域有较大差别。城市的降雨径流过程，依据水流方式分成地表径流和下水管道传输两个子系统，并可用水文学或水力学的数学模型进行模拟。数学模型是人们对研究对象及其演变过程而做出的数学模拟。由于城市水文现象和演变过程的复杂性，人们很难模拟它们的所有方面，因此模型只能对原型做不同程度的简化和概化。为了保证模型的模拟精度，需要用实测资料来率定模型的结构和模型参数。一般而言，模型结构越复杂，包含的参数越多，则检验和率定的工作量越大。因此，需要综合考虑建模的目的（如工程规划、设计和管理运用等），和要求模型模拟的项目和精度：另一方面，要考虑所具备的条件、人力、武力和时间等条件。这样才能确定模型的精度，并选择适当的模型结构和相应的模型参数。建模的过程是一个不断调整的过程，也的一个不断完善和提高的过程。模拟城市雨洪径流过程的数学模型有两类：分布式水文模型和集总式水文模型。分布式水文模型是建立在微观物理定律（连续方程和动力方程）的基础上它可以模拟坡面和管路水流，若将精确的初始条件和边界条件作为模型的输入，按照一定的算法，可以得出模型的输出（即符合精度要求的数值解）然而，实际的雨洪过程的初始条件和边界条件很复杂，有时是不确定的，而且，难以精确测定下垫面的各项参数。因此，必须对条件做简化和近似处理，并在模型中往往还要加入一些经验参数，替代那些不易直接测量的参数。这样模型程序不再是严谨的解析法求解，而是有一定的经验性和近似性。实际采用时，必须采用实测资料进行率定。106 集总式水文模型结构，通常由较简单的经验关系组成，属于黑箱或灰箱系统。这类模型的参数虽然具有一定的物理意义，但不一定是可以观测的物理量。一般，其参数是通过输出过程与实测过程的拟合来优选确定。这两类模型在应用上有些不同。分布式水文模型参数大都具有明确的物理意义，常可通过测量和实验合理的确定其数值，故可直接用于无雨洪资料地区。集总式水文模型必须在有雨洪资料地区率定模型参数，并建立模型参数与流域特征的关系，然后移用于无资料地区。由于分布式水文模型需要描述全过程，其参数较多，相互之间又有一定的联系，鼓不宜采用优选法。集总式水文模型参数较少，而且，大多属于经验参数，并不要求按严格的物理意义来确定其数值，因此，一般可通过优选法率定参数。第二节城市流域的产流计算城市区域的产流过程实际上就是暴雨的扣损过程。当降雨量满足截留和填洼，并且雨强超过下渗强度，地面开始积水，并形成地面径流。影响降雨损失过程的因素很多，情况也很复杂，目前损失估算或选择损失参数，这样是采用经验方法。一、截流截流是指降雨停留在植物枝、叶、干和其他地面覆盖屋上的降雨量。截流全部耗于蒸发。超过截流能力的降雨量才能到达地面形成下渗、填洼、和径流。小流域上，截流量可能是造成径流滞后想像的主要原因之一。通常认为截流的水量全部集中在降雨的初期部分。霍顿（Horton）曾测量和绘制了但次暴雨对各类树木的降雨截流关系，见下图6-1。图中可见，降雨～截流关系基本上为直线关系。其综合关系式为：Ir=a+bPn（6-1）式中Ir—植物截流量（in）即英寸；P—降雨量（in）：a、b、n—参数。参见下表。表6-1植物截流量公式中参数表植被abn覆盖系数果园0.040.181.000.25h白蜡树0.020.181.00山毛树0.040.181.00橡树0.050.181.00枫树0.040.181.00柳树灌木林、铁杉属植物和松木林0.020.050.400.201.000.50豆类、土豆白菜及其他山坡作物0.02h0.15h1.00苜蓿植物和草0.005h0.08h1.001.00饲料植物苜蓿巢菜黍等0.01h0.10h1.001.00小谷物、黑麦、消灭、大麦0.005h0.05h1.001.00玉米0.005h0.005h1.000.10h106 注：h为植物高度（英寸）；覆盖系数即单位面积上植被覆盖面积（植被率）。应根据实际植物的郁闭度来确定，对于草类取1.0计。二、填洼填洼是停留在小块洼地中的消耗于蒸发与下渗不能形成地表径流的水量。林斯利（Linsley）等人建议在无资料地区最大填洼量Sd采用下列数值：透水地区取0.25英寸（6.35mm）；不透水地区取0.0625英寸（1.59mm）。希克斯（Hicks）建议Sd数值为：沙土为0.02英寸（约0.05mm）；黏土为0.10英寸（2.54mm）。丹佛地区政府委员会编制了该地区地面覆盖的最大填洼深度表，见表6-2。它与希克斯的数值相似。表6-2不同地区地面覆盖物的最大填洼深度表地面覆盖物填洼量（英寸）建议值（英寸）不透水大面积铺砌屋顶（平坦）屋顶（不平坦）透水草地树林和耕地0.05～0.150.1～0.30.05～0.10.2～0.50.2～0.60.10.10.050.30.4注：1英寸等于25.4mm。三、下渗下渗是雨洪计算中的一个重要影响因素。这里介绍几种常见的下渗模型（下渗曲线公式）。1、霍顿（Horton）公式霍顿早在上世纪40年代就提出了著名的下渗曲线公式。现仍被广泛应用。下渗曲线公式形式为f=f0+（f0—fc）－kt（6-2）式中f0—初始下渗率（in/h）；fc—稳定下渗率（in/h）；k—下渗衰减指数（1/h）；t—下渗历时（h）。美国土木工程师协会和水污染控制联合会于1982年根据霍顿理论绘制了适用于沙土、居民区和商业区的下渗曲线，如图6-2所示。霍顿曲线本身的问题是没有考虑土壤的含水状态。即没有考虑土壤水分的因素，公式中下渗率f只是时间t的函数，并认为同类土壤的下渗曲线的不变的。实际上下渗现象并非如此，降雨开始时土壤水分不同，下渗曲线是变化的。此外，降雨强度的变化也会影响下渗曲线的改变（波动）。为了解决上述矛盾，曾有各种处理方法，其基本原理基本相似。即认为霍顿公式表示在下渗处始时刻土壤水分为零，降雨强度始终超过下渗率的充分供水情况下的下渗能力曲线，并可通过图解的方法求得实际降雨过程的下渗率过程。现以一次降雨过程说明分析方法。实际降雨过程下渗分析法106 （1）绘制降雨强度过程线（i～t）及累积降雨过程线（∑i～t），见图6-3（a）。（f～t）～（2）根据流域土壤类别，求得下渗能力曲线（f～t），同时也绘制累积下渗曲线（∑f～t），见图6-3（b），其中∑f=∫f（t）dt=∑fi△t（3）通过适当方法估算降雨处始时刻t0时的土壤含水量Sd。（4）以相同比例尺绘制（∑i～t）及（∑f～t）曲线，见图6-3（c）中的两条虚线。（5）将图6-3（c）中的（∑f～t）曲线平行上移距离Sd，即得（∑i+Sd）～t曲线。（6）再将图6-3（c）中的（∑f～t）曲线向右平移，使之与（∑i+Sd）～t曲线相切于B点。由图6-3（a）可看到，B点以前的降雨强度i（t）小于下渗能力f（t），则t0到t1时段内的降雨量全部渗入地下形成土壤含水量S（t1），即S（t）=Sd+∫i（t）dt而B点以后，降雨强度增大而超过了下渗能力，则按下渗能力下渗。t1时刻的下渗能力f（t1）可由图6-3（b）根据S（t1）求得相应的f（t1）=f1。（7）从图6-3（d）中的降雨强度过程线可以看到，在t1时刻以前，实际下渗强度等于降雨强度，t1时刻下渗强度为f1。其后t1至t2时刻则按下渗能力下渗。图中阴影面积为下渗水量，即本次降雨过程的损失量，其余部分为地表径流量。2、格林（Green）和安普特（Ampt）公式格林——安普特下渗公式如下：f=（K/Lf）（H0+Hc+Lf）（6-3）式中K——湿润锋面以上的土壤水力传导度（与下渗率单位相同）；H0——地表面积水深（常忽略不计）；Hc——毛细管作用水头；Lf——地表面到湿润锋面的距离。格林——安普特下渗概念如下图6-4所示。该公式的物理基础是著名的达西（Darcy）定律。另外假设，在饱和土壤层深度Lf的下部有一界限分明的湿润锋面和毛细管作用，以及多孔介质在湿润锋面以上的饱和度和水力传导度不变。公式中的参数K、和Hc和Lf通过野外现场资料估算。假设所有孔隙被前进的湿润锋面中的水充满，下渗率就等于入渗水深变率dLf/dt乘以湿润孔隙率Qf。此Qf实际上就是土壤总空隙率Q0和土壤下渗前期的含水量体积之差。其变化幅度，紧密的黏土质粉沙为5%，粗沙为30%。因此，入渗公式改为：f=Qf.（dLf/dt）=K/Lf（H0+Hc+Lf）（6-4）如果能取得H0、Hc、K和Lf，则f和Lf为时间的函数，可用相当小的步长（即t的时间间隔），作近似计算，并能绘出一条类似霍顿公式的下渗曲线。现举例如下：设H0=20cm，Hc=18cm，K=30/h，Qf=0.2，求f与Lf。（可列表计算，见表6-3）表6-3下渗率与湿润锋面深度计算表（据6-4式）t（min）f（cm/h）△Lf（cm）Lf（cm）00.5123`63.019.616.513.311.72.630.811.381.111.003.634.445.826.93106 4681015203040609012018024030010.69.28.47.86.86.25.55.14.64.24.03.83.63.50.971.771.531.393.242.835.184.68.5211.5610.5920.0818.7918.067.909.6611.2012.5915.8318.0623.8428.4336.5948.5159.1079.1897.97116.03计算时湿润锋面初始深度一般取Lf=1cm，（因为若取Lf=0，则f趋于无穷大，而Lf的初始值对整个计算影响不大）。对每一时段，f作为时段初（开始）的Lf的函数来计算。这就要求在f变化较大的部分时段取得短一些；当f变小时，时段可逐渐加大。逐时段末的湿润锋面Lf用于下一时段计算f值。计算结果见表6-3。表中计算说明如下：当t=0时，用（6-4）式计算，f=（K/Lf）（H0+Hc+Lf）=（3/1）（2+18+1）=63cm，Lf）=1.00（第一次取值）；当t=0.5分（1/120h），首先由上时段末f=63cm计算△Lf，即由f=Qf△Lf/△t反求，即△Lf=t×△t/Qf，△Lf=63×1/120÷0.2=2.63cm，而Lf=2.63+1.0=3.63cm；f=（K/Lf）（H0+Hc+Lf）=3×（2+18+3.63）÷3.63=19.5；当t=1.0分（1/60h）时，由上行计算△Lf=19.6×1/120÷0.2=0.81，Lf=0.81+3.63=4.44，而f=3×（2+18+4.44）÷4.44=16.5；由f=16.5计算t=2分（1/30h）时的△Lf=……。将计算每一时段开始时刻下渗率作为该时段的平均值。这一计算程序总下渗率会偏大。幸而，这个误差能自行平衡，因为Lf的偏大会导致f值偏小。3、φ值指标法φ值又称损失指标，即表示在充分供水条件下的损失强度，以mm/min计，代表损失强度的能力。φ值指标法是一种简便而粗略的扣损方法。假设每次降雨过程的产流强度r（t）（mm/min）符合下式：r（t）=i（t）-φ当i（t）≥φ产流0当＜φ不产流式中i（t）——t时刻的雨强，（mm/h）。φ值确定方法采用小流域的孤立暴雨洪水资料，如图6-4所示。图中C点为地面径流停止点，即地下径流始退点。洪峰点B至C点时距为流域地面径流退水历时T。采用下列经验公式：T=19.84F0.2（6-4）106 式中T——流域地面径流退水历时（h）；F——流域面积（km2）。本流域F=0.805km2，计算流域退水历时T=19h，将AC连成直线，分割地面径流为45.1mm，由雨强过程i（t）通过试算方法或由∑i～t曲线通过图解法求得φ=3.96/mm/h。注意：流域退水历时T应通过多次洪水分析综合或取平均值确定。φ值多采用平均扣损法计算。表6-4流域退水历时T经验表流域面积（km2）T（d）流域面积（km2）T（d）25012505000234120002500056φ值又称f（平均损失率），各省水文图集均有综合成果。第三节城市雨洪过程汇流计算的水文学方法雨洪过程汇流计算的水文学方法是采用系统分析的途径，即分析领域系统的输入X（t）（净雨过程）、输出Y（t）（出流过程）流域系统功能函数h（t）三者之间的关系。如下图6-5所示。如以函数形式表示，即Y（t）=h（t）※X（t）（6-5）式中※——表示系统卷积分运算。传统的水文学方法和近年发展起来的流域汇流模型，都是依据输入和输出过程的实测资料来分析各个具体流域的汇流特性，即流域系统的功能函数及其方法。由建立的汇流计算参数，曲线或模型，就可以计算每年实际或设计净雨过程所形成的实时洪水或设计洪水过程。显然，上述水文学方法同样实用于城市水文研究，但不可用于城市化流域以及个别河段（或河网）或排水管路网络系统。由于这些地区往往不具备足够的实测资料，因而，传统的方法如等流时线法、综合单位线法和具有一定物理基础的概念性模型，在城市水文学中应用较为广泛，现分述如下。一、等流时线法1、等流时线的概念早在上世纪30年代就以提出，用也分析断面流量组成。基本假定是流域上个点的流速不随时间变化，每个水质点流达出口断面的汇流时间τ不随时间改变。等流时线就是流域上到达出口断面的汇流时间相同的个点的连线。如图6-6所示。整个流域的汇流特性可以用流域地形图上一组等流时线来描述。这组等流时线可进一步概括出一条汇流时间～面积曲线（图6-6（c））。汇流时间～面积曲线是汇流时间小于等于τ的面积随τ变化的累积曲线。它是描述流域等流时面积的分布特性。流域汇流特性有可以用汇流时间～面积的微分曲线表达，即dA/dτ=f（τ）（见图6-6）该曲线反映了等流时面积的变率。2、径流成因公式如果有了流域汇流时间～面积曲线，并且汇流速度为常数，也即汇流曲线为常定，则可利用106 这条曲线进行汇流计算。令微分面积上的微分净雨即dr/dt，经过汇流时间τ到达出口断面形成的流量为dQt=dr/dτdA/dτ而全部流量Qt为Qt=∫∫dr/dτdA/dτdτ=∫∫drdA/dτ取dt=dτ（即净雨时段长等于部分面积汇流时间长）并取有限差式有：Qt=∑△ri，t-i+1△Ai/△t（6-6）式中i=1、2、……n为以△L划分河网等流时段数；自河口向上计算。而△L=V△τ（τ=L/V）其中V为领域平均汇流速度，通过实测资料分析。对于小流域一次洪水平均流速取洪峰流速的0.8计。△τ取△t（净雨时段长）计。3、计算举例及存在问题标6-5某站等流时线法推流计算表日期日.时△r（mm）△A（Km2）△t.△A（106m3）Qd.△tQdQ实1018.411.810.06.53.025.101316192226.147101316192227.147101310.018.411.810.06.53.021043055093089082010504102.104.305.509.308.908.2010.54.13.867.9110.2117.1116.3815.919.327.542.485.076.4710.9710.509.6812.394.842.104.305.509.308.908.2010.504.101.362.803.586.045.785.336.822.660.631.391.652.792.672.463.151.232.108.1615.8926.5938.1644.4850.2649.6936.7023.3413.385.811.23019475614702460353041204650460034002160124053811308020274010401710264033803590335026502130163013701050910700620470说明：本例△t.=3h，△L=15km，V=1.4/S。如等流时线法计算与实测流量过程对照见图6-7所示。（△r2/10）Q1、q1；从计算结果对照图可以看出，涨洪过程偏高偏早，落洪106 段则很快退完。与实测过程的系统偏差是等流时线法本身的原因，以dA/dτ=f（τ）作汇流曲线，其理论误差是没有考虑流域与河槽的调蓄作用。另外，汇流速度沿程不变也是不符合实际的。二、经验单位线法经验单位线法在工程水文学中应用非常普遍，效果也很好。1、单位线概念和基本假定单位线的定义是：在给定的流域上，单位时间内降落在流域上的均匀的单位净雨，在出口断面形成的地面流量过程线。称单位过程线，简称单位线。单位净雨常取10mm，单位时间△t可取1、2、3、6、12……h等国际流域大小而定。单位线通常以系列的离散流量坐标q1、q2……表示。如下图所示。单位线的基本假定（1）倍比特性。单位时段内不是一个单位净雨而是n个，那么它形成的地面流量过程线是各流量纵坐标Qi为单位线坐标qi的n倍；（2）叠加特性。如果净雨历时不是一个时段，而是m个，那么各时段净雨形成的流量过程互不干扰，并等于m个流量过程的叠加而成。由以上假定可得净雨量rd、出流量Qd和单位线qi之间的关系为：Qd，i=∑rdqi-j+1（1≤i-j+1≤m）（6-7）式中Qd，——流域出口断面时段末地面流量，m3/S；rd——时段净雨量，mm；qi——单位线时段末流量，m3/S；i——单位线底长时段数，i=1、2、……n；j——净雨时段数，i=1、2、……m。应用单位线时，其三个控制要要素是单位线峰值qm、单位线洪峰滞时tp和单位线底长T。（简称单位线三要素）2、单位的应用已知流域设计净雨和单位线推求设计洪水过程线，一般列表进行，（也可利用计算机进行），参见表6-5。3、单位线的推求方法单位线只能从实测资雨洪资料推求。即通过中小流域实测暴雨洪水资料，尽可能是孤立的洪水或是容易分割的复式洪水，通过产流方案（即上节的扣损方法）使得地的净雨和分割地下水后的地面径流量相等，采用下列三种方法之一推却单位直线。包括：试错法、分析法和图解法。（1）试错法又称试算法。主要做法是首先假定一条单位线的纵坐标，（注意假定单位线的总量必须是10mm）；右已知的净雨过程根据单位线的假定，推算计算出流过程线；对比与已知的实测地面流量过程线是否相等，若不等，则重心假定一条单位线，直至与实测地面流量过程线相等，该条单位线即位、为所求。本法适用于净雨时段n多于3个以上。缺点是比较麻烦，计算工作量大，若设计程序使用计算机更为方便。（2）分析法推却单位线分析法推却单位线适用于净雨时段n在两个以下时。当只有一段净雨时，只有将地面流量过程线纵坐标分别除以净雨量10mm的倍数即得单位线纵坐标。当净雨为2个时段，分别为△r1、△r2，地面流量过程线如下图示。106 图中可见，Q1=（△r1/10）q1；q1=（10/△r1）Q1；Q2=（△r1/10）q2、+（△r2/10）q1；q2=（10/△r1）Q2—（△r1/△r2）q1；Q3=（△r1/10）q3+（△r2/10）q2；q3=（△r2/10）Q3—（△r1/△r2）q2；……上式中Q、△r2均为已知，故可逐一求解q1、q2、q、；……。计算过程见表6-6。表6-6某站分析法推求单位线计算表（A=5290km2）时段△t=6h地面径流Q（m3/S）时段净雨△r1（mm）部分径流（m3/S）单位线q（m3/s）修正单位线（m3/s）实测Qd（m3/S）△r1=24.5△r2=20.3（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）0123456789101112131415018666719352450190012808505604002772021428040024.520.301865131510120091052541521622194124394800154425125099075543534417918378103324000762106174903722141708890385116200076210617490355240155105735238221200186668193624501865130886757139227619913184240合计10969（44.8mm）44.82445（10.0mm）10957（44.7mm）（3）图解法求单位线（略）本发法主要思路是利用净雨比做辐射比例尺，将地面流量过程划分为部分径流，进而反求单位线。4、单位线综合单站单位线综合106 用于本流域汇流计算模型时，序言对计算求得的单位线（UH）作进一步的归纳和钙概化。常用以下两种方法。（1）当各次雨洪求得的UH变化不大时，可取其平均单位线用做流域汇流计算模型，注意对UH的qm和tp确定要合理，总量等于10mm。（2）各次洪水的UH变化较大，可通过暴雨中心位置和主雨强度等分别求平均单位线，建立分类单位线作为流域汇流模型。如下图。区域单位线综合目的是便于无资料地区移用。一般采用流域面积、形状、坡度以及净雨量、雨强等因素与单位线三要素相关分析，综合得出经验公式。例如：三、瞬时单位线法瞬时单位线的基本概念首先由克拉克（C。O。Clak）于1945年首先提出了IUH的概念，其后爱尔兰人纳须（J。E。Nash）、杜格（J。CDooge）、周文德（T。V。ChowJ）、加里宁等人进一补发展了IUH。目前，生产部门应用的是纳须的IUH模型。纳须设计了一个流域汇流模型，即认为由降雨产生的出口断面洪水过程是流域的净雨过程r（t）经流域调蓄的产物，而流域对净雨过程的调节作用，又可假设为是由n个相互串联的线性水库调蓄的结果。这个线性水库是指水库的蓄水量W与泄流量Q之间为线性关系，即W=KQ。图6-11蓄水设有净雨过程r（t）或r，相当于水库的入流，第一个水库的出流过程Q1（t）或Q1。水库入流和出流之差为蓄水变率Dw/dt，故第一个水库的水量平衡方程为r-Q1=dw1/dt（6-8）又线性水库的蓄水量和泄流量之间的线性函数，故蓄泄关系可概化为W1=K1Q1（6-9）联解上式（6-8）和（6-9），并一微分运算符D表示d/dt，即得Q/（1+K1D）同理，对第而个水库，第一个水库的出流即为第二个水库的入流，第二个水库的出流用Q2表示，则Q2=（1/1+K1D）Q1=（1/1+K2D）×（1/1+K1D）r若经过几个水库的调蓄，出口断面的流量过程为，Q（t）=（1/1+K1D）（1/1+K2D×…×（1/1+KnD）r（t）因为是几个相同的线性水库，即假定K1=K2=…Kn=K，故上式为Q（t）=〔1/（1+KD）n〕r（t）这是一个n阶常系数线性微分方程。因此，纳须设想的流域汇流模型为参数不变的线性系统。106 2、按瞬时单位线的定义，即当入流r（t）为瞬时单位净雨（一个脉冲净雨），Q（t）即为瞬时单位线。应用脉冲函数和拉普拉斯变换，得出瞬时单位线基本公式：u（0，t）=〔1/K「（n）〕（t/K）n-1e（-t/k）（6-10）式中「（n）——n的伽码函数，即（n-1）！；n——相当于水库数或调节次数；k——相当于分段内的传播时间；e——自然对数底；t——时间。公式中的n、k为两个待定参数。纳须巧妙的用统计学中的“矩法”确定参数n、k植。因为只有两个参数，求矩时仅用到二阶矩。可以证明净雨工程r（t）、瞬时单位线u（t）和出流过程Q（t）之间的关系，如图6-12所示。M（1）（U）=M（1）（Q）—M（1）（r）N（2）（U）=N（2）（Q）—N（2）（r）则N=〔M（1）（U）〕2/（N（2）（U））k=N（2）（U）/M（1）（U）式中M（1）（Q）、M（1）（r）、M（1）（U）——分别为Q（T）、r（t）和IUH的一阶原点矩；N（2）（Q）、N（2）（r）、N（2）（U）——分别为Q（T）、r（t）和IUH的二阶中心矩。3、实测雨洪资料推求n、k求矩示意如下图所示。计算举例已知某流域7月30日次暴雨洪水径流分析后的净雨过程和地面径流过程摘录见表6-7和表6-8中。净雨过程一阶原点矩和二阶中心矩计算如下表表6-7某流域净雨过程一阶原点矩和二阶中心矩计算表日期d。h△riti△ritiTi-M（1）（r）〔Ti-M（1）（r）〕△ri〔Ti-M（1）（r）〕（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）7．30.14～2020～233.29.53999.685.5-1.34.71.722.156.421042.7185.1266.4计算说明：表中（1）、（2）、（3）栏为已知，由净雨工程摘取；（4）栏=（2）栏×（3）栏；由（4）栏合计除以（2）栏合计。计算净雨过程一阶原点矩，即∑△ri。Ti/∑△ri=M（1）（r）=185.1/42.7=4.3h；（3）栏各行分别减一阶原点矩（4.3h）记入（5）栏；（6）栏（5）为栏平方；（7）栏=（2）栏×（6）栏，（7）栏合计除以（2）栏合计即得净雨过程二阶中心矩，JI即N（2）（r）=∑〔△ri（ti-M（1）（r））〕2/∑△ri=266.4/42.7=6.2h。表6-8某流域地面流量过程一阶原点矩和二阶中心矩计算表月。日。时QiQitiQititi-Qi（ti-Qi）2Qi（ti-Qi）2（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）106 7.30.14201.2814202281420328142042093.9549120089050631122717212076.251.934.616.32.7047.0321875104569840926920014698.164.143.325.59.51.4391524273339455157636975818714128891312521945188461349710491900074465592403829881913770122-23.5-17.5-11.5-5.50.56.512.518.524.530.536.542.548.551.554.560.5552300132300.34.215634260093013321806235229703660295478226115500313502091717841964684008760091233853817820059976282155124合计4251.9112803811150表中计算说明|：（1）、（2）、（3）栏为已知（由分割后的地面流量过程线摘取）；其中（3）栏为（2）栏相邻时段平均值；（4）栏为各时段中点至原点的时距（h）；由（5）栏合计除以（3）栏合计计算流量过程的一阶原点矩，即M（1）（Q）-112830/4251.9=26.5h；（6）栏=（3）栏×（7）栏；（7）栏为（6）栏平方；（8）栏=（3）栏×（7）栏，（8）栏合计除以（3）栏合计计算流量过程二阶中心矩，即N（2）（Q）=811150/4251.9=190.8h2。计算本次洪水的n、k；N=〔M（1）（U）〕2/（N（2）（U））=（26.5-4.3）2/（190.8-6.2）=2.7k=N（2）（U）/M（1）（U）=（190.8-6.2）/（26.5-4.3）=8.34、瞬时单位线的应用——S曲线。（1）S曲线。S曲线即单位线的累积曲线，因其形状如S故此得名。已知瞬时单位线，则S（t）=∫u（t）dt=∫〔1/K「（n）〕（t/K）n-1e（-t/k）dt=1/K「（n）∫e（-t/k）d（t/k=f（n，t/k）已知n、k查专用的S曲线表即可求得S曲线。（2）由S曲线转换成无因次的时段单位线。即u（△t，t）=S（t）-S（t-△t）（3）无因次的时段单位线转换成10mm时段单位线，即Q（△t，t）=（10×A）/（3.6×△t）×u（△t，t）式中A——流域面积，（km2）；△t——时段长，（h）：3.6——单位换算系数。可列表计算和才计算机进行。106 IUH应用举例。苏北某地流域面积A=110km2，河道干流平均坡度J=1.34m/km，设计标准P=2%，已知24h暴雨及其时程分配如下，试求设计洪水过程线？某站设计净雨过程表（△t=2h）（P=2%）时段数1～56789～1224净雨量△r（mm）04060800180计算步骤：1、查苏北山区经验公式：m1=1.96×（A/J）0.4m2=0.35因为A/J=110/13.4=6.2，故m1=1.96×（6.2）0.4=4.2；2、n=1/m1=1/0.35=0.30，K=m1×m2=4.2×0.35=1.47；IUH法设计洪水过程计算表t（h）t/kS（t）S（t-2）u（2，t）q（2，t）Q1Q2Q3Qd（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）024681012141618202201.362.724.085.446.808.169.5210.912.213.615.000.1670.5310.7760.9120.9700.9860.9970.9990.99900.1670.5310.7760.9120.9700.9860.9970.9990.99900.1670.3640.2450.1360.0580.0160.0110.0020025.555.637.420.88.862.441.680.300010222215083.235.49.766.721.20015333422412553.214.610.01.8002044443001667117.913.42.40010237568875146022992.330.715.22.40合计0.9992745.63、由N=0.30，K=1.47查S曲线表记入（3）栏；4、（4）、（5）、（6）栏转换为△t=2h的单位线；5、（7）、（8）、（9）栏为部分地面径流量。（10）栏为设计地面流量过程。5、综合瞬时单位线实测资料表明，瞬时单位线的参数与流域特征有关，如流域面积A，主河道平均坡度J等。因此，可建立IUH的参数与流域特性的综合公式。故称综合瞬时单位线。实际工作中不直接采用n、k进行综合，而是：令m1=nk，m2=1/n，然后以m1、m2代替n、k进行综合：综合公式形式：106 m1=K1AαJβm2=K2Jγ式中α、β、γ——指数；K1、K2——系数。m1：又称洪峰滞时，反映流域汇流时间，受流域特性影响较大；m2：主要影响峰现时间，对洪峰大小影响小，且比较稳定。上世纪60年代纳须综合英国90余流域的资料得出：m1=2.76A0.3SF-0.3或m1=20L0.3J-0.3m2=0.41L-0.1SF-0.3或m2=m1-0.2SF-0.1式中A——流域面积；SF——流域平均坡度；L——主河道长度；J——主河道坡度；例如，江苏省苏北平原取m1=1/2，而m2=2.94（A/J）0.35黑龙江省水文图集（1996年）综合的经验关系m1：=Ba-0.31B=C3A0.16J-0.35，或B=C2A0.27n=0.2m10.74K=m1/n式中B值为反映流域特性的参数，量值为平均雨强a等于1时的m1值；C3——反映流域面积、河流坡度的综合参数；A——流域面积；J——河道平均坡度。另外，为了改正IUH的线性假定，许多省份还考虑降雨强度、降雨历时和水力条件等影响，对m1进行非线性改正，进行综合，如黑龙江省建立了m1与雨强的经验关系：m1=aib式中a——系数；b——非线性指数；i——主峰雨的平均雨强。C2、C3值给出了全省的等值线图，可供查用。第四节城市雨洪工程汇流计算的水力学方法（略）106 第五节城市雨洪工程汇流计算的推理公式方法推理公式又称“合理化”公式。是目前世界上广泛采用的一种方法。至今已有100多年的历史。推理公式将暴雨形成洪水的过程分为产流和汇流两个阶段，然后在一定的假定和概化的基础上，利用等流时线原理，经过一定的推理过程得出洪峰流量公式，所以称为推理公式。一、推理公式的基本假定及公式的建立1、基本假定（1）推理公式计算洪峰流量是以暴雨的设计率作为设计洪峰流量的设计频率，即认为暴雨与洪水是同频率的。（2）洪峰形成过程中在造峰历时内雨量和损失在地区上、时间上都是均匀的，即净雨强度不随时间、地点变化，各点的汇流速度不变。2、公式的建立流域出口断面的流量过程是流域上平均净雨强度与汇流面积的乘积的变化过程。当乘积达到最大值时即出现洪峰流量。为了进一步说明问题如图6-7所示。图中绘出了3条等流时线，f1、f2、f3为相邻等流时线间部分面积称共时径流面积。流域最远一点的径流达到出口断面的时间称流域最大汇流时间τ。造峰暴雨强度大于损失的历时称为产流历时或净雨历时tc。τ与tc的关系对Qm的形成有着显著的影响，可分为以下三种情况：（1）产流历时等于汇流历时，即tc=τ。如图6-8所示。设tc=3△t，τ=3△t，则净雨划分为三个时段，即r1、r2、r3，共时径流面积分别为f1、f2、f3，暴雨强度为R/△τ。（2）产流历时大于汇流历时，即tc＞τ。设tc=4△t，τ=3△t，则净雨划分r1、r2、r3，r4。共时径流面积为f1、f2、f3。（3）产流历时等于汇流历时，即tc＜τ。设tc=2△t，则净雨划分两个时段为r1、r2，共时径流面积为f1、f2、f3。根据等流时线观念，可导出上述三种情况的洪峰流量。当tc=τ时，Qm=（hτc/τ）F为全面汇流当tc＞τ时，Qm=（hτ/τ）F为部分汇流当tc＜τ时，Qm=（hτc/τ）F为部分汇流三个式子基本形式是一致的，而只有在tc时段内的暴雨对造峰暴雨对造峰有作用，故可归纳为一个式子，即：Qm=Kψ（Xτ/τ）=KIψiF（6-3）式中Qm——最大洪峰流量，（m3/s）；τ——最大汇流历时，h（min）；Xτ——τ时段内的最大暴雨量，mm；ψ——洪峰径流系数；106 F——流域面积，km2；i——平均降雨强度，mm/h；K——单位换算系数，当τ取h时，K=0.278；当τ取min时，K=16.67。上式为推理公式的一般形式，如果推求某一频率的Qmp，必须确定Xτ、τ、ψ等。由于求解参数的方法不同，便形成了各子各种不同的方法。一、水科院法即北京水利部水利科学研究院提出的方法。是把小流域的形状概化为矩形，沿河槽长度等距划分等流时线，并假定等流时线间的汇流面积随时间呈直线变化，在这种情况下得出充分供水时全面汇流的造峰流量公式。以全领域造峰为基础即，即tc=τ为条件计算暴雨，对洪峰径流系数ψ值，则分为全面汇流和部分汇流两种情况加以讨论。以tc=τ，和暴雨公式i=S/tn代入上式得Qm=0.278ψ（S/tn）F（6---4）该公式适用范围：在多雨地区，视地形条件一般为300～00km2以下；在干旱地区为100200km2以下。不适用于岩溶、泥石流及人为影响严重的地区。水科院公式中参数的定量方法。（1）ψ值计算由于ψ值影响因素从多而复杂，直接推求ψ值不易获得满意的结果。目前多采用间接方法，即采用扣除平均损失强度（平均下渗强度）的方法解决。平均下渗强度指产流期间内损失强度的平均值。采用μ值表示。水科院根据暴雨公式i=S/tn的性质，把暴雨强度概化为下图所示形式。并认为瞬时暴雨强度i=μ时，是产生净雨和不产生净雨的分界点。由此可决定最大产流历时tc。因为历时t内的平均暴雨强度为it=S/tn（6-6）则t时段内总降雨量（毛雨）为Xt=itt=St1-n（6-7）而历时为t的瞬时暴雨强度可对上式微分求得，i=dXt/dt=d/dt（St1-n）=（1-n）St1-n=（1-n）it参考上图当i=μ时，t=tt（产流时）上式改为μ=（1-n）Stc1-n（6-8）或μ=（1-n）irc（6-9）将（6-8）式移项得tc=〔（1-n）S/μ〕1/n（6-10）当tc＞τ时属全面汇流τ时段内总降雨量Xτ=Sτ1-n时，而损失量为μτ于是，τ时段内总净雨量为hτ=Xτ-μτ则ψ=hτ/Xτ=（Xτ-μτ）/Xτ=1-（μτ/Sτ1-n）=1-（μ/S）τn（6-11）当tc＜τ时属部分汇流情况，此时τ时段内总降雨量Xτ，而损失量为=Xτ-hR，即hR=Xtc-μtc=itctc-μtc=（itc-μ）tc106 将（6-9）式代入得总净雨量hR=〔itc-（1-n）itc〕tc=nitctc，再将雨强公式it=St-n代入，此时t=Tc，it=itc，则hR=nStc-ntc=Stc1-n（6-12）于是ψ=hR/Xτ=（nStc1-n/（Sτ1-n）=n（tc/τ）1-n（6-13）（6-11）和（6-13）式表示洪峰径流系数ψ与集流时间τ以及n、S、等因素有关，反映了气象、地质与地形因素的影响，表明不同自然条件下各流域ψ与τ的变化规律。（2）μ值计算用（6-10）式计算tc，用（6-12）式求ψ值，都需要先定出μ值。而μ值在推理公式中是综合反映流域产流过程中的损失参数。它与土壤的透水性、地区植被情况和前期土壤含水量有关，而且还与降雨量大小和时程分配特性有关。因此，不同地区其数值差别很大。由于μ值不容易确定，水科院主张利用当地实测雨洪资料分析确定，对于无实测资料地区可查用水科院给出的有关图表。将（6-10）式代入（6-12）式，得hR=nS〔（1-n）S/μ〕c1-n移项并简化得μ=（1-n）n（n/1-n）（S/hRn）（1/1-n）（6-14）其中hR为主峰雨的净雨量。推却方法可通过设计暴雨量查用当地暴雨洪水径流相关关系确定。例如，从湖南省小型水库设计手册在利用（6-14）式确定μ值后，hR就是利用24h设计暴雨量，从24h综合暴雨径流相关图中查得。为了简化计算并提高计算精度，各省水文部门在综合分析了大量暴雨洪水资料以后，都提出了决定μ值的简化计算方法。例如，福建省综合时，认为各地μ值相差不多，建议全省采用相同的μ设=3.5mm/h。江西省把全省分成四个区域，每区域采用一个相同的μ值。全省μ值在1.0～2.0mm/h之间。在为地区综合资料时，水科院根据我国暴雨情况，以24h的暴雨量X24，近似地代表一次单峰降雨过程进行分析，给出分区的24h暴雨径流系数α值表，见表6-15。资料来自湖南、浙江、辽宁等地区。因而（6-14）式的，hR值在无资料地区可以按下式计算：hR=αX246-15）表6-15降雨历时等于24h时的径流系数α值表地区X24土壤黏土类壤土类沙壤土类山区100～200200～300300～400400～500＞5000.65～0.800.80～0.850.85～0.900.90～0.95＞0.950.55～0.700.70～0.750.75～0.800.80～0.85＞0.850.40～0.600.60～0.700.70～0.750.75～0.80＞0.80丘陵区100～200200～300300～400400～500＞5000.60～0.750.75～0.800.80～0.850.85～0.90＞0.900.30～0.550.55～0.600.65～0.700.70～0.75＞0.750.15～0.350.35～0.500.50～0.600.60～0.70＞0.70106 注：壤土相当于过程地质勘察规范中的亚黏土，沙壤土相当于亚沙土。为了应用方便，已将（6-14）式制成计算图，μ值可根据S/hRn及n值在图中查得，见图（6-8）。当产流历时tc=24h的情况下，μ值无须查图，可直接用下式计算：μ=（1-α）（X24/24）（6-16）3）τ值的计算最大流量计算公式中的流域汇流时间τ，不但与流域的汇流长度L有关，而切与沿程的水力条件（流量大小及流域比降等）有关，情况比较复杂。水科院法采用流域平均汇流速度V来概括描述径流在坡面和河槽内的运动，则τ可表示为τ=0.278（L/V）（6-17）式中τ——流域汇流时间，h；V——流域平均汇流速度，m3/S；L——流域汇流长度，km；0.278——单位换算系数。关于流域平均汇流速度V，目前采用下列近似地半经验公式表达：V=mJσQmλ（6—18）式中m——流域汇流参数；J——流域最远流程的河道平均坡降，以小数计；Qm——待定的洪峰流量，m3/S；σ、λ——经验指数，与断面形状有关，见下表。断面形状σλ抛物线型断面1/31/3矩形断面1/32/5三角形断面1/31/4对于一般山区性河道，则有τ=0.278L/（mJ1/3Qm1/4）（6-19）将上式与（6-4）式连解求得Qm=〔（0.278）1-nΨSF（mj1/3/L）n〕4/4-n（6-20）代入上式可得τ=（0.278）3/4-n/〔（mj1/3/L）n/4-n（ψSF）1/4-n〕（6-21）若令τ0=（0.278）3/4-n/〔（mj1/3/L）n/4-n（SF）1/4-n〕（6-22）则流域汇流时间τ=τ0=ψ-1/4-n（6-23）〕从上述技术洪峰流量Qm的参数推导中，可以看出ψ和是求解Qm时需要确定的两个未知数，而且ψ还是τ的函数，因此，需要用（6-23）、（6-11）和（6-13）式联立求解：当=τ＜t0时ψ=1-（μ/S）τnτ=τ0ψ-1/4-n（A）当=τ＞t0时ψ=n（tc/τ）1-n106 τ=τ0ψ-1/4-n（B）当已知流域地形、土壤和气象资料时，可用上式（A）或B）求解ψ和τ0。其中联解方程组（B）可直接化为将已知量与未知量分开的计算式，即ψ=〔（tc/τ）1-n〕4-n/3（6-24）将上式代入(6-2)式即得τ＞t0时的Qm计算公式：Qm=0.278SF第六章小结本章讲述的内容是雨洪的汇流计算。包括产流和汇流两部分。产流计算主要介绍下渗曲线法。汇流计算主要解释的是等流时线的基本概念，经验单位线法、瞬时单位线法和推理公式法。其中单位线法是重点。第六章课堂讨论与练习一.概念题1.填洼;2.下渗;3.产流;4.汇流时间;5.等流时线;6.单位线;7.S曲线;8.推理公式;9.损失参数;10.汇流参数;11.马斯京根法;12.设计洪峰流量;第七章城市径流的水质分析第一节概述时代的发展，人类赖以生存的水环境不断遭受污染，是当前世界上普遍存在的问题。就水环境污染而言，过去全球人口少，而且分散，人类活动能力较弱，当时人们排放的有机、无机物不仅量少，而且大都为弱降解物质，水环境依靠自身的净化能力可以降解和同化这些污染物。随着人口的剧增，以及城市化的进程发展，人口向大城市集中，城市人类活动能力大幅度的加强。人类排放的有机、无机物数量远远超过自然水体自身具有的自净容量。而且大多数是难以降解和同化的物质。城市大量未经处理或处理不充分的废水排入受纳水体，引起不同的水质污染。许多发达国家耗费了大量资金，采用各种技术减少排放的污水，并以立法手段强制市政和工业部门改进水处理技术。在发展中国家，城市化地区水污染问题日趋严重，印度就是一个典型例子，全国的地表水70%都受到了污染，印度3119个城镇中，仅有217个有污水处理系统（其中209个城镇只能处理部分污水）。例如，流经新德里市的亚穆纳河，在流入首都前的河水中大肠杆菌数为7500个/升，而市区每天排入该河2亿升未经处理的污水，流出新德里市的河水大肠杆菌数上升为2400万个/升。每天排放的污水中包括2000万升严重污染的工业废水，其中大约有500万升剧毒的DDT废水。106 我国城市水质污染情况也是非常严重的。被监测的78条大中河流中，有64条受到未经处理的生活污水和工业废水的严重污染。近年来，流经北京的通榆河、上海的秦淮河等每年出现黑臭现象的时间逐年增加，严重地影响这些城市的生产生活，全国估计经济损失每年达377亿。水质污染也直接威胁到城市居民的健康，如上海自来水厂从水源地黄浦江中抽取的水样中有1/4——1/6为上游大小城镇未经处理的废水。广州自来水厂由于水质原因，不得不把水源地一次又一次的向珠江上游迁移。世界卫生组织1980年估计，发展中国家有3/5的人口很难获得符合标准的饮用水。现今世界有18亿人由于常年饮用不适于引用的污水而受到疾病的威胁，霉天约有25000人死于与水污染有关的因素。据估计，发展中国家儿童死亡的原因有4/5是与水质污染有关。污染水环境的无机物和有机物等污染物可分为点源污染和非点源（面源）污染两大类。点源污染是指工业废水和生活污水，由于这些污染物是集中在若干地点排入受纳水体，故称其为点源这些污染物容易被观测和控制。非点源（面源）污染是指点源以外的污染，也就是地表径流携带的地面污染物，由于其来源于广阔的地面，且不易控制，故称为面源污染。面源污染物又可分为人为的和天然的两大类。前者指由于人类活动在地表面产生的污染物，如在农田耕作区施用的化肥和农药，在牧区、建筑工地、城市街区、露天采矿积聚的灰尘，以及工业废物和生活垃圾等。天然污染物又称背景污染，指天然地面形成的污染物，如土壤颗粒及枯枝落叶、野生动物粪便等。面源污染是径流冲洗地面而产生的，因而有间歇性，其数量与径流量、前期污染物积聚情况、地表条件密切相关。控制面源污染的最有效的方法是采取综合治理的最佳管理措施（BMP），如对地面污染物来源实行控制和及时清扫，设置沉积池、增加地面下渗能力等。社会发展到今天，人类足迹已遍及地球各个角落，因此，世界无处不在人为的污染。人类对地表影响最强烈的地方是城市，所以城市周围水环境受到了最集中的点源和非点源污染，成为污染程度最严重的地区。在发达国家中，最近几十年（尤其是最近十几年）花费了很大的力气对地表水进行控制。过去人们一直认为点源污染是造成水污染的主要原因，没有认识到面源污染的严重性。1972年美国国会通过一项法令，规定在1985年前实现零排放，即要求排入江河的污水必须经过处理，使水质达到当地地表水原有的水质标准，不得增加江河的水污染荷载。为此，他们不怕耗费大量资金、人力兴建二级（生物的）污水处理厂。椐估计，要达到上述零排放目标到1990年投资总额将达到6000亿美元。然而，实践表明，单纯控制点源，即使达到零排放水平，仍然不能保证水体水质不进一步恶化，因此，面源污染对水环境的威胁也十分严重。在一些污水（点源）已进行二级处理的城市，受纳水体中的BOD年负荷的40～80%来自洪水产生的径流。在强暴雨时期，94～95%的BOD直接来自雨洪径流。表7-1列出了污水与雨洪径流中污染物的浓度对比，可以看出，城市雨洪径流的污染水平和经过二级处理的污水（甚至是未经处理的污水）在同一数量级上，另外，悬浮固体的浓度远远大于污水的浓度。瑞典在苏德朗的观测也证实了这种情况，见表7-2。表7-1各种面源的污水浓度对比表来源悬浮固体（mg/l）BOD（mg/l）COD（mg/l）TN（mg/l）TP（mg/l）Pb（mg/l）杆菌总数（个数/100ml）降水基础负荷量农业耕地动物饲养圈城市雨水11～135～100030100～1000012～130.5～371000～110009～68031000～4100010～6001.2～1.30.05～0.59920～21003～100.02～0.040.01～0.20.02～1.7290～3800.60.10.35103～108106 合流下水排放未处理的市区排放污水处理后的市区排放污水100～2000100～33010～3010～25020～600100～30015～3020～1000250～75025～809～1040301.91050.37105～108107～109102～104表7-2瑞典不同人口密度的居民区雨季期间（600h/年）处理后污水与雨洪径流中各种污染物负荷对比（kg/ha）污染物组成雨洪径流处理后污水雨洪径流处理后污水人口密度35人/公顷的居民区人口密度100人/公顷的居区悬浮固体（SS）BOD5总氮（TN）总磷（TP）杆菌总数大肠杆菌173141.40.04101110117.07.09.00.410121012275433.50.2101110111919251.010121012由此可见，从根本上改善城市周围受纳水体的水质性质，除对工业废水、生活污水处理外，还必须对形成面源污染的城市径流进行控制和处理。由于城市径流与集中排放的生活污水、工业废水的特点差异较大，对雨洪径流无法采用点源污水集中处理的方法来处理。如果需要把散布在地面上的雨洪径流集中起来，处理费用就太昂贵了。因而，只能采用最佳管理措施（BMP）来减少城市面流污染对受纳水体的影响，因此，研究城市雨洪径流污染物的来源、污染物在地面的积累，冲刷机制和各种过程，从而提出减少或消除面源污染影响的最佳管理措施，显得非常作重要。在这方面一些发达国家已做了一些研究，然而，目前对城市面源污染规律的认识还比较肤浅，是当前城市水文学科的前沿。第二节面源污染的来源和种类城市径流中含有大量的污染物。有些消耗受纳水体的氧，有些沉积下来对水生物产生有害影响，有的促进微生物的生长。这些污染物既有有机物，又有无机物，既有可溶性物质，又有难溶性物质。污染物的组分及浓度随城市化程度、土地利用类型、交通量、人口密度和空气的污染程度而变化。雨洪径流中的污染物来源有三方面：降水、土地表面和下水道系统。1、降水，即降雨、降雪对径流污染物的贡献，包括降水淋洗空气污染物部分。盖勒（Gamnell）和菲士(Fishr)观测了北科罗来纳和费吉尼亚东南部34000平方英里地区的降雨,分析了N+、Ca2+、Mg2+、NO3—、SO42—、Cl—等离子含量。他们的研究结果表明，除了炭酸氢盐外，河川径流中50%的可溶性固体是来自降雨带来的。德拉姆（Duuruum）认为河川径流中氯的含量25%是降水带来的。豪威巡（Halverson）、戴卫尔（Deualle）和夏普（Sharpe）分析了宾西法尼亚中部的一个非工业城市（1980.7-1981.6）13场暴雨径流的污染物，结果表明：在屋顶产生的径流里，10——25%的氯、25%的硫和不到5%磷来自降雨，而在街道商场的停车场、商业区和交通繁忙的街道产生的径流里，几乎所有的氮、16——40%的硫和13%的磷来自降雨。由此可见，雨洪径流中有一部分污染物是由降雨带来的。尤其是工业区中降雨中硫的含量很可能是雨洪径流中的主要部分。降雨中污染物的含量由两部分组成，一部分是降水污染物背景值，另一部分为106 降水通过大气而引起的湿沉降。其中背景值一般比较稳定。降水通过大气而引起的湿沉降量也可由大气中污染物浓度来估算。在降水期间，雨滴淋洗大气污染物的过程，可由下式表示：Cw=Cw0exp（-λt）（7-1）式中Cw—雨后大气中污染物的浓度；Cw0—雨前大气中污染物的浓度；exp—幂指数形式：t—降雨时间；λ—淋洗系数。单位面积湿沉降量为D=（Cw0-Cw）H=Cw（1-exp（-λt））H（7-2）式中H—污染物烟尘混合大气的厚度，淋洗系数λ的数量是10-4/S，为降雨强度的函数。2、地表污染物可认为是雨洪径流污染物的主要部分。地表污染物以各种形式积蓄在街道、阴沟和其他排水系统直接连接的不透水面积上。例如，行人抛弃的废物，建筑和拆除访问的废土、垃圾，粪便和随风抛洒的碎屑，汽车漏油，轮胎磨损和排出的废气，从空中干沉降的污染物等。总之地表污染物的含量与许多因素有关，影响地表污染物的因素如：大气降尘、交通流量，土地利用类型，人口密度、季节和风力等。土地利用类型是指土地利用形式（功能、城市化程度和不透水面积拜分比等）。3、下水道系统也对雨洪径流水质有影响。主要有沉积池中沉积物和合流制排水系统漫溢出的污水。沉积池往往是提供“首次冲洗”，即污染物的第一个主要来源。全美公用事业协会（APWA）对芝加哥城的研究后认为，前次径流过程遗留在沉积池里的水体很容易腐败。其中的固体物表现为腐败的或厌氧的淤泥性质。本次降雨新形成的径流将替换沉积池内积存的污水。其比例是每流进一池新生的径流将替换半池陈腐的污水。即使是降雨或融雪水量很小，这个置换作用也能染物替换沉积池中大部分污水和一些沉积的固体。在住宅区，沉积池中水体的BOD含量为60PPm，即使是小暴雨，沉积池中排除水体的BOD含量也为在街道上产生径流BOD含量的7.5倍。因此，改进沉积池的设计，改善操作管理，有可能减少“首次冲洗”污染物的影响。在合流制排水系统中，废水和雨洪掺混在一起输送到受纳水体或污水处理厂。当雨洪径流流速较大时，排水管网中无雨期污水沉积下来的污染物北冲动并带走，成为“首次冲洗”污染物的又一个来源。图7-1、图7-2表示了污水、沉积池和雨洪冲刷对雨洪径流水质的影响。影响雨洪径流污染物种类和含量的因素很多。这些污染物大概可分为下面几大类：悬浮固体（SS），耗氧物质，重金属，富营养化物质（P.N），细菌和病毒，油脂类物质，酸类物质，有毒有机物（除草剂等）和腐殖质。可以看出，城市雨洪径流过程与合流制下水道溢流过程具有较强的一致性。第三节地表污染物的集聚冲洗和输送有上节可知，在城市雨洪径流中污染物的三个来源中，地表污染物是最主要的。本节主要叙述地表污染物的集聚和冲洗。一、地表污染物的集聚过程地表污染物的含量受大气降尘、土地利用情况、交通流量、人口密度的因素的影响。表7-3列出了一些大城市的平均大气降尘率。表7-3各城市平均自然降尘率城市观测时间（年分）降尘率（吨/km2.月）西亚图（美）西亚图（美）1954～19561963～19648.813.5106 纽约（美）芝加哥（美）辛辛那提（美）匹茨堡（美）底特律（美）密尔沃基（美）慕尼黑（联邦德国）巴黎（法国）开罗（埃及）汉堡（联邦德国）1953～19551954～19651950～19561951～19531951～19531961～19691970～19791970～19781960～19621969～197627.819.37.717.720.511.18.78.618～4533事实上大气降尘除微粒之外，还含有很多其他污染物。土地利用对地表污染物的影响是多方面的。交通对城市或郊区公路地区污染物的降尘率有很大影响。许多有毒金属物质，特别是铅，经常是由于汽车废气以及零件和车胎与地表磨损组成的。路面的污染物还与附近地区的地质条件有关。街道垃圾中的微粒大多来自土壤，并通过空气输送到地面上来。因此，分析地表污染物的集聚必须考虑这些因素。一般，可根据地表污染物的贮存——输入——输出的平衡，再通过质量守衡公式来计算dp/dt=∑I-∑L（7-3）式中P——集聚在地表上的污染物总量；dp/dt——污染物集聚率；∑I——各种污染源产污强度；∑L——各种清除污染措施和天然清除作用的清污率总合。由于影响地表污染物集聚的因素众多，上式中∑I和∑L随时随地都是变动的。因此，污染物的集聚过程带有很强的随机性，无法通过确定∑I和∑L的变化，建立一个确定性的动态方程，来描述模拟和预估各地点的污染物集聚的实时过程。在面源污染研究中，都是在一定时空范围内，应用上述污染物平衡方程7-3式，即各项分别代表其统计意义上的期望值。例如，一般假定产污强度∑I为常数，即和∑I=A，又假定清污率∑L与污染集聚量P成正比，即∑L=KP式中比例系数；将上式代人（7-3）式可得dp/dt=A-KP（7-4）对上式积分，有P=A/K（1-e-kt）+C（7-5）可以看出，当地面污染物集聚量P为零时，集聚率dp/dt=A，随着污染物集聚量增加，集聚率逐渐下降；若时间无限增加t→∞，则集聚量P得到上限值A/K，其集聚率降为零。一些大城市地面污染物的观测资料基本上符合上述分析。图7-3为欧洲某城市三种功能区抽样调查资料，纵坐标为污染物集聚量P除以路边道牙石长度的相对值（磅/英里），横坐标为集聚时间（以日为单位），代表自前次清扫或前次降雨迄今的持续时间。点据散乱说明其随即性，而从点据的分布趋势可以看出初始阶段集聚率较高，随着时间的增长而逐渐递减，并且集聚总量似乎存在一个上限值，二、污染物的冲洗106 地表污染物的冲洗过程与污染物的性质有关，如可溶性和非可溶性物质的冲洗过程不同；此外，地表透水性能的差异也有影响；因为不同的地表径流水深和流速不同，直接影响冲洗污染物的能力。不透水面积是的可溶性污染物首先被冲洗，初始的降雨就湿润了地表也包括了污染物，松散的污染物受到雨滴冲击，而溅起，加速溶解过程。一旦地面湿透开始形成径流，填充了地面坑洼低地，比较充分的雨水溶解了当地的各种可溶性污染物，特别是街道牙石边雨水沟及屋顶集水管等处积存的污染物。随着地表径流的形成和流动，可溶性污染物不断被带走。对于可溶性污染物，则具有当地表径流流速达到相当大时才能流动。当水流流速超过启动流速时，地面上一些固体颗粒开始运动，吸附在这些颗粒上的污染物随之运动。由于颗粒大小不同，其运动形式也有差异，小颗粒形成悬浮状的悬移质，较大的颗粒则沿着地面移动形成推移质。还有一些介于二者之间的可沉降颗粒跳跃式运动。这些随水流运动的非可溶性污染物最终将进入雨水口，并通过排水管网向下运动。在透水面上，由于部分雨水渗入到土壤中，使部分可溶性和非可溶性污染物吸附在当地地表层土壤颗粒上，同时有一小部分可能随渗流进入地下水造成地下水污染。显然，当雨强超过土壤下渗能力形成地表径流时，也和不透水面上一样，雨洪径流中夹带有可溶性和非可溶性污染物最终流入雨水井。地表污染物的雨洪冲洗率L，表示雨洪时期地表污染物总量P的时间变率，即L=-dP/dt如上所述，L是受从多因素影响，大体可分两部分：一是反映污染物性质和数量的因素，如土地利用类型、不透水面积比例、当地土质、街道交通流量、人口密度和街道清扫情况等：另一是代表雨洪冲洗能力的因素，如雨强、降雨历时、及前期土壤含水量等。现有的冲洗率计算公式是假定地表污染物冲洗率与其影响因素呈线性关系，如考虑与雨强i、污染物集聚量P及反映污染物和下垫面性质的冲洗系数Ku有关，即L=-Dp/dt=KuiP（7-6）三、污染物的输送即地表污染物被雨滴或径流冲走，带到下水道中，再通过排水管网排入受纳水体的全过程。对于小型排水管网，污染物进入受纳水体所需的时间短、流速大，污染物的沉降、降解均可忽略。对于大型排水管网，情况则不同，整个管网中径流污染物输出过程是各支管网污染物过程线的迭加的结果。出口处污染物过程线的形状，取决于排水系统的输出时间和单元面积的峰现时间。若各支管网的峰值都迭加在一起，则出口处的峰值很高，相反，若各支管网的排水高峰相互错开，则出口处的过程线峰值不高，但排洪历时较长。因此，计算流域污染物过程必须与雨洪径流计算结合在一起。建立统一的计算模型或程序。对于合流制下水道，雨洪径流很可能冲起无雨期污水沉积在下水道系统里的污染物成为“首次冲洗”污染物的一部分，并需要建立专门的计算公式或程序考虑这一过程。第四节城市径流污染物负荷量的计算方法污染物负荷量是指一定时间内单位面积上产生污染物的质量（重量）。通常是以年为统计时段，即年负荷量。城市径流污染物负荷量的计算方法通常分为两大类，即确定性方法和随机性方法。106 确定性方法可以给出污染物负荷量的确定值。此法又可分为物理基础的方法和统计基础的方法。前者又称为概念性模型，它是通过模拟城市径流污染形成各个过程的物理机制，从而计算次洪污染负荷过程。后者是通过统计方法分析实测资料直接建立污染物负荷量与有关因素的关系，该方法也包括经验方法。随机性方法是假定各种输入变量服从某种分布，然后也各种水文关系推出输出量的分布，求得的污染负荷量是从概率分布的形式给出。通常是在规划设计4使用这类方法。没种方法还可模型的目标（规划、设计、管理）、模型的输入（次洪、连续模型）、模型的时间步长（min、h、d等）分类。一、统计基础的方法借助于统计途径可建立径流污染负荷量与影响因素之间的相关关系。影响径流污染负荷量的因素较多，即有影响地表污染物的多少、径流冲洗率的因子、又有降雨本身污染程度、下水道系统的因素。表7-4列出了影响径流污染冲洗量的参数和动态变量。表7-4影响径流污染冲洗量的参数和动态变量。动态变量参数次洪变量瞬时变量1、无雨期2、总径流量3、降雨历时4、总降雨量5、平均雨强6、平均径流系数7、街道清扫次数1、径流强度2、累积径流量3、降雨时间4、雨强5、累积雨量1、土地利用2、面积3、不透水面积4、人口密度5、气候条件a温度b降雨量6、单位面积的街道长度如果影响因素选择恰当，又有足够资料，统计途径是一种即简便又有一定精度的方法。另外，由于对面源污染过程的物理机制认识还很肤浅，又缺少足够的试验资料，虽然可以列出一系列影响因素，但都很难根据现有的理论分析各种因素的作用。通过多元回归分析等方法，就有可能根据实测资料筛选出影响最大的主要因子。例如，在物理基础的模型中，无雨期的历时、土地利用类别是影响径流污染负荷量的重要参数。但通过对实测资料的统计分析，上述两个参数的作用并不是显著的。总之，通过多元回归分析，使建立各参数或变量之间的关系成为可能，同时，统计分析也为进一步建立具有物理基础的模型提供消息。例如，由观测资料表明，住宅区径流中的COD/BOD5比值变化范围为6～10。SWMM模型在分析可能最大污染累积量时就应用了统计数值，即每克悬浮固体中COD和BOD5的浓度分别取40mg和5mg。统计途径实际上是根据实测资料得出的各种统计关系，其结果的可靠程度取决于资料的多少及其精度。在资料缺乏时，不能采用这种方法。例如，无法解决因土地利用情况的改变、清扫制度的改变等情况下的污染预测问题。美国通过统计途径建立的年污染负荷量计算公式为合流制下水道系统：Mc=β（i，j）PγF（PD）（7-7）分流制下水道系统：Mc=α（i，j）PγF（PD）（7-8）式中Mc——j种污染物在i类土地利用区的年负荷量（kg/公顷/年）；P——年降水量；γ——街道清扫的效率系数，间隔20天清扫一次效率最高，取1.0计，随着清扫频率的增加，清扫效率下降，如下式γNs/200＜Ns≤20日1.0Ns＞日106 式中Ns——两次清扫之间的时间间隔（日）；PD——污染物产出量的参数，对相同类型的土地利益区，它是人口密度（人/公顷）的函数，如住宅区：PD=0.142+0.134PD0.54商业区或工业区PD=1.0其他PD=0.42α（i，j）、β（i，j）——分别为分流制、合流制的土地利用类型和污染类别参数。如下表表7-5α（i，j）、β（i，j）值表参数土地利用类别i污染物类别jBOD5TSS总PO4总Nα（分流制）1、住宅区2、商业区3、工业区4、其他0.03530.1410.05350.005.00.7210.9811.290.1190.001490.003350.003120.000440.005790.01310.01220.00267β（合流制）1、住宅区2、商业区3、工业区4、其他0.1450.5830.2210.02062.974.065.300.4910.006140.001380.01290.001820.02390.05390.05040.0111说明：TSS——总固体悬浮物（非可溶性污染物）统计模型根据应用的目的分为规划模型、设计模型和管理模型。1、规划模型。主要用于粗略估计长时段的面源污染负荷量计算。计算方法如下假定径流量与污染物含量相互独立，则径流的污染物负荷量为Wr=QC（7-12）式中Q——时污染物平均含量（可用回归方程求得），如美国环保局（EPA）提出方程为C=α（i，j）PD（7-3）b式中b——冲洗效率系数。其余符号同前。其后该局又考虑流量与污染物浓度存在相关关系，对上式作了修改，即Wr=QC（1+VcVgρrg）（7-12）式中Vc——次洪污染物平均浓度的均方差；Vg——次洪流量的均方差；ρrg——污染物浓度与径流的相关系数；Wr——径流污染物负荷量。2、设计模型。设计工作要求模型具有估计次洪污染物负荷量的功能。为满足需要，通常用回归方程来构建模型。在这些方程中，回归变量为污染物负荷量或浓度yi，回归因子为影响yi的次洪动态变量X1和X2等。如总雨量、降雨历时、径流量、无雨期历时和峰值流量。方程的一般形式为yi=a+bX1+cX2（7-15）或yi=kX1mX2n。（7-16）例如，下列的简单回归方程是污染物负荷yi与流量Q、流速V的关系yi=KQm（7-17）及yi=KVn（7-18）式中106 A、a、c、m及n均为常数。威斯（Wells）等建议用下式预报次洪污染物负荷量。yi=B0+B1V+B2D+B3X+B4Va+B5Da（7-19）式中yi——污染物i的负荷量；V——雨量；D——暴雨历时的倒数；X——无雨历时；Va——前次降雨量；Da——前次降雨历时的倒数。海门（Hemain）认为，对次洪平均污染物含量或总负荷量有影响的变量依其重要性排列为：最大5分钟雨量、洪峰流量、径流量和平均流量。3、管理模型。一般要求这种模型具有计算污染物负荷量过程线的概功能，即模拟污染物含量随时间的变化过程。此类模型的回归方程中其回归因子多采用与径流过程有关的变量，如流速V（t）、累积径流量W（t）等。例如，EPA的非点源污染负荷模型为yi（t）=aV（t）b（7-20）也有用yi（t）=a+bV（t）+CW（t）（7-21）式中t——时间。威尔斯等综合马尔柯夫过程提出下式Lnyi（t）=a+bLnyi-1+Cti+dQi（7-22）式中Lnyi、Lnyi-1——分别为第i时刻和i+1时刻的污染负荷量；ti——降雨开始到i时刻的时间；Qi——i时刻的流量。例如，模型用于印第安纳州西拉菲雅提流域（半城市化流域，住宅和农田各占一半）的预报方程非常为Lnyi-1=3.058+0.410Lnyi—0.000373ti+1（7-23）预报结果见图7-4。法国径流污染研究计划曾对62个过程线用上述各种模型进行验证，认为它们之间的差别并不大，并提出一个通用公式Yy（t）=aQ（t）btc（7-24）二、具有物理基础的污染形成过程模型这类模型是按照城市径流污染形成过程（如污染物在地面的集聚、冲洗和输送过程）的次序进行模拟，并求出污染负荷过程。现分述如下：1、地表污染物的集聚过程如前所述，影响地表污染物集聚的因素有：大气降尘量、特点利益类别、交通流量、人口密度和季节因素等。一般，污染物的集聚率也下式表示dp/dt=∑I-∑L（7-25）式中∑I、∑L分别为所有污染物的产出率和清除率。早期，常设此集聚率为常数，即每天在控制面积上的污染物的积累值是线性增加的。近来，根据实测资料表明，地表污染物的集聚量并非常量。它在初始时积蓄的速度最快，而后逐渐降低。但污染物的集聚量有一个上限，随着无雨期或清扫间隔时间的增长，逐渐趋于上限值。106 埃门（Ammon）总结了这方面研究结果，认为污染物的集聚关系可归纳为四种形式，即线性关系，抛物线关系，指数关系和米切里斯——门顿（Michaelis——Menten）关系。（1）线性关系。因为dp/dt=∑I-∑L，若假定∑I-∑L=常数，则积分上式即得为最简单的线性关系。P=αt（7-26）式中P——为地表面污染物集聚量；t——集聚时间；α——集聚率。这种关系适用于当地污染物的产出率和清除率是稳定不变的情况。（2）抛物线关系。若假定∑I-∑L=C（t）即当地污染物集聚率是随时间变化的，代入上式并积分得P=αtb（7-26）式中a、b——为常数。这种关系适用于模拟当地污染物集聚率存在年、月、日、周等变化周期的地区。（3）指数关系。若假定∑I=A和∑L=bp则dp/dt=a-bp由于t→∞时，集聚量P达到其上限PL，同时，集聚率dp/dt为零。因此，可得a=bPL和dp/dt=b（PL-P），积分得P=PL（1-e-bt）（7-28）此式适用于污染物生成率为常数、清除率与积蓄量成线性关系的情况。（4）米切里斯——门顿关系。设计污染物以上述指数关系的方式进行集聚，随着无雨期的增长，集聚量向最大值PL逼近，则可用下列简单的表达式：P=t/（a+t）（7-29）当t+a，得P=（1/2）PL，说明a的物理意义为污染物集聚量达到最大值PL的一半的时间。此公式比较灵活，公式中只有两个参数a和PL，可通过实测资料的拟和来确定。图7-5是四种方程式所表示的集聚曲线，可以看出，曲线的上部差别是很明显的，分析时可根据实测资料的分析情况而选定。2、地表污染物的冲洗过程这种过程是地表径流冲刷和溶解污染物的过程。原则上，污染物冲洗过程可用泥沙输送理论公式来描述。实际上，由于坡面上输沙断面是不确定的，而切缺乏坡面泥沙运动的观测资料，很难率定有关理论公式的参数。因此，这类理论模型很难直接英勇。目前，冲洗过程的描述多采用简单的经营公式。污染物冲洗的主要影响因素有：降雨特性、下垫面情况和污染物本身的物理化学特性。下垫面情况包括不透水面的类型和状态。图7-6给出了雨强、污染物颗粒、铺砌的不透水面积比值等因素对冲洗的影响。这些结果表明，地面污染物的冲洗过程可以用指数函数来描述。萨特（Sartor）和伯埃德（Boyd）在此基础上给出了冲洗的一般经验公式Mt=dp/dt=-Kwf1（rt）PtAv（rt）（7-30）式中：rt——净雨强度；Pt——地面污染物在t时间内的集聚量；Mt——冲洗率（是时间的函数）；106 f1（rt）——净雨强度对冲刷率的函数；Av（rt）——冲刷率的函数；f1和Av的形式需待定。雨洪中污染物浓度公式为Ct=Mt/Qt=1/ArdP/dt（7—31）式中；Qt=Art——坡面漫流流量；A——坡面面积。在公式（7—30）中令f1（rt）=1和Av（rt）=I，可得冲洗过程dp/dt=-KwPt积分得△t时段地面污染物的冲洗量△P，即△P=Pt－Pt+△t=Pt（1－e-Kw△t）（7——32）式中：Pt——Pt时刻地表污染物的集聚量。上式未考虑径流强度对冲洗的影响，若假定冲洗率Mt与径流强度rt为线性关系，则取f1=rt，并取Av（rt）=1.0,则公式(7-30)可改写为Mt=-Dp/dt=-Kw·Pt·rt积分得△P=Pt-Pt+△t=Pt(1-e–Kwrt)=Pt(1-e-KwRt)(7-33)上式中rt—(t,t+△t)时段内的平均径流强度;Rt—该时段的径流量,且Rt=rt·△t=∫rtdt当已知降雨开始时刻地表污染物积聚量P0和本次雨洪的径流强度过程线r（t）（或时段径流量Rt过程），则根据公式（7-33）通过污染物质量平衡进行逐时段演算（如图7-7），然后求得冲洗率M（t）过程。如果降雨开始时刻（t=0）污染物积聚量为P0，设径流强度为常数r,则由式(7-33)得t时刻污染物积聚量Pt与P0之比为Pt/P0=e-Kwrt=e-KwRt式中Kw—系数。当取英制时，Kw=4.6(1/英寸);Rt—(0,t)上式说明冲洗量的相对值Pt/P0仅与径流量Rt有关.当Rt=0.5英寸时得Pt/P0=0.1,意味着此时90%的地表污染物被冲走.这一点说明上式不尽合理.因为冲洗量应主要与径流强度有关,这是由于假定了t为常数.再如,若假定污染物的冲刷率dp/dt与净雨强度r、污染物积聚量P呈线性关系，则在一次雨洪过程中，冲刷率应与净雨强度有相应的涨落过程，同时污染物浓度C应有衰减趋势。因此，当f(r)=r和Av(r)=1时,C与P的关系为C=KwrP/Ar=KwP/A因此,C随P的减小而不断减小。然而,污染物的冲洗和浓度的实测过程并非如此。伦敦西北地区的一个247公顷住宅区，其实测的一次雨洪流量和污染负荷过程如图7-8所示。不同的污染物的负荷过程相差很大，而它们与径流过程的涨落并不相应。另外，污染物的浓度变化也不符合递减的趋势。说明雨洪径流过程与污染物的负荷过程常常不相适应。为了综合多项观测结果，以次洪为单元，绘制径流量和污染物负荷量的双累积曲线，并以次洪量和次洪水污染物负荷总量为100%求得相对值，其曲线如图7-9所示。习惯称为污染物负荷特征曲线。图7-9径流量与污染物负荷双累积曲线106 由上图可以看出不同污染物负荷增长过程都不相同，而且与径流增长不相适应。此外，悬浮固体物(SS)的增长过程对于不同的洪水可以有很大的变化幅度,具有明显的随机性,很难用一个简单的公式表达.为了解决上述矛盾,有人引进冲刷效率因子Av进行修正,一般采用下式Av=a+brc(7-34)即修正原来采用的径流率的线性关系.式中a、b、C为系数。其值随不同污染物而异。例如SWMM模型模拟悬浮固体采用下式Av=0.057+1.4R1.1(7-35)模拟可沉积固体时,则采用Av=0.028+1.4R1.8(7-36)调整系数a、b、c、Kw的值,可模拟不同类型的负荷特征曲线.但往往由于缺乏观测资料,难于率定其数值,多采用a=0,b=1，则Dp/dt=KwRcP（7-37）如果c＞1，则污染物浓度可随r增大而增大，若令c＜1，则污染物浓度随着r增大而减小。Kw、c为需要率定的系数。敖雷（Alloy）用回归方法对南佛罗里达州一个1404公顷的城市流域实测资料进行率定Kw（取c=1的情况），认为Kw随不同污染物而异，且在不同雨洪条件下，Kw值也不同，且有75%的Kw值比通常设定的Kw=4.6要小。桑嫩（Sonnen）则用泥沙输送的理论对Kw值进行了估算，得出它的变幅为0.052~6.6。指数冲洗公式是模拟冲洗过程的一种方法,引公式中有足够多的参数,弹性较大,可供拟合各种观测资料.因而许多管理模型都采用这类指数方程,即一阶冲洗方程.一旦选定参数,就可模拟污染物的负荷过程,满足实际计算需要。三、具有物理基础的随机模型由于城市雨洪及污染物的运动过程中存在众多的不确定因素，致使人们试图建立具有物理基础的随机模型。根据雨洪及污染物形成过程中各输入变量（如雨量、雨强、降雨历时、无雨期历时和污染物浓度等）的概率分布，推求各节点污染物负荷总量和强度、下水道溢流水量、受纳水体污染物浓度等的变化情况，并可求得处理厂处理设备或贮水池超载和受纳水体超过水质标准的风险等，为工程的规划设计提供依据。现举例说明模拟城市合流制排水管网污水处理厂工作的随机模型（参见图7-10）。设城市排水面积为F，一次雨洪径流总量为X（mm），洪水历时为t1（h），两次雨洪径流间隔时间为t2（h）。显然，X，t1和t2为相互独立的随机变量，存在各自的概率分布。可以通过当地雨洪统计特性间接求得。考虑城市化对径流量，径流历时时段影响，设X=（1+u）Vr（7-38）t1=CTr（7-39）式中：Vr、Tr—城市化前后的径流量和径流历时，是两随机变量；u、C—系数，表示城市化的影响程度。若随机变量都Vr、Tr、t1、t2服从指数分布，即P（Vr≤vr）=1-exp（-a2vr）P（Tr≤tr）=1-exp（-a3tr）P（T2≤t2）=1-exp（-rt2）Y由关系式X=（1+u）Vr可以导出X的密度函数F(x)=αexp(-αx)x＞00x≤0(7-40)式中α=a2/(1+u)。106 由关系式t1=CTr得t1的密度函数F（t1）=βexp（-βt1）t1≥00t1＜0（7-41）式中β=a3/c。若污水处理厂设备的处理能力为amm/h,贮水池设计贮水量为b,一次雨洪的超载水量为X-at1,这部分水量暂时贮存在贮水池中,待两次雨洪时间间隔t2时段内进行处理。见下图7-11。图7-11雨洪径流过程及污水厂处理能力关系图如果超载水量X-at1超过贮水池可蓄水容积b，或者X-at1超过t2时段内可处理水量at2，则将出现溢流现象。溢流水量Y可体育下式来表达Y=X-at1-min（at2，b）（当X-at1-min＞（at2，b））0（当X-at1-min≤（at2，b））（7-42）此式作为模型的物理基础，通过随机变量X、t1、t2和b的概率分布，用解析法或统计试验方法进行概率组合，可以求得溢流水量Y的概率分布P（Y≥y）。还可进一步考虑溢流水量中污染负荷量与河流中基底负荷量组合，分析受纳水体水质标准的风险。第五节城市径流污染与环境评价随着人们对生活污水、工业废水等点源污染得到基本控制和处理，但由于城市化程度的不断提高，城市面源污染对受纳水体的水质影响越来越显著。图7-12是美国和北欧典型城市的雨洪径流、合流制溢流污染物含量与污水经二级处理后污染物含量示意图。虽然图中雨洪径流对受纳水体水质影响随地区而异，但可看出雨洪径流的污染浓度常常要超过二级处理后的标准，成为受纳水体的一个重要污染源。由于受纳水体一般都具有多种用途，在进行水质评价以及在管理和规划受纳水体时，也应采取多目标规划法。图7-13表示声讨水质模型示意图。箭头表示碳、氮、磷等化学物质在非生物环境与有机生物链之间的转化生态过程。由图可知，如果污水和雨洪径流的排放引起受纳水体水质的变化，则系统的生态平衡也将发生综合性偏转，偏转的持续时间及其严重性与排放的历时极其严重程度直接相关。环境评价建立在计算和价值判断的基础上，而计算分析应该详细描述污染物在时间和空间上对受纳水体的影响。在时间尺度上，城市径流对受纳水体有长期和短期的影响。图7-14表示城市径流各种污染物对受纳水体的时间影响尺度。图7-14中可见，雨洪向受纳水体输送细菌、悬浮固体等污染物，细菌等可降解属于短期影响因素；而悬浮固体、磷等污物则会沉积下来，而引起富营养化，对生态系统产生长期影响。在空间上城市径流对受纳水体的影响也随不同污染物而异，有的立即可从输入处看到影响，有的却需要经历一段距离，在下游某地才能看到。应用于评价生态效应的价值评判方法,其使用范围取决于计算分析的复杂程度.美国EPA雨洪管理模型的受纳水体模型(RECEIV),只模拟了BOD、DO和SS对水质的影响，所有其他生态水质影响必须由价值评判方法给出。我国城市径流污染与环境评价工作起步较晚，尚有许多工作要做。第六节城市径流污染控制管理措施106 城市径流污染由于其自身的特点，如面污染源类别多，数量大，而且，具有明显的随机性，使得控制管理措施也不同于点源污染。如果，要求按照控制城市点源污染（生活污水和工业废水）的方法来处理全部城市径流污染，不仅昂贵，而且有时几乎是不可能的。这只能作为处理部分地区径流污染的方法。普遍适用的控制管理城市径流污染的方法可分为工程的和非工程的两大类。工程方法是指依靠兴建工程措施来达到控制污染。如修建沉淀池、渗漏坑、多孔路面、贮水池和处理污染的建筑物等。非工程方法指用加强管理来达到控制污染的方法。包括控制大气污染、绿化、种草和清扫街道等。工程治理措施又可分为：污染来源的控制和污染物流出下水道前的控制，如将污水集中、处理后排放。各种措施的目的只有一个，就是减少城市径流对受纳水体的污染。非工程措施大多用于污染来源控制和污染物流出下水道前的控制；而工程方法则是集中控制。一、污染来源控制措施污染来源控制的目的是减少污染物的产出量。由于地表污染物的来源主要是大气降尘、垃圾和土地利用等。控制大气污染浓度，最终将使污染物减少。在地区上，通过垃圾控制了减少街道垃圾集中率。垃圾控制主要包括：教育居民按时送垃圾，制定垃圾控制条例，设置许多适用的垃圾贮运站等。对裸露地面进行植物覆盖，保护表土不受侵蚀等。二、污染物流出下水道前的控制该项措施旨在减少地表污染物，在雨水冲洗之前就从地表上清除，包括街道垃圾清运和树叶清扫等。对已被径流冲走的污染物，可在下水道中用沉淀的方法清除，以及增加地面的透水性等。这些方法大都需要兴建专门的工程措施，费用比污染源控制措施昂贵。例如，在不透水区中布设一些透水带，以减少地表中有效的不透水面积（直接与入水口、下水道系统连接的不透水面积），这样就会增加集水区域内的透水性，增加下渗，阻滞和吸收不透水面积上产生的污染物。在下水道系统中（尤其是合流制下水道小系统），流速缓慢期间，一部分流动的污染物受阻拦截，沉积在下水道系统中。在发生暴雨或高速流动时，它们可能重新悬浮，成为“首次冲洗”的一部分。这种现象在下水道系统中是很有代表性的。因此，及时清除下水道（如阴井）中的部分污染物，可减少“首次冲洗”给受纳水体带来的污染负荷量。三、集中处理废水处理有三种类型：物理、化学和生物处理。为了使雨洪径流达到最佳质量，有许多处理系统是同时使用两种或三种类型的处理。雨洪径流各种处理方法的效率如表7-6所列。生物处理方法是一种很有效的方法，但由于下述原因，在处理雨洪径流时不能成功使用。1、生物处理法对浓集有机物的途径很是有效的，而雨洪径流的BOD较低，使菌种不能很好生存；2、由于雨洪径流流量和浓度变化很大,生物处理法不能很好处理;3、由于雨洪径流的间歇性，在无水期维持菌团的生存是比较困难的，也是比较昂贵的；4、菌团对雨洪径流中有毒的物质相当敏感因此，有些处理厂为了运用生物处理合流制下水道的污水，克服雨洪间歇性和浓度变化较大所带来的问题，常采用贮水池蓄水和人工培养菌种的方法。106 在城市化程度较高，已建有合流和分流制下水道系统的城市，从根本上清除雨洪径流的污染物，其可行的办法是建大规模的污水处理厂。不过，这应考虑到建处理厂的投资昂贵，另一方面，还应考虑污水处理厂对污染物的处理效率也并非尽善尽美。因此，在任何条件下，加强污染源的控制管理措施都是十分必要的。完第七章小结本章主要介绍了面源污染的来源和种类，地表污染物的集聚、冲洗和输送，城市径流污染物符合量计算方法。一、概念题1、雨洪冲洗率，2、冲洗系数，3、4、二、填空题1、城市径流污染物负荷量的计算方法通常分为两大类，即方法和方法。2、城市径流污染控制管理措施包括三方面是控制、处理控制和处理。3、城市废水处理有三种类型是：处理、处理和处理。三、判断题1、城市雨洪径流控制面积上的污染物的积累值是呈线性增加的。（）2、建立城市雨洪及污染物的运动过程的随机模型主要是考虑其在形成过程中存在众多的不确定因素。（）第八章城市水质模型概述城市地区水文水质过程是一个受到众多因素作用且极其复杂的大系统.当根据人类社会的各方面需求对该系统进行调空和管理时,必须对系统运行情况进行分析、模拟和预测。研究适用于城市水文水质模型是这项工作的核心。模型是一个比原型简单的系统，是通过对原型简化和概括而得到的。模型可以再现原型系统的部分特性，但不能重演其全部特性。建立模型时，最好依据业已证实的理论作为基础。然而也可建立在一些概念的基础上。如果模型能很好的模拟原型系统的一些特性，将有助于深化对原型的认识，从而可丰富、发展理论上的认识。因此，在应用模型模拟时，不能夸大模型的模拟能力，迷信模型的模拟成果，不能忽视实际水文水质过程的观测和已被证实的物理规律。对模型模拟成果应做合理性检查，做出应有的物理解释，并依据观测资料和物理规律，不断改进模型，扩展和提高模拟能力。多数用于城市水文水质方面的模型，不属于几何相似的物理模型，而是由一系列数学表达式构成的数学模型。输入有关的各种数据，通过计算机的运算，输出所需要的成果。106 城市水文水质模型是针对特定的实际问题而建立的，由于研究内容的不同，模型也个具特色。例如，在城市规划中，对受纳水体的环境质量分析，就需要建立城市雨洪排水系统排放水量水质过程的模拟模型。我国城市现有的下水管道网络大都是合流制的，存在众多而分散的面污染源和一些集中排放的点污染源。因此，需要建立反映各种污染物质在下水管道网络中传输变化过程的模型。规划时，往往需要分析多种污水处理厂设计方案，这就需要模型具备模拟分区水质过程的功能。在排水管网设计中，需要分析确定蓄水池的布置和容量、管网结构、各管线管径尺寸等。需要模型具备模拟各指定节点的水量水质过程，并可用来建立有效的管理措施，使街道淹水和污染物漫溢造成水质超标的风险降低到人们可以接受的水平。上述问题在某种程度上是相互交叉的。因而，各个模型的适用范围也是重叠的。城市水文模型大体上分为三个层次，并且各有其特点。规划层次的模型主要是考虑远景条件（即各种土地利用使用格局的作用）和选定雨洪排水方案（滞蓄水量、水道宣泄能力、拦蓄库容与处理能力的比例）。设计层次的模型已经或多或少地决定了系统的类型，所关心的是设备实际尺寸，这种工作需要的模型更详细。管理运用层次的模型要求在已有的系统规定条件下，对雨洪径流（包括污水）进行控制，因此，需要分析的内容更多，模型需要具备实时预报能力。第一节规划模型城市雨洪排水研究中的规划层次，其有的问题是和未来的城市化条件有关。在规划层次中，美国陆军工程兵团建立了STORM模型。该模型早期是为了分析城市径流的水量和水质，作为大尺度规划的一个组成部分，用来选定储蓄和处理设施，从而控制雨洪径流的水量和地面冲刷。径流和从城市流域冲洗出的污染物，通过汇集，或运送到处理设施，或输送到临时的蓄水区，或排放到受纳水体（如图7-10所示）。漫溢的水量取决于径流总量、处理能力和蓄水设施等，其流程如图8-1所示。106 该模型也可用于非城市化流域,还能计算融雪量。其中用三角形单位线来推求子流域的径流,时段为1小时,估算径流水质采用经验公式,对城市和非城市区的地面冲刷均能计算。该模型的输出包括水量、水质和污染过程的分析报告。水量分析：包括降雨量、降雨历时、径流量和漫溢出流的资料。水质分析：有降雨量、径流量、径流内污染物总量和漫溢出流中污染物总量。污染过程分析：给出每次雨洪的污染物负荷量和浓度，水质参数包括悬浮固体、可沉积固体、生物耗养量、总氮量和磷酸盐。侵蚀分析：给出每场雨从流域冲刷沉积物总量及年平均值。STORM模型中的程序分为4个部分：即径流、水质净化、蓄水与溢流和土壤侵蚀。模型的输入是流域的平均降雨量,是以小时为时段的面雨量。计算地表径流时,分不透水和透水两种情况。1、计算洼地蓄水量Vd=V0+mK（8-1）式中：Vd—雨前洼地蓄水量（英寸）；V0—上次降雨后的有效洼地蓄水量（英寸）；m—上次降雨后距今的天数（日）；K—洼地蓄水量消退因子（英寸/日）。2、采用径流系数法计算地表径流量Ri=C（Pi－Vd）（8-2）106 式中Ri—第i各时段地表径流累积量（英寸）；Pi—第i各时段降雨量（英寸）；C—地表径流系数。3、时段径流量等于本时段的增量△Ri即△Ri=Ri－Ri-1（8-3）式中Ri、Ri-1—洼地蓄水满足后第i个和第i-1个时段末的累积径流量。透水和不透水面积的产流量之和为全流域地表径流量。径流量沿着地表和地下排水管网输送至污水处理厂。当雨洪径流和污水流量超过污水厂处理能力时，送入排水管网内外的蓄水池内贮存；当排水管网内外的蓄水池全部蓄满后，水经溢流堰流入受纳水体；当径流小于污水厂处理能力时，由系统的内外蓄水池补充，直至蓄水池腾空。模型中的水质指标是悬浮固体（SS）、可溶性固体（SET）、生化耗氧量（BOD）、总氮（N）和正磷酸盐（P）。不透水面雨水冲洗的污染成分用下列经验公式计算：MSS=（0.057+1.4R1.1）（FSSDLND+FP）expTt（8-4）MSET=（0.082+R1.8）（FSETPLND+FP）expTt（8-5）MBOD=（FBODDLND+FP）expTt+0.1MSS（8-6）MN=（FNDLND+FP）expTt+0.45MSS（8-7）MP=（FPDLND+FP）expTt+0.45MSS+0.001MSED（8-8）expT=1-e-ER(8-9)式中:M—雨水污染负荷(磅)；R—地表径流率(磅/日)；DL—灰尘和污泥累积速率(磅/日)；ND—前期降雨后的无雨日数；t—相应于R的地表径流历时（日）；E—污染物冲洗衰减指数。FSS、FSET、FP、FBOD和FN分别为SS、SET、P、BOD和N在上次降雨后地面上的残留量(磅)。该模型可以模拟流域的降雨径流过程，并根据不同管网内外蓄水池容量、污水处理厂处理能力计算排水系统每年溢流次数，同时也输出各种污染物的排放过程。美国旧金山市市政当局就是采用STORM模型进行排水规划研究的。根据设计暴雨和土地利用等资料，将其输入模型，即可飞行对比各种设计方案（如排水系统内蓄水池容量和污水处理厂处理能力等参变数多种组合情况下的各种方案）。对比中以合流式排水管网溢流次数作为反映受纳水体（旧金山湾）污染情况的指标。综合各种方案的模拟计算结果，并绘制图（见图8-3）。反映排水系统中各项设施参数与平均年溢流次数之间的关系，可作为决策的重要依据。106 由于模型可提供这样一组关系曲线和污染过程线，我们可以根据水量水质对受纳水体的影响以及经济方面的考虑，以对兴建排水系统的蓄水池，增加污水厂处理能力和使排水系统年溢流次数增多之间做出选择。因此，该模型很适用于未来城市排水系统的规划。也可用作形态的初步设计。然后用较详细的SWMM模型计算论证。例如，PourMileRun是一个小于20平方英里的小流域（见图8-4），向临近的华盛顿特区Potomac河排水。约在本世纪初，流域出口建造了几座铁路和公路桥梁，后来流域的城市化导致了严重的洪水问题，尤其是紧靠桥上游的Arlandria地区。美国陆军工程兵团为该流域设计了一套防洪方案，进行了该流域城市发展与洪水之间关系的研究。其目的是：估算目前条件下来自各个管辖区的径流，评价径流控制方法的有效性以及建立一种通用的程序以评价改变土地利用和径流控制措施的作用。在初步研究中，用6次最近的径流过程对STORM模型进行率定，然后用当地1911~1973年的降雨资料计算洪水频率曲线。把它与河道实测流量资料的频率曲线作比较，分析城市化的影响。再根据当地降雨资料，确定流域的设计暴雨。以设计暴雨作为模型的输入，可定出不同设计频率的设计流量。第二节设计和分析模型106 现有的许多模型即可用于规划，也可用于设计使用。设计模型的主要组成部分均能对排水管网中的水流进行演算。伊利诺州排水区模型（ILLUDAS）具备这种能力，它是把铺砌区和草地面积分开处理的，其流程如图8-5所示。对于铺砌区，只扣除初损，而草地除扣除初损外，还要根据霍顿下渗曲线扣除下渗损失。铺砌面积分为排水管网连接的直接区与非直接区两部分，非直接区产流作为临近草地区的入流，折算成草地降雨参加扣损计算。地面汇流计算采用时间~面积曲线法（等流时线法），并把各雨水井汇水面积概化为矩形，按曼宁公式计算汇流速度。地面径流从雨水井进入排水管网后，与上游管道的径流汇合，逐渐向下游演算。可采用以下两种演算方案：一是时间推移法，即不考虑洪水波变形，只推移传播时间；另一是采用运动波方程演算，该模型提供了隐式差分算法程序。当节点处的流量超过管道的泄流能力时，模型程序能够计算出等流下泄条件下所需的调节池容积。芩国平根据北京市西部百万庄小区排水管网的雨洪实测资料，对ILLUDAS模型做了一些检验。小区汇水面积11.65公顷，积累了1961~1974年13年资料。在此期间小区土地利用情况变化不显著。经调查，直接铺砌区占40%，非直接铺砌区为14%，出流草地区占37%，不出流草地区占9%，地面坡度为1。2%。106 根据观测资料中的15次较大洪水，分别计算一些观测点的洪水过程，共28项计算成果（见表8-1）。由计算成果可以看出，大部分情况是良好的。洪峰误差大于洪量误差。由于有关参数未经优化处理，使成果出现系统偏差。若对参数做进一步优选，模拟精度会有提高。模型不仅能模拟降雨径流和污水过程，还应模拟污水的扩散弥散，以及各种污染成分在汇集网络中的消退，内部外部的滞蓄和处理设施的功效和受纳水体的水质过程等。美国环境保护局的雨洪管理模型（SWMM）具备模拟各种过程的功能。该模型根据降雨输入（降雨过程线）和系统特性（流域、泄水、蓄水和处理特性等），模拟一次暴雨事件的水文模型。SWMM模型1、首先把汇水面积划分若干个矩形单元面积，各单元区域的土地利用、坡度和地面特性应基本一致。各单元面积不必相等，都用相应于平均宽度的矩形来代表。2、每个矩形可看作是透水面积、我无洼地蓄水的不透水面积和有洼地蓄水的不透水面积三部分组成。3、模型的输入是降雨过程和排水系统特性。4、地面径流过程采用水量平衡方程得到净雨过程，再通过地面、边沟和管网的调蓄演算得出。5、水质部分中，雨水、生活污水的水质主要成分有BOD、悬浮固体、溶解氧和大肠杆菌，构成了所谓的“污染过程线”，并考虑排水系统的稀释、扩散和降解作用。6、模型还考虑了污水处理厂对径流的调蓄和对污染过程的降解。SWMM模型是一种大型的FOTRAN程序。它模拟完整的城市降雨径流循环，包括地表径流1排水网络中的水流、管路中设有的串联和非串联的蓄水池、暴雨径流的处理设施以及受纳水体的水质变化。该模型需要相当于IBM360/65的计算机硬件系统和输出打印、显示设备。SWMM模型具有6个主要计算模块（见图8-6）。即：1、执行模块，2、径流模块，3、输出模块，4、扩充输送内程序模块，5、存储和处理模块，6、受纳水体程序模块。（一）执行模块，具备控制以及和其它5个计算模块接口的功能。（二）径流模块，计算雨洪径流遗迹该次雨洪所夹带的污染负荷，提供并贮存排水管网各进口流量及污染负荷量过程的计算结果。106 1、根据输入的降雨过程，计算各单元面积的时段雨量即D1=D0+Rt△t（8-10）式中：D1—时段末单元面积上降雨量（mm）；D0—时段初单元面积上降雨量（mm）；Rt—t时段内平均雨强（mm/分）；△t—计算时段（分）。2、扣除时段下渗量。采用霍顿下渗公式即ft=fc+（f0-fc）e-kt则扣除下渗的净雨量（超渗雨）为D2=D1-ft△t（8-11）式中：f0、fc、k—霍顿下渗公式中的参数；D2—扣除下渗的净雨量（mm）。3、计算单元流域的出流量。当单元流域的净雨量D2大于洼地蓄水深Sd时，则有V=1/n［（D2-Dd）/1000］2/3S1/2（8-12）QW=VW（D2-Dd）式中：V—流速（m/s）；n—糙率系数；S—单元面积地面坡度；W单元宽度（m）；QW—出流量（L/s）。4、根据降雨和出流量用连续方程净雨深，即Dt+△t=D2-（60QW/A）△t（8-13）式中A—单元面积（m2）。106 5、重复上述4个步骤，直至所有单元计算完毕。6、计算边沟入流QS=∑QW，i+∑Qg，j（8-14）式中：QS—边沟入流量（L/s）；QW，i—第i个直接汇入边沟的单元面积出流量（L/s）；Qg，j—第j个来自上游边沟的出流量（L/s）。7、根据边沟的几何形状，计算边沟水深Y1=Yt+（QS/AS）△t（8-15）Y1—时段末t+△t的边沟水深（m）；Yt—t时刻边沟水深；AS—在Y1和Yt时边沟过水断面的平均值（m2）。8、计算边沟出流V=1/nR2/3Si1/2Qg=1/1000（VA1）（8-16）式中：R—边沟水力半径（m）；Si—边沟底坡；A1—相应于Y1水深时边沟过水断面面积（m2）。9、根据边沟的入流和出溜求解连续方程，得出时间段末边沟水深，即Yt+△t=Y1+（QS-Qg）（60△t/A）（8-17）10、重复6至9步，直至所以边沟计算完毕。11、相应时间的流量相加，得到一条边沟的出流过程线。12、在连续时段内，重复上述所有步骤，可得出完整的边沟出流过程线。在1至5步中，单元子区域可根据所划分的三种情况分别他演算，只是有洼地蓄水不透水面积的下渗量fi=0，而无洼地蓄水不透水面积的下渗量ft=0，fd=0。三种下垫面面积的出流相加可得单元子区域的出流过程线。SWMM模型中主要的雨水污染指标是悬浮固体（SS）。在没一单元内，灰尘和污泥的沉积量是雨前晴天日数、清扫街道次数与清扫效率的函数，可建立经验公式。灰尘和污泥沉积物中所含各类污染物要根据当地土地利用情况而定。降雨后，被雨水冲走的污染物与地面污染沉积量和径流强度成正比。该模型采用指数衰减的冲洗公式，即∂P/∂t=-KRP（8-18）式中：P—流域上积聚的污染物总量；R—地面径流产流强度；K—经验系数。△P=P0-P1=P0（1-e-KRt1）（8-19）式中：P0—地面污染物初始积聚量；P1—时段末污染物残存量；t1—相应P1的时刻。该模型中取K=4.6。当地面径流的产流强度较小时，径流输送、冲洗地面污染物的能力减弱，可在（8-18）式中增加一个效率因子A来修正，即∂P/∂t=-KRPA（8-20）该式适用于R＜18mm/h的情况。A=a+bRc106 式中：a、b、c—经验系数。（三）输送模块，具有演算通过排水管网及无雨期水流（对于合流式排水管网）的功能。演算方法是根据简化的圣维南方程组，采用差分算法求解。（四）扩充输送程序模块SWMM模型中原先的输送模块，主要是考虑排水管网不超载的情况下对径流过程和污染过程作演算，而对超载情况处理很简单。根据用户需要，研制了扩充输送程序模块。以连杆和节点系统代表排水管网，演算法的基础是未经简化的连续方程和动力方程。因此，它的运算功能较强，可以模拟带有回路的复杂网络和超载情况下的水流。当管网无超载时，采用输送程序模块比较合适（见图8-7），计算速度快且节省费用。若需要考虑超载情况，可调用扩充输送程序模块。把由径流程序模块得出的污染过程线作为输送程序模块的输入。径流中的悬浮固体通过雨水井时，若水流速度低于不沉流速时，则泥沙颗粒沉积在雨水井中。另外，还应考虑下水道内污染物的冲刷，冲刷量与通过管道的水流速度、管道内污染物沉积量成正比。管道内污染物沉积量是前期暴雨后无雨天数的函数。如果管道网络内有蓄水池，则应考虑蓄水池沉积污染物的作用。城市生活污水及工业废水流量可作为节点的输入。（五）存储和处理程序模块这个程序主要是模拟贮水池和污水处理设施对径流和污染过程的调蓄和降解作用。使用者可根据流域情况选用程序。可模拟下列内容：污水蓄水池、拦污格删、筛网、上浮和气浮、砂滤、高速过滤、旋流分离器、涡旋浓缩、加氯器及其他化学处理设施。只要使用者输入处理设施尺寸和处理程度，程序可自动运算。蓄水程序模块还同时计算各项处理设施施工费用、土地利用费用以及运行和维护费等。（六）受纳水体程序模块106 是根据输送程序模块的出流（分流制排水系统或合流制排水系统溢流）或存贮与处理程序模块的出流（即经处理厂处理过的污水出流），计算它们对受纳水体水质的影响。受纳水体可由一组节点构成的网络系统来描述，其边界条件是堰流或潮汐条件。第三节运行与控制模型运行与控制模型主要是指对城市污水管理的模型。美国BattelleMamorial研究所建立的城市污水管理模型，被认为是最佳调节运行规程的模型。其基本操作流程如图8-8所示。该模型能在各种降雨条件下评价筹建的或已建成的排水系统的性能。城市污水管理模型可以通过所需的调节控制规程，使污水漫溢量最小。为了确定何时何地把废水排放到受纳河流，模型考虑了流量、污水水质、蓄水水库的适用性和处理能力。该模型可用于设计新的排水系统或评价已建的系统，也可从多个方案中选择一种最经济的组合，用来改善已建系统的性能。这种模型对合流式排水系统进行集中监测和调节控制特别有用。美国已有多个城市可以集中检测利和用计算机调节控制合流式排水系统，但各城市的自动控制水平是不同的。例如，辛辛那提市设置的一种监测漫流事件的系统，已有报告表明是有效的；明尼阿坡利斯—圣保罗市的计算机中心系统是用来监测雨量和流量的，并辅助操作人员演算和调蓄水流；在西雅图市计算机系统监测雨量、流量和水质，并考虑三种不同控制水平，包括人工控制‘半自动控制和计算机自动控制；底特律市，用计算机监测降雨和漫溢水流，并雨天抽排信息，控制是由运行人员通过键盘操作；奥马哈市完成了实时自动控制系统的设计该系统将把最高浓度的废水截流到污水厂，并较淡的废水直接排如密苏里河。旧金山市正在规划阶段，拟筹建一个完全自动化分布式的计算机控制控制系统，用来调蓄和演算雨洪水流。显然，在不远的将来，在合流式排水系统的监测方面，计算机技术的应用是更为广泛的。第四节城市水文水质模型的应用一、模型的选择106 城市水文水质模型在国内外已经得到广泛的应用，并已有了数十种繁简不一和应用范围不同的模型。按照工程的实用观点来说，可根据针对的不同问题来划分类型以便选择。一般分成三个基本类型的工程问题。（一）规划。即关于未来选择方案的计算。这类模型的应用，通常是由简单的模型开始，必要时再逐步改用比较复杂的模型。（二）分析。对现有系统作计算，或对一个规划方案作详细研究。（（三）设计。一个系统在完成了规划和设计之后，最终定出系统的尺寸或工程图纸。这三种类型没有明显的界限，很多实际问题的性质可以包括不止一个类型。城市水文模型时，一经验的技术人员通常使用分层次的模型组，由简到繁，针对所研究的问题选择适当的选择一个或几个模型。表8-2说明5个模型分别对于各种典型问题的适用性。对于一个实际问题，并非单独一个模型是唯一合适的。应用推理法单位线法STORMSWMMILLUDAS选定临界降雨不适用不适用很好不好不好城市区的初步设计一般好好好很好城市区详细分析不好不好一般很好好滞流作用滞蓄水量分析不适用不适用很好好好滞流作用滞蓄水量设计不适用不适用好很好好下水道系统超载分析不适用不适用不好好不适用小系统洪峰流量预估好一般不好好很好下水道系统设计（管道明流）一般（小面积）一般不好好好二、模型对资料的要求模拟城市雨洪排水大型模型的一个共同特性是输入的资料要有一定的数量。随着模型在范围上的扩大和综合性增强，所要求的可靠资料也要扩大和增多。对于大尺度的水文模拟模型，输入资料可分为以下三大类（组）：流域自然地理特性资料，降雨特性资料和人工排水系统特性资料。三、模型的率定与检验1、模型的率定就是调整模型中的各种参数，直到模型输出的过程与实测过程拟合最佳为止。（模型建立期）2、模型的检验是被率定的模型需要作进一步的检验。即采用未曾用来率定模型参数的实测雨洪资料来检验模型拟合成果的精度。（模型检验期）3、最后要检验模型模拟的过程是否能代表各种特殊情况或恶劣条件，例如特殊气象年份，融雪和冻土消融等。106 完成上述工作自然有许多困难，其中最重要的是资料不足。此外，模型的某些原始假定及对流域的概化，阻碍了雨洪模型的标准化，而且模拟成果对概化和系统特性的选定往往十分敏感的；许多模型对流域空间的离散化（集总化）和饱雨输入过程的离散化也是非常敏感的。因此需要对模型的敏感性分析研究，才能有助于模型的具体应用与推广。第九章城市水污染防治和水环境治理规划第一节概述一、我国城市水污染状况目前，水污染已经成为世界最严重的环境问题，引起全世界的普遍关注。我国的水资源紧缺已经严重制约着社会经济的可持续发展，日益严重的水污染更是给人民群众的日常生活带来很大的难题。如何处置城市污水，使其得到再循环利用，是目前人们普遍关注的问题。据环境部门监测，全国城镇每天至少有1亿t污水未经处理直接排入水体。全国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1／3的水体不适于鱼类生存，1／4的水体不适于灌溉，90％的城市水域污染严重，50％的城镇水源不符合饮用水标准，40％的水源已不能饮用，南方城市总缺水量的60％-70％是由于水源污染造成的。截至1996年底，全国600余座城市年排水量为353亿m3，处理量为83亿m3，处理率仅23％。城市市政系统年纳污水209亿m3，建有城市污水处理厂153座，集中处理量为23。8亿m3，处理率为11．4％。尽管全国每年新增城市污水处理能力3亿m3，但仍以每年处理能力缺口21亿m3的速度在不断增大。《国家环境保护“九五”计划和2010年远景目标》要求，到2002年，全国要新增城市污水处理能力2000万t／d，集中处理率达25％。据测算，仅污水处理厂的配套管网投资将达850亿元，至2010年，城市集中污水处理率将达40％。预计将新增城市污水处理厂1000余座。我国每年约有1／3的工业废水和90％以上的生活污水未经处理就排人水域，全国有监测的1200多条河流中，目前850多条受到污染，90％以上的城市水域也遭到污染，致使许多河段鱼虾绝迹，符合国家一级和二级水质标准的河流仅占32．2％。污染正由浅层向深层发展，地下水和近海域海水也正在受到污染，我们能够饮用和使用的水正在不知不觉地减少。二、我国水污染防治的策略和采取的主要措施水污染防治的基本策略是以防为主、防治结合、多管齐下。采取的主要措施有以下几方面。1、推行清洁生产工艺、发展节水型工业推行清洁生产工艺能减少污染，降低成本，节约能源，它不仅是防止水污染的最佳途径，而且是可持续发展的方向下工业生产发展所必须遵循的道路。目前，我国的水资源利用一方面很紧张，另一方面浪费却十分惊人。同工业发达国家相比，单位产品耗水量很高。以钢铁工业为例，我国的平均吨钢产品耗水量为70～100t。首都钢铁公司和宝山钢铁公司是我国较先进的钢铁联合企业，其吨钢产品耗水量分别为25m3和7m3，比平均耗水量节约3／4~9／10。而法国、美国、日本三国的吨钢产品耗水量分别为3．75m3、4m3、2．1m3，仅为我国平均水平的1／50～1/18。由此可见，发展节水型工业是节约水资源、减少排污量、防止水污染的重要途径。发展节水型工业的具体措施有以下三方面：(1)采用先进工艺技术。如以气冷设备代替水冷设备，以逆流漂洗系统代替顺流漂洗系统，以压力淋洗系统代替重力淋洗系统，可以使用水量节省20％—90％。(2)发展工业用水的重复使用和循环使用系统。工业冷却水、洗涤用水量大面广，其106 重复使用和循环使用已经有很多的成功经验应大力推广。(3)改进设备、加强管理、杜绝浪费。目前很多工厂设备老化，管理不善，跑冒滴漏现象严重。据估计其浪费水量占总耗水量的20％—30％。应予以高度重视。2、加速城市污水处理厂的建设水污染主要是由城市生活污水和工业废水任意排放所造成的，修建城市污水处理设施对污水进行处理，是防止水污染，保护水资源的关键措施。在世界工业发达国家，除了大型的集中工业或工或工业区采用独立的废水处理外，对于大量的中、小型工业企业的工业废水，大多倾向于采取综合治理方案，即与城市生活污水共同处理的方案，由市政部门设统一的城市污水处理厂。各工业企业的工业废水，在厂内经过必要的预处理，并达到排放标准后，排人城市下水道，与生活污水共同处理。这样做的优点是：建设与运行费用低、处理效果好、占地面积小，不影响环境卫生，易于管理，节省监理人员。借鉴国外的成功经验，加快城市污水处理厂的建设是防治污水污染的当务之急。污水处理设施，特别是二级三级处理厂，其建设和运行费用都很高，对城市污水处理厂的建设因地制宜，合理规划，优化设计，通过多方案的经济、技术、环境、社会等方面的对比研究，择优实施，以使污水治理的投人最小，环境效益和社会效益最佳。在有条件的地方应优先采用天然生物净化系统，合理利用环境的自然净化能力。3、大力发展城市污水资源化我国是一个水资源贫乏的国家，大力发展城市污水资源化，是防治水污染、节约是资源的有效途径。城市污水水质较工业冷却水或洗涤水要复杂得多，但通过有效净化手段可以使其再生且回用于某些用途，如用于农业灌溉；用作工业冷却用水、洗涤用水或工艺用水；用于市政，如灌溉绿地和公园、浇洒道路、洗涤车辆、用作消防等；也可用来补给地下水，防止地下水位的下降或海水的入侵等。对于缺乏水资源的城市，城市污水资源化，往往比从丰水地区远距离引水更经济，且减轻了水环境的污染，缓解水资源的紧张。4、积极研究和开发污水处理新技术‘依靠科技进步，积极研究并不断开发处理功能强、出水水质好、基础投资少、能耗及运行费用低、操作维护简单、处理效果稳定的污水处理新技术和新流程，对于水污染防治具有至关重要的作用。至关重要作用。此外，水污染防治还必须加强和完善各项管理措施，包括水环境立法管理、水资源管理和水环境规划管理，设立专门机构，实施监督、执法的权利，是防止水污染、保护水资源必不可少的条件。三、改善我国水环境的对策与措施（一）走可持续发展之路，经济发展与资源、环境相协调我国水环境总体恶化、形势严峻。其发展态势令人忧虑。实践证明，以环境换发展，先污染后治理的路是行不通的。必须在全社会树立水资源与水环境的忧患意识，走可持续发展之路。使经济发展水平与资源条件、环境状况相适应。对污染严重地区，应将改善水环境作为区域社会发展的首要目标，果断地关停严重污染环境的小企业，加大污染治理力度。(二)健全水环境监测网络，实行动态监测、区域联防水环境监测网络是防治水污染、改善水环境的尖兵与耳目，应该优先建设，先行发展。重点加强现场测试能力与快速反应能力，在有条件地区建设自动测报与预警系统。对跨界河流与重大污染事故实行动态监测，定期向社会公布水环境信息。近期应加强省际边界水体的监测．积极开展跨省的污染防治。（三）建立流域与区域相结合的管理系统、实现水量水质统一管理106 流域是一个完整的水资源系统，水环境状况是流域水资源管理和重要指标。当前，应加强流域水资源机构的作用，发挥水利部门水量水质同步监测、统一管理、联合调度、改善流域水环境。(四)实施总量控制，严格排污管理减少污染物排放是改善水环境的根本措施，最有效的办法是根据流域水环境容量制定污染物允许排放量，控制进入江河湖库的污染物。将排污总量指标层层分解，由县以亡人民政府根据上级政府制订的污染物控制计划，组织制订辖区内排污总量控制计划，并将排污总量指标分解到每个排污单位，纳入目标责任制管理，同时加强对人河排污口的监督性监测与管理，控制退水中污染物总量不超过规定指标o(五)依法治污，完善水环境治理的法规体系依法治污是改善我国水环境的关键所在，应在《水法》、《水污染防治法》的指导下，比照淮河流域的模式，健全流域治理领导机构，制定流域及区域水污染规划及各种配套法规，使水环境工作法制化、制度化。(六)团结协作，科学法理水利、环保、农业、城建等各部门团结协作，是治理水污染、改善水环境的组织保证，应各司其职，各用所长，统一规划，统一目标，统一行动，统一调度。水环境是一个复杂的大系统，涉及自然、社会、环境诸多因素，增加治理措施的科技含量和理论依据是当务之急，应逐年安排关键问题与关键技术的科技攻关，指导治理工作。第二节城市水污染防治的目标与任务一、城市水污染防治的目的意义我国城市的水污染防治虽已走过了30多年的历程，实施了一些有效措施，一部分水污染问题得到了缓解和控制，从中也积累了许多宝贵经验。但是，仍然有许多亟待解决的问题，诸如：(1)不少城市缺水严重，由于水环境污染仍未得到全面控制，优质水资源遭到污染，更加剧了可利用的水资源短缺、使城市的可持续发展受到制约，人民生活或受到严重影响。(2)城市污水排放总量日益增长，而处理率很低，致使城市河、湖、水库严重污染，既影响城市供水水源地(地表的和地下的)的水质，又使城市景观、人民身体健康与生活的质量受到损害。(3)尽管历年为控制工业废水污染采取了一些有效措施，加强了预处理和水的重复循环回用，对污染严重的工厂实行了限期治理及关、停、并、转，但工业废水仍然是水环境的重要污染源。(4)随着城郊农村的发展，规模化畜禽养殖业的废物及废水、乡镇企业废水及生活污水排放量急速增加，成为新兴的重要污染源。因此，制定适合城市具体情况的、全面的、优化的城市水资源保护与水污染防治规划是一项十分迫切而重要的任务，也是决定城市可持续发展的战略任务之一。城市水资源保护与水污染防治的总体规划将能使城市水污染防治的费用最省、效果最优，对改善城市水环境质量，逐步实现长期良好生态目标产生重大效益，从而确保城市可持续发展所需要的水资源和水环境。在研究和制定此总体规划时应紧紧抓住城市存在的重点问题，如对城市地表及地下饮用水源地的保护提出水质目标及各项保护对策和措施，并对所需费用及效益进行分析；确定工业污染源的污染物排放量、组分及其时空分布，提出防治工业污染的各种对策、措施与所需费用及效益；确定农村污染源(含化肥、农药、畜禽养殖业、乡镇企业废水及乡镇生活污水)的污染排放量、性质及时空分布，提出污染控制的各项对策、措施及效益；对城市雨洪水排水系统，城市污水(含工业废水和生活污水)106 排水系统，城市粪便收集、处理与处置系统，城市污水处理厂，以及处理后出水再利用等进行规划，提出建设顺序、规划、基建投资分配等。同时，在确定规划推荐方案时应考虑水质管理与水资源的开发和利用的协调，水污染防治与城市建设总体规划以及城市社会经济发展总体规划的协调，以及环境保护与水利、农业、工业、市政、环境卫生、公用事业、园林绿化等部门的协调，并应纳入城市建设总体规划之中，与上述各部门的专业规划同步实施。二、制定城市水污染防治规划的指导思想(1)应以可持续发展战略作为指导思想，贯彻国家有关经济建设、城镇建设与水资源合理开发利用、水污染防治及环境保护协调、发展的方针。(2)应贯彻防治结合、预防为主的方针。对于已经受污染的水体，应尽快着手整治，对于尚未受污染或污染尚不严重的水体，则应加强预防措施。(3)应特别重视水资源的合理开发与利用，这对缺水城市尤为重要。要把节水(城市节水、工业节水和农业节水)，污水资源化及开发跨域引水工程结合起来，作为长期的重大战略措施。应重视把污水开发成为稳定可靠的水资源，加以再生利用。(4)总体规划中确定的水质目标，既要考虑城市的近期要求，也要考虑到中长期的要求，还应根据财政支撑能力，对水污染防治与水质改善措施作出相应的分阶段规划方案与实施计划。(5)制定规划既要研究、总结、吸收国外近40年采防治水污染的基本经验和科技进步成果，又要结合实际情况和条件，以便确定技术上行之有效、经济上合理的规划方案与对策、措施。(6)对于工业废水污染，应强调源头控制，发展清洁生产，实施废物减量化和生产全过程控制，达到节水减污的目的，并与厂外集中处理相结合(7)要十分重视农村污染的防治，特别是那些位于重要饮用水源地的农村污染，应提倡化肥农药的合理利用，减少其对环境的污染。对畜禽排泄物、乡镇企业废水及村镇生活污水等应采取有效措施进行处理及利用，实现农村的良性生态循环。(8)应贯彻集中处理与分散处理相结合的原则，把完善城市雨水污水收集系统和建设城市污水处理厂作为防治水污染的重要手段。应遵循上游下游的治理相结合、优先保护集中饮用水源地保护区的原则，城市污水处理厂应根据污水再生利用的需要规划建设。三、城市水污染防治的目标（1）加强地表和地下水源的保护，确保城市安全供水；（2）还清于市区河道、湖泊的水质，恢复其美好的观瞻与景色；（3）保护并恢复沿海城市海域水体的有效使用功能，如自然保护区、珍稀濒危海生动植物保护区、海产养殖区、海上娱乐休闲活动区、海水工业利用区、盐场等。四、城市水污染防治的任务（1）调查清楚各类污染源（工业、农业、生活、点源、非点源）排放的污染负荷及其分布与发展趋势（现状与预测）。（2）提出控制各类污染源（如工业废水、生活污水、畜禽粪尿、农药、化肥、径流污泥、）的对策与措施。（3）加强城市污水的收集、输送与处理和利用。对城市污水、雨水排水系统，污水处理厂及其出水的再生利用进行周密全面的规划设计。第三节制定水污染防治规划的方法106 制定水污染防治规划的基本方法是：在调查摸清城市水环境状况及各类污染源状况的基础上，运用系统工程的方法及数学模型，对城市水环境的水质及各类污染负荷在城市规划期内可能发生的变化进行预测，为实现城市既定的环境保护目标，对城市的水资源保护及水污染防治进行全面、系统的规划，并制订出系列专项规划方案，包括工业污染防治，农村污染防治、饮用水源地保护、城市水体污染防治、城市废水处理、中资源开发与利用规划等。这些规划方案均应与总体规划中的水质目标相一致，并通过水质模型及实测的水体水质进行验证。采用费用效益分析进行多方案比较与评价，在综合评价的基础上进形成具有良好可操作性，且经济有效的最优规划方案。制定城市水污染防治与水质管理规划的工作程序如图9-1所示，一般分为三个阶段讲行：一、第一阶段第一阶段是收集现有的有关资料，并进行总结分析。(1)城市自然条件。地理位置、地形地貌、气候、气温、降雨量、风向、面积与分区等。(2)人口现状。市区人口、乡镇人口、常住人口、流动人口、人口密度与空间分布、自然增长率和迁移增长率、人口预测等。(3)城市建设总体规划。城市的规模、性质，城镇体系(如规划市区、卫星城或县城、中心镇、一般建制镇等)，城市建设用地性质(居民住宅、公共建筑、工业)等。(4)社会经济发展现状及预测。包括国民生产总值、工业结构、产值分布特征、产业结构、不同产业的分布特征、工业发展速度(现状与预测值)、国内生产总值的发展速度、现状与预测值等。(5)环境污染与环境保护现状。污染源、污染物性质、污染途径、水体特征(水文的、水力的)、水质监测状况(布点、监测频率、监测项目)及历年统计资料、数据与结果。(6)城市现有公共基础设施现状。合流制、分流制或半分流制的城市污水／雨水管道系统、管道长度、服务面积、汇水区域划分、污水处理厂数量、规模(处理能力)、处理水平(一级处理、一级强化处理、二级处理或天然净化，如稳定塘、土地处理等)、城市粪便收集、输送、处置与处理现状(化粪池、干厕所、送粪车等)。(7)水环境质量目标、标准及水体功能划分状况。城市各类水体使用功能的划分现状、水体保护类别及水质目标的确定(近期的与中长期的)。根据对收集现有资料的归类与初步分析，确定尚需补充收集的数据与资料，并制定补充取样分析、监测的计划。在此阶段中应确定规划范围，如规划涉及的城市中心区、市区、近郊区及远郊区，确定各区的范围与面积大小。二、第二阶段1、建立数据管理系统（DMS）及地理信息系统（GIS）将适宜的有关数据、技术参数及资料输入上述系统，提出尚需补充的数据及资料。2、确定各类污染源及污染负荷（1）工业废水污染源。包括国家和地区重点限期治理的污染源；废水COD负荷总量各为65%、75%、85%的工业企业数；工厂预处理设备极其效果；出水排放去向（排入城市市政下水道系统或水体）。（2）农村污染源。包括农药、化肥、畜禽养殖业、乡镇企业废水及乡镇生活污水等。（3）生活污水污染源。包括城市居民住宅污水排放量及污染物负荷量，城市刚刚建筑污水排放量及污染物负荷量。（4）城市粪便量。尚无城市下水道服务的居民刚刚厕所的数量、分布、粪尿排放量、收集与运输方式，处置与处理方式及最终出路等。（5）雨水量及初期暴雨径流量夹带的污染量。如BOD5、SS等；雨水的排放系统及最终出路等。3、模型选择、采用、校正与检验106 在水环境污染防治及水质管理规划中，需要采用模型进行水质（及水量）预测并对推荐规划方案进行优化决策以达到最小费用。各种模型利用收集大量实测资料和统计数据进行校正与验证。此外，为达到水环境质量目标，应基于城市的各项技术参数及财务参数（如基建投资、运行和管理费用、土地适宜性、工程项目的优先排序及其他各种经济因素等）对各种推荐方案进行评价分析的模型。如目前采用的多参数综合决策分析模型或最小费用模型等。4、制定方案、提出措施酝酿制定可能的推荐规划方案，提出解决水环境污染及改善水质的战略、途径、方法与措施，对制定长期的水环境保护提出意见和建议。三、第三阶段第三阶段工作如图9-2所示。（1）应提出各种战略、对策及解决问题。（2）对提出的规划进行方案技术经济分析，以求达到技术上的可行与经济上的合理，如果通过模型的模拟分析计算，大不到机定水质目标，或技术、经济不合理，则需要提出在技术、经济上更为可行的方案进行模型分析，最后提出制定最优的规划方案。（3）应制定各工程项目的实施次序与实施计划。（4）提出对水资源保护与水污染防治的管理的体制、法规、标准、政策等方面的意见或建议。第四节城市水环境整治规划的指标体系指标是目标的具体内容、要素特征和数量的表达。城市水环境整治规划的指标体系是由一系列相互联系、相互独立、互为补充的指标所构成的有机整体。从系统学观点来看，一个规划所选择的指标越多，考察的范围越大，涉及的因素就越多，规划的效果就越好；但随着研究的因素的增多，问题的复杂性将急剧增加，系统不确定性也将急剧增加，结果又降低了规划的可靠性。指标太少，则难以保证规划的科学性。因此，指标的选择要适当，需要根据规划对象、所要解决的主要问题、所掌握资料的数量和质量以及经济技术力量等条件来决定，以能基本表征规划对象的实际情况和体现规划目标内涵为原则。一、环境规划指标选择原则(一)科学性原则指标或指标体系能全面、准确地表征规划对象的特征和内涵，能反映规划对象的动杰变化，具有完整性特点，并且可分解，可操作，方向性明确。(二)规范化原则指标的涵义、范围、量纲、计算方法具有统一性或通用性，而且在较长时间内不会有女的改变，或者可以通过规范化处理，可与其他类型的指标表达法进行比较。(三)适应性原则体现环境管理的运行机制，与环境统计指标、环境监测项目和数据相适用，以便于规划和规划实施的检查。此外，所选指标还应与经济社会发展规划的指标相联系或相呼府。(四)针对性原则指标能够反映环境保护的战略目标、战略重点、战略方针和政策，反映区域经济社会和环境保护的发展特点及发展需求n二、环境规划指标体系106 环境规划指标按其表征对象、作用以及在环境规划中的重要程度或相关性分析为环境质量指标、污染物总量控制指标、环境规划措施与管理指标以及相关指标。(一)环境质量指标环境质量指标主要表征自然环境要素(大气、水)和生活环境(如安静)的质量状况。一般以环境质量标准为基本衡量尺度。环境质量指标是环境规划的出发点和归宿，所有其他指标的确定都是围绕环境质量指标进行的。（二）污染物总量控制指标污染物总量控制指标是根据一定地域的环境特点和容量来确定的，可分为容量总量控制和目标总量控制两种。前者体现环境的容量要求，是自然约束的反映；后者体现规划的目标要求，是人为约束的反映。我国现在执行的指标体系是将两者有机地结合起来，同时采用。污染物总量控制指标将污染源与环境质量联系起来考虑，其技术关键(受纳环境)的输入响应关系，这是与目前盛行的浓度标准指标的根本区别标虽对污染源的污染物排放浓度和环境介质中的污染物浓度作出规定，易三但此类指标体系对排人环境中的污染物量无直接约束，未将源与汇结合起)(三)环境规划措施与管理指标—环境规划措施与管理指标是达到污染物总量控制指标进而达到环境质和保证性指标。这类指标有的由环保部门规划与管理，有的则属于城市总类指标的完成与否和环境质量的优劣密切相关，因而应将其列入环境规划叫(四)相关指标相关指标主要包括经济指标、社会指标和生态指标三类。相关指标大：经济和社会发展规划中，都与环境指标有密切的联系，对环境质量有深刻晨境规划所包容不了的。因此，环境规划将其作为相关指标列入，以便更全面划指标的科学性和可行性。对于区域来说，生态类指标也为环境规划所特另环境规划中将占有越来越重要的位置。三、水环境综合整治规划的指标体系(一》指标选取水环境综合整治规划是环境规划的主要内容之一。其指标的选取在遵循环境规划指标选取原则的基础上，还应结合本身的规划特点和内容，具体考虑如下几点：．(1)按控制污染最不利条件制定控制、管理指标。一般选年中水量最少、排污量最大、温度最高、扩散条件最差的组合作为控制水污染的最不利条件；但在组合时各参量的设计条件要一致。(2)按污染单项指标分别选择总量控制单项指标。一般从水质标准项目出发，对应选出污染源排污指标，并在影响受纳水域水质的所有污染源中，一一选定单项控制指标。(3)按控制断面水质浓度计算总量负荷指标。水质管理应在排污口控制排污量，在控制断面检验水质浓度。控制断面应选择在功能区与排污口最接近的位置，允许保留混合距离或混合区。(4)按功能区范围和水质标准计算控制水域允许纳污量，考虑安全系数后，作为区域允许排污总量负荷指标。(二)指标体系在实际规划中，由于规划的层次、目的、要求、范围和内容等不同，规划指标体系也不尽相同。对于水环境综合整治规划，主要有下列指标。1、水环境质量指标（1）地表水达到地表水水质标准的类别，生活引用水水源水质达标率和引用水源数。106 （2）江河水质指标，包括COD、酸、氰化物、酚化物、砷、汞、六价铬、BOD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、石油类和大肠杆菌等。（3）地下水水指标，包括矿化度、总硬度、酸、COD、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等，地下水位区域下降及地面下量。（4）近海海域水指标，包括COD、石油、氨氮、磷、重金属、悬浮物、pH值、电导率、氧化还原电位等。2、水污染物总量控制指标（1）工业用水方面，包括工业用水量、工业用水重复利用率、新鲜水用量。（2）废水排放总量，包括工业废水排放总量、生活污水总量和排放量。（3）万元产值工业废水排放量、外排工业废水达标量、达标率。（4）废水中污染物（COD和BOD、重金属等）的产出量、排放量、去出量和削减量。3、规划措施与管理指标（1）水域环境保护指标，包括工业废水、生活污水、COD、、BOD、氨氮等纳入量。（2）重点污染源治理指标，包括污染物处理量、削减量，工程建设年限、投资预算及来源。（3）包括环保投资总额占国民收入的百分数，环保投资占基本建设和更改资金的比例。4、相关指标（1）经济指标，包括国民经济生产总值、工业生产总值及年增长率、部门工业产值。（2）社会指标，包括人口总量与自然增长率、人口分布、城市人口。（3）水资源利用指标，包括区域水资源总量极其时空分布、河流径流量极其年际变化、各用水部门用水量和水质要求和、取水点位置等。第五节国内城市水环境治理规划实例简介一、南通市城市水环境治理规划实例简介（一）规划构思南通市位于江海交汇之处，古城以水而生，内外水网密布。千年古运河——濠河更以其独特的“水包城、城包水”的形态荣誉为“少女脖子上的翡翠项链”。规划结合南通市的特色，自始自终贯穿水这个主线，全面、透彻、细致的分析研究南通市水环境的现状与未来，规划依托于水、借助于水来塑造城市的品格，展现城市“城水相拥、文水交辉、绿水交融”的景观形象，力争做足“水文章”。1、规划原则（1）保护使资源。坚持水资源开发利用与可持续发展相结合，正确处理好水资源开发利用于生态环境保护的关系，使水资源发挥最大的经济效益、社会效益，同时加强非传统水源的开发与利用，努力构建资源节约型社会。(2)确保水安全。坚持预防为主、防治结合、标本兼治、综合治理。加强城市“保、截、治、管、用、引、排”等环节的控制和管理，达到保护自然资源，实现城市水环境改善的持续有效。(3)强化城市个性。坚持水环境建设与城市特色形象塑造相结合，依托城市独特的自然地理风貌，完善滨水空间体系，将自然水景观与城市环境建设相互融合，塑造人与自然和谐发展的城市形象。(4)延续历史文脉。坚持水生态环境建设与水文化建设相结合，大力挖掘历史水文化资源，打造现代水文化品牌，突出滨江滨河文化特色，构建环境友好型社会。(5)持续协调发展。坚持政府主导与市场化运作相结合。充分发挥政府的主导作106 用，积极推进分期建设发展目标。同时探索市场化的水保护、开发、利用新途径，推进城市水资源保护和水环境建设，实现南通城市建设的健康发展和可持续发展。2、规划切入点(1)水是城之源。水是城市发展的基础性自然资源和战略性经济资源，通过加强加水环境治理，确保城市水安全，才能够保障南通市的可持续发展永续动力。(2)水生城之态。水是城市环境的主要构成要素，规划着力以构建现代化的水生态城市、让水走进城市、让城融入水，以提升城市品位，增强城市魅力。（3）水筑城之形。以改善河道水质，加强以河两岸为主体的城市河道环境景观建设，完善和充实城市水空间格局，依托死亡、借助于水来塑造城市的品格，展现城市“城水相拥、文水交辉、绿水交融”的景观形象，增添城市活力。（4）水活城之魂。水是具有丰富文化内涵的。通过“以水为脉、以绿为衣、以文为蕴、以人为本”的规划理念，较好的延续历史文脉，展现“城市水脉”的内涵，有效的提升南通市的城市的功能和竞争力。（二）空间布置1、水系网络优化规划针对南通市水网密布的实际情况，提出港闸区“三横五纵”、崇川区“两横四纵”、开发区“四横四纵”的以城市三级及三级以上河道为控制的适宜城市水系格局，并明确河道间距0.8~1.0km为佳,以及个条河道的建设标准,即可保证城市水系的畅通,提高水体的自净能力,又可确保城市水系引、排、蓄、航、赏、游等综合功能的发挥。规划还针对在总体层面三级以下河道无法控制的情况，本着适宜提高现有水面率的原则，分别对城市总体功能布局中城市生产性用地和生活性用地提出不同的水面率控制标准，有效指导城市开发建设的具体实施。2、水系生态修复生态有系优先、持续发展是城市水环境治理中一项重要战略。规划通过生态廊道建设、生态河道建设、生态湿地建设、水生态系统建设等于一体，形成紧密结合实际，可操作性强的产生水环境生态恢复系统规划方案，并提供多个生态断面形式的建设方案，为规划落实的科学依据3、城市景观结构规划形成“两环、两脉、三带、六核”的城市水景观结构，以滨水自然、人文景点为依托，滨水绿化为机体，滨水建筑及开放空间为点缀，通过滨水旅游及滨空间建设，将真实性、艺术性、观赏性和亲水性和谐统一，弘杨城市水文化，延续城市历史文脉。两环（两环映古今）——内环为濠河风光带；外环为通吕运河和海港引河两岸水系生态圈的滨水空间。两脉（两脉纳山水）——城市自然文化景观走廊及滨江生态景观风貌带。三带（三带联江海）——以贯穿江海的三条城市主要水系九于港、通吕运河、通启运河的滨水生态绿廊建设。六核——唐闸近代工业遗址景观核、五河公园景观核、濠河风景名胜景观核、五山风景名胜景观核、老洪港生态旅游景观核、苏通大桥休闲旅游景观核。(三)创新与特色。1．转变观念、创新理念规划改变传统的所谓征服自然的治水观念，而是把城市水环境治理作为一项综合性的系统工程，采用更加科学的、更加理性的人与自然和谐的新型规划理念。强调以水为城市的灵魂，突出“以水为脉、以绿为衣、以文为蕴、以人为本严的科学治水、生态治水、持久治水、依法管水的综合治水理念，研究与探索出“以分析水问题、制定水目标、保障水安106 全、改善水环境、建设水景观、挖掘水文化、恢复水生态、实施水工程、发展水经济、加强水管理”等内容丰富、针对性强、系统全面的规划脉络。2．节约资源、持续发展规划注重水资源开发利用与可持续发展相结合，着力在城市水源保护、城市节水等方面加以控制与引导，力争从根本上减少污染排放量；同时加强中水回用、雨水利用等非传统水源的开发于利用，使水资源发挥最大的经济效益、社会效益和环境效益，确保城市水安全，努力构建资源节约型社会。3、理论研究、科学支撑通过建立城市水系模型，系统研究南通市水环境容量状况，明确先状、进期、远期的理想水环境容量水平，合理确定引水活水方案及引水设施建设规模、引水周期等，为南通市水环境治理提供科学的技术支撑。4、文旅并蓄，景观建水规划从景观风貌体系、文化风貌体系、旅游观光体系入手，全面构建富有景观活力和文化魅力的空间结构使城市水环境治理从单纯的防洪排涝和引水工程拓展为与城市景观风貌塑造和城市文化建设息息相关的重要组成部分。5、应急系统、安全保障结合我国城市水资源污染事件频发的严重形势，提出通过建立以城市水安全为核心的应急救助系统，着力解决引用水安全保障，防洪排涝安全保障、消防水源安全保障等问题。健全城市安全应急救援联动系统，提升产生应急救助能力。6、指导与示范本规划内容丰富，针对性强，同时结合了南通市有关十一五规划的工作重点内容，科学制定分阶段的建设发展目标，做到细化和量化，可操作性强，因此，对南通市水环境治理工作的展开具有较强的指导意义。本规划作为江苏省第一个提交省级论证的城市水环境治理规划，在成果评审时得到了有关专家和领导的高度评价，对其他城市的相关工作的开展具有一定的示范意义。二、常州市水环境治理专项规划简介1．前景展望这份规划为人们展开了一幅美丽的江南水景图，2010年前达到河网畅通、水系功能退化及弱化状况得到基本遏制，市区水环境恶化得以有效控制，水安全得以有力的保障，水生态得以较充分的恢复；2020年达到水污染得到全面控制，水系功能明显改善，水资源得到充分利用，水生态得以一定的扩大，使常州市区成为经济生态高效、环境生态优美、社会生态文明，自然生态与人类文明高度和谐统一的现代化生态城市。2．规划理念为从根本上治理好水环境，此次规划首先在工作策略上确立了5大转变：从注重水资源量向同时注重水资源量和质转变；从控制工业点源污染为主向控制工业和生活点源，农业面源与其他非点源污染相结合转变；从控制外源污染为主向控制外源与内源污染相结合转变；从采用比较单一的水污染防治措施向采用综合性的水污染防治措施转变。3．编制模式城市水环境治理是一个复杂的综合系统，需要协调水与岸、水与城、水物理空间与水生态系统之间的关系，进而需要统筹理顺环境保护、水利建设、市政建设、生态建设及经济文化等多领域的关系。城市水环境治理规划对象在规划的内容上联系紧密，不可分割。如水系功能网络构建既是防洪排涝水安全规划依据，也是水污染控制环境容量计算依据；又如产业布局的优化既满足水污染控制需要又合理指导滨水空间整治。因此，城市水环境治理规划应将所106 涉及的规划对象相对集中，充分吸纳其他学科的优势，通过多学科的交叉互动，建立“以改善和保护城市水环境生态系统为基本目标，协调形成水环境与城市建设的友好互动，彰m地K水文化和现代生活城市魅力，体现城市可持续发展要求’’的独特体系。4．建设措施城市水环境规划主要是城市规划建设区范围内治理和综合利用水系规划，具体有六大内容：(1)紧密围绕防洪除涝、城市排水、水资源调配、水环境保护和生态保全、航运交通等基本功能，防洪减灾是基础，改善水环境是重点，构筑和健全城市水系。(2)以环境容量理论为基础，推广和应用水污染控制新技术。(3)大力推进产业结构与布局的合理调整，发展循环经济和清洁生产，并加强和完善污水处理系统建设。(4)建女针对性的水量水质模型，构筑较完整的引清调水体系，使污水不再回荡积存，实现河网水体的1有序流动，促进良性循环。（5）以枕江、抱湖的优势生态资源为基础，使城市外围自然生态资源通过水系生态廊道暾向城市建设区渗透融合，形成较完整的城市水生态“点、线、面”丰富体系框架。(6)结合水生态修复开展城市滨水空间整治，营造现代与历史相辉映的常州特色景观。5。保障措施水环境治理是一项系统工程。从空间上看，这项工程具有社会性的特征，不，陡涉人到城市的规划、建设、水利、环保等方面的工作，而且还涉及到资金、技术、管理以及政策、法律等方面的问题；从时间上说，这二工程是一项长期的建设任务，治理规划的实施要经过长期的努力，不能毕其功于一役。因此，水环境治理不仅强调相关的建设措施，更要建立一系列的保障措施，把水环境的治理纳入法制建设的轨道，依法治理，从根本上建立起长期有效的管理机制，标本结合，才能最终实现治理目标。常州市城市水环境治理应推进以下八大保障措施：强化法制推进、加强宣传教育、构建决策机制、现代化建设建立应急预案、确保供水安全、节水型社会建设、多元化筹措资金。第六节城市污水的处置一、城市污水处置系统组成及作用随着社会生产的飞速发展和人们生活水平的不断提高，人类不仅对水资源量有更大的需求，而且对水质亦有更高的要求，因此越采越多的污水需要处置。城市污水处置系统就是城市水资源和水环境保护的一项最重要的工程性措施，它是城市生态循环中物质流动的重要环节，是维持城市有机体生命的主要网络之一。城市排出的工业废水和生活污水，通常含有较多的污染物，会造成环境污染，因此必须将其收集起来，进行妥善处置后才能排人环境。虽然城市中的雨水和冰雪融化水比较清洁，但易积水为害，特别是下暴雨时，瞬间雨量较大，如不及时排除，会危及人们生产和生活的正常进行，所以城市中的雨水和冰雪融化水也必须加以排除。另外，在初降水中，由于含有较多的大气中和地面上的污染物，也应进行适当的处理后方能排放。所以，城市污水处置系统作用就是将城市中的污水和降水收集起来，通过完善的排水系统，有组织地加以提出或送至污水处置地点及利用场所，使其尽量妥善处置后再排放或再利用。城市污水处置系统通常由三部分组成，即污水和降水收集设备、排水管道和污水处理106 厂或其他处置场所。污水和降水收集设备是城市污水处置系统的起端设备，其作用是将生活污水、工业废水或降水汇集并送人室外排水管道中。收集设备可分为室内污水收集设备和室外污水收集设备两类。室内污水收集设备包括住宅及公共建筑内的各种排水卫生设备、工矿企业内部排水设备等；室外降水收集设备主要为雨水口和雨水收集管(渠)等。排水管道系统可由街坊排水管道和街道排水管道两部分组成。街坊排水管道的作用是将室内排出的污水和街坊内的降水转送到街道排水管道中去；街道排水管道则用来将街坊内排水管道排出的污水和降水送到污水处理厂或排放地点。污水和降水一般以重力流排除比较轻济合理，但当受地形、地势等条件约束，使排水发生困难时，则需要设詈云泵站帮助排水。泵站按其设置的位置又可分为中途泵站和终点泵站。泵站出水如需要采用压力输送、则应设置压力管道，压力管道上不能接人无压管道。城市污水的排出方式有分流制和合流制两大类。分流制是指将城市生活污水下、工业废水和雨、雪水分别用两个或两个以上各自独立的管道来收集和运送。排除生活废水、工业污水的管渠系统称为污水排水系统，排除雨、雪水的管渠系统称为雨水排水系统。采用分流制排水方式，污水处理厂接受的污水，其水量、水质大致是一定的，因而容易处理，这种排水方式在防止污水污染自然水域方面是有利的。合流制是指将生活污水、工业废水和降水用同一管渠排出的方式。由于污水量同雨水量相比是非常小的，所以在一般情况下只需考虑雨水量，用一条口径宜于排放雨水的管渠同进排放污水。合流制多用于雨水难以排放而必须用于泵抽升排放的地区，近年来城市街道下面地下埋设物增多，若把地下管渠分为污水、雨水两根管道铺设，占地和修建费用都要增加，因此这种合流制排水措施为较多的城市采用。选择何种排水方式是一项复杂而重要的工作，应根据城市总体规划、环境卫生要求、污水利用情况、原有排水设施、地下建筑物交叉情况、水质、水量、地形、地质、水文、气象和受纳水体情况等条件综合考虑确定。二、污水处置的途径污水处置的基本途径主要有：污水处理厂的处置，污水海洋处置工程，污水江河湖泊处置工程，污水河口处置工程，污水土地处置工程，污水回灌处置工程及污水水坝过滤处置工程等。(一)污水处理厂处置．污水处理厂的处置工程应用较为广泛，处理技术也较为成熟，环境效益较好，但是工程投资比较大。在西方工业发达国家，除了大型的集中工业或工业区采用独立的废水处理外，对于大量的中小型工业企业的工业废水，大多倾向于采取综合治理的方案，即与城市生活污水共同处理，由市政部门设统一的城市污水处理厂。各工业企业的工业废水，在厂内经过必要的预处理，达到排放标准后，排人城市下水道，与生活污水共同处理。这样可以降低建设与运行费用、而且处理效果好，不影响环境卫生，易于进行监督管理。城市排水管道系统的末端是出水口，污水和降水经此口排人城市污水处理厂的受纳水体，出水口一般采用淹没式，即置出水口在水体常水位下面。城市污水处理厂是城市污水处理系统中最重要的组成部分，它是实现污水处理目标的主要手段，随着城市经济、人口的发展，过去单靠排水管道系统将未经处理的污水直接排放到江河的可能性已不再存在，即使位于大江和大河边的城市，也都需要经过一定的处理后才能排放。因此，城市污水处理厂对许多城市来说是必需的。城市污水处理厂主要包括建厂目标和处理级别等内容，其中建厂的目标是一系列技术经济措施的出发点和归宿，目标不明确，目标不合理，都会使污水处理厂不能取得最大的环境效益和经济效益，所以建厂目标对污水处理厂是极为重要的。1、建设城市污水处理厂的三个目标（1）水源保护目标。当城市污水污染该地区或其下游地区地下水源时，应先考虑这一建厂目标。（2）水环境质量控制目标。当污水所污染的水质虽不是饮用水源，但它必须具有其他功能，例如渔业、旅游、工业冷却水源的水体时，应考虑建设污水处理厂以控制水环境质量。（3）污水资源合理利用目标106 。当企图把处理后的城市污水在利用到农业、市政、低质量用水工业等部门时，应考虑建设污水处理厂来实现这一目标。这种情况对于缺水地区更为重要。上述建厂目标应根据具体城市来决定，而且这些目标决不是互相排斥的，相反它们可以结合的。2、污水处理方法污水处理方法一般利用物理法、化学法及生物法。利用物理作用为主的各种处理方法称为物理单元操作；而借助于化学或生物反映去除各种侮辱物的污水处理方法称为单元过程。（1）物理法物理法主要包括沉淀、浮选、筛滤和反渗透等。处理过程不改变其化学性质。①沉淀。利用污水中的悬浮物和水的密度不同的原理，借助于重力的作用，从水中分离出来。沉淀处理设备有沉沙池、沉淀池和隔油池等。②浮选。该法是将空气打入污水中，使其以微小气泡的形式由水中析出，使污水中比重接近于水的微小颗粒状污染物粘附到空气泡上，并随气泡上浮到水面，形成泡末浮渣而除去。③筛滤。利用筛滤介质来截留污水中的悬浮物。筛滤介质有筛网、砂、布、微孔管等。筛滤处理设备有栅格、过滤机、滤砂池等。④反渗透。反渗透法是一种膜分离技术。在一定的压力作用下，将水分压过一种特殊的半渗透膜，溶解于水中的污染物被膜所截留，而被压透过膜的水是处理过的水。（2）化学法化学法是通过投入化学剂或利用其他化学反应去除污水中的污染物或使污染物转化为无害物质的各种处理方法。常用化学法有混凝法、电解法、氧化还原法、中和法等。①混凝法。混凝法是利用胶体带电特性来去除污染物的一种方法。水中胶体状态的污染物通常带有负电荷，由于分子引力作用发生凝聚，形成较大的颗粒下沉。常见的混凝剂有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁等。②氧化还原法。提高向污水中投放氧化剂或还原剂，使污染物发生氧化或还原反应作用，转换为无毒害的物质。常用的氧化剂有漂白粉、氯气等，还原剂有铁屑、硫酸亚铁等。③电解法。电解法中同样发生氧化还原作用，它是通过在废水中插入电极，通过电子的移动使阳极上发生氧化作用，产生氢气。有毒的污染物在两极析出除去。可用于含铬及含氰的废水。④中和法。利用酸硷中和原理，向酸性废水中投加如石灰、石灰石、氢氧化钠等硷性物质，向硷性废水中加酸性物质或吹入C02等酸性气体进行中和。（3）生物法生物法主要是利用生物的活动来去除污水中可生物降解的胶体态和溶解态的有机物质，该方法使有机物质基本上被转化为可逸散到大气中的各种气体及通过沉淀可以去除的细胞组织。生物法分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。①活性污泥法。活性污泥法是当前生物方法中最为广泛的一种。所谓的活性污泥是将空气连续注入曝气池的污水，经过一段时间后，水中形成繁殖有大量的好氧微生物的絮凝体。废水的有机物被吸附到活性污泥上，生活在活性污泥上的微生物以有机物为食物不断生长繁殖，微生物的代谢把有机物氧化分解和同化为微生物细胞质，再以微生物细胞质的自身氧化分解而去除有机物，最后经过沉淀与脱落的活性污泥分离，得到净水。分离后污泥作为种泥，部分回流曝气池。②生物膜法。使污水连续流经的各种固体填料，如碎厂、炉渣等，在填料上形成污泥状的生物膜，生物膜上繁殖着大量的微生物来吸附与降解水中的有机污染物，其净化过程与活性污泥法相同。生物膜法有很多处理构筑物，如生物滤池、生物转盘、生物流化床等。106 ③厌氧消化法。厌氧消化法是利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌的新陈代谢功能来净化污水，并可产生沼气，可以处理各种浓度的有机污水。主要的工艺和设备有：普通消化池、厌氧滤池、厌氧流化床、升流厌氧污泥床等。3．污水处理过程以上的这些方法各有其适用的范围，对于生活污水和工业废水中多种多样的污染物，不可能只用一种方法就能够达到良好的治理效果，一种污水往往要通过由几种方法组成的处理系统进行处理，才能达到要求的处理程度。实际工作中，究竟采用哪些方法组成的系统进行处理；要根根据污水的水质、水量、排放标准、废物回收的经济价值、设备运行的费用等条件以及各个地区或部门的不同情况，通过调查、研究、比较后确定。根据对污水的不同净化要求，污水处理的各种步骤可分为一级、二级和三级处理。①一级处理。主要是去除水中漂浮物和部分悬浮状态的污染物质，调节pH值。一级处理可由筛滤、重力沉降、浮选等物理法串连组成，可以除去污水中大部分粒径在100mm以上的大颗粒物质，减轻污水的腐化程度，降低后续处理工艺的负荷，经过一级处理的废水一般达不到排放标准，还必须进行二级处理。一级处理常用的方法有：筛滤法、沉淀法、浮选法等。②二级处理。二级处理主要是大幅度除去污水呈胶态和溶解态的有机污染物质，采用的方法主要是以生化处理作为污水二级处理的主体工艺。按BOD去除率可分为两类，一类是去除BOD为75％左右(包括一级处理)，处理出水的BOD可达到60mg／L，称为不完全二级处理；另一类是去除BOD达85％—95％(包括一级处理)，出水BOD可达到20mg／L，称为完全二级处理。我国的二级处理主要采用生物法作为主体工艺。二级处理常用的方法有生物滤池法和活性污泥法。③三级处理。三级处理是采用一些单元操作和单元过程联合装置来去除二级处理未能去除的污染物质，如氮、磷等。目的在于控制“富营养化”，并使废水能够重新回用。采用的方法多种多样，有生物脱氮法、混凝沉淀法、活性炭过滤、离子交换法和电渗析法等。三级处理能够除去大部分的氮和磷，能使BOD从20～30mg／L降低到5mg/L以下。完善的三级处理包括除磷、除氮、去除难降解的有机物、去除溶解盐和去除病原体等处理过程。(二)江河湖海处置城市污水，除了处理回用、渗入地下水和蒸发外，在大多数情况下，最终都将排人江河湖海。盲目无控制地排放污水是江河湖海环境恶化的重要原因。我国目前的城市污水只有少量的一部分经过正规的处理。大部分都未经处理就直接由岸边自由乱排，长江、近海沿岸水域已经受到了较为严重的污染；太湖等湖泊也存在着严重的“富营养化”。城市污水要走自然净化和人工处理相结合的道路，要根据不同水域的实际情况合理利用江河湖海的同化自净能力来处置污水。1．污水江河湖海处置的概念污水江河湖海处置是在严格控制排污混合区的位置和范围，符合排放水域的水质目标要求，不影响周围水域使用功能和生态平衡的前提下，选择合适的排放口位置，合理的污水排放方式，合理利用水体的同化自净能力来处置污水的一种工程技术措施。不是含有任何污染物的污水都可以进行江河湖海处置的，也不是在任何地点都可以进行的。污水必须经过预处理，满足规定的要求后才能进行处置。如除去工业废水中的重金属和放射性物质、可在水底沉积和水生生物中累积富集的有毒物质和生活污水中的过量固体悬浮物和漂浮物等，并达到一定的初始稀释度。然后通过铺设水底的放流管，离岸输送到一定的水下深度，再利用有相当长度、具备特殊构造的多孔扩散器，使污水与周围水体迅速混合，在尽可能小的范围内高倍数稀释，以达到要求的标准。106 2．污水江河处置的技术特点和要求江河水系与海洋水体在水体密度、流动规律、水域范围、水体功能方面的主要区别决定了江河污水处置工程与海洋污水处置工程具有一些不同的要求。(1)污水江河处置工程的扩散器长度不得超过江河宽度的1／3，以满足航运、水生生物洄游及施工管理的要求。(2)由于水深较浅，一般要求江河排污扩散器喷口的喷射角小于450，以增加射流轴线的长度。(3)污水江河处置的混合计算一般不考虑浮力的作用，因为江河水体密度与排放的污水密度基本相同。(4)污水江河处置工程布置必须远离取水口，尽量布置在取水口下游区。3．污水湖泊或水库处置的技术特点(1)湖泊或水库的水质要求较高，必须提高污水处置的预处理标准，杜绝难降解的污染物盾的排放。（2）湖泊或水库水域水体流动缓慢，一般可近似设定为精制水域来计算排放混合区。（3）应尽量避免岸边表面排放，采用离岸潜没多孔排放，增加排污的初始稀释度。4、污水海洋处置的类别及排海位置的选择污水海洋处置按处理的程度可分为简单预处理、一级处理、二级处理三类；按排放方式可分为岸边排放、离岸单孔排放、离岸多孔扩散器排放。其中离岸多孔扩散器排放是今后污水江河湖海处置的发展趋势。污水海洋处置仅对排放的污水浓度进行限制显然是不够的，排海位置的选择是一个关键。从水动力学观点考虑，排海位置选择在能够把排放污水输向外海，不对沿岸养殖区域、风景旅游区产生不良影响的海域。因此，必须注意这些问题。（1）严格控制在海湾内排放城市污水，尽可能将污水输送到海湾外适当的地方以及水交换活跃、具有向外沿岸流的地方排放，还要注意沿岸流的变化。（2）要注意那些突出在海中的岬角所引起的岬角效应。往复是潮流运动会使岬角的两侧形成两个旋转方向不同的涡流，使岬角两侧一定距离的地方产生想岸流。（3）如果在一些水深较浅、潮滩平缓的沿岸海域选择排放位置，还必须注意考虑由于波浪破碎形成的海滨流的影响，因为海滨流造成的泥沙输送会堵塞扩散器，因此，排放位置应选择在离岸更远的地方。目前，污水江河湖海处置已经是许多经发达的沿海及河口地区广泛采用的工程措施，而且海洋处置已经出现了不少特大型（污水量超过百万吨/日）超长管（放流管超过10k）、超水深（水深超过50m）、高标准（污水先经过二级处理）的工程。如到1985年，美国的排海管排放的污水大部分经过一级处理，少数已经过二级处理，排放口水深大多为20~40m，最深初已达120m。国内从“六五”期间开始研究污水排海，“七五”期间在沿江、沿海地区进行了污水排海排江工程的研究设计，取得了一些成果，但还存在着许多不足，而且很少经历兴建、运行、管理的完整检验。即使如此，该处置已成为我国沿江沿海很多大城市优先考虑的处置城市污水的一种工程措施。据不完全统计，我国沿海沿江地区目前污水处置工程规模已超过200万t／d，沿海19个开放城市和特区大多数都计划和兴建了污水排海排江工程。当前迫切需要在总结国内外经验的基础上，建立一套污水江河湖海处置工程规划、、设计、施工和运行等技术规范，以提高处置水平和效率。(三)污水土地处置污水土地处置系统是利用土壤—微生物—植物系统的陆地生态系统的自我调控机制和对污染物的综合净化功能处理城市污水，使水质得到不同程度的改善，同时通过营养物106 质和水分的生物化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现污水资源化和无害化。污水土地处置系统包括预处理、水量调节与贮存、配水和布水、土地处置、植物、排水以及监测等7个部分。土地处置是其中的核心部分。根据土壤渗透能力的大小，污水土地处置可分为慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流三种基本工艺类型。若适当改变某些应用条件可构成与上述三种类型不同的改良型。如坡面较长、坡度较缓、淹水深度较大的、类似于地表温流的成为湿地处置系统；经人工改良和适当构造的快速渗滤系统为人工土层快速渗滤处置系统；布水系统敷设在地下土层中的慢速渗滤系统则构成地下渗滤处置系统。国内外土地处置系统经历了漫长而曲折的发展过程，目前外土地处置系统已发展成为可替代二级处理、甚至三级处理的重要水处理途径之一。据统计资料，仅在美国。目前正式运行的慢速渗滤系统就有800多个，施地系统越来越受到重视。我国是发展中国家，在传统的灌溉向科学的污水生态工程土地处置系统转变，需要解决一系列科学技术、思想认识和管理体制等问题。随着科学技术的进步、领导决策水平和全民生态环境意识的提高污水土地处置系统将在发展中不断完善。思考题1、我国水污染防治的基本策略什么?2、水污染防治的目标与任务是什么?3、如何制定水污染防治规划?主要步骤有哪些?4、选取水环境综合整治规划指标体系的原则是什么?有哪些主要指标?5、控制污染物排放量的方法有哪些?6、城市的污水处置的方法途径有哪些?、7、污水厂污水处理的主要方法有哪些?各自有何特点?106'