城市水文学2014课件.ppt

'城市水文学水文水资源专业&农业水利工程专业2014-02 绪论第一章城市化对水文的影响第二章城市防洪与排水措施第三章排水管网设计流量计算第四章排水系统设计流量过程线推求第五章城市水文模型第六章城市防洪规划城市水文学水文学（hydrology）是地球物理学和自然地理学的分支学科。研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境与人类活动之间的相互联系和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。 一、定义：城市水文学（urbanhydrology）研究发生在大中型城市环境内部和外部，受到城市化影响的水文过程，为城市建设和改善城市居民生活环境质量提供水文依据的学科，又称都市水文学，是水文学的一个分支。二、主要内容：包括城市化的水文效应、城市化对水文过程的影响、城市水文气象的观测实验、城市供水与排水、城市水环境、城市的防洪除涝、城市水资源、城市水文模型和水文预测以及城市水利工程经济等。是一门综合性很强的学科。三、作用&意义对城市发展规划、城市建设、环境保护、市政管理以及工商企业的发展和居民生活都有重大意义。-绪论- 四、主要特点1.综合性城市水文学涉及水文科学、水利工程科学、环境科学和城市科学，是一门综合性很强的交叉学科。2.动态性由于城市地区的人类活动十分频繁，随时而变，因此城市水文学不能只研究较长时间内的准平衡状态，还须着重考虑随时间变化的动态过程。五、研究的基本问题城市水文气象、城市暴雨径流及防洪、排水，城市水资源及供需平衡，以及城市水质评价及水污染控制。 六、具体探讨问题1.设计标准问题在城市防洪和排水工程的规划设计中，首先需要解决安全性和经济性的关系。以往都用超过某一量级的洪水流量发生的频率或重现期作为设计标准。近年来的研究认为,设计标准不仅要考虑重现期,而且要考虑风险率和可靠度。风险率是某一重现期的水文要素在工程运行期间可能出现的概率。可靠度可用安全因素来反映，安全因素为设计值与实际观测值之比值。由于局部短历时大强度的暴雨是形成洪水的主要原因，因此，城市区域设计暴雨一般只须研究超过短历时（5～60min）点暴雨规律。但对于较大的城市集水区，或研究城市非点污染源的迁移扩散，则还应当确定计算暴雨的时空分布。 2.城市流域暴雨径流模拟城市中的道路、屋面和飞机场跑道都是不透水的，因此处理这些地区的降雨损失比较简单。城市排水系统一般由管网和排水河网组成。城市面积上产生的暴雨洪水通常先排入管网，然后排入河网，排水系统较为优良。用于城市流域暴雨洪水计算的模型可分为三类。第一类只给出洪峰流量，如合理化公式。第二类既给出洪峰流量又给出洪水过程线，如芝加哥方法。第三类是多用途模型，如美国环保局暴雨径流管理模型（SWMM）。3.城市供水及优化调度城市中工业和居民用水量很大，用水规律有自身特点，对水质也有一定要求。城市供水水源来自地表水和地下水。有些城市依靠单一水源供水，也有不少城市依靠两种水源联合供水。无论利用何种水源供水，都存在水资源量的估算、质的评价和供需平衡分析等问题，还要考虑如何重复使用水资源和探求最优的供水方式。 4.城市污水排放及处理城市中工业排放的废水和居民生活垃圾都是水污染源。城市中的污染源分为点污染源和非点污染源两类。点污染源是在离散点上的废水的集中排放，污水处理厂的出流就是点污染源的实例。非点源污染是由人类活动产生的污染物堆积于街道上再由暴雨径流沿程运送到河流、湖泊而形成。非点污染源是城市污水处理中要着重研究的问题。 一、城市化定义：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第一章城市化对水文的影响二、城市化过程农村阶段：土地处在耕作或放牧状况。早期城市：大量修建城市型房屋，但仍有相当部分土地被原有植物所覆盖。中期城市：住房、商贸中心、学校、工厂等建筑物大规模地发展和建设阶段。后期城市：使已残留很少的原有植物缩减为零，地面完全由人工建筑和一些其他设施所覆盖。 1.城市水源紧缺随着人口增加，对水的需求量也就随之增大，产生了一个寻求充足水源这一水文第一重要的问题。2.洪水控制问题城市污水增多、降雨的径流量变大和流速的增大，使短时间内的大流量径流发生，不可避免地要使洪峰流量增大，从而引起了洪水控制问题。3.水质污染控制问题城市化扩大时，枯水流量减小，城市污水的增加及雨水径流水质恶化，引起水源水质恶化。另外，固态及液态致病污染物的处置对地下水水质也可能产生不利影响，产生了水质污染控制问题。三、城市化与城市水文过程城市化的发展对水环境所产生的直接或间接影响,主要表现为三个方面城市水文问题,即城市水源资源紧缺、水质污染控制和洪水控制问题。 图1城市化对城市水文过程的影响 四、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。第二节城市化对降水的影响一、城市热岛：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”。 二、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。城市化尤其是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。凝结核（condensationnucleus）：大气中的水汽能在其上凝结而成小水滴的悬浮微粒。 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，这不仅使得城市空气污染加重，而且为城区降水提供了更多的凝结核。城市化一般引起局部区域降水增大。但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。要素与郊区比要素与郊区比凝结核多10倍云量多5～10％微粒多10倍雾多30～100％日照少5～15％温度高0.5～3度降水总量多5～15％相对湿度小6％降水日数多10％风速小20～30％雷暴多10～15％无风日多5～20％ 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；第三节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。 城市化的程度的提高，直接改变了城市的暴雨径流形成条件，使其水文情势发生变化暴雨径流总量增大，洪峰流量增高，出现时间提前。河道中水流流速加大，径流过程中悬浮固体及污染物浓度提高。发生这些现象的原因可从两个方面来分析：不透水面积增加城市化的进程，增加了城市的不透水表面，使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，如屋顶、街道、人行道、车站、停车场等。不透水区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大量减少，造成产流速度和径流量都大大增加。汇流时间缩短排水管渠系统的完善，如设置道路边沟、密布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水力效率。导致径流量和洪峰流量加大，出现洪*资料：城市暴雨径流特点 洪峰流量的时间提前(图2)。图2相同暴雨及滞洪条件下城市化对径流量的影响此外，河道中流速的增大，增加了悬浮固体和污染物的输送量，亦加剧了河床冲刷。 总之，城市规模的不断扩大，在一定程度上改变了城市地区的局部气候条件，由于这些气候要素的变化，又进一步影响到城市，特别是大都市的降雨条件。城市化对城市暴雨降水的影响(图3)图3城市化对城市暴雨或降水的影响及后果(Changnon等，1977) 图1-1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 第四节城市化对水文影响的分析1、统计检验方法一般，城市化对水位和流量资料影响较为明显，可以采用水文统计中的ｔ检验和Ｆ检验方法对水文样本系列的均值和方差进行显著性检验。为了进行显著性检验，水文变量系列被划分为容量为ｎ１（城市化前）和ｎ２（城市化后）两个不重迭的子系列，并分别计算出它们的均值ｍ１和ｍ２，方差ｓ12和ｓ２2。 首先对方差进行方差比检验或Ｆ检验。计算检验统计量Ｆ＝ｓ12/ｓ２2ｓ1>ｓ２Ｆ＝ｓ22/ｓ12ｓ1<ｓ２与Ｆ分布表中置信水平为α／２、自由度为ｎ１－１和ｎ２－１的Ｆ值比较。在大部分实用中，α值采用５％比较适当。一般统计教科书和手册中都附有这类统计表。如果Ｆ的计算值超过表列数值，则拒绝关于ｓ1与ｓ２为相同总体方差估计量的零假设。 ｔ检验适用于对两个子系列的均值检验。计算检验统计量与ｔ分布表中置信度为α/２，自由度为n１+n２-２的ｔ值比较。若计算值超过表列数值，则拒绝关于ｍ１和ｍ２是同一总体均值估计量的零假设。 参数检验法主要为t检验和方差分析(即F检验)等，两组间均数比较时常用t检验，两组以上均数比较时常用方差分析；t检验可分为单组设计资料的t检验、配对设计资料的t检验和成组设计资料的t检验；当两个小样本比较时要求两总体分布为正态分布且方差齐性，若不能满足以上要求，宜用t检验或非参数方法。方差分析可用于两个以上样本均数的比较，应用该方法时，要求各个样本是相互独立的随机样本，各样本来自正态总体且各处理组总体方差齐性（方差齐性实际上是指要比较的两组数据的分布是否一致,通俗的来说就是两者是否适合比较）。补充： 方差分析(AnalysisofVariance)，又称“变异数分析”或“F检验”，是R.A.Fisher发明的，用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。方差分析的假定条件为：（1）各处理条件下的样本是随机的。（2）各处理条件下的样本是相互独立的，否则可能出现无法解析的输出结果。（3）各处理条件下的样本分别来自正态分布总体，否则使用非参数分析。（4）各处理条件下的样本方差相同，即具有齐效性。补充： 2、经验分析方法（1）水文系列分析对水位、流量、雨量系统的时间滑动平均分析，分析水文变量是否受到城市化影响。Xt（a） （2）降雨径流关系分析城市化不同阶段年或次降雨径流关系的差别可以分析城市化的影响程度。(降水量是指在一定时间内，降落到水平面上，假定无渗漏，不流失，也不蒸发，累积起来的水的深度.次降雨量是指某次降雨开始至结束连续一次降雨的总量。用雨量计或雨量器测定，以mm为单位。)PR城市化前城市化后R1R2 （3）峰量关系比较分析城市化会引起洪峰～洪量之间的关系变化，对不同时期峰量关系的比较可以分析城市化的影响。WQ城市化前城市化后Q1Q2 （4）相邻流域间同一水文变量比较如果参证流域水文变量（R1）未受城市化影响，则两流域间不同时期水文变量关系变化可以反映城市化的影响。R1R2城市化前城市化后R21R22 如果统计检验结果拒绝了零假设，或通过经验检验方法认为该地区城市化对水文变量影响显著，则表明该地区水文系列的一致性受到破坏。此时，不宜直接采用流量资料由频率分析方法推求设计值。一般说来，与流量和水位资料相比，降雨受城市化影响相应较小，因此常假定降雨不受城市化影响，采用由设计暴雨推求设计流量和设计水位的途径。 第一节城市地区的洪水问题第一，城市本身暴雨引起的洪水。由于城市不断扩张，这一问题会变得愈加尖锐。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；可能来自城市上游江河洪水泛滥，山区洪水，上游区域排水，或水库的下泄流量。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。由于城区不透水面积增加，排水系统管网化，河道治理等使得城市下泄洪峰成数倍至十几倍增长，对下游洪水威胁是逐年增加的，构成了城市下游地区的防洪问题。第二章城市防洪与排水措施 一、防洪工程措施城市上游洪水的防洪工程措施：1．疏通和治理城市上下游河道，增加河道过水能力，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。这类工程要结合水资源开发、发电、渔业、航运诸方面综合考虑。为了防止水库失事造成严重后果，还应制定水库失事的应急措施；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。这是面临江河的重大城市才有可能采取的一类耗资大、影响广的措施，必须经过详尽的论证。第二节城市防洪与排水工程措施 城市下游的防洪措施：1、疏通和整治汇水河道；2、建造下游河道堤防；3、减小上游城市下泄洪量和洪峰流量。 （二）排水工程措施城市排水主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。排水综合治理措施: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。 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。可铺砌透水沥青公路，多孔混凝土广场，砖、砾石人行道和巷道，增加下渗量。 植树绿化在城市上游集水区域和城区植树或种草，增加土壤下渗和滞水能力，降低和延缓洪峰洪水预报和警报编制洪水预报方案，根据当地降水或上游洪水情况预报城市水位和流量，在洪水来临之前通告群众和有关部门，及时做好抗洪工作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第三节城市防洪与排水非工程措施 洪水保险对遭受洪涝灾害的个人及集体支付赔偿，使国家用于水利建设和救灾损失的资金得到合理的应用。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。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。 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。应用推理公式推求管道设计流量一直是最为广泛应用的方法，采用径流系数由降雨量推求地表净雨。根据三个基本假定条件，推求管道设计流量的推理公式形式写成：Qp＝aiτF第一节推理公式第三章排水管网设计流量计算 在城市集水区域，下垫面各处差别很大，径流系数也各自不同。在使用推理公式时，应采用按面积加权平均的径流系数。平均径流系数计算公式为a＝∑aiFi/F＝∑biai在城市，径流系数与地面不透水性有很大关系，地面不透水性越强，则径流系数越大。表3-1列出了几种指定下垫面条件下的径流系数；表3-2列出了一些综合区的权重径流系数。第二节地表径流系数 表3-1各种地表复盖的径流系数表 表3-2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—重现期为T年的t时段内平均降水强度，L／（s·hm2）；A、B、C、n—暴雨公式的参数。第三节暴雨公式 表3-3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第四节流域集流时间 （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3-4几种下垫面复盖的糙率 表3-5几种区域地面糙率 管径的计算根据管道入口端设计洪峰流量按满管重力流计算，计算公式采用曼宁公式或其它有关流量公式。曼宁公式计算圆管管径：D＝（3.2084nQp/J1/2）3/8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量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。第五节管径计算 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第六节管流时间计算 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—上游管道中径流平均管流时间，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。 在下水道设计中采用推理公式方法时，各管道设计是各自独立地采用推理公式计算洪峰流量。因各节点的设计洪峰流量并非由同一设计暴雨所形成，各设计洪峰之间无直接的物理联系，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，此时，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。第七节管网系统设计流量计算 图3-1应用推理公式推求管道设计流量框图排水面积管长和坡度设计雨强推求洪峰流量径流系数集流时间暴雨公式计算下一管路计算管流时间计算本段管径结束最后管段是否 ［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图3-2设计管道布设示意图 表3-6排水区域与设计管道基本资料 表3-7北京市某区上游排水管道设计计算表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。 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3－2已给定。根据地面复盖物情况由表3－1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3－3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3-5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） 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。第四章管渠水系统设计流量过程线推求 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。市政部门常用的雨强公式采用mm／min为雨强单位时为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T的设计雨量为P＝at/（t＋b）n如果设计流域有较充分的雨量资料，也可以通过雨量频率计算途径推求得设计雨量。第一节设计暴雨计算 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。 t1/t=rt=t1/r；t2/t=1－rt=t2/（1－r）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]/[（t2/（1-r）+b]n+10t1t2t 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 由设计暴雨通过产流计算扣除暴雨损失，可以推求出设计净雨过程，暴雨损失一般是指流域内植物截留、填洼、雨期蒸发和下渗损失。第二节设计净雨计算 一、城市地区产流计算的特点1．城市管渠排水系统设计要求是短时间内迅速排除暴雨径流，排水工程规模受洪峰控制，由于形成洪峰的水量主要来自地表径流，设计洪水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．城市不透水面积比例较大，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，需涉及植物截留与填洼计算。 二、降雨损失的分项计算霍顿用方程表示植物截留量与降水量的关系IR＝a＋bPn式中,a、b、n—参数。表4-2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，美国丹佛地区政府编制了不同地面覆盖的填洼深度表。表4-3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。由于流域各点的下渗特性相差很大，使采用下渗曲线推求地表净雨过程的方法应用受到限制。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＝αPI＝（1－α）P采用均匀分配原则将损失量平均分摊到每一时段的降雨中，即φ指标扣损法。 图中的φ值需试算求出。根据φ值可以求得第i时段地表净雨hi＝0Pi≤φhi＝Pi－φPi＞φ最终得出设计净雨过程h1，h2，…，hm。φIR图4-1φ指标扣损法 一、等流时线方法为了勾绘等流时线，需调查、收集排水区域和管渠系统的水力特征值，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：V＝0.63Hm2／3J1／2/n式中，Hm—渠道最大水深，m。管道应根据具体情况采用满管或非满管水流计算流速。渠道应根据断面形状、河道坡度、糙率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，据此勾绘等流时线。第三节汇流计算 图4-2某城区集水面积等流时线图等流时线则是流域内经过一定的汇流时间能同时到达出口断面的水质点在流域上所处位置的连线；等流时面积是指等流时线图上相邻两等流时线间的流域面积,流时指相应的流域汇流时间；用等流时面积曲线进行流域汇流计算的方法。 图4-2某城区集水面积等流时线图ω1ω2ω3ω4ω5ω6ω7ω8ω9ω10ω11ω12ω13ω11ω10ω9ω8ω6ω6 据流域等流时线图，可以作出流域的汇流面积随汇流时间的累积曲线，简称汇流曲线。全流域汇流曲线ω～T是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个子集水区域汇流面积，hm2。由汇流曲线错开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4-3某排水区域汇流曲线ω1（t）ω2（t）ω3（t）ω（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、为考虑管渠调蓄作用。 英国运输与道路研究所（TRRL）在等流时线法基础上加以改进，提出一种新的方法，简称TRRL方法。TRRL方法与等流时线方法的差别主要有以下几个方面：1．汇流面积：TRRL方法假定，只有直接与排水管网系统相通的不透水面积产生地表径流，而透水面积或与下水管道不直接相通的不透水面积均不产生地表径流，不能作为排水面积。因此，TRRL方法定义出来的排水面积比实际面积小得多，而且是一块块从地表看起来并不相互关连，但地下管道相通的不透水面积所组成。这些直接连通的不透水面积之和即为流域的汇水面积。 2、汇流曲线：每一块直接连通不透水面积作为一小单元面积，假定每单元面积的汇流曲线在地面集流时间内是线性增加的，即直线汇流曲线。总汇流曲线是单元汇流曲线纵标之和。图4-4TRRL方法汇流曲线计算示意图图中，ω1、ω2分别为单元1和单元2汇水面积；t1，t2分别为单元1和单元2距流域出口管流时间；T1－t1，T2－t2分别为单元1和单元2地面集流时间。ω1～tω～tω2～tω1＋ω2ω2ω1ωtt1t2T1T2 3、调蓄计算：把管渠系统看作一个调蓄水库，把未经管渠系统调蓄的，用等流时面积途径推求出的流域出流，作为水库的入流。再采用水库演算方法计算经调蓄的出流过程。（Q1+Q2）/2-（q1+q2）/2=V2-V1Q＝F（V）式中，Q1，Q2—时段ΔT始、末经管渠水库调蓄的入流量，L／s；q1，q2—时段ΔT始、末未经管渠水库调蓄后的出流量，L／s；联立求解以上两式，可求得经调蓄的出流过程线Q～t。 二、水力学方法汇流过程中，水流的流态一般是非恒定和非均匀的，可用圣维南方程组来描述式中，Q－流量，A－过水面积，h－水深，t－时间，X－水流方向，g－重力加速度，J－底坡，Jf－摩阻坡度。在给定初始条件和边界条件下，联合求解得出t时刻的流量和水深。 圣维南方程组的简化：（1）惯性波方程如果水流运动中摩阻损失很小，如深水水体中的水流运动，闸门启闭等突然变化引起河流水位的波动等，则有Jf≈J,动量方程简化为惯性波方程： （2）扩散波方程如果下游回水影响不大，可以忽略，动量方程简化为扩散波方程： (3)运动波方程当河底比降J较大，相对很小，动量方程简化为运动波方程J=Jf如果用曼宁公式来估计Jf，则有 如果是宽浅断面R可以用平均水深h近似,则方程组为式中，α为波速系数，即波速与流速的比值。采用曼宁公式估算则α＝1.67，按哲西公式估算则α＝1.5。 当径流沿X方向流动过程中有水量沿程汇入（出）时，圣维南方程组应改写为式中，Q－假定为均匀汇入（出）的单宽流量；Vx－流沿x方向的流速分量。 实际应用中，连续方程也常采用区域或河段水量平衡方程表达 1．坡面漫流一般坡面下游无回水顶托，且属宽浅断面，故动力方程可以用宽浅断面的运动波方程推求流量连续方程可写为在初始条件已知时，未知参数为第i时段平均流量Qi和时段末水深hi＋1，故可以求得唯一解，hi＋1又可作为下一个时段的初始条件，继续逐时段求解方程。 2．管渠汇流对于一段渠道式管道，如果坡度较大，且下游无回水顶托时，也可以简单地采用运动波和水量平衡方程联合求解，即因为R、A、V均为水深h的函数，所以方程组未知参数仅Q和h两个，根据初始条件可以联立求出唯一解。 第五章城市雨洪水质模型第一节雨洪管理模型（SWMM）第二节蓄水、处理、溢流模型（STORM）第三节沃林福特模型（Wallingfordprocedure）第四节伊里诺排水模型（ILLUDAS） 所谓模型，是指比原型简单的一个计算系统。它可以根据具体的需要，再现原型的部分特性。模型与理论是有着差别的，它是根据人们的具体要求，预测所研究系统的某些特性，而理论则是揭示该系统的运行规律。建立一个模型应该以正确的理论为基础最为合理，但也常常建立在某种假说前提下。如果模型确能再现研究系统的一些特性，就可以证实支承模型的假说的合理性部分，从而发展成理论。第一节数学模型在排水系统径流计算方面的水文模型，并不是象水工实验通过几何尺寸变换的物理模型，而是用数学语言来描述的数学模型。采用这类数学模型来模拟排水系统的水流和污染物的各种状态，一般需要大量的计算工作，不采用计算机是无法完成的。所以，一个模型往往都是采用计算机运算格式或程序语言来表达的。一、概述 ·模型的建立是与工程实际紧密相联的，根据不同实际问题的要求，建立各种形式和内容的模型。例如，排水系统规划是要求预估在规划的未来条件下的水文情势，研究实施各种可供选用的规划方案时的排水系统效应；排水系统的设计是要求得出最经济有效的详细设计方案；排水系统的改进，则要求模拟和分析已建系统的运行情况；而排水系统运行管理要求各种最佳管理与调度方案，以使损失最小和效益最高。由于城市水质问题的重要性日益增加，排水系统规划、设计和管理都必须同时考虑到水质状况。*随着工程上对模型的要求不断提高和扩展，模型也不断得到改进和完善，结构更为复杂和精细。但其结果使得程序复杂，占用计算机运行时间较多，需要过多或过于详尽的资料，不能适应各种用户对精度和计算费用的不同要求。最近的发展趋势是建立通用的模型程序包，由多个程序块组合而成，适用于各种条件和不同区域的组合，包括由简单到复杂，根据用户要求调用组合。 模型是七十年代大型计算机普及运用中发展起来的，与传统的计算方法相比，具有这样一些特点：（１）以计算机程序形式表达；（２）能进行时序上连续性模拟，也可分析一次雨洪过程；（３）参数在很大范围内适用；（４）可同时模拟水量水质过程；（５）模型的各个环节都提供几个不同的程序或方法供用户选用，用户可以根据计算要求、资料情况和当地条件组成一个适用的程序包。每一模型都具有上述特点中的一个或几个，甚至全部。二、模型主要特点 在城市排水系统的规划与设计中，不但考虑正常运用条件，而且要考虑到在非常条件下，即系统内出现回水、环流和超载等各种特殊情况时，系统的运行状态，以便对排水系统进行综合评价。还需研究生活污水、生产废水，以及暴雨径流污染冲刷对城市径流和承受水体水质的影响，确切了解城市水质变化规律，为城市污水处理设施的设计和污水处理方式的规划提供合理的依据。正是为了这一目的，美国环境保护局研制了雨洪管理模型（StormWaterManagementModel），简称ＳＷＭＭ。第二节雨洪管理模型（ＳＷＭＭ）一、模型功能 ＳＷＭＭ把排水系统划分成地面径流子系统，地下输送子系统，污水处理子系统和承受水体子系统四部分。以计算机程序形式表达，采用ＦＯＲＴＲＡＮ语言。子系统可以由流域的地表、管网、处理设施、承受水体的一些特征来表达。模型水量部分的输入是时段降雨过程，经地面径流子系统和地下输送子系统的扣损与调蓄计算，可以得出排水系统各节点及出口的流量过程线。在雨水及生活污水中的水质组份是ＢＯＤ、悬浮固体、溶解氧和大肠杆菌，构成所谓“污染过程线”，考虑了排水系统、污水处理厂、承受水体对污染过程线的降解、稀释、扩散等作用。二、模型构成 1.“径流”程序块：模拟地面径流子系统对降雨的扣损和调蓄，以及降雨洗刷引起的雨洪污染负荷。在地表径流子系统中，排水区域概化为数块单元集水区，每一块单元区由透水面、具有洼地蓄水容量的不透水面、无洼地蓄水容积不透水面三部分组成。每一单元区域三块面积汇水均进入一条排水沟。上游区域排水进入下游单元区域的排水渠道、全部排水区域产汇流推演自上游向下游进行，直至流域出口。这样，只要输入降雨过程线及其与之关联的污染负荷，就可以得出经地表径流子系统调节过的排水区域出流过程线。三、模块功能介绍 图5-1地面径流子系统的调蓄作用子区域1子区域2 程序中的基本方程为水量平衡方程和曼宁公式。在输入降雨过程线后，首先对各单元区域三种平面进行产流计算和调蓄演算，它们的流量之和，加上上游的来水流量，形成该单元区域排水沟的入流过程线，经排水沟调蓄计算后得出该单元流域出口流量过程线。对排水区域自上游向下游逐单元区域进行演算，最终得出总的出流过程线。“径流”子程序块中主要的雨水污染指标是悬浮固体（ＳＳ），其中所含各类污染物的数量要根据当地土地利用的性质而定。在每一单元集水区域的灰尘与污泥的沉积量是雨前晴天日数与清扫街道数次与效率的函数，采用一种经验公式表征。降雨后，被雨水冲走的污染物与地面污染沉积量和雨水径流强度成正比。程序中采用了指数衰减形式的刷洗公式：dＳ/dｔ＝－ＫＲＳ式中，Ｓ—地表积聚的污物总量；Ｒ—地面径流流率；Ｋ—经验系数。 考虑到地面径流流率较小时，径流输送和冲洗地面能力会迅速减弱。因此，在上式中增加一个效率因子Ａ（Ａ≤１.０）来修正，即dＳ/dｔ＝－ＡＫＲＳＡ值可采用经验公式得出Ａ＝ａ＋ｂＲｃ上式也可写成ΔＳ＝Ｓ０－Ｓ＝Ｓ０（１－ｅ－AＫＲｔ）式中，Ｓ０—地表污物初始蓄量；Ｓ—ｔ时刻地面污物残存量。由地表径流子系统调蓄演算得出的径流过程线和污染过程线即为地下输送系统的输入。 ．2.“输送”和“扩充输送”子程序块ＳＷＭＭ原来仅设置“输送”程序块，主要是考虑排水管网不存在回水、环流，在不超载的正常运行情况下，采用圣维南方程组的差分形式对通过管网系统的流量过程线进行演算，而对超载情况仅进行简单处理。后来，根据用户需要，又研制出“扩充输送”程序块，可以对发生回水、环流、超载诸情况下的管网进行流量演算。 “扩充输送”程序块中的地下输送子系统是把排水管网系统用“输送管”和“节点”来简化，输送管代表管道，节点代表雨水井或管道交叉点。径流演算基本方程采用明渠缓变非恒定流方程和连续方程。在程序中采用的是方程的差分形式，根据管网系统径流的边界条件和初始条件求解。在具体应用时，如果排水系统的设计或分析中无须研究超载情况，并且不存在回水、环流等复杂水流状态时，一般采用“输送”程序块，因为它计算速度快而且节省运算费用。只有需要考虑超载或复杂水流情况时，才需要调用“扩充输送”程序块进行运算。 由“径流”程序块输出的“污染过程线”是“输送”或“扩充输送”程序块的水质输入。若径流过程中的ＳＳ通过雨水井时，水流速度低于不沉流速，则泥沙颗粒沉积在雨水井中。另外，还得考虑下水道内污物的冲刷，冲刷量与通过管道的水流速度和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。在管道系统内有蓄水池时，应考虑到蓄水池沉积污染物的作用。城市污水流量可作为节点的输入。 ３．“蓄水”子程序块。该程序块主要模拟污水处理设施对“输送”或“扩充输送”程序块得出的径流过程线和“污染过程线”的调蓄与降解作用。使用者可根据实际情况应用程序。程序可模拟下列内容：污水蓄水池、拦污格栅、筛网、上浮和气浮、砂滤、高速过滤、旋流分离器、涡旋浓缩、加氯器以及其它一些化学处理设施等。只要使用者输入处理设施的尺寸和所要求的处理程序，程序可自动进行计算。“蓄水”程序块还同时兼有计算各项处理设施工程费用、土地利用费用以及运行与维护费用的功能。 ４．“承受水体”子程序块。它的输入是“输送”或“扩充输送”程序块的出流（分流制排水系统出流或合流制排水系统溢流），也包括“蓄水”程序块的出流（即经污水处理厂处理过的污水出流）。程序计算它们对承受水体水质的影响。承受水体一般为广阔的水体，可描述成与排水系统相连的节点网络系统进行分析，其边界条件可以是堰闸或某种潮汐水流条件。ＳＷＭＭ程序还有一个辅助性子程序块，它的主要作用是根据用户要求把各程序块连接起来，并兼有定义一些函数的作用。ＳＷＭＭ自从研制使用后，已经有过几次新的版本。使用ＳＷＭＭ程序的用户组成一个理事会，定期讨论和交流使用情况，并提出修改意见，以便使模型更为完善和在实际中能适应各种条件与要求。 蓄水、处理、溢流模型（Storage，TreatmentandOverflowRunoffModel）简称ＳＴＯＲＭ。它是美国陆军工程兵团水文中心１９７６年研制的,是一个水量水质模型。ＳＴＯＲＭ程序共分四大部分：径流形成、水质处理、蓄水与溢流、土壤侵蚀。ＳＴＯＲＭ的输入是整个排水面积的平均雨量。模型将排水面积分成透水和不透水两种下垫面情况分别计算地表径流。第三节蓄水、处理、溢流模型（ＳＴＯＲＭ）对于不透水面积，降雨损失仅需考虑洼地蓄水量和雨期蒸发量。洼地蓄水量可以看成前次降水后尚余的洼地蓄水量（或称有效洼地蓄水量）和前次降水后洼地蓄水量的蒸发总量，后者为两次雨间无雨日天数的函数，模型用下式来表达：Ｖｄ＝Ｖ０＋ｍＫ式中，Ｖｄ—雨前排水区域洼地蓄水量，ｉｎ；Ｖ０—上次降雨后的有效洼地蓄水量，ｉｎ；ｍ—自上次雨后迄今的间隔天数，ｄ；Ｋ—消退因子，ｉｎ／ｄ。降水量扣去雨期蒸发和洼地蓄水量，即为不透水面积的地表径流量。 透水面积的降水量除一部分损失于雨期蒸发和洼地蓄水外，还有一部分会下渗变为土壤蓄水和地下径流。这时采用地表径流系数来折算Ｒ＝α（Ｐ－Ｅ－ΔＶ）式中，Ｒ—地表径流量；Ｐ—降水量；Ｅ—雨期蒸发量；ΔＶ—洼地蓄水增量；α—地表径流系数。透水面积与不透水面积产流量之和为排水区域地表径流量。并采用三角形单位过程线推求径流过程。这些径流量由排水管渠送至污水处理厂处理。当雨水径流与污水流量之和超过污水厂处理能力时，多余的水量送入排水管渠系统内的调节池和系统以外的蓄水池储蓄。当系统内外的蓄水池全部蓄满后，径流经排水系统溢流堰溢入承受水体。当降雨径流逐渐减小至小于污水处理厂的处理能力时，则系统内外所蓄污水将逐步输送至污水处理厂直至库容腾空。 图5-2ＳＴＯＲＭ径流演算流程图输入Pi、Ei扣除Ei、△ViRi＝α（Ρi－Εi－△Vi）蓄水池蓄水排水系统溢流承受水体打印径流及蓄水池出流至污水处理厂处理Ri＞Ri水池蓄满降雨结束是是是否否否 ＳＴＯＲＭ中的水质指标是悬浮固体（ＳＳ），可溶固体（ＳＥＴ），生化耗氧量（ＢＯＤ），总氮（Ｎ），正磷酸盐（Ｐ）。雨水冲洗的污染物质组成采用经验公式推求。其污染物的冲洗量与地面径流流率、雨前干旱日数、灰尘和污泥累积速率、污染物组分占地面累积污物的比例成正比。模型可以长时间连续模拟排水区域降雨径流过程，并根据不同的管网内外蓄水池容量、污水处理厂处理速率计算出排水系统每年的溢流次数，并输出各种污染物过程线。 图5-3旧金山排水系统特征关系曲线mV（in）0.100.080.060.04 由于模型可以提供这样一组关系曲线和污染过程线，因此，根据水量水质对承受水体的影响，进行经济方面的综合评价，可以就开挖排水系统蓄水池，增加污水处理厂的处理能力和程度，或者使排水系统年溢流次数增加之间作出适当选择。根据STORM的这些特点，很适用于排水系统规划计算。因为模型可进行长时间径流事件模拟，计算速度较快，也可作为排水系统的初步设计，然后用SWMM详细论证计算。 沃林福特模型（Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）是英国给排水常设委员会从１９７４年至１９８1年，历经８年研制的结果。该委员会下水道水力设计小组通过对英国应用的各种排水设计方法进行综合评判、研究和修改，采用最新提出的系统途径将它们结合起来，制成了大型程序包，即沃林福特模型。模型由四种方法合并而成.第四节沃林福特模型 （１）修正推理方法：它是推理方法的修改形式。仍然仅可用于估计洪峰流量，适用于排水面积小于150公顷的均质流域；（２）过程线方法：用于模拟地面径流和管道水流情况，可以得出完整的流量过程线，并且能够模拟雨水溢流设施、泵站和蓄水池的作用；（３）优化方法：采用离散动态规划技术，用以获得工程最小造价的管道埋深、坡度和管径；（４）模拟方法：可以在超载条件下，检验分析已建系统和设计系统运行状态，亦能模拟暴雨溢流、滞蓄池和泵站作用。若系统未超载，计算结果与过程线方法相同。 Ａ．修正推理方法：修正推理方法对原推理公式加以修改，增加了一个修正系数以反映流域汇流曲线的非线性，以及流域集流时间内雨强变化的情况。经修正后的推理公式形式为Ｑｍ＝ｃαｉＦ式中，Ｑｍ—洪峰流量，l／s；Ｆ—流域面积，hm2；ｉ—集流时间内的平均雨强，l／s·hm2；α—径流系数；ｃ—修正系数，对于设计条件，可简单地取ｃ＝１.３。 径流系数与地面复盖物类型和土壤湿度关系最密切，可采用经验公式求出。流域集流时间是地面汇流时间和管流时间之和的最大值。地面汇流时间随集水面积大小、地面坡度以及设计重现期不同而变。对于年最大暴雨情况取４－８分钟，五年一遇暴雨取３－６分钟。在面积较小和坡度较大的集水面积，取较小值为宜。 Ｂ．过程线方法：过程线方法是对ＴＲＲＬ方法加以改进后得出的。方法把流域划分成数块排水子区域，径流过程分为地面阶段和管网汇流阶段分别模拟。并通过设计暴雨途径推求设计流量过程线。具体计算过程及说明如下：（１）首先收集流域特征资料，包括地面坡度，不透水铺砌面积，屋顶面积，透水面积，雨水口个数及控制面积，排水管网布设和水力特性，并把流域划分数块子集水区域； （２）采用频率计算方法或暴雨公式计算流域面上指定频率和历时（一般取１５，３０，６０，８０，１２０分钟）的设计雨量，根据同频率方法得出雨量时程分配；（３）地表产流量计算。英国采用经验公式估算子区域地表径流系数：α＝0.829Ｉ＋0.25Ｓ０＋0.00078Ｕｃ-0.207式中，α—子区域地表径流系数；Ｉ—子区域内不透水面积百分比；Ｓ０—土壤指标，由英国水文所发行的图集查得；Ｕｃ—土壤湿度指标，由英国各地的土壤湿度～年平均雨量关系得出。 过程线方法假定，当不透水面积上的地表径流系数小于0.７时，透水面积上不产生地表径流。因此，当由J经验公式计算出来的α≤0.７Ｉ时（Ｉ为不透水面积比），则说明地表径流量全部出自不透水面积。此时有：α透＝０；α铺＝α顶＝α／Ｉ式中，α透—透水面积地表径流系数；α铺—不透水铺砌面积径流系数；α顶—屋顶面积径流系数。子区域内不透水面积包括不透水铺砌面积和屋顶面积两部分。 当计算出来的α＞0.７Ｉ时，应把超过量平均分配到全部子区域面积上，即：α透＝α－0.７Ｉα铺＝α顶＝0.７＋α透得出子区域各类面积的地表径流系数后，便可通过折算得出相应的暴雨损失。例如，对于铺砌面积ＩＤ铺＝（１－α铺）Ｐ式中，ＩＤ—暴雨损失，mm；Ｐ—设计雨深，mm。透水面积与屋顶面积损失计算与之类似。 暴雨损失包括初损和持续损失两部分，对于铺砌面积和透水面积，计算初损采用下式：Ｄ＝0.７１Ｊ－0.４８式中，Ｄ—初损，这里主要指洼地蓄水，ｍｍ；Ｊ—子区域平均地面坡度，％。对于沥青屋顶，建议采用0.４ｍｍ的初损值。初损从暴雨初始时期扣除，剩余的损失量均匀分摊到其余的降雨历时内。从而计算出以上三种类型面积上的净雨过程。 （４）地面对净雨过程的调蓄计算，采用非线性水库演算方法。地表蓄量与出流量之间满足下式：Ｖ＝ＫＱ２／３式中，Ｖ—地表蓄量；Ｑ—出流量；Ｋ—库容常数。铺砌面积和透水面积库容常数Ｋ：Ｋ＝0.０５１Ｊ－0.２３Ａ0.２３０式中，Ｊ—地面坡度，％；Ａ０—雨水口平均控制面积，ｍ２。屋顶面积的库容常数可取Ｋ＝0.０４。子区域流进下水道的入流过程线，是来自三种类型面积上的，经非线性水库方法演算过的流量过程线之和。 （５）采用马斯京根法，对通过下水道的入流过程线进行调蓄计算，可以得出各管段的流量过程，并用以作为设计的依据。沃林福特模型可适用于城市集水区域的规划、设计和管理问题。在不同研究阶段可采用不同的方法。一般，修正推理方法为设计和分析提供初步评价；优化方法则在排水系统设计中用来确定最经济的管道尺寸、埋深和坡度；然后用过程线方法进一步详细分析和检验；模拟方法可以在遭遇超标暴雨时发生的排水系统的广泛超载和淹水情况进行模拟，以便对设计方案进行评价，或对已建成的排水系统进行分析。 伊利诺（ＩＬＬＵＤＡＳ）模型是美国伊利诺州水利勘测局研制，并于１９７４年公布的。该模型是以英国ＴＲＲＬ方法为基础加以改进的，可模拟城市单次雨洪事件的全过程，包括产流、地面汇流、管网汇流、调蓄池作用等，并得出排水管网各个节点的洪水过程。模型可以用于设计新的雨水管渠系统，也可用于城市原有排水系统的校核。模型主要包括地表净雨、地面汇流、管渠汇流、调蓄池计算四部分内容。第五节伊利诺排水模型 １．地表净雨计算根据地面状况和排水系统布置，把汇水面积划分成若干子区域，各子区域包括三种地面类型：（１）直接与下水道相连的铺砌面积。降落在这部分面积上的雨量仅需扣除植物截流、地面润湿和填洼等初损量，便可得出地表净雨；（２）出流透水面积，包括那些排水必须经过出流透水面积的铺砌面积在内。这部分面积上的降雨除了扣除初损外，还需扣除下渗损失才能得出地表净面，下渗率计算采用霍顿公式。（３）不出流草地面积。这部分草地面积的特点是地势低洼或坡度平缓、距出口距离较远，因而汇流时间很长，对本次降雨所引起的洪水过程线主体部分几乎不产生影响。故认为这部分面积不产生地表净雨。 ２．地面汇流演算由上所述，子区域地面径流分成两部分：直接铺砌区径流和出流透水区径流。这两部分先分开进行地面汇流计算，然后合并作为该子区域雨水口入流过程。地面汇流采用等流时线方法。为了简化计算，汇流曲线概化成直线，即假定汇流面积随时间线性增加。对于直接铺砌区，采用曼宁公式计算地面径流流速，然后根据径流路径长度推求汇流时间。 透水面积地面汇流时间采用Ｉｚｚａｒｄ公式：ｔｃ＝34.23（0.00165ｉ＋Ｃ）Ｌ0.３３Ｊ－0.３３３ｉ－0.６６７式中，ｔｃ—地面汇流时间；ｉ—降雨强度；Ｌ—地面流程长度；Ｊ—地面坡度；Ｃ—地面滞留系数：平坦路面Ｃ＝0.００７；水泥路面Ｃ＝0.０１２；浓密草地Ｃ＝0.０６。公式限制条件为ｉ×Ｌ＜６５。需要经过出流透水区排水的铺砌面积，由于在铺砌面积上的汇流时间与透水面积汇流时间相比很小，故忽略不计。可将铺砌面积上的雨水直接均匀分洒在出流透水面积上，然后进行产汇流计算。 ３．管渠汇流演算地面径流从雨水口进入管网系统。与上游管道径流合并，向下游进行演算。演算方法有两种：（１）时间推移法：如果在计算的汇流路径内没有区间入流，则径流过程线形状不变，仅是向后平移一个传播时间。这等价于管道对径流没有调蓄作用，方法简单，但精度不高；（２）运动波法：基于运动波方程，采用隐式差分形式进行管道汇流演算。方法精度较高但计算机运算时间较长。 ４．调蓄池计算在管网设计中，若节点的流量大于下游管段的设计值时，需要修建调蓄池。模型可以模仿调蓄池作用进行简单调蓄计算，把超过下游设计流量的水量暂时储存于调蓄池，待流量小于下游设计流量时再泄放出来，超过下游设计流量的部分水量就是调蓄池所需的设计容量。如果没有调蓄池，这部分水量就是该节点处的溢流总量。 与其它一些城市径流模型相比，伊利诺模型计算简便，应用方便，并且完全可以在微机上实施，计算结果也比较合乎实际，因而也得到较为广泛的应用。伊里诺模型缺乏水质部分的内容。近年来，有人对伊利诺模型加以改进，增加了水质内容，并且具有模拟连续降雨径流过程的功能，如ＱＵＡＬ－ＩＬＬUＤＡＳ模型和Ｑ－ＩＬＬＵＤＡＳ模型。 第六章城市防洪规划第一节城市防洪标准第二节城市防洪总体规划的原则第三节城市防洪规划的内容及程序第四节防洪规划方案效益分析第五节防洪规划水文水力计算 一、确定设计标准的基本原则城市防洪标准关系到防洪工程规模、投资及建设期限等问题。目前我国对城市防洪标准是根据城市具体情况，由设计部门提出意见，报请有关主管部门审核批准。因此，适当提高防洪标准，是今后城市防洪建设的主要任务。第一节城市防洪标准 在确定城市防洪工程设计标准时，除了进行保护范围内的安全效益与工程造价比较外，还应考虑以下几项基本事项：（１）充分调查研究历次洪水的成因及灾害情况。（２）根据防护对象在国民经济中的作用、受洪水威胁的程度、洪水所造成的淹没损失、工程修复难易程度以及人口多少等。（３）根据城市防洪建设的需要与投资的可能，全面规划，分期实施，对近远期工程分别定出不同的防洪标准。（４）在同一城市中，可以根据市区、工业区、郊区等不同防护对象的重要性，采用不同的防洪标准。（５）对超过设计标准的洪水，应采取对策性措施（如分洪、滞洪、临时扒口、水库调洪等）。（６）与流域防洪规划相适应，不得低于流域防洪标准。 我国许多滨临江河，常受洪水威胁。因此，做好城市防洪总体规划是直接关系到城市安全，工程技术、经济是否合理的大事，必须予以足够的重视。第二节城市防洪总体规划的原则 一、城市防洪总体规划的基本原则（１）做城市防洪总体规划时，要贯彻全面规划、综合治理、防治结合、以防为主的方针。在充分发挥堤防作用的同时，进行全面规划、综合治理，因地制宜，因害设防，以达到提高防洪标准、保护城市工业生产和人民生命财产安全。（2）城市防洪总体规划不仅要与流域防洪规划相配合，与城市总体规划相协调，而且还要兼顾市政建设各有关部门的要求。（3）根据城市大小及其重要性，在充分分析防洪工程效益的基础上，合理选定城市防洪标准。重要城市，对超过设计标准的特大洪水要作出对策性方案。 （4）要充分发挥城市防洪工程的防洪作用，并考虑与流域防洪设施的联合运用。修建水库和分（蓄）洪工程时，要尽可能地考虑综合利用。（5）从实际出发，因地制宜，就地取材，提高投资效益。（6）区别轻、重、缓、急，近、远期相结合，全面规划，分期实施。随着城市不断发展，逐步提高城市防洪设施的抗洪能力。（7）结合城市特点，考虑保护环境、美化城市。（8）强调非工程措施的防洪作用。 二、沿江河城市防洪总体规划我国沿江河城市的地理位置、流域特性、洪水特征、防洪现状以及社会经济状况等千差万别。在考虑总体规划时要从实际出发，因地制宜。 １．以城市防洪设施为主，与流域防洪规划相配合首先应以提高城市防洪设施标准为主，当不能满足城市防洪要求或达不到技术经济合理时，需要与流域防洪规划相配合（如修建水库，分洪蓄洪等），并纳入流域防洪规划。对于流域中可供调蓄的湖泊，应尽量加以利用，采取逐段分洪、逐段水量平衡的原则，分别确定防洪水位。对于超过设计标准的特大洪水，规划上要作出必要的对策性方案。 ２．泄蓄兼顾，以泄为主市区内河道一般较短，河道泄洪断面往往被市政建设侵占而减小，影响泄洪能力，所以城市防洪总体规划应按泄蓄兼顾，以泄为主的原则；尽量采用加固河岸，修筑堤防，河道整治等措施，加大泄洪断面，提高泄洪能力。在无法以加大泄量来满足防洪要求或技术经济不合理时，才考虑修建水库或滞洪区来调蓄洪水。修建水库和滞洪区还应考虑综合利用，提高综合效益。 ３．因地制宜，就地取材城市防洪总体规划要因地制宜，从当地实际情况出发，根据防护地段保护的重要性和受灾损失等情况，可以分别采取不同防洪标准。建筑物选型要体现就地取材的原则，并与当地环境相协调。４．全面规划，分期实施总体规划要根据选定的防洪标准，按照全面规划，分期实施，近、远期结合，逐步提高的原则来考虑。对现有工程应充分利用，加以续建、配套、加固和加高。根据人力和财力的可能性分期分批实施，尽快完成关键性工程设施并及早发挥作用，为后续治理工作奠定基础。 ５．与城市总体规划相协调（１）滨江河堤防作为交通道路、园林风景时，堤宽与堤顶防护应满足城市道路、园林绿化要求，岸壁形式要美观。（2）堤线布置应考虑城市规划要求，以平顺为宜。堤距要充分考虑行洪要求。（3）堤防与城市道路桥梁要尽量正交，与桥头防护构筑物衔接要平顺，以免水流冲刷。通航河道应满足航运要求。（４）通航河道，城市航运码头布置不得影响河道行洪。码头通行口高程低于设计洪水位时，应设置通行闸门。（5）支流或排水渠道出口与干流防洪设施要妥善处理，以防止洪水倒灌或排水不畅，形成内涝。当两岸地形开阔，可以沿干流和支流两侧修筑防洪墙，使支流泄洪畅通。在市区内，应不影响城市美观。 三、山区城市防洪总体规划山区河流两岸的城市，不仅受江河洪水威协，而且受山洪的危害更为频繁。山洪沟一般汇水面积较小，沟床纵向坡度大，洪水来得突然，水流湍急，挟带泥砂，破坏力强，对城市具有很大危害。 山区城市防洪总体规划，一般考虑以下事项：１．与流域防洪规划相配合山区城市防洪一般包括临江、河地段防护和山洪防治两部分。临江、河地段防洪规划，可参照上述沿江、河城市防洪总体规划注意事项进行。当依靠修筑堤防加大泄量仍不能满足防洪要求时，可以结合城市给水、发电、灌溉，在城市上游修建水库来削减洪峰。但是，水库设计标准要适当提高，以确保城市安全。 ２．工程措施与植物措施相结合对水土流失比较严重、沟壑发育的山洪沟，可采用工程措施与生物措施相结合。工程措施主要为沟头防护，修筑谷坊、跌水、截洪沟、排洪沟和堤防等；植物措施主要为植树、种草，以防止沟槽冲刷，控制水土流失；使山洪安全通过市区，消除山洪危害。 ３．按水流形态和沟槽发育规律分段治理山洪沟的地形和地貌千差万别，但从山洪沟的发育规律来看，具有一定的规律性。上游段为集水区。防治措施主要为植树造林，挖鱼鳞坑，挖水平沟，水平打垅，修水平梯田等。防止坡面侵蚀，达到蓄水保土。中游段为沟壑地段。水流在此段有很大的下切侧蚀作用。为防止沟谷下切引起两岸崩塌，一般多在冲沟上设置多道谷坊，层层拦截，使沟底逐渐实现川台化，为农林牧业创造条件。下游段为沉积区。由于山洪沟坡度减缓，流速降低，泥砂淤积，水流漫溢，沟床不定。一般采取整治和固定沟槽，使山洪安全通过市区，排入干流。 ４．全面规划，分期治理山洪治理应全面规划。在治理步骤上可以将各条山洪沟，根据危害程度区别轻重缓急；在治理方法上应先治坡，后治沟，分期治理。集中人力和物力，在实施工程措施的同时，做好水土保持工作，治好一条沟后，再治另一条沟。 ５．因地制宜地选择排泄方案（１）当有几条山洪沟通过市区时，应尽可能地就近、分散排至干流。（２）当地形条件许可时，山洪应尽量采取高水高排，以减轻滨河地带排水负担。（３）当山洪沟汇水面积较大，市区排水设施承受不了设计洪水时，如果条件允许也可在城市上游修建截洪沟，把山洪引至城市下游排入干流。（４）如城市上游无条件修建截洪沟，而有条件修水库时，可以修建防洪水库来削减洪峰流量，以减轻市区防洪设施的负担。 １．正确确定设计高潮位和风浪侵袭高度沿海城市不仅遭受天文潮袭击，更主要的是来自风暴潮，特别是天文潮和风暴潮相遇，往往使城市遭受更大灾害。因此，必须详细调查研究、分析海潮变化规律，正确确定设计高潮位和风浪侵袭高度。然后针对不同潮型，采取相应的防潮设施。四、沿海城市防潮总体规划沿海潮汛现象比较复杂，不同地区潮型不同，潮差变化较大。防潮工程总体规划一般考虑以下事项： ２．要尽可能符合天然海岸线沿海城市的海岸和海潮的特性关系密切，必须充分掌握这方面的资料。天然海岸线是多年形成的，一般比较稳定。因此，总体布置要尽可能地不破坏天然海岸线，不要轻易向海中伸入或作硬性改变，以免影响海水在岸边的流态和产生新的冲刷或淤积。有条件时可保留一定的滩地。在滩地上种植芦苇，起到防风、削浪和促淤作用。 ３．要充分考虑海潮与洪水的遭遇河口城市除受海潮袭击外，还受河道洪水的威协；而海潮与洪水又有各种不同的遭遇情况，其危害也不尽相同，因此要充分分析可能出现最不利的遭遇，以及对城市的影响。特别是出现天文潮、风暴潮与河道洪水三碰头时，其危害最为严重。在防洪措施上，除了采取必要的防潮设施外，有时还需要在河流上游采取分（蓄）洪设施，以削减洪峰；在河口适当位置建防潮闸，以抵挡海潮影响。 ４．与市政建设和码头建设相协调为了美化环境，常在沿海地带建设滨海道路，滨海公园，以及游泳场等。防潮工程在考虑安全和经济的情况下，构筑物造形要美观，使其与优美的环境相协调。沿海城市码头建设规模较大，占用城市海岸较长，对城市防潮是个有利条件，应很好配合利用，使防潮设施与港口码头建设协调一致。但应注意码头建设不要侵占行洪河道，避免入海口受阻，增加洪水对城市的威胁。 ５．因地制宜选择防潮工程结构形式和消浪设施当海岸地形平缓，有条件修建海堤和坡式护岸时，应优先选用坡式护岸，以降低工程造价。为了降低堤顶高程，通常采用坡面加糙的方法来有效地削减风浪。当海岸陡峻，水深浪大，深泓逼岸时，应采用重力式护岸，以保证工程效益和减少维修费用。做好基础处理，防止对基础冲刷。有条件时也可采用修筑丁坝、潜坝等挑流消浪设施。当防潮构筑物上部设有防浪墙时，其迎水面宜做成反弧形，使风浪形成反射，以降低堤顶高程，节约投资。 城市防洪规划既是江河流域治理的组成部分，又是城市建设总体规划的分项内容。因此，城市防洪规划必须结合流域治理规划的精神，符合城市总体规划的要求。就城市规划而言，分总体规划和详细规划两大阶段，防洪规划的编制内容在深度上应与城市总体规划阶段相一致。在城市总体规划阶段，防洪规划的主要内容是在收集各类资料的基础上，进行防洪工程有关的设计洪水计算和粗略的水力计算，确定防洪标准，提出技术先进、经济合理、切实可行的方案。第三节城市防洪规划的内容及程序 在总体规划阶段，城市防洪一般工作程序为：１．基本资料收集、整理和分析（１）城市规划资料：城市现状、城市总体规划图、规划说明书、历史上受淹没的记载及对防洪的要求。通过以上资料，旨在了解城市的性质、规模及城市功能分区，为确定防洪标准和具体措施提供依据。这部分资料可向当地城建部收集，通过查阅地方志（县志、州志、府志等）了解历史洪水灾情。 （2）水文气象资料：城市所在地区的历年降雨量，河流水位、流速、流量、含沙量、冲刷深度、淤积厚度、风向、风速等实测资料，历史洪水痕迹标高、淹没范围及洪水流量等。这些资料可向当地或附近的气象站、水文站索取或抄录。在抄录河流流量资料时，最好抄录相邻三个水文站的实测值，以便上下游对照。实测系列越长，水文计算成果越精确。因此，如水文站的记录系列不长，应设法延长或补齐系列。有的城镇可能没有现成的历史洪水淹没资料，规划工作者应亲自调查访问，用洪水痕迹标高（洪水水位），根据地形的变化，草绘出历史洪水淹没线，并标明年份，供规划参考。 （３）流域的自然地理及治理规模资料：城市上游流域内的水系、地形、地质、地貌、土壤、植被等；流域的面积、形状（如矩形、条形、扇形等）、坡度、平均宽度等；河道的长度、纵坡、断面形成（如“Ｖ”形、宽浅式、窄深式等）、河流两岸治导线的位置、走向及流域内的水土保持情况；现有及规划水库的蓄水标高、库容、各种频率的下泄流量、水库与城市的距离等；流域内的其他水利工程设施等。 ２．确定防洪标准城市防洪标准应根据城市重要程度、自然地理和水文气象特征、经济条件和城市发展要求以及其它因素综合分析后确定。由于流域防洪规划和城市总体规划的主导地位，选择的城市防洪标准不能与之矛盾。随着流域及城市防洪工程的进程和城市经济实力提高，在规划的各阶段可能采用不同的防洪标准，并逐步提高标准。在同一城市，不同地区和不同防护对象的重要性和其它因素不同，可以采用根据具体情况采用不同的防洪标准。尤其是对于一些重要的保护对象如核电站、发电厂、变电站、重要桥梁、排水泵站、交通要道口等地点可以提高防洪标准，以保障人民生活和工业生产的正常运行。 ３．拟定防洪方案通过水力分析计算，对现有防洪工程进行论证，如河道泄洪能力、泵站排水能力、堤防高程、闸站状况、水库病险分析、重点防护对象是否达防洪设计标准等，分析城市防洪存在的问题和隐患。为了减少方案筛选的工作量，应先经分析后提出几个具有代表性的防洪规划方案，进行技术、经济、社会、环境等方面的综合评价和论证，最后从中选择较优的方案作为推荐方案。 ４．方案最终审定对推荐方案的各项计算内容用文字、表格和图编制方案说明书，按一定的标准估算防洪规划各项工程实施所需投资金额。方案报请有关部门审议和上级水行政机构审批通过后，最终确定所选定的规划方案。 在城市详细规划阶段，防洪规划主要是加深加细上一阶段的内容，使防洪工程规划更加具体、准确、合理，为施工设计提供技术依据。具体步骤是：１．整理和复核设计洪水流量计算成果。２．进行精确的水力计算，确定工程措施的建筑材料和结构形式，确定工程各部位的尺寸，如宽度、厚度、深度、高度、坡度等。３．绘制防洪工程平面图及重要工程的纵横断面图。４．编制说明书及提出近期修建项目的概算投资金额。 一、防洪效益分析如果流域和城市有比较充分的各种淹没情况下洪涝损失灾情统计资料，则对于一个防洪规划方案可以分别求出方案实施前后的多年平均洪灾损失，二者之差即为该防洪方案的防洪效益。一个完整的防洪规划方案应该全面包括工程防洪措施和非工程防洪措施，为了便于分析和对比，下面将分别从工程防洪措施和非工程防洪措施二种情况出发，分析各种防洪方案的洪灾损失及其防洪效益。第四节防洪规划方案效益分析 （一）工程措施防洪效益图6-绘出了某流域以工程防洪措施（如水库、堤防、河道整治或分洪工程等）组成三种具有不同防御能力（即防洪标准）的防洪方案的洪灾损失示意图。图中线①，②，③分别表示序号为１，２，３三种方案的年洪灾损失频率曲线；线④表示防洪规划方案实施前的年洪灾损失频率曲线。水平坐标ｐ表示累积频率。图中ｐ１、ｐ２、ｐ３分别表示三种方案的防洪能力，ｐ４表示在流域现状下河道抗御洪水的能力。从图可看出，工程防洪措施的防洪作用首先表现在减小了成灾洪水的频率，或是说提高了防洪系统的抗御洪水的能力；其次是大大地减轻了成灾洪水的洪灾损失。根据图１年洪灾损失频率曲线的成果，可分别求出4种不同情况的年洪灾损失数学期望值，即多年平均洪灾损失。未实施防洪规划方案前的多年平均洪灾损失与任一防洪方案多年平均洪灾损失的差值即为该方案的防洪效益。 (1)(2)(3)(4)SP(%)0255075图6-1工程措施防洪效益分析示意图 （二）非工程措施防洪效益这里只着眼于对具有潜在洪水威胁的洪泛区采用洪泛区土地利用规划、抗洪防护措施、洪灾预警与撤离安排等非工程防洪措施所组成的防洪方案的分析。由前述可知，洪泛区内的非工程防洪措施不具有调控洪水的能力，因此这些措施并不能改变防洪系统的防洪标准，即不能减小出现成灾洪水的出现频率。这些非工程防洪措施的防洪作用表现在减小各种成灾洪水的洪灾损失。图6－２绘出了非工程防洪措施组成的三种方案１，２，３相应的年洪灾损失频率曲线①，②，③和规划方案未实施前的年洪灾损失频率曲线④的示意图。 为便于讨论和分析，假设仅以洪泛区土地利用规划与抗洪防护二种非工程措施组成上述的三种防洪方案。方案１，２，３的防护标准（或称防护水平）分别为ｐ１（＝１％），ｐ２（＝１０％），ｐ３（＝４３％）。以任一方案为例来说明如何从规定的防护标准出发，合理考虑二种不同非工程防洪措施的组合。根据规定的防护标准可确定其相应频率（如方案1的洪水频率为P１）的洪水，通过洪水演进计算求出其相应的淹没范围。对淹没区的土地利用规划，可考虑在淹没范围内原则上只允许进行农业开发，居民区可分布于淹没区周边淹没水深较小的区域，但必须配合布设安全台、水楼或安全区等抗洪防护设施。从而构成了相应于某一指定的防护水平，在洪泛区所采用土地利用规划与抗洪防护等非工程防洪措施所组成的防洪规划方案。针对这一方案可推求其年洪灾损失频率曲线。 (1)(2)(3)(4)SP(%)0255075图6-2非工程措施防洪效益分析示意图 不同方案所考虑的防护水平不同，因此相应的土地利用区划及抗洪防护措施的布置也有所不同，从而也带来不同的年洪灾损失频率曲线。对于未实施规划方案前的多年平均洪灾损失与任一方案实施后的多年平均洪灾损失之差，即为该方案的防洪效益。 二、防洪规划方案经济比较在防洪效益的分析计算的基础上，对于每一防洪方案，还必须进行基建投资和年运行费用的计算，然后可按效益费用比、净效益最大或经济内部回收率等评价方案分析各方案经济上的优劣。记Ｂ为防洪方案的效益，Ｃ为防洪方案的投资运行费用，那么防洪方案的净效益Ｚ可表达为Ｚ＝Ｂ－Ｃ由技术经济的知识可知，上式的效益和费用项都必须按统一的基准年（如规划方案全部投入运行的第一年）、计算期及规定的贴现率，根据效益或费用的时序流程分别折算为现值。 通常随着国民经济的发展，洪泛区的开发利用程度也将有所增长，洪灾损失及防洪方案的防洪效益将具有某种递增的趋势，因此不能用前述防洪方案的多年平均效益为固定不变的年效益来考虑防洪方案防洪效益的流程图，而应在多年平均效益值的基础上，计入某种形式的逐年递增率。 对于含有综合利用效益的防洪工程（如水库）的防洪规划方案，费用项的计算应根据投资分摊的计算方法合理确定防洪方案的工程投资。不同的防洪方案由于其防洪措施的规模和组成不同而具有不同的防御洪水的能力。可以将防洪方案所能抗御洪水的对应频率ｐ作为反映防洪方案规模大小的变量。对每一方案进行效益费用分析计算，可求出各方案的防洪效益Ｂ和投资运行费用Ｃ的现值（或年金），求净效益Ｚ。从各方案中选取净效益最大的方案作为经济上最佳的防洪方案。 在防洪经济分析中存在二类不同性质的课题。其一是对于给定的防洪标准寻求满足此标准的最优的防洪规划方案；其二是论证最佳的防洪标准。后一问题与前者是相关联的。上面的讨论表明，从理论上讲可以寻求后一问题的经济上的最优解。但是必须注意到，在进行寻优计算时，严格的作法必须要求每一防洪方案都应属于满足其相应防洪措施的最佳组合。即必须基于前一课题的最佳组合的解来进一步寻求第二个课题的解答。 必须指出，上述关于防洪标准论证的结果，仅能作为选择防洪标准的参考。防洪经济分析中只能计入直接的和间接的洪灾损失，而不能计及不能用货币表示的无形损失。防洪规划中往往必须同时考虑技术、经济、环境及政治等多方面因素，综合论证，合理选定防洪标准。 完整的防洪规划必须考虑工程防洪措施与非工程防洪措施的组合，不仅必须进行工程防洪措施防洪标准的论证，还必须同时考虑洪泛区非工程防洪措施防护水平的选择，而且二者在经济分析中是相互关联的。例如假设规划流域的防洪保护区采用非工程防洪措施和不采用非工程防洪措施二种不同的背景，对一个拟定的工程防洪措施的防洪方案进行防洪效益分析时，显然，后一背景因未采用非工程防洪措施而使工程防洪措施的防洪效益较高；而前一背景因采用的非工程防洪措施本身已起到部分的减轻洪灾损失的作用，从而使工程防洪措施所减轻的洪灾损失及其相应的防洪效益相对降低。另外，在分析一种给定的非工程防洪措施组合方案的防洪效益时，不难看出，当该流域的工程防洪措施所达到的防洪标准较高时，非工程防洪措施的防洪效益较低；反之，若工程防洪措施的防洪标准较低，非工程防洪措施的防洪效益相对增大。可见从理论上讲，应加强对工程防洪措施和非工程防洪措施的联合经济分析的研究。 有关的水文和水力计算的一些基本方法在专业基础课程中已有阐述，应针对城市防洪具体情况和基本资料现状灵活应用，以满足城市防洪规划计算的要求。第五节防洪规划水文水力计算 一、设计洪水位计算在对防洪堤（墙）或沿河建筑的防洪规划中，要求指定地点的设计洪水位或沿河设计水面线。对于有充分水位资料的断面，在满足水位资料基本一致的条件下，可以通过对水位频率分析的途径推求符合指定频率的设计洪水位。绝大部分堤防工程需要推求出水面曲线，以便确定沿河堤防高程。 一般情况下，采用的水面曲线基本方程形式为式中，Z1，Z2—上、下游断面水位（ｍ）V1，V2—上、下游断面流速（ｍ／ｓ）α１，α２—上、下游断面动能修正系数ｈｆ—上下游断面之间沿程水头损失（ｍ）ｈｊ—上下游断面之间局部水头损失（ｍ）。 沿程水头损失一般采用均匀流公式估算式中，ΔＬ—上下游间河段长度（ｍ）；Ｑ——设计流量（ｍ３／ｓ）；Ｋ—上下游断面平均流量模数（ｍ３／ｓ）。局部水头损失式中，ξ—局部损失系数；V1，V2—河槽形态突变前后流速（ｍ／ｓ）。 如果不考虑流速水头损失和局部水头损失，水面曲线方程简化为若Ｋ－用几何平均值Ｋ１Ｋ２代替，并令ΔＺ＝Z1－Z2，则有 根据以上方程可以逐段推求沿河水面曲线。有两种计算途径：（１）已知Ｑ，Z1（或Z2），预先确定Z2（或Z1）值，推求ΔＬ，可以直接采用上述显式方程推算。（2）已知Ｑ，Z1（或Z2），预先确定ΔＬ，采用试算方法推算出Z2（或Z1）。 二、设计流量在排水沟、截洪沟、泵站、管网规划中，需要推求设计流量。截洪沟主用于拦截山洪，可采用天然小流域推求设计洪峰的方法，包括推理方法，经验公式法等。泵站和管道侧重于排除城区涝水，亦可采用基于暴雨公式和径流系数的推理公式分析计算，有关参数可从当地排水手册中查得。以上内容均已在城市水文学课程中论述。 对于较大的排水河道，或者河网地区，难以采用推理公式推求洪峰流量。如果通过频率计算或历史洪水调查得设计洪水位，且附近水文站具有水位～流量关系，则可据此查得相应的设计流量。但在大部分条件下，通过调查得的洪痕地点往往远离水文站，此时，可根据水面比降采用水力学公式推求相应流量，如果不考虑流速水头变化，可以采用曼宁公式计算。另一方法是根据调查的洪痕或由设计水位，采用水面曲线方程推求相应流量。例如，在公式（２－６）中，已知条件为Δｚ，Ｋ１，Ｋ２和ΔＬ，未知变量为Ｑ，可求得唯一解。 三、设计洪水过程线在水库、调节池等蓄水工程规划中，或在城市淹水面积和时间等方面的计算中，需推求设计条件下的洪水过程线。如果有比较充分的水文资料，在满足一致性条件时，可以采用频率计算途径，由流量资料或暴雨资料按传统水文方法推求设计洪水过程线。一般，城市化对水位和流量资料影响较为明显，可以采用水文统计中的ｔ检验和Ｆ检验方法对水文样本系列的均值和方差进行显著性检验。 一般情况下，可以认为降雨在不长时间内与洪水相比，受城市化影响不明显，因此可以采用由设计暴雨推设计流量过程线方法。其中，关键是在产流和汇流计算中要充分反映出现状及规划各阶段城市化的影响程度。在计算过程中，一般是把流域划分为土地利用特性类似的单元区域分别进行水文水力学计算。对于天然性质的流域，可采用一般水文学方法进行产汇流计算，如采用降雨径流相关图法、先损后损法计算产流，采用单位线法或综合单位线法、马斯京根法进行汇流计算等。城市区域可采用径流系数法、φ指标法、下渗曲线法进行产流计算，采用等流时线法进行汇流计算。在有条件时，采用水文水力学模型可以取得较好的效果，如新安江模型、雨洪管理模型（ＳＷＭＭ）等等。 四、平原河网水力计算不少城市位于沿海和平原河网区，水流顺逆不定，沿海还受潮汐影响，常规水文方法和均匀流水力计算不能满足计算精度。在具有迥水、环流、感潮的平原河网区，在推求设计洪水位或设计洪水过程线的汇流计算中，采用明渠非衡定流方程进行水力计算较为合适。一般是采用圣维南方程组的差分形式在计算机上求解实现。采用非衡定流方法的必须收集河道特征资料，确定合理的边界水文水力条件。具体原理及求解过程参看明渠非衡定流教材。'