028、水流断面计算方法在城市水系规划中的运用

水流断面计算方法在城市水系规划中的运用许乙青龚妹杨晓摘要：水是人类社会赖以生存和不可替代的物质资源，其为地球的万物创造了生存和繁衍的必要条件，是充满生机的自然资源。然而随着18世纪中叶工业革命的到来，人类采取的无度消费、大量生产、大量废弃的生活方式，带来了一系列的生态和环境危机，如肥沃土地与森林的毁坏、高额的基础设施花费等，河流、水系往往成为了城市建设的背立面。为了加强人水关系、突出城市特色，保护水资源，将河流、水系变为城市生活的正立面，各大城市水系规划如火如荼地进行，但其研究多停留在定性层面。文章通过将Rhino软件汇流路径计算与水利计算相结合，利用地表汇水流量数据，设计水系景观节点的昀优断面形式，使城市水系规划除了保证水安全，预测水危机外，兼顾水景观环境与人水和谐，从定量层面寻求城市水系规划的新方法。关键词：水系规划；暴雨洪峰流量；断面计算方法前言自古以来，人们对水都有着深厚的感情，但由于城市防洪的需要，高大冰冷的挡水墙，挡住了洪水，也阻挡了人们对水的向往与渴望。随着人们生态保护意识的加强，城市水系规划在国内外日渐兴起，其中比较有影响力是的美国圣安东尼奥的水街——将传统与现代相结合；杭州市水系景观规划——提倡山水和谐的生态设计方法；上海外滩滨水区城市设计——自然与人文结合的空间场地设计等。早在200多年前，美国就开始重视水资源的管理与保护，颁布了一系列的法令，如美国联合水资源保护法案、宾夕法尼亚水系保护法。我国从法律上保护水系起步较慢，在规划层面上，2009年2月颁布《城市水系规划导则》，该导则对水系布局、水面、水量、水质、水景观和水文化、水系管理、规划工程实施方案等方面作了规定，是面向实施的城市水系规划依据。[1]2009年12月颁布《城市水系规划规范》，确定规划区内的江、河、湖、干渠、水库的功能划分、岸线位置、水系连通方式、规划水位控制标高，主要拦水闸坝位置等，是面向管理的城市水系规划的依据。[2]目前，我国对于城市水系规划还处于摸索阶段，其研究大部份都停留在定性层面。文章以流域为背景，从宏观、中观、微观三个角度出发，借助Rhino软件中GH插件将水利学暴雨洪峰流量计算方法与断面计算方法有机结合，从定量层面，给城市水系规划以数据支撑，望能给同行在城市水系规划研究方向与方法上提供借鉴与参考。1研究方法1.1地表径流计算随着数字化时代的到来和信息技术的发展，参数化设计（ParametricDesign)于近些年来已经取得飞速的发展，它以计算机的技术发展为基础，并且受到复杂系统和非线性科学的深刻影响才产生出来的，这些特点就决定了参数化设计在处理城市复杂系统的规划和设计的问题方面具有很好的适用性及发展潜力[3]。现在正在推广一款较新的软件——犀牛（Rhino），其为参数化设计的发展提供了很好的平台。它是一款运用于汽车、飞机、建筑、医药、运动器材、鞋类、珠宝、动画等诸多领域的设计软件，具有灵活性与精确性等特点。它对各种用途的分析更快捷便利，及根据设计需求对其调整也很方便、快速。即使如此，其在规划中的运用甚少。近几年从国外引进的GH插件使犀牛运用的领域更为广阔了，使得Rhino在规划中的推广与运用成为可能。Grasshopper是用以对环境的生态要素进行分析的媒介，是Rhino软件的一款编程插件，采用简单的节点式可视化数据操作，可动态实时显示参数调整的成果，运算全过程的数据被完整保存，使用户可以开发出自己的Grasshopper运算器，并永久使用[4]。对其的使用，虽然前期的参数化程序编辑过程较为复杂，但是后期数据修改与导出十分的快捷方便，使设计人员可以通过几个参数的调整，随图面效果和设计需要来实现自己的设计意图与追求。GH插件水系地表径流分析参数化编程的原理是模拟自然雨水汇流的路径。雨水的降落实际上是一个重力流的过程。根据当地的降水密度形成方格网，再将网格上交叉形成的点垂直投射到事先生成的Mesh三角形面上，即模拟自然降水在水平面上的形成的落水点。在Mesh上投射到交点再往下寻找最短路径的等高线，即点与线的垂线。这只是一个落水点与等高线所形成的雨水汇流路径，最关键的步骤是hoopsnake的运用，要通过反复不断的循环才能生成整个研究范围的水系分析。当GH参数化编程完成后，运用犀牛软件形成水系分析就变得相当容易了，其具体地操作步骤是：1.导入整理好的cad原始地形，一般是提取的元素最好是点，由点形成线，再给curve电池块赋以犀牛中的地形线，再通过分析需要给slider赋值；在犀牛软件中，人为设定一个点，该点的位置从平面上看，要在整个地形图幅的最左下角，从垂直角度看，要位于z值的最小值。再将该点赋值给基础网络生成中的point，即可生成所需的网格点；（如图1）2.双击hoopsnake,使其自动循环运行，此步骤根据分析地块图1：犀牛软件的应用——GH水系分析参数编程步骤一图2：犀牛软件的应用——GH水系分析参数编程步骤二图3：犀牛软件的应用——GH水系分析参数编程步骤三的大小及电脑的性能，要花费的时间较长；（如图2）3.水系分析生成，再将其bake到犀牛软件中形成可供选择的汇水线。（如图3）1.2主要汇水通道和汇水节点的确定与保留根据水系地表径流计算图，确定主要汇水通道与汇水节点。主要汇水通道是指水系地表径流中比较重要的支流。通常为了使城市看上去规整，气派，设计师们会把城市中的水系截弯取直，且将岸边建成欧式的人工驳岸，结果往往是由于自然径流的改变，使得粗糙度减小，流速增大，进而导致径流量和洪峰流量加大，峰现时间提前。[5]城市中水系的形成要经过成百上千年的沉淀与积累，是宝贵的自然资源。尤其随着近些年，暴雨洪灾给人们生活生产上面造成的巨大损失，自然生态理念深入人心，世界各地越来越意识到保护自然、尊重自然的重要性。主要汇水通道的确定，是改变在城市水系规划中的传统做法、水系保留其自然走向的重要步骤。同时主要汇水通道的保留，可以对城市绿地系统提供很好的依据，将这些主要汇水通道做成下凹绿地、平式绿地、上凸绿地等，进而起到减少地表冲刷、增加径流时间、降低径流系数、消减洪峰、补充地下水，净化水质，从而恢复自然水循环过程的作用，影响整个城市的结构。汇水节点一般是流域范围内的水流集中点。此次所研究的是水系如何在非城市建设用地到城市建设用地的转变中，扮演好自己的角色，保留其自然属性。当河流转变为城市建设用地，大体保留水系自然走向与宽度时，汇水节点的设计尤为重要，并成为检验城市水系规划成功与否的关键环节。1.3水系流域单元的划分流域是指以分水岭为边界的由河流、湖泊或海洋等水系所覆盖的区域以及由该水系形成的集水区。简而言之，就是地面分水线所包围的区域。[6]水系流域单元划分的方法有两种——一种是递进划分法，一种是并列划分法。两种划分方法之间的关系是相辅相成的，根据需求相互独立，又相互包含存在着。其中，递进划分法（如图4）中，从最小的流域单元向上一级流域单元递进，即初级流域单元（最小流域单元）——次级流域单元——多级流域单元（2、3、4……流域单元）——高级流域单元，上级流域单元与下级流域单元是包含与被包含的关系；并列划分法（如图5）中，以某一级流域作为大背景，再划分下一级流域，该级流域单元面积相差不大，呈并列关系。这两种水系流域单元划分方法，其最后的结果都是根据水系分析情况，找出各级流域范围内最大汇水点，使流域内的水汇流到更高级的河流中。然而大部分的城市规划范围都不在一个流域内，为了确保数据完整性与准确性，从源头开始计算水流量，水系流域的划分往往都意味着研究范围的扩大。1.4暴雨洪峰流量计算传统的计算往往是就地块论地块，极少考虑与周边地块的关系。此次沿用常用的计算方法，但从高级流域的角度出发，从水系流域源头计算到最终汇图4：递进划分法图5：并列划分法集点，使计算的前因后果更具说服力。首先将一级流域划分为若干个二级流域，再将二级流域划分为若干个三级流域……以次类推，直至划分便于计算的流域范围，根据其特征计算出径流过程，找出雨水汇集点，即流域范围内雨水流量最大处，并通过水流量演算，将各级流域的汇流范围组合起来计算。国内最常见的有水利部门所使用的排涝模数法、多点入流汇流法，市政城建部门按《室外排水设计规范》所用的雨水流量计算方法。国外则多使用径流曲线计算法（RunoffCurveNumberMethod）、推理计算法（TheRationalMethod）。1.4.1排涝模数法M=KRmF-nQ=MFM为排涝模数,Q为设计排涝模数（m3/s•km2）；R为设计暴雨产生的径流深（mm）；F为设计控制的排水面积（km2）；K为综合系数（反映降雨历时、流域形状、排水沟网密度、沟底比降等因素）；m为峰量指数（反映洪峰与洪量关系）；n为递减指数（反映排涝模数与面积关系）。其中K、m、n可查阅当地的水文资料获得。1.4.2多点入流汇流法r)1J-t(1FJ11njcjkPJKQCj为J等流时块的汇流曲线时段数；r为总出流时段数。1.4.3雨水设计流量计算方法雨水设计流量按下式计算：qFQQ为雨水设计流量，L/s；为径流系数，其数值小于1；F为汇水面积，hm2;q为设计暴雨强度，L/（shm2）。[7]1.4.4径流曲线计算法（RunoffCurveNumberMethod）径流曲线计算法由美国土壤保护局提出的，是美国径流量计算运用最为广泛的一种方法。其数据是基于降雨量、径流曲线、流域范围与损耗的情况而得出的，公式为：SIPIPQ)(aa）（式中Q是指径流量，P是降雨量，Ia是初始雨量损耗值，S是指最大雨水滞留量,是流域土壤与覆盖条件的一种反映，由径流曲线表现出来。其取值为：101000CNSIa包括洼地存储、蒸发、渗透及中途截取的雨量损耗，通过美国土壤保护局的经验测算值通常近似于0.2S。因此，其方程式变为)8.0()2.0(2SPSPQ1.4.5推理计算法（TheRationalMethod）此方法的运用己有近百年的历史了，通常使用于排水区域单元，其公式为：Qy=C×I×A式中：Qy为暴雨峰值；C为径流系数；I为平均降雨强度；A为排水区域面积。虽然这是一个直接简单的方法，其计算即考虑了降雨集中的时间，也考虑了在峰值估算中径流系数的不确定因素，但是该方法是在出现频率相对较高的事件中发展起来的，遇到更为极端的事件时，其峰值率应该随之增加。其只适合运用于地块较小，且不渗透率高的区域。[6]影响暴雨洪峰流量的要素很多，其计算方法的选择，应根据各地的实际和可调查数据情况而定。目前国外己开发相关的计算机软件，如美国环保局提出的城市雨洪管理模型（SWMM）、英国沃林福特模型(WALLIGFORD)、美国辛辛那提大学提出的CURM模型等，都很好的模拟了城市雨洪情况，但国内推广运用到实际规划的中的案例还很少，尤其是后两者模型，望在日后的规划设计中多多加以运用。1.5重要节点断面设计现行的断面形式有矩形、梯形等，其设计尺寸多为主观经验，文章以暴雨洪峰流量计算所取得的水流量数据为基础，运用洪水调查法，尊重现状，测量河床的横断面和纵断面，采用复合断面的形式，使其在丰水期、平水期、枯水期三个不同时期，呈现不同的滨水景观并满足安全规范要求。丰水期即水位较高时，一级驳岸被淹没，水面较为宽阔，人们可以在二级驳岸处进行各种娱乐活动；平水期，枯水期时，人们可以使用在一级驳岸处设置游步道和市民休闲空间，并在一定的位置设置水闸，对流水进行拦蓄，满足各时期的需水量。1.5.1计算原理该复合断面，呈台阶状，由现状断面和设计断面两个梯形断面组成，现状梯形断面主要满足平水期和枯水期的水位变化需求，设计梯形断面满足丰水期（特别指产生最大暴雨洪峰流量时）的水位需求。通过现状断面尺寸求出其可容纳的最大过水流量，用最大暴雨洪峰流量减去其现状断面最大过水流量，得出设计断面的最大暴雨流量。以设计断面最大暴雨流量为依据，进行景观、生态、经济、水力最优断面设计（如图6）。1.5.2主要水力公式的运用基本公式：RiACQ水力半径公式:AR湿周计算公式：212mh