城市雨洪模型研究.doc

Ξ 城市雨洪模型研究 刘 俊 (河海大学水文水资源及环境学院 南京 210098) 摘 要 针对城市化地区水文特性变化和传统水文分析计算方法的不足, 提出了用于城市化地区 水文水力计算和模拟的城市雨洪模型. 模型应用于天津试验区, 效果良好. 关键词 城市水文; 雨洪模型; 水文水力计算 中图号 P 333 城市的出现和城市化的发展, 改变了当地的自然地貌和天然排水系统. 城市地区雨洪观测 资料表明, 城市洪峰流量比天然流域高几倍乃至数十倍. 城市雨洪径流的增加, 容易引起下游 洪水泛滥. 由于城市地区人口密集, 建筑物众多而集中, 工商业和交通发达, 遭遇洪水后的损失 也更为严重. 在城市雨水径流计算中, 推理公式法1 是目前应用最为广泛的方法. 该法形式简单, 所需 资料不多, 对于较小的城市流域, 往往是能满足计算要求的. 但是, 推理公式法也存在许多不 足, 主要表现在: a. 城市地区空间和时间的尺度都较小, 要求城市水文研究更精细, 且须考虑过程中所涉及 的各项影响要素及其相互之间的作用. 推理公式法只能计算洪峰值, 无法满足上述要求. b. 城市化的过程是一个不断发展的过程, 水及其环境都处在动态变化中, 分析城市地区 的径流量、水质及雨洪过程都需要考虑这种动态性. 推理公式法难以反映城市水文的动态性. 因而, 针对城市化流域的特性, 就需要一种更为先进和完善的分析计算方法, 美、英、法、德 等发达国家从60年代起就开始研究城市雨洪模型, 并取得了较大的进展. 在我国, 由于城市雨 洪模型的研究尚处于起步阶段, 目前尚无通用的具有多方面功能的城市水文水力水质模型. 因 而, 本文在引进美国城市雨洪管理模型 SW M M (S to rm W a te r M an agem en t M o de l) 的基础上, 通过对我国城市化地区雨洪规律的深入分析, 加以改进完善, 研究较为适用于我国城市化影响 地区的雨洪数学模型. 1 模型的建立 在本项研究中, 城市雨洪模型由地表径流子系统和传输子系统构成. 地表径流子系统适合 于模拟上游地区的地面漫流和小的沟和管; 传输子系统的主要作用是将地表径流通过渠系和 地下管网、排水系统的分流建筑物, 演算至下游或承受水体的溢流点. 该课题获海河水利委员会科技进步三等奖. Ξ 111 地表径流子系统 模型首先根据土地的利用状况和地表排水走向, 将一个流域划分成若干个集水小区, 各集水小区的特性计算各自的径流过程, 并通过流量演算方法将各集水小区的出流组合起 每一集水小区再分为三个部分: (a ) 有滞蓄库容的不透水面积, 其出流侧向排入边沟 下水道管; (b ) 无滞蓄库容的不透水面积, 暴雨初始就立即产生地表径流; (c) 集中所有的 面积. 小区出流量等于三个部分出流量之和. 应用模型时, 首先要确定这三部分各自的百分 11111 地面产流计算 无滞蓄库容的不透水面积上的降雨损失为雨期蒸发、植物截流两类. 有滞蓄库容的不透水面积的降雨损失除雨期蒸发和植物截流外, 还包括洼蓄量. 透水 降雨损失包括雨期蒸发、植物截流、洼蓄和下渗. 11112 地表流量计算 在地表径流模型中, 地面水流的演算方法为动力波近似法. 该法假定摩阻坡降等于地 坡度. 为了求得地表径流模型中三个部分每个时段的水流深度和出流量, 必须联立求解连 程和曼宁方程. 下面以透水地表的径流计算为例加以说明. dV dd = A i3 - Q 连续方程 = A d t d t 式 中 V —— 地 表 积 水 量, V = A d ; d —— 水 深; t —— 时 间; A —— 地 面 面 积; i3 —— 净 Q —— 出流量. 曼宁方程 Q = W 1 (d - d p ) 5?3S 1?2 n 式中 W —— 集水小区宽度; n —— 曼宁糙率系数; d p —— 地面滞蓄水深; S —— 集水小区坡 合并方程 (1) 和 (2) , 得到一非线性微分方程, 解出未知变量 d , Q. 112 传输子系统. [ 2 ] 模型将下水道系统概化为由一些节点连接的一系列的管道. 这些管道和节点作为一 体, 有明显的特征值, 可代表整个管网系统. 管道允许水流从一个节点流向另一个节点. 下水道系统的流量计算微分方程式为 5Q 5t 5A 2 5A 5H = - gA S f + 2V + V - gA 5t 5x 5x 式中 Q —— 通过管道的流量; V —— 管中流速; A —— 过水断面面积; H —— 水头; S f — 阻坡度. 摩阻坡度用M an n in g 公式确定, 即