工程水文学第十章 城市防洪与排水.ppt

'第九章城市防洪与排水第一节城市化对水文的影响第二节城市防洪与排水措施第三节排水管网设计流量计算第四节城市圩（垸）排涝模数计算 一、概述随着一个国家或地区的工业、商业和文化事业的发展，人口不断地向城市集中和城区面积的扩张，这一过程称之为“城市化”。第一节城市化对水文的影响 城市化过程对当地水文的影响主要表现:（1）城市地貌和排水系统的改变（2）水资源的重新分配（3）水环境的改变（4）大气环境的改变构成城市的供水、排水、防洪、水环境等水文问题。 二、城市化对降水的影响与周围乡村相比，城市气温明显偏高。其特征往往是城市中心气温最高，而向周围乡村逐步递减，在郊区递减速度较快。城市气温明显高于周围乡村的现象称为“城市热岛”。 造成城市热岛的原因主要为：（1）人为热源（2）建筑材料的热容性（3）建筑结构峡谷形式增加接受辐射的面积（4）大气污染增强了吸收太阳辐射能力城市热岛现象会对水汽蒸发、空气对流产生明显影响，从而影响到降雨特性。 城区工厂生产，交通运输，人们日常活动使得城市上空大气中尘埃比天然情况下高出几倍至几千倍，使得城市空气污染加重，为城区降水提供了更多的凝结核。城市化尤其使对流层气象活动增加，引起局部区域降水增大。城市化往往是一个长期过程，气候变化也是缓慢的，不易被人察觉。 1．大规模建造房屋，铺砌道路，使下垫面不透水性大大增加，其结果是下渗量和蒸发量减少，而地表径流和径流总量增加，洪峰流量加大；三、城市化对径流特性的影响2．城市排水系统管网化，使暴雨径流尽快地就近排入水体，使洪水汇流速度增加，洪量更为集中； 3．对城市汇水河道整治与改建，整治后的特点是河道直线化，断面规则化，呈梯形或矩形，边坡用砖石衬砌。增加了河道输水能力，使洪量集中；4．侵占天然河道洪水滩地，减小了洪水滩地储洪容量和泄洪能力，使城市遭遇大洪水时，河道调蓄能力减弱，洪水浸溢积聚城市地面而形成积水； 5．设立各种类型的控制性闸坝，进行人工调节，影响城市径流过程；6．来自城市外的引水和城市本身污水排放，造成径流水量和水质的变化。 图9－1同等降雨下城市化前后洪水过程线比较城市化后城市化前Qt 城市河道 控制性水闸 引水闸 河流污染 第二节城市防洪与排水措施一、城市地区的洪水问题第一，城市本身暴雨引起的洪水。这是城市排水面临的问题。第二，城市上游洪水对城区的威胁；解决这类问题属城市防洪范畴。第三，城市本身洪水下泄造成的下游地区洪水问题。构成了城市下游地区的防洪问题。 海口市暴雨成灾 洪水淹没下游城镇 广东阳江市江城区堤坝崩溃军民紧急抢险 二、城市防洪与排水工程措施（一）防洪工程措施1．疏通和治理城市上下游河道，增加河道过水能力，或者使河流改道，直接进入城市下游区域；2．建造堤防和防洪墙保护城市，阻挡洪水侵入，傍临大江大河的城市大部分采用这一措施；3．在城市上游修建防洪水库储蓄洪水，以达到削减洪峰的目的。工程要结合水资源开发、发电诸方面综合考虑；4．在城市上游建造分洪区分洪。减缓稀遇大洪水对下游城市的威胁 （二）排水工程措施城市排水主体工程是管渠排水系统，将城区雨洪尽快排出。全面解决城市雨洪问题，应结合各城市具体情况，采取综合治理措施来减小、延缓和调节城市雨洪，削减洪峰和减少洪量。 1．建立人工蓄洪池塘。在雨洪流量较大时储存一部分洪量，而流量下降时排出，以达到削减洪峰作用。2．设立等高绿地。在广场和住宅区周围沿等高线设置绿地，使雨水进入绿地后再排出，增加下渗量和降低汇流速度，减小地表径流，削减洪峰流量。排水综合治理措施: 4．利用屋顶蓄水滞水。采用屋顶蓄水池或屋顶花园；增大屋顶铺面糙率，如波状屋顶、砾石屋顶等，束狭落水管使屋顶雨水滞蓄。5．采用透水性排水管道。多孔的排水管道可以增加透水量，使排水流量降低。6．地下水回灌。利用枯井、深水井对雨水进行地下水回灌。3．采用透水铺面。可铺砌透水公路、土广场，砖、砾石人行道和巷道，增加下渗量。 三、城市防洪与排水非工程措施1．植树绿化及水土保持在城市上游和城区植树或种草，增加土壤下渗和滞水能力，降低和延缓洪峰；2．洪水预报和警报编制洪水预报方案，在洪水来临之前通告群众和有关部门，及时做好抗洪工作；3．洪水调度结合洪水预报方案和洪水警报制定合理的洪水调度方案，降低洪水对城市的威胁程度； 4．洪水保险对遭受洪涝灾害的个人及集体支付赔偿，用经济杠杆提高人们防洪意识。5．水利管理条例国家和地方有关主管部门根据具体情况颁布水利方面的有关管理条例。6．城市水利规划制定合理的水利布局方案并留有充分的发展与改进的余地。 第三节排水管网设计流量计算市政部门习惯采用公顷（hm2），升（L），分钟（min）作为面积、水量、时间的基本单位。推求管道设计流量的推理公式形式：Qp＝aipF式中：Qp—设计洪峰流量，L／sa—径流系数ip—集流时间内平均雨强，L／s·hm2 在城市区域，下垫面各处差别很大，径流系数也各自不同。平均径流系数计算公式a＝∑aifi/F＝∑biai式中，ai－对应于面积fi的局部径流系数，F－流域面积。城市径流系数与地面不透水性有很大关系。 表9－1各种地表复盖的径流系数表 表9－2区域不透水性综合径流系数除了下垫面不透水程度，径流系数大小还与降雨特性、土壤含水量、地下水埋深等特性有关。因此，在选用径流系数时，必须视具体情况而定。 市政部门常用的暴雨公式形式为：i＝167A（1＋CLgT）/（t＋B）n式中,T—重现期，年；i—平均雨强，L／（s·hm2）；A、B、C、n—暴雨公式的参数。 表9－3我国部分城市暴雨公式的参数 流域集流时间τ由下式计算τ＝tc+mtf式中,tc—管道入水口坡面汇流时间，min；tf—上游管道管流时间，min；m—延缓系数，管道m＝2，明渠m＝1.2 计算坡面汇流时间的公式：（1）运动波法公式tc＝1.359L0.6n0.6i－0.4J－0.3式中，L—坡面流长度，m；n—地面糙率；i—降雨强度，mm／min；J—地面平均坡度。 （2）机场排水公式tc＝0.703（1.1－a）L0.5J－0.333式中，a—径流系数。（3）SchaaKe公式tc＝1.397L0.24J－0.16I－0.26式中，I—不透水面积百分比。 表9－4几种下垫面复盖的糙率 表9－5几种区域地面糙率 管径的计算根据设计流量按满管重力流计算，这里仅介绍用曼宁公式计算圆管管径：D＝（3.2084nQp）3/8/J1／2式中D—设计圆管管径，m；n—圆管道糙率；Qp—指定频率设计洪峰流m3／s；J—管道坡度。在实际应用时，实用管径应等于或稍大于计算出管径。 计算管道平均流速V有以下几种方法（以圆管为例）（1）按满管重力流用连续方程计算V＝4Qp/（πD2）式中,D—实际采用的管径，m。（2）按满管重力流用曼宁公式计算V＝0.397nD2／3J1／2 根据平均流速可计算得管流时间：tf＝L／（60V）式中,L—上游管道管长，m；tf—上游平均管流时间，min由上游管道的地面汇流时间和管流时间之和,得出设计管道的总集流时间τ代入推理公式可以推得管道设计洪峰流量。 管道各自独立地采用推理公式计算设计流量。各管道设计流量并非由同一设计暴雨所形成，仅仅是在计算集流时间τ时，要用到上游管道的汇流时间而已。进入设计管道的流量不是一条路径，应把径流流时最长的那条路径的水流时间作为设计管段的集流时间。 应用推理公式推求管道设计流量框图排水面积f长度和坡度、造率设计雨强推求洪峰流量结束径流系数C集流时间τ暴雨公式计算下一管路计算管流时间计算本段管径最后管段 ［算例］北京市某区域需要铺设排水管网。管网上端三个管道，雨水井以及集水面积见示意图。推求各管道二年一遇设计洪峰流量。132设计管道布设示意图 表9－6排水区域与设计管道基本资料具体计算是自上游管道向下游管道逐段推求设计流量。先计算1号和2号管道设计流量、流速和管径。最后计算3号管道设计流量、流速和管径。 表9－7北京市某区上游排水管道设计计算表 首先计算1号管道设计流量、流速和管径，计算过程及表中各栏说明如下：第（1）栏，管道编号，与管首雨水井编号相同第（2）栏，管道集水面积，它是管首雨水井集水面积以及上游入水管道排水面积之和F1＝5.1hm2 对应于各种下垫面情况的面积权重bi在表9－6已给定。根据地面复盖物情况由表9－2查得对应的径流系数ai，则可计算得a1＝0.55×0.85＋0.60×0.15＝0.558第（3）栏，管道排水面积的权重径流系数a＝∑aibi 第（4）栏，雨水井的地面汇流时间，这里采用机场排水公式计算。tc＝0.703（1.1－a）L0.5J－0.333tc1＝0.703（1.1－0.556）1030.5×0.104－0.333＝17.7（min）第（5）栏，各管道排水面积集流时间。第1、2号管道位于上游顶端，管道排水面积等于管首雨水井集水面积，集流时间τ1＝tc1＝17.7（min） 第（6）栏，设计雨强。由表5－3查得北京市雨强公式，把T＝2年和t＝τ代入i＝167×11.98（1＋0.811Lg2）/（τ＋8）0.711＝2489.1/（τ＋8）0.711i1＝2489.1/（17.7＋8）0.711＝248（L／s·hm2） 第（7）栏，设计流量Qp＝aipFQp1＝0.558×248×5.1＝706（L／s）第（8）栏，管道糙率。查表9－8可知混凝土管糙率n＝0.014。 第（9）栏，计算出的设计管径，这里按满管重力流由曼宁公式计算D＝（3.2084nQp/J00.5）3/8D1＝（3.2084×0.014×0.706/0.0180.5)3/8＝0.582（m）第（10）栏，实际采用的管径。 第（11）栏，管道平均流速，按满管重力流由连续方程计算V＝4Qp/（Dn2π）V1＝4×0.706/（0.62×3.14）＝2.50（m/s）第（12）栏，管流时间tf＝L0／（60V）tf1＝109／（60×2.5）＝0.73（min） 在上游的1、2号管道计算完毕后，才可推求第3号管道的设计值，说明如下：2号管道计算与1号管道相同。第（1）栏NＯ3＝3第（2）栏F3＝6.3＋5.1＋2.9＝14.3（hm2） 第（3）栏，α3′＝0.75×0.60＋0.60×0.40＝0.69α3＝(0.69×6.3＋0.558×5.1＋0.43×2.9)/14.3＝0.59第（4）栏，tc3＝0.703（1.1－0.69）1190.50.0125－0.333＝13.5（min） 第（5）栏，管道3汇水路径有三条，第一条从管道1汇入，第二条从管道2汇入，第三条从本管首雨水井汇入，各管路流时为路径1：T1=τ1+mtf1=17.7＋2×0.73＝19.2min路径2：T2=τ2＋mtf2=17.2＋2×0.75＝18.7min路径3：T3＝tc3＝13.5min132从三条路径中选择最大流时作为管道3的集流时间，即τ3＝19.2min 第（6）栏，i3＝2489.1（19.2＋8）－0.711＝238（L／s·ha）第（7）栏，Qp3＝0.59×238×14.3＝2008（L／s）第（8）栏，n＝0.014第（9）栏，D3＝（3.2084×0.0014×2.008/0.0210.5）3/8＝0.837（m）第（10）栏，Dn3＝900mm第（11）栏，V3＝4×2.008／（0.92×3.14）＝3.16（m／s）第（12）栏，tf3＝90／（60×3.16）＝0.47（min） 第四节管渠水系统设计流量过程线推求在城市管渠排水系统的规划与设计中，当涉及系统的优化设计，超载状态，工程控制调度，管渠溢流计算，调节池与泵站设计，雨水污染分析与防治等工程问题时，需要推求相应的设计流量过程线。 一、设计暴雨计算（一）设计雨量在城市管渠排水系统设计雨量的推求，一般采用暴雨公式：i＝A（1＋CLgT）/（t＋B）n（mm／min）若重现期T已确定，则a＝A（1＋CLgT）为一常数，则上式写成i＝a/（t＋b）n（mm／min）上式与水利部门采用的雨强公式完全相同。因此可以推求得降雨历时为tp的设计雨量为P＝atp/（t＋b）n （二）设计暴雨过程拟定1．典型分配：选用实际的暴雨过程作为典型，经同倍比或同频率放大后，得出设计暴雨过程2．同频率分配：按这一途径分配得出一个单峰暴雨过程，每一历时的雨量均满足设计频率，雨峰位置采用地区综合值。 3．雨量分配公式：下式是根据暴雨公式推导出的一个瞬时雨强公式，它以雨峰为坐标原点：雨峰前：I1＝a[(1-n)(t1/r)+b]/(t1/r+b)n+1雨峰后：I2＝a[(1-n)t2/(1-r)+b]/[(t1/(1-r)+b]n+1式中，I1，I2—雨峰前t1和雨峰后t2时刻雨强；r—峰前历时与总降雨历时之比；a、b、n—暴雨公式中的参数。 例:已知某暴雨公式为i＝18（1＋0.9LgT）/（t＋15）0.8求2年一遇的设计暴雨过程。（1）取计算时段为5min，由暴雨公式式计算得5,10，…,60min共12个历时平均雨强i，列第（1）、（2）栏；（2）计算各历时降雨总量P＝it，列第（3）栏； （3）由第3栏中各相邻历时雨量之差推求时段雨量ΔPj＝Pj－Pj-1，j＝1，2，…，12。此时，ΔPj是按大至小排列，序号即为j，j与ΔPj列（4）（5）两栏；（4）查地区手册得r＝0.45，由0.45×12＝5.4可知，雨峰位于第6时段，按单峰暴雨过程确定时段雨强大小序号K，并按K的顺序位置，分配相应的时段雨量ΔPK，分列第（6）（7）两栏第（7）栏即为推求的设计暴雨过程 表5－9同频率暴雨过程推求 二、设计净雨计算（一）城市地区产流计算的特点1．城市管渠排水系统工程规模受洪峰控制，由于成峰水量主要来自地表径流，许多计算方法注重地表径流计算，简单处理甚至忽略地下径流；2．城市不透水面积比重大，由于城市排水系统设计标准不高，设计暴雨强度低，透水面积上产生的地表径流很小，地表径流主要产生于不透水面积；3．当设计中需研究水质问题时，可能涉及初损计算。 霍顿曾用方程来表示植物截留量与降水量之间的关系IR＝a＋bPn式中,IR—植物截流量，mm；P—降水量，mm；a、b、n—参数。（二）降雨损失的分项计算 表9－10部分植物的霍顿截留公式参数 填洼量一般采用经验性数据。例如，美国丹佛地区政府根据现有水文资料研究结果，编制了不同地面复盖的填洼深度表（表9－11）。表9－11不同地面覆盖物的填洼量 （三）φ指标法绝大部分城市排水缺乏实测下渗资料，无法推求出下渗曲线。在城市排水区域，由设计暴雨推求净雨计算中，一般采用径流系数折算出径流总量。根据设计暴雨总量P，径流系数α，可以求得地表径流总量R和降雨损失总量I：R＝αP；I＝（1－α）P 采用均匀分配原则将损失量I平均分摊到每一时段的降雨中，即φ指标扣损法:第i时段地表净雨hi＝0Pi≤φhi＝Pi－φPi＞φ最终得出设计净雨过程h1，h2，…，hm。 φIR图9－5φ指标扣损法 三、汇流计算（一）等流时线方法调查、收集排水系统的水力特征，计算汇流速度，推求各点汇流时间，作为勾绘等时线的依据。坡面集流时间可采用经验公式估算。边沟或浅渠可概化成宽浅三角渠，用曼宁公式计算流速;管道采用满管或非满管水流计算流速;渠道采用曼宁公式计算流速。根据流速和水力长度求得管渠汇流时间。在流域图上点绘各点汇流时间，勾绘等流时线。 图9－6某城区集水面积等流时线图 据等流时线作出汇流面积随汇流时间的累积曲线，简称汇流曲线。流域汇流曲线ω～t由各子集水区域汇流曲线累积得出，即ω（t）＝∑ωi（t）式中，ω（t）—t时刻全流域汇流面积，hm2；ωi（t）—t时刻第i个子区域汇流面积，hm2。汇流曲线错开Δt相减，得等流时面积Δωi＝ω（ti＋Δt）－ω（ti）i＝1，2，…，n根据各时段的等流时面积Δω1，Δω2，…，Δωn，由设计净雨推求设计流量过程线。 图9－7某排水区域汇流曲线ω2～tω3～tω1～tω～tω(t)～Σωi(t) 等流时线法的优点：（1）无须已知设计流域的径流资料；（2）城市排水系统调蓄能力不大。等流时线法的缺点：（1）需要对进行广泛的调查或勘测，绘制等流时线工作非常繁复；（2）未考虑管渠调蓄作用。 城市圩（垸）排涝模数计算：式中：M为排涝模数,m3/s/km2；F为汇水面积，km2；v为调蓄库容，m3；T为调蓄库容蓄满时间，WT为蓄满时间T内入流总量，m3。 此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！'