城市水文与水资源

城市生态环境学城市水文及水资源UrbanHydrologyandWaterResources第一节城市水系的基本特征CharacteristicsofUrbanWaterSystem•一、城市化对水系的影响•1、地面水系人工化•城市的开发建设，改变许多天然河流的形状及流向，加上人工开挖的水库、渠道等，构成了城市天然河湖与人工沟渠并存、彼此连通，相互影响，受人工整治和高度控制的地表水系统。一、城市化对水系的影响•2、地下建成排水系统•天然的地面排水系统被人工形成的引导水流的各种不透水通道和地下下水道排水系统所代替和补充，以利于尽快排水。•广州市：历史上的地面河涌大部分已演变成地下排水系统，下水道以河涌为单元铺开，与河道呈正交布置，形成网络化的地下排水系统。二、城市河流的生态环境功能•1、城市不同发展时期的河流作用•古代：提供稳定水源和肥沃的土地；•近代：除提供水源外，也是城市物质运输的重要通道；•现代：水源地、动力源、交通运输通道、污染净化场所。二、城市河流的生态环境功能•2、河流在城市生态环境建设中的功能•①就近供水的功能：投资少、成本低、稳定性高；•②供绿化和降温增湿功能：河岸、河心沙洲为绿化提供场所；河水的高热容量、流动性以及河流风等，为减弱城市热岛、缓和冬夏温差具有明显的调节作用；•③提供便捷的交通条件。•2、河流在城市生态环境建设中的功能•④提供生物多样性存在的基地：•城市河流及其自然特征是城市景观多样性的组成部分；•河流两岸、河漫滩湿地、河心沙洲是多种植物生长地及鸟类栖息地；•河流是多种淡水水生生物的栖息繁衍地。•⑤提供城市居民亲近自然的场所。•⑥提供自然教育课的天然实验室。三、城市河流的合理开发利用和保护•河流是城市生态环境的重要组成部分，城市的经络、命脉。•1、保持河流原来的自然地貌特征；•2、维持河流的水文特征；•3、保持河流水质清洁；•4、合理开发利用。第二节城市化的水文效应HydrologicalEffectofUrbanization•一、城市化对水分循环过程的影响•水分循环：水分的蒸发、凝结、降落（降雨）、输送（径流）循环往复运动过程。•城市化前：天然流域蒸发量占降水量的40%，入渗地下水量占50%，地面径流10%；•城市化后；入渗地下32%，蒸发25%，地面径流43%(地面径流和屋顶径流)。二、城市化对水量平衡的影响•区域内贮水量变化＝输入水量-输出水量•（1）流域水量平衡方程式为：•△W＝（P＋R＋G）－（E1＋E2＋R1＋G1＋S）•式中：P为降水量；•R，R1分别为地表径流流入与流出量；•G，G1分别为地下提取与渗入地下水量；•E1，E2分别为地表蒸发和植物蒸腾水量；•S为生态系统组分内贮水量；•△W为时段内区域贮水量变化。二、城市化对水量平衡的影响•（2）城市水量平衡方程式为：•△W＝（P＋R＋G＋T）－（E1＋E2＋R1＋G1＋S＋T1）•式中：T为上水管道输入水量；T1为下水管道输出水量；•P为降水量；R，R1分别为地表径流流入与流出量；G，G1分别为地下提取与渗入地下水量；E1，E2分别为地表蒸发和植物蒸腾水量；S为生态系统组分内贮水量；△W为时段内区域贮水量变化。•在城市化地区的水量平衡中，不仅包括天然水循环，而且还包括人工控制的上下水管道中的水循环（T，T1）。•城市化改变了城市的水文特征：•输入项：大气降水（P）改变；R、G也发生改变；增加了T•输出项：城市的E1和E2比乡村少；G1也相应减少；R1比郊区大，增加了T1北京城市中心区与郊区水量特征值比较地区降水量径流总量／mm地表径流／mm地下径流／mm蒸发量／mm地表径流系数地下径流系数城中心区城外平原675644.540526733796681712703770.500.150.100.26三、城市化对河流水文性质的影响（1）流量增加，流速加大；（2）径流系数增大；径流系数是指某段时间内径流深与降水量之比。表示降水量用于形成径流的有效雨量。（3）洪峰增高，峰值出现时间提前，历时缩短；（4）径流污染负荷增加城市化后城市化前图4-2同等降雨下城市化前后洪水过程线比较**城市化对径流特性的影响（小结）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；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。四、城市化对地下水的影响（1）地下水水位下降，局部水质变差；（2）水量平衡失调；（3）生态环境恶化；下图为城市化水文问题框图城市化承受水体水质下降暴雨水质恶化污水增多建筑密度增大人口密度增大需水量增多水源问题地下水补给量减少基流减少流速加快城市气候发生变化改变了排水系统径流量增加峰值流量增大汇流时间和历时缩短不透水区面积扩大控制污染问题控制洪水问题第三节城市化地区的雨洪径流RainandFloodRunoffofUrbanizationArea一、城市化地区雨洪径流的计算径流是水分循环、水量平衡的基本要素，是影响城市水文及水资源的直接因子。（1）城市地面产流过程截留、蒸发、填洼、下渗是影响产流的主要因素。（1）城市地面产流过程•降水经截留，满足下渗、填洼和蒸发之后，便形成地面漫流，然后汇入水道形成地表径流。•满足填洼后产流，称蓄灌产流；•满足下渗后产流，称超渗产流；•下渗入土壤中的雨水在超过土壤持水能力时，在土壤中继续向下运动，为壤中流。（1）城市地面产流过程•天然流域：壤中流比地面径流流动慢，壤中流汇入河道的时间较长，产流缓慢。•城市化流域：不透水面积率增大，雨水因填洼下渗减少；当地面100%为不透水面积时，填洼下渗甚至减少为零。城市植被少，蒸发减少，更多的雨水直接变为径流，使地表径流动产生较快。（2）城市化地区年径流总量的理论分析•城市地区年总降雨量比非城市化地区偏高5～10％；•由于热岛效应，城市蒸发力可能变强，然而由于汇流迅速和不透水的干燥地面，城区可供蒸发的水量甚少，蒸发量少；•因此，城市城区的年径流总量比同一地区自然条件下的年径流总量大。•一般地，城市年径流可能是天然流域的2～2.5倍。（如果包括城市供水系统抽取的深层地下水或从外流域引进水，城市化地区年径流总量会更大）PR城市化前城市化后R1R2城市化径流的差别WQ城市化前城市化后Q1Q2城市化前后降雨量的变化（2）城市化地区年径流总量的理论分析•城市河道年径流量增加的原因：•①城市降水量增加；•②城市地表径流系数的增大；•③从外流域引水或抽取地下水。城市河道年径流量减少的原因：①下水道排水直接入海或输送到城市边界以外；②用水系统等引起的水量损失；③城市化引起的蒸发量增加，但一般此项影响甚微。3、城市雨洪径流的计算•（1）城市雨洪径流计算的特点•城市降雨的径流过程，依水流方式可分为地表径流和下水道传输二种。•城市雨洪过程绝大部分为地面流（原因：城市的产流着重于地表径流部分，对壤中流等不予考虑；另外，把地下径流当作损失来处理），过程线历时短，涨落幅度大。（1）城市雨洪径流计算的特点雨洪径流的汇流特性是城市排水系统设计的依据。城市雨洪径流汇流的计算包括城市化流域、城市个别河段、河网式排水管路网络等系统的汇流计算。计算方法：（1）传统的水文方法：等流时线法、单位线法、推理公式法；（2）模型模拟(2)设计暴雨强度计算•雨水设计流量公式：••Q＝q·Ψ·F•上式中，Q为雨水设计流量（L/s）；q为设计暴雨强度［L/(s·hm2）］；Ψ为径流系数；F为汇水面积（hm2）各种地表覆盖的径流系数表地表复盖种类径流系数各种屋面、混凝土和沥青路面0.90大块石铺砌路面、沥青表面处理碎石路面0.60配碎石路面0.45干砌砖石和碎石路面0.40非铺砌土地面0.30绿地和草地0.15区域不透水性综合径流系数地表复盖种类径流系数建筑稠密的中心区（不透水面积＞70％）0.6－0.8建筑较密的居住区（不透水面积50％～70％）0.5－0.7建筑较稀的居住区（不透水面积30％～50％）0.4－0.6建筑很稀的居住区（不透水面积＜30％）0.3－0.5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，在选暴雨强度计算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。城市名称ABCn北京11.9880.8110.711天津22.95170.850.85石家庄10.1170.8980.729太原5.274.60.860.62包头0.05965.40.9850.85哈尔滨17.30100.90.88长春9.58150.80.76吉林12.9770.680.831沈阳11.8890.770.77济南28.1417.50.7530.898南京17.9013.30.6710.8合肥21.56140.760.84杭州60.92250.8441.038南昌8.301.40.690.64我国部分城市暴雨公式的参数流域集流时间流域集流时间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（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—（3）SchaaKe公式tc＝1.397L0.24J－0.16I－0.26式中，I—二、城市防洪•(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。二、城市防洪••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。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：（２）以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为依据。（３）根据城市防洪建设的需要与投资的可能，全面规划，在同一城市中，可以根据市区、工业区、郊区等不同防护对（５）对超过设计标准的洪水，应采取对策性措施（如分（６）与流域防洪规划相适应，不得低于流域防洪标准。（三）城市防洪工程措施•城市上游洪水的防洪措施•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（三