城市水文課件

城市化過程對(duì)當(dāng)?shù)厮牡挠绊懼饕憩F(xiàn):

（1）城市地貌和排水系統(tǒng)的改變（2）水資源的重新分配（3）水環(huán)境的改變（4）大氣環(huán)境的改變構(gòu)成城市的供水、排水、防洪、水環(huán)境等水文問題。第1頁/共189頁城市化過程對(duì)當(dāng)?shù)厮牡挠绊懼饕憩F(xiàn):第1頁/共1891

第二節(jié)城市化對(duì)降水的影響

與周圍鄉(xiāng)村相比，城市氣溫明顯偏高。其特征往往是城市中心氣溫最高，而向周圍鄉(xiāng)村逐步遞減，在郊區(qū)遞減速度較快。城市氣溫明顯高于周圍鄉(xiāng)村的現(xiàn)象稱為“

城市熱島”。第2頁/共189頁第二節(jié)城市化對(duì)降水的影響

2

造成城市熱島的原因主要為：（1）人為熱源（2）建筑材料的熱容性（3）建筑結(jié)構(gòu)峽谷形式增加接受輻射的面積（4）大氣污染增強(qiáng)了吸收太陽輻射能力城市熱島現(xiàn)象會(huì)對(duì)水汽蒸發(fā)、空氣對(duì)流產(chǎn)生明顯影響，從而影響到降雨特性。第3頁/共189頁造成城市熱島的原因主要為：第3頁/共189頁3

城區(qū)工廠生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，人們?nèi)粘；顒?dòng)使得城市上空大氣中塵埃比天然情況下高出幾倍至幾千倍，使得城市空氣污染加重，為城區(qū)降水提供了更多的凝結(jié)核。城市化尤其使對(duì)流層氣象活動(dòng)增加，引起局部區(qū)域降水增大。

城市化往往是一個(gè)長期過程，氣候變化也是緩慢的，不易被人察覺。第4頁/共189頁城區(qū)工廠生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，人們?nèi)粘；顒?dòng)使得城市上空大4

城區(qū)工廠生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，人們?nèi)粘；顒?dòng)使得城市上空大氣中塵埃比天然情況下高出幾倍至幾千倍，這不僅使得城市空氣污染加重，而且為城區(qū)降水提供了更多的凝結(jié)核。城市化一般引起局部區(qū)域降水增大。

但城市化往往是一個(gè)長期過程，氣候變化也是緩慢的，不易被人察覺。要素與郊區(qū)比要素與郊區(qū)比凝結(jié)核多10倍云量多5～10％微粒多10倍霧多30～100％日照少5～15％溫度0.5～3度降水總量多5～15％相對(duì)濕度小6％降水日數(shù)多10％風(fēng)速小20～30％雷暴多10～15％無風(fēng)日多5～20％第5頁/共189頁城區(qū)工廠生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，人們?nèi)粘；顒?dòng)使得城市上空大5

1．大規(guī)模建造房屋，鋪砌道路，使下墊面不透水性大大增加，其結(jié)果是下滲量和蒸發(fā)量減少，而地表徑流和徑流總量增加，洪峰流量加大；第三節(jié)

城市化對(duì)徑流特性的影響

2．城市排水系統(tǒng)管網(wǎng)化，使暴雨徑流盡快地就近排入水體，使洪水匯流速度增加，洪量更為集中；第6頁/共189頁1．大規(guī)模建造房屋，鋪砌道路，使下墊面不透水性大大增6

3．對(duì)城市匯水河道整治與改建，整治后的特點(diǎn)是河道直線化，斷面規(guī)則化，呈梯形或矩形，邊坡用磚石襯砌。增加了河道輸水能力，使洪量集中；

4．侵占天然河道洪水灘地，減小了洪水灘地儲(chǔ)洪容量和泄洪能力，使城市遭遇大洪水時(shí)，河道調(diào)蓄能力減弱，洪水浸溢積聚城市地面而形成積水；第7頁/共189頁3．對(duì)城市匯水河道整治與改建，整治后的特點(diǎn)是河道直75．設(shè)立各種類型的控制性閘壩，進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，影響城市徑流過程；

6．來自城市外的引水和城市本身污水排放，造成徑流水量和水質(zhì)的變化。第8頁/共189頁5．設(shè)立各種類型的控制性閘壩，進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，影響城市8第9頁/共189頁第9頁/共189頁9第10頁/共189頁第10頁/共189頁10第11頁/共189頁第11頁/共189頁11

圖1-1同等降雨下城市化前后洪水過程線比較城市化后城市化前Qt第12頁/共189頁圖1-1同等降雨下城市化前后洪水過程線比較城市化后城12第四節(jié)

城市化對(duì)水文影響的分析1、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法一般，城市化對(duì)水位和流量資料影響較為明顯，可以采用水文統(tǒng)計(jì)中的ｔ檢驗(yàn)和Ｆ檢驗(yàn)方法對(duì)水文樣本系列的均值和方差進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。為了進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，水文變量系列被劃分為容量為ｎ１（城市化前）和ｎ２（城市化后）兩個(gè)不重迭的子系列，并分別計(jì)算出它們的均值ｍ１和ｍ２，方差ｓ12和ｓ２2。第13頁/共189頁第四節(jié)城市化對(duì)水文影響的分析1、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方13

首先對(duì)方差進(jìn)行方差比檢驗(yàn)或Ｆ檢驗(yàn)。計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Ｆ＝ｓ12/ｓ２2ｓ1>ｓ２Ｆ＝ｓ22/ｓ12ｓ1<ｓ２與Ｆ分布表中置信水平為α／２、自由度為ｎ１－１和ｎ２－１的Ｆ值比較。在大部分實(shí)用中，α值采用５％比較適當(dāng)。一般統(tǒng)計(jì)教科書和手冊(cè)中都附有這類統(tǒng)計(jì)表。如果Ｆ的計(jì)算值超過表列數(shù)值，則拒絕關(guān)于ｓ1與ｓ２為相同總體方差估計(jì)量的零假設(shè)。第14頁/共189頁首先對(duì)方差進(jìn)行方差比檢驗(yàn)或Ｆ檢驗(yàn)。計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)14

ｔ檢驗(yàn)適用于對(duì)兩個(gè)子系列的均值檢驗(yàn)。計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與ｔ分布表中置信度為α/２，自由度為n１+n２-２的ｔ值比較。若計(jì)算值超過表列數(shù)值，則拒絕關(guān)于ｍ１和ｍ２是同一總體均值估計(jì)量的零假設(shè)。第15頁/共189頁ｔ檢驗(yàn)適用于對(duì)兩個(gè)子系列的均值檢驗(yàn)。計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)152、經(jīng)驗(yàn)分析方法（1）水文系列分析對(duì)水位、流量、雨量系統(tǒng)的時(shí)間滑動(dòng)平均分析，分析水文變量是否受到城市化影響。Xt（a）第16頁/共189頁2、經(jīng)驗(yàn)分析方法Xt（a）第16頁/共1816

（2）降雨徑流關(guān)系分析城市化不同階段年或次降雨徑流關(guān)系的差別可以分析城市化的影響程度。PR城市化前城市化后R1R2第17頁/共189頁（2）降雨徑流關(guān)系分析PR城市化前城市化后R1R17

（3）峰量關(guān)系比較分析城市化會(huì)引起洪峰～洪量之間的關(guān)系變化，對(duì)不同時(shí)期峰量關(guān)系的比較可以分析城市化的影響。WQ城市化前城市化后Q1Q2第18頁/共189頁（3）峰量關(guān)系比較分析WQ城市化前城市化后Q1Q18

（4）相鄰流域間同一水文變量比較如果參證流域水文變量（R1）未受城市化影響，則兩流域間不同時(shí)期水文變量關(guān)系變化可以反映城市化的影響。R1R2城市化前城市化后R21R22第19頁/共189頁（4）相鄰流域間同一水文變量比較R1R2城市化前19

如果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果拒絕了零假設(shè)，或通過經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)方法認(rèn)為該地區(qū)城市化對(duì)水文變量影響顯著，則表明該地區(qū)水文系列的一致性受到破壞。此時(shí)，不宜直接采用流量資料由頻率分析方法推求設(shè)計(jì)值。一般說來，與流量和水位資料相比，降雨受城市化影響相應(yīng)較小，因此常假定降雨不受城市化影響，采用由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位的途徑。第20頁/共189頁如果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果拒絕了零假設(shè)，或通過經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)20

第一節(jié)

城市地區(qū)的洪水問題

第一，城市本身暴雨引起的洪水。由于城市不斷擴(kuò)張，這一問題會(huì)變得愈加尖銳。這是城市排水面臨的問題。

第二，城市上游洪水對(duì)城區(qū)的威脅；可能來自城市上游江河洪水泛濫，山區(qū)洪水，上游區(qū)域排水，或水庫的下泄流量。解決這類問題屬城市防洪范疇。

第三，城市本身洪水下泄造成的下游地區(qū)洪水問題。由于城區(qū)不透水面積增加，排水系統(tǒng)管網(wǎng)化，河道治理等使得城市下泄洪峰成數(shù)倍至十幾倍增長，對(duì)下游洪水威脅是逐年增加的，構(gòu)成了城市下游地區(qū)的防洪問題。第二章城市防洪與排水措施第21頁/共189頁第一節(jié)城市地區(qū)的洪水問題

21

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，增加河道過水能力，或者使河流改道，直接進(jìn)入城市下游區(qū)域；

2．建造堤防和防洪墻保護(hù)城市，阻擋洪水侵入，傍臨大江大河的城市大部分采用這一措施

3．在城市上游修建防洪水庫儲(chǔ)蓄洪水，以達(dá)到削減洪峰的目的。這類工程要結(jié)合水資源開發(fā)、發(fā)電、漁業(yè)、航運(yùn)諸方面綜合考慮。為了防止水庫失事造成嚴(yán)重后果，還應(yīng)制定水庫失事的應(yīng)急措施；

4．在城市上游建造分洪區(qū)分洪。減緩稀遇大洪水對(duì)下游城市的威脅。這是面臨江河的重大城市才有可能采取的一類耗資大、影響廣的措施，必須經(jīng)過詳盡的論證。第二節(jié)

城市防洪與排水工程措施第22頁/共189頁一、防洪工程措施

城市上游洪水的防洪工程措施22城市下游的防洪措施：

1、疏通和整治匯水河道；

2、建造下游河道堤防；

3、減小上游城市下泄洪量和洪峰流量。第23頁/共189頁城市下游的防洪措施：

1、疏通和整治匯水河道；

23

（二）排水工程措施

城市排水主體工程是管渠排水系統(tǒng)，將城區(qū)雨洪盡快排出。全面解決城市雨洪問題，應(yīng)結(jié)合各城市具體情況，采取綜合治理措施來減小、延緩和調(diào)節(jié)城市雨洪，削減洪峰和減少洪量。第24頁/共189頁（二）排水工程措施

城市排水主體工程是管渠排241．建立人工蓄洪池塘。在雨洪流量較大時(shí)儲(chǔ)存一部分洪量，而流量下降時(shí)排出，以達(dá)到削減洪峰作用。

2．設(shè)立等高綠地。在廣場(chǎng)和住宅區(qū)周圍沿等高線設(shè)置綠地，使雨水進(jìn)入綠地后再排出，增加下滲量和降低匯流速度，減小地表徑流，削減洪峰流量。排水綜合治理措施:第25頁/共189頁1．建立人工蓄洪池塘。在雨洪流量較大時(shí)儲(chǔ)存一部分洪量254．利用屋頂蓄水滯水。采用屋頂蓄水池或屋頂花園；增大屋頂鋪面糙率，如波狀屋頂、礫石屋頂?shù)?，束狹落水管使屋頂雨水滯蓄。

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、深水井對(duì)雨水進(jìn)行地下水回灌。3．采用透水鋪面。可鋪砌透水瀝青公路，多孔混凝土廣場(chǎng)，磚、礫石人行道和巷道，增加下滲量。第26頁/共189頁4．利用屋頂蓄水滯水。采用屋頂蓄水池或屋頂花園；增大26

植樹綠化

在城市上游集水區(qū)域和城區(qū)植樹或種草，增加土壤下滲和滯水能力，降低和延緩洪峰

洪水預(yù)報(bào)和警報(bào)

編制洪水預(yù)報(bào)方案，根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓蛏嫌魏樗闆r預(yù)報(bào)城市水位和流量，在洪水來臨之前通告群眾和有關(guān)部門，及時(shí)做好抗洪工作

洪水調(diào)度

結(jié)合洪水預(yù)報(bào)方案和洪水警報(bào)制定合理的洪水調(diào)度方案，降低洪水對(duì)城市的威脅程度第三節(jié)城市防洪與排水非工程措施第27頁/共189頁植樹綠化在城市上游集水區(qū)域和城區(qū)植樹或種草，增加土27洪水保險(xiǎn)

對(duì)遭受洪澇災(zāi)害的個(gè)人及集體支付賠償，使國家用于水利建設(shè)和救災(zāi)損失的資金得到合理的應(yīng)用。

水利管理?xiàng)l例

國家和地方有關(guān)主管部門根據(jù)具體情況頒布水利方面的有關(guān)管理?xiàng)l例。

城市水利規(guī)劃

制定合理的水利布局方案并留有充分的發(fā)展與改進(jìn)的余地。第28頁/共189頁洪水保險(xiǎn)對(duì)遭受洪澇災(zāi)害的個(gè)人及集體支付賠償，使國家用28

市政部門習(xí)慣采用公頃（hm2），升（L），分鐘（min）作為面積、水量、時(shí)間的基本單位。

應(yīng)用推理公式推求管道設(shè)計(jì)流量一直是最為廣泛應(yīng)用的方法，采用徑流系數(shù)由降雨量推求地表凈雨。

根據(jù)三個(gè)基本假定條件，推求管道設(shè)計(jì)流量的推理公式形式寫成：

Qp

＝aiτF

第一節(jié)推理公式

第三章排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算第29頁/共189頁市政部門習(xí)慣采用公頃（hm2），升（L），分鐘（mi29

在城市集水區(qū)域，下墊面各處差別很大，徑流系數(shù)也各自不同。在使用推理公式時(shí)，應(yīng)采用按面積加權(quán)平均的徑流系數(shù)。平均徑流系數(shù)計(jì)算公式為

a＝∑aiFi/F

＝∑

biai

在城市，徑流系數(shù)與地面不透水性有很大關(guān)系，地面不透水性越強(qiáng)，則徑流系數(shù)越大。表3-1列出了幾種指定下墊面條件下的徑流系數(shù)；表3-2列出了一些綜合區(qū)的權(quán)重徑流系數(shù)。

第二節(jié)地表徑流系數(shù)第30頁/共189頁在城市集水區(qū)域，下墊面各處差別很大，徑流系數(shù)也各自不30

表3-1各種地表復(fù)蓋的徑流系數(shù)表

第31頁/共189頁

表3-1各種地表復(fù)蓋的徑流系數(shù)表

第31頁/共1831

表3-2區(qū)域不透水性綜合徑流系數(shù)

除了下墊面不透水程度，徑流系數(shù)大小還與降雨特性、土壤含水量、地下水埋深等特性有關(guān)。因此，在選用徑流系數(shù)時(shí)，必須視具體情況而定。第32頁/共189頁表3-2區(qū)域不透水性綜合徑流系數(shù)

除了下墊面32

市政部門常用的暴雨公式形式為：

i＝167A（1＋ClgT）/（t＋B）n

式中,T

—

重現(xiàn)期，年；

i

—

重現(xiàn)期為T年的t時(shí)段內(nèi)平均降水強(qiáng)

度，L／（s·hm2）；

A、B、C、n—

暴雨公式的參數(shù)。

第三節(jié)暴雨公式第33頁/共189頁市政部門常用的暴雨公式形式為：

i＝16733表3-3我國部分城市暴雨公式的參數(shù)第34頁/共189頁表3-3我國部分城市暴雨公式的參數(shù)第34頁/共189頁34

流域集流時(shí)間τ由下式計(jì)算

τ＝tc＋mtf

式中tc

—

管道入水口坡面匯流時(shí)間，min；

tf

—

上游管道管流時(shí)間，min；

m

—

延緩系數(shù)，管道m(xù)＝2，明渠m＝1.2

第四節(jié)流域集流時(shí)間第35頁/共189頁流域集流時(shí)間τ由下式計(jì)算

τ＝tc35（1）運(yùn)動(dòng)波法公式

tc＝1.359L0.6n0.6i－0.4J－0.3

式中，L—

坡面流長度，m；n—

地面糙率；

i—

降雨強(qiáng)度，mm／min；J—

地面平均坡度.

（2）機(jī)場(chǎng)排水公式

tc＝0.703（1.1－a）L0.5J－0.333

式中，a—

徑流系數(shù)。

（3）SchaaKe公式

tc＝1.397L0.24J－0.16I－0.26

式中，I—

不透水面積百分比。第36頁/共189頁（1）運(yùn)動(dòng)波法公式

tc＝1.359L0.6n036表3-4幾種下墊面復(fù)蓋的糙率

第37頁/共189頁表3-4幾種下墊面復(fù)蓋的糙率

第37頁/共189頁37表3-5幾種區(qū)域地面糙率

第38頁/共189頁表3-5幾種區(qū)域地面糙率

第38頁/共189頁38

管徑的計(jì)算根據(jù)管道入口端設(shè)計(jì)洪峰流量按滿管重力流計(jì)算，計(jì)算公式采用曼寧公式或其它有關(guān)流量公式。

曼寧公式計(jì)算圓管管徑：

D＝（3.2084nQp）3/8/J1／2

式中D

—

設(shè)計(jì)圓管管徑，m；

n

—

圓管道糙率；

Qp—

指定頻率設(shè)計(jì)洪峰流m3／s；

J

—

管道坡度。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，實(shí)用管徑應(yīng)等于或稍大于計(jì)算出管徑。

第五節(jié)管徑計(jì)算第39頁/共189頁

管徑的計(jì)算根據(jù)管道入口端設(shè)計(jì)洪峰流量按39

計(jì)算管道平均流速V有以下幾種方法（以圓管為例）：

（1）按滿管重力流用連續(xù)方程計(jì)算

V＝4Qp/（πD2）

式中,D—

實(shí)際采用的管徑，m。

（2）按滿管重力流用曼寧公式計(jì)算

V

＝0.397nD2／3J1／2

第六節(jié)管流時(shí)間計(jì)算第40頁/共189頁計(jì)算管道平均流速V有以下幾種方法（以圓管為例）：40

根據(jù)平均流速可計(jì)算得管流時(shí)間：

tf＝L／（60V）

式中,L

—

上游管道管長，m；

tf—

上游管道中徑流平均管流時(shí)間，min

由上游管道的地面匯流時(shí)間和管流時(shí)間之和得出設(shè)計(jì)管道的總集流時(shí)間τ代入推理公式可以推得管道設(shè)計(jì)洪峰流量。

第41頁/共189頁

根據(jù)平均流速可計(jì)算得管流時(shí)間：

41

在下水道設(shè)計(jì)中采用推理公式方法時(shí)，各管道設(shè)計(jì)是各自獨(dú)立地采用推理公式計(jì)算洪峰流量的。因各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪峰流量并非由同一設(shè)計(jì)暴雨所形成，各設(shè)計(jì)洪峰之間無直接的物理聯(lián)系，僅僅是在計(jì)算集流時(shí)間τ時(shí)，要用到上游管道的匯流時(shí)間而已。

進(jìn)入設(shè)計(jì)管道的流量不是一條路徑，此時(shí)，應(yīng)把徑流流時(shí)最長的那條路徑的水流時(shí)間作為設(shè)計(jì)管段的集流時(shí)間。

第七節(jié)管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算第42頁/共189頁在下水道設(shè)計(jì)中采用推理公式方法時(shí)，各管道設(shè)計(jì)是各42圖3-1應(yīng)用推理公式推求管道設(shè)計(jì)流量框圖排水面積管長和坡度設(shè)計(jì)雨強(qiáng)推求洪峰流量徑流系數(shù)集流時(shí)間暴雨公式計(jì)算下一管路計(jì)算管流時(shí)間計(jì)算本段管徑結(jié)束最后管段

是

否第43頁/共189頁圖3-1應(yīng)用推理公式推求管道設(shè)計(jì)流量框圖排水面積管長和坡43

［算例］北京市某區(qū)域需要鋪設(shè)排水管網(wǎng)。管網(wǎng)上端三個(gè)管道、雨水井以及集水面積見示意圖。推求各管道二年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量。132圖3-2設(shè)計(jì)管道布設(shè)示意圖

第44頁/共189頁

［算例］北京市某區(qū)域需要鋪設(shè)排水管網(wǎng)。管網(wǎng)上端三個(gè)44

表3-6排水區(qū)域與設(shè)計(jì)管道基本資料第45頁/共189頁

表3-6排水區(qū)域與設(shè)計(jì)管道基本資料第45頁/共189頁45

表3-7北京市某區(qū)上游排水管道設(shè)計(jì)計(jì)算表

具體計(jì)算是自上游管道向下游管道逐段推求設(shè)計(jì)流量。先計(jì)算1號(hào)和2號(hào)管道設(shè)計(jì)流量、流速和管徑。最后計(jì)算3號(hào)管道設(shè)計(jì)流量、流速和管徑。第46頁/共189頁

表3-7北京市某區(qū)上游排水管道設(shè)計(jì)計(jì)算表具體46

首先計(jì)算1號(hào)管道設(shè)計(jì)流量、流速和管徑，計(jì)算過程及表中各欄說明如下：

第（1）欄，管道編號(hào)，與管首雨水井編號(hào)相同第（2）欄，管道集水面積，它是管首雨水井集水面積以及上游入水管道排水面積之和

F1＝5.1hm2第47頁/共189頁首先計(jì)算1號(hào)管道設(shè)計(jì)流量、流速和管徑，計(jì)算過程及表中47

對(duì)應(yīng)于各種下墊面情況的面積權(quán)重bi在表5－6已給定。根據(jù)地面復(fù)蓋物情況由表5－2查得對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)ai，則可計(jì)算得

a1＝0.55×0.85＋0.60×0.15＝0.558

第（3）欄，管道排水面積的權(quán)重徑流系數(shù)

a＝∑aibi第48頁/共189頁對(duì)應(yīng)于各種下墊面情況的面積權(quán)重bi在表5－6已給定。48

第（4）欄，雨水井的地面匯流時(shí)間，這里采用機(jī)場(chǎng)排水公式計(jì)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）欄，各管道排水面積集流時(shí)間。第1、2號(hào)管道位于上游頂端，管道排水面積等于管首雨水井集水面積，集流時(shí)間

τ1＝tc1＝17.7（min）第49頁/共189頁第（4）欄，雨水井的地面匯流時(shí)間，這里采用機(jī)場(chǎng)排水公49

第（6）欄，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)。由表5－3查得北京市雨強(qiáng)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50頁/共189頁第（6）欄，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)。由表5－3查得北京市雨強(qiáng)公式，50

第（7）欄，設(shè)計(jì)流量

Qp＝aipF

Qp1＝0.558×248×5.1＝706（L／s）

第（8）欄，管道糙率。查表5－8可知混凝土管糙率

n＝0.014。第51頁/共189頁第（7）欄，設(shè)計(jì)流量

Qp＝aipF

51

第（9）欄，計(jì)算出的設(shè)計(jì)管徑，這里按滿管重力流由曼寧公式計(jì)算

D＝（3.2084nQp/J0

0.5）3/8

D1＝（3.2084×0.014×0.706/0.0180.5)3/8

＝0.582（m）

第（10）欄，實(shí)際采用的管徑。第52頁/共189頁第（9）欄，計(jì)算出的設(shè)計(jì)管徑，這里按滿管重力流由曼寧52

第（11）欄，管道平均流速，按滿管重力流由連續(xù)方程計(jì)算

V＝4Qp/（Dn2π）

V1＝4×0.706/（0.62×3.14）＝2.50（m/s）

第（12）欄，管流時(shí)間

tf＝L0／（60V）

tf1＝109／（60×2.5）＝0.73（min）第53頁/共189頁第（11）欄，管道平均流速，按滿管重力流由連續(xù)方程計(jì)53

在上游的1、2號(hào)管道計(jì)算完畢后，才可推求第3號(hào)管道的設(shè)計(jì)值，說明如下：2號(hào)管道計(jì)算與1號(hào)管道相同。第（1）欄

NＯ3＝3

第（2）欄

F3＝6.3＋5.1＋2.9＝14.3（hm2）第54頁/共189頁在上游的1、2號(hào)管道計(jì)算完畢后，才可推求第3號(hào)管道的54

第（3）欄，

α3′＝0.75×0.60＋0.60×0.40＝0.69

α3＝(0.69×6.3＋0.558×5.1＋0.43×2.9)/14.3

＝0.59

第（4）欄，

tc3＝0.703（1.1－0.69）1190.50.0125－0.333

＝13.5（min）第55頁/共189頁第（3）欄，第（4）欄，第55頁/共18955

第（5）欄，管道3匯水路徑有三條，第一條從管道1匯入，第二條從管道2匯入，第三條從本管首雨水井匯入，各管路流時(shí)為

路徑1：T1=τ1+mtf1=17.7＋2×0.73＝19.2min

路徑2：T2=τ2＋mtf2=17.2＋2×0.75＝18.7min

路徑3：T3＝tc3＝13.5min132

從三條路徑中選擇最大流時(shí)作為管道3的集流時(shí)間，即

τ3＝19.2min第56頁/共189頁第（5）欄，管道3匯水路徑有三條，第一條從管道1匯入56

第（6）欄，i3＝2489.1（19.2＋8）－0.711

＝238（L／s·ha）

第（7）欄，Qp3＝0.59×238×14.3＝2008（L／s）第（8）欄，n＝0.014

第（9）欄，D3＝（3.2084×0.0014×2.008/0.0210.5）3/8

＝0.837（m）第（10）欄，Dn3＝900mm

第（11）欄，V3＝4×2.008／（0.92×3.14）＝3.16（m／s）第（12）欄，tf3＝90／（60×3.16）＝0.47（min）第57頁/共189頁第（6）欄，i3＝2489.1（19.2＋8）－0.7157

在城市管渠排水系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，當(dāng)涉及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，超載狀態(tài)，工程控制調(diào)度，管渠溢流計(jì)算，調(diào)節(jié)池與泵站設(shè)計(jì)，雨水污染分析與防治等工程問題時(shí)，需要推求相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量過程線。

第四章管渠水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量過程線推求第58頁/共189頁在城市管渠排水系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，當(dāng)涉及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)58

一、設(shè)計(jì)雨量

在城市管渠排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)雨量的推求，一般采用暴雨公式。市政部門常用的雨強(qiáng)公式采用mm／min為雨強(qiáng)單位時(shí)為

i＝A（1＋CLgT）/（t＋B）n

（mm／min）若重現(xiàn)期T已確定，則a＝A（1＋CLgT）為一常數(shù)，則上式寫成

i＝a/（t＋b）n

（mm／min）

上式與水利部門采用的雨強(qiáng)公式完全相同。因此可以推求得降雨歷時(shí)為T的設(shè)計(jì)雨量為

P＝at/（t＋b）n

如果設(shè)計(jì)流域有較充分的雨量資料，也可以通過雨量頻率計(jì)算途徑推求得設(shè)計(jì)雨量。第一節(jié)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算第59頁/共189頁一、設(shè)計(jì)雨量

在城市管渠排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)雨量的59

二、設(shè)計(jì)暴雨過程擬定

1．典型分配：選用實(shí)際的暴雨過程作為典型，經(jīng)同倍比或同頻率放大后，得出設(shè)計(jì)暴雨過程

2．同頻率分配：按這一途徑分配得出一個(gè)單峰暴雨過程，每一歷時(shí)的雨量均滿足設(shè)計(jì)頻率，雨峰位置采用地區(qū)綜合值。第60頁/共189頁二、設(shè)計(jì)暴雨過程擬定

1．典型分配：選用60

3．雨量分配公式：下式是根據(jù)暴雨公式推導(dǎo)出的一個(gè)瞬時(shí)雨強(qiáng)公式，它以雨峰為坐標(biāo)原點(diǎn)：

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時(shí)刻雨強(qiáng)；

r—

峰前歷時(shí)與總降雨歷時(shí)之比；

a、b、n—

暴雨公式中的參數(shù)。第61頁/共189頁3．雨量分配公式：下式是根據(jù)暴雨公式推導(dǎo)出的一個(gè)瞬時(shí)61t1/t=r

t=t1/r

；t2/t=1－r

t=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+10

t1

t2

t第62頁/共189頁t1/t=rt=t1/r；t2/t=1－rt62例:已知某暴雨公式為

i＝18（1＋0.9LgT）/（t＋15）0.8

求2年一遇的設(shè)計(jì)暴雨過程。

（1）取計(jì)算時(shí)段為5min，由暴雨公式式計(jì)算得5,10，…,60min共12個(gè)歷時(shí)平均雨強(qiáng)i，列第（1）、（2）欄；（2）計(jì)算各歷時(shí)降雨總量P＝it，列第（3）欄；第63頁/共189頁例:已知某暴雨公式為（1）取計(jì)算時(shí)段為5min63

（3）由第3欄中各相鄰歷時(shí)雨量之差推求時(shí)段雨量ΔPj＝Pj

－Pj-1，j＝1，2，…

，12。此時(shí)，ΔPj是按大至小排列，序號(hào)即為j

，j與ΔPj列（4）（5）兩欄；（4）查地區(qū)手冊(cè)得r＝0.45，由0.45×12＝5.4可知，雨峰位于第6時(shí)段，按單峰暴雨過程確定時(shí)段雨強(qiáng)大小序號(hào)K，并按K的順序位置，分配相應(yīng)的時(shí)段雨量ΔPK，分列第（6）（7）兩欄

第（7）欄即為推求的設(shè)計(jì)暴雨過程第64頁/共189頁（3）由第3欄中各相鄰歷時(shí)雨量之差推求時(shí)段雨量ΔPj＝64表5－9同頻率暴雨過程推求第65頁/共189頁表5－9同頻率暴雨過程推求第65頁/共189頁65

由設(shè)計(jì)暴雨通過產(chǎn)流計(jì)算扣除暴雨損失，可以推求出設(shè)計(jì)凈雨過程，暴雨損失一般是指流域內(nèi)植物截留、填洼、雨期蒸發(fā)和下滲損失。第二節(jié)設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算第66頁/共189頁由設(shè)計(jì)暴雨通過產(chǎn)流計(jì)算扣除暴雨損失，可以推求出設(shè)計(jì)凈66

一、城市地區(qū)產(chǎn)流計(jì)算的特點(diǎn)

1．城市管渠排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求是短時(shí)間內(nèi)迅速排除暴雨徑流，排水工程規(guī)模受洪峰控制，由于形成洪峰的水量主要來自地表徑流，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法注重地表徑流計(jì)算，簡單處理甚至忽略地下徑流；

2．城市不透水面積比例較大，由于城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度低，透水面積上產(chǎn)生的地表徑流很小，地表徑流主要產(chǎn)生于不透水面積；

3．當(dāng)設(shè)計(jì)中需研究水質(zhì)問題時(shí)，需涉及植物截留與填洼計(jì)算。第67頁/共189頁一、城市地區(qū)產(chǎn)流計(jì)算的特點(diǎn)

1．城市管67

二、降雨損失的分項(xiàng)計(jì)算

霍頓用方程表示植物截留量與降水量的關(guān)系

IR＝a＋bPn

式中,a、b、n—

參數(shù)。表4-2部分植物的霍頓截留公式參數(shù)第68頁/共189頁二、降雨損失的分項(xiàng)計(jì)算

霍頓用方程表示植物截68

填洼量一般采用經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)。例如，美國丹佛地區(qū)政府編制了不同地面復(fù)蓋的填洼深度表。表4-3不同地面覆蓋物的填洼量第69頁/共189頁填洼量一般采用經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)。例如，美國丹佛地區(qū)政府編制69

三、φ指標(biāo)法

絕大部分城市排水缺乏實(shí)測(cè)下滲資料，無法推求出下滲曲線。由于流域各點(diǎn)的下滲特性相差很大，使采用下滲曲線推求地表凈雨過程的方法應(yīng)用受到限制。

在城市排水區(qū)域，由設(shè)計(jì)暴雨推求凈雨計(jì)算中，一般采用徑流系數(shù)折算出徑流總量。根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨總量P，徑流系數(shù)α，可以求得地表徑流總量R和降雨損失總量I：

R＝αP

I＝（1－α）P

采用均勻分配原則將損失量平均分?jǐn)偟矫恳粫r(shí)段的降雨中，即φ指標(biāo)扣損法。第70頁/共189頁三、φ指標(biāo)法

絕大部分城市排水缺乏實(shí)測(cè)下70

圖中的φ值需試算求出。根據(jù)φ值可以求得第i時(shí)段地表凈雨

hi＝0Pi≤φ

hi＝Pi－φ

Pi＞φ

最終得出設(shè)計(jì)凈雨過程h1，h2，…

，hm

。φ

IR圖4-1φ指標(biāo)扣損法第71頁/共189頁

圖中的φ值需試算求出。根據(jù)φ值可以求得第i時(shí)段地表凈71一、等流時(shí)線方法

為了勾繪等流時(shí)線，需調(diào)查、收集排水區(qū)域和管渠系統(tǒng)的水力特征值，計(jì)算匯流速度，推求各點(diǎn)匯流時(shí)間，作為勾繪等時(shí)線的依據(jù)。

坡面集流時(shí)間可采用經(jīng)驗(yàn)公式估算。

邊溝或淺渠可概化成寬淺三角渠，用曼寧公式計(jì)算流速：

V＝0.63Hm2／3J1／2/n

式中，Hm—渠道最大水深，m。

管道應(yīng)根據(jù)具體情況采用滿管或非滿管水流計(jì)算流速。

渠道應(yīng)根據(jù)斷面形狀、河道坡度、糙率用曼寧公式計(jì)算流速。

根據(jù)流速和水力長度求得管渠匯流時(shí)間。

在流域圖上點(diǎn)繪各點(diǎn)匯流時(shí)間，據(jù)此勾繪等流時(shí)線。第三節(jié)匯流計(jì)算第72頁/共189頁一、等流時(shí)線方法

為了勾繪等流時(shí)線，需調(diào)查72圖4-2某城區(qū)集水面積等流時(shí)線圖

第73頁/共189頁圖4-2某城區(qū)集水面積等流時(shí)線圖

第73頁/共189頁73圖4-2某城區(qū)集水面積等流時(shí)線圖

ω1ω2ω3ω4ω5ω6ω7ω8ω9ω10ω11ω12ω13ω11ω10ω9ω8ω6ω6第74頁/共189頁圖4-2某城區(qū)集水面積等流時(shí)線圖

ω1ω2ω3ω4ω5ω74

據(jù)流域等流時(shí)線圖，可以作出流域的匯流面積隨匯流時(shí)間的累積曲線，簡稱匯流曲線。全流域匯流曲線ω～T是由各子集水區(qū)域匯流曲線累積得出，即

ω（t）＝∑ωi（t）

式中ω（t）—

t

時(shí)刻全流域匯流面積，hm2；

ωi（t）—

t

時(shí)刻第i個(gè)子集水區(qū)域匯流面積，hm2。

由匯流曲線錯(cuò)開ΔT相減，得等流時(shí)面積

Δωi＝ω（ti＋Δt）－ω（ti）i＝1，2，…

，n

根據(jù)各時(shí)段的等流時(shí)面積Δω1，Δω2，…

，Δωn，由設(shè)計(jì)凈雨推求設(shè)計(jì)流量過程線。第75頁/共189頁據(jù)流域等流時(shí)線圖，可以作出流域的匯流面積隨匯流時(shí)75圖4-3某排水區(qū)域匯流曲線

ω1（t）ω2（t）ω3（t）ω（t）第76頁/共189頁圖4-3某排水區(qū)域匯流曲線

ω1（t）ω2（t）ω3（t76

等流時(shí)線法的優(yōu)點(diǎn)：

1、無須已知設(shè)計(jì)流域的徑流資料；

2、城市排水系統(tǒng)調(diào)蓄能力不大。

等流時(shí)線法的缺點(diǎn)：

1、需要對(duì)進(jìn)行廣泛的調(diào)查或勘測(cè)，繪制等流時(shí)線工作非常繁復(fù)；

2、為考慮管渠調(diào)蓄作用。第77頁/共189頁等流時(shí)線法的優(yōu)點(diǎn)：

1、無須已知設(shè)計(jì)流域的徑77英國運(yùn)輸與道路研究所（TRRL）在等流時(shí)線法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出一種新的方法，簡稱TRRL方法。

TRRL方法與等流時(shí)線方法的差別主要有以下幾個(gè)方面：

1．匯流面積：TRRL方法假定，只有直接與排水管網(wǎng)系統(tǒng)相通的不透水面積產(chǎn)生地表徑流，而透水面積或與下水管道不直接相通的不透水面積均不產(chǎn)生地表徑流，不能作為排水面積。

因此，TRRL方法定義出來的排水面積比實(shí)際面積小得多，而且是一塊塊從地表看起來并不相互關(guān)連，但地下管道相通的不透水面積所組成。這些直接連通的不透水面積之和即為流域的匯水面積。第78頁/共189頁英國運(yùn)輸與道路研究所（TRRL）在等流時(shí)線法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，78

2、匯流曲線：每一塊直接連通不透水面積作為一小單元面積，假定每單元面積的匯流曲線在地面集流時(shí)間內(nèi)是線性增加的，即直線匯流曲線?？倕R流曲線是單元匯流曲線縱標(biāo)之和。

圖4-4

TRRL方法匯流曲線計(jì)算示意圖

圖中，ω1

、ω2分別為單元1和單元2匯水面積；t1，t2分別為單元1和單元2距流域出口管流時(shí)間；T1－t1，T2－t2分別為單元1和單元2地面集流時(shí)間。ω1～tω～tω2～tω1＋

ω2ω2ω1ω

tt1t2T1T2第79頁/共189頁2、匯流曲線：每一塊直接連通不透水面積作為一小單元793、調(diào)蓄計(jì)算：把管渠系統(tǒng)看作一個(gè)調(diào)蓄水庫，把未經(jīng)管渠系統(tǒng)調(diào)蓄的，用等流時(shí)面積途徑推求出的流域出流，作為水庫的入流。再采用水庫演算方法計(jì)算經(jīng)調(diào)蓄的出流過程。

（Q1+Q2）/2-（q1+q2）/2=V2-V1

Q＝F（V）式中，Q1，Q2—

時(shí)段ΔT始、末經(jīng)管渠水庫調(diào)蓄的入流量，L／s；

q1，q2—

時(shí)段ΔT始、末未經(jīng)管渠水庫調(diào)蓄后的出流量，L／s；

聯(lián)立求解以上兩式，可求得經(jīng)調(diào)蓄的出流過程線Q～t。

第80頁/共189頁3、調(diào)蓄計(jì)算：把管渠系統(tǒng)看作一個(gè)調(diào)蓄水庫，把未經(jīng)管80

二、水力學(xué)方法

匯流過程中，水流的流態(tài)一般是非恒定和非均勻的，可用圣維南方程組來描述

式中，Q－流量，A－過水面積，h－水深，t－時(shí)間，X－水流方向，g－重力加速度，J－底坡，Jf－摩阻坡度。

在給定初始條件和邊界條件下，聯(lián)合求解得出t時(shí)刻的流量和水深。第81頁/共189頁二、水力學(xué)方法

匯流過程中，水流的流態(tài)一般81

圣維南方程組的簡化：

（1）慣性波方程

如果水流運(yùn)動(dòng)中摩阻損失很小，如深水水體中的水流運(yùn)動(dòng)，閘門啟閉等突然變化引起河流水位的波動(dòng)等，則有Jf≈J,動(dòng)量方程簡化為慣性波方程：第82頁/共189頁圣維南方程組的簡化：

（1）慣性波方程82

（2）擴(kuò)散波方程

如果下游回水影響不大，可以忽略，動(dòng)量方程簡化為擴(kuò)散波方程：第83頁/共189頁（2）擴(kuò)散波方程如果下游回水影響不大，83

(3)運(yùn)動(dòng)波方程

當(dāng)河底比降J較大，相對(duì)很小，動(dòng)量方程簡化為運(yùn)動(dòng)波方程

J=Jf

如果用曼寧公式來估計(jì)Jf，則有第84頁/共189頁(3)運(yùn)動(dòng)波方程

當(dāng)河底比降J較大，84

如果是寬淺斷面

R

可以用平均水深h

近似,則方程組為

式中，α為波速系數(shù)，即波速與流速的比值。采用曼寧公式估算則α＝1.67，按哲西公式估算則α＝1.5。第85頁/共189頁如果是寬淺斷面R可以用平均水深h近似,則方程85

當(dāng)徑流沿X方向流動(dòng)過程中有水量沿程匯入（出）時(shí)，圣維南方程組應(yīng)改寫為

式中，Q－假定為均勻匯入（出）的單寬流量；Vx－流沿x方向的流速分量。第86頁/共189頁當(dāng)徑流沿X方向流動(dòng)過程中有水量沿程匯入（出）時(shí)，圣維86

實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)方程也常采用區(qū)域或河段水量平衡方程表達(dá)第87頁/共189頁實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)方程也常采用區(qū)域或河段水量平衡方程表871．坡面漫流

一般坡面下游無回水頂托，且屬寬淺斷面，故動(dòng)力方程可以用寬淺斷面的運(yùn)動(dòng)波方程推求流量

連續(xù)方程可寫為

在初始條件已知時(shí)，未知參數(shù)為第i時(shí)段平均流量Qi和時(shí)段末水深hi＋1，故可以求得唯一解，hi＋1又可作為下一個(gè)時(shí)段的初始條件，繼續(xù)逐時(shí)段求解方程。第88頁/共189頁1．坡面漫流

一般坡面下游無回水頂托，882．管渠匯流

對(duì)于一段渠道式管道，如果坡度較大，且下游無回水頂托時(shí)，也可以簡單地采用運(yùn)動(dòng)波和水量平衡方程聯(lián)合求解，即

因?yàn)镽、A、V均為水深h的函數(shù)，所以方程組未知參數(shù)僅Q和h兩個(gè)，根據(jù)初始條件可以聯(lián)立求出唯一解。第89頁/共189頁2．管渠匯流

對(duì)于一段渠道式管道，如果坡度較89第五章城市雨洪水質(zhì)模型第一節(jié)雨洪管理模型（SWMM）第二節(jié)蓄水、處理、溢流模型（STORM）第三節(jié)沃林福特模型（Wallingfordprocedure）第四節(jié)伊里諾排水模型（ILLUDAS）第90頁/共189頁第五章城市雨洪水質(zhì)模型第一節(jié)雨洪管理模型（SWMM90

所謂模型，是指比原型簡單的一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。它可以根據(jù)具體的需要，再現(xiàn)原型的部分特性。模型與理論是有著差別的，它是根據(jù)人們的具體要求，預(yù)測(cè)所研究系統(tǒng)的某些特性，而理論則是揭示該系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。建立一個(gè)模型應(yīng)該以正確的理論為基礎(chǔ)最為合理，但也常常建立在某種假說前提下。如果模型確能再現(xiàn)研究系統(tǒng)的一些特性，就可以證實(shí)支承模型的假說的合理性部分，從而發(fā)展成理論。第一節(jié)數(shù)學(xué)模型第91頁/共189頁所謂模型，是指比原型簡單的一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。它可以根據(jù)具91

在排水系統(tǒng)徑流計(jì)算方面的水文模型，并不是象水工實(shí)驗(yàn)通過幾何尺寸變換的物理模型，而是用數(shù)學(xué)語言來描述的數(shù)學(xué)模型。采用這類數(shù)學(xué)模型來模擬排水系統(tǒng)的水流和污染物的各種狀態(tài)，一般需要大量的計(jì)算工作，不采用計(jì)算機(jī)是無法完成的。所以，一個(gè)模型往往都是采用計(jì)算機(jī)運(yùn)算格式或程序語言來表達(dá)的。第92頁/共189頁在排水系統(tǒng)徑流計(jì)算方面的水文模型，并不是象水工實(shí)驗(yàn)92

模型的建立是與工程實(shí)際緊密相聯(lián)的，根據(jù)不同實(shí)際問題的要求，建立各種形式和內(nèi)容的模型。例如，排水系統(tǒng)規(guī)劃是要求預(yù)估在規(guī)劃的未來?xiàng)l件下的水文情勢(shì)，研究實(shí)施各種可供選用的規(guī)劃方案時(shí)的排水系統(tǒng)效應(yīng)；排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是要求得出最經(jīng)濟(jì)有效的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案；排水系統(tǒng)的改進(jìn)，則要求模擬和分析已建系統(tǒng)的運(yùn)行情況；而排水系統(tǒng)運(yùn)行管理要求各種最佳管理與調(diào)度方案，以使損失最小和效益最高。由于城市水質(zhì)問題的重要性日益增加，排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理都必須同時(shí)考慮到水質(zhì)狀況。第93頁/共189頁模型的建立是與工程實(shí)際緊密相聯(lián)的，根據(jù)不同實(shí)際問題的93

隨著工程上對(duì)模型的要求不斷提高和擴(kuò)展，模型也不斷得到改進(jìn)和完善，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜和精細(xì)。但其結(jié)果使得程序復(fù)雜，占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間較多，需要過多或過于詳盡的資料，不能適應(yīng)各種用戶對(duì)精度和計(jì)算費(fèi)用的不同要求。最近的發(fā)展趨勢(shì)是建立通用的模型程序包，由多個(gè)程序塊組合而成，適用于各種條件和不同區(qū)域的組合，包括由簡單到復(fù)雜，根據(jù)用戶要求調(diào)用組合。第94頁/共189頁隨著工程上對(duì)模型的要求不斷提高和擴(kuò)展，模型也不斷得到94

模型是七十年代大型計(jì)算機(jī)普及運(yùn)用中發(fā)展起來的，與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，具有這樣一些特點(diǎn)：（１）以計(jì)算機(jī)程序形式表達(dá)；（２）能進(jìn)行時(shí)序上連續(xù)性模擬，也可分析一次雨洪過程；（３）參數(shù)在很大范圍內(nèi)適用；（４）可同時(shí)模擬水量水質(zhì)過程；（５）模型的各個(gè)環(huán)節(jié)都提供幾個(gè)不同的程序或方法供用戶選用，用戶可以根據(jù)計(jì)算要求、資料情況和當(dāng)?shù)貤l件組成一個(gè)適用的程序包。每一模型都具有上述特點(diǎn)中的一個(gè)或幾個(gè)，甚至全部。第95頁/共189頁模型是七十年代大型計(jì)算機(jī)普及運(yùn)用中發(fā)展起來的，與傳統(tǒng)95

在城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，不但考慮正常運(yùn)用條件，而且要考慮到在非常條件下，即系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)回水、環(huán)流和超載等各種特殊情況時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以便對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。還需研究生活污水、生產(chǎn)廢水，以及暴雨徑流污染沖刷對(duì)城市徑流和承受水體水質(zhì)的影響，確切了解城市水質(zhì)變化規(guī)律，為城市污水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)和污水處理方式的規(guī)劃提供合理的依據(jù)。正是為了這一目的，美國環(huán)境保護(hù)局研制了雨洪管理模型（StormWaterManagementModel），簡稱ＳＷＭＭ。第二節(jié)雨洪管理模型（ＳＷＭＭ）第96頁/共189頁在城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，不但考慮正常運(yùn)用條件，96

ＳＷＭＭ把排水系統(tǒng)劃分成地面徑流子系統(tǒng)，地下輸送子系統(tǒng)，污水處理子系統(tǒng)和承受水體子系統(tǒng)四部分。以計(jì)算機(jī)程序形式表達(dá)，采用ＦＯＲＴＲＡＮ語言。子系統(tǒng)可以由流域的地表、管網(wǎng)、處理設(shè)施、承受水體的一些特征來表達(dá)。模型水量部分的輸入是時(shí)段降雨過程，經(jīng)地面徑流子系統(tǒng)和地下輸送子系統(tǒng)的扣損與調(diào)蓄計(jì)算，可以得出排水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)及出口的流量過程線。在雨水及生活污水中的水質(zhì)組份是ＢＯＤ、懸浮固體、溶解氧和大腸桿菌，構(gòu)成所謂“污染過程線”，考慮了排水系統(tǒng)、污水處理廠、承受水體對(duì)污染過程線的降解、稀釋、擴(kuò)散等作用。第97頁/共189頁ＳＷＭＭ把排水系統(tǒng)劃分成地面徑流子系統(tǒng)，地下輸送子系97

１“徑流”程序塊：模擬地面徑流子系統(tǒng)對(duì)降雨的扣損和調(diào)蓄，以及降雨洗刷引起的雨洪污染負(fù)荷。

在地表徑流子系統(tǒng)中，排水區(qū)域概化為數(shù)塊單元集水區(qū)，每一塊單元區(qū)由透水面、具有洼地蓄水容量的不透水面、無洼地蓄水容積不透水面三部分組成。每一單元區(qū)域三塊面積匯水均進(jìn)入一條排水溝。上游區(qū)域排水進(jìn)入下游單元區(qū)域的排水渠道、全部排水區(qū)域產(chǎn)匯流推演自上游向下游進(jìn)行，直至流域出口。這樣，只要輸入降雨過程線及其與之關(guān)聯(lián)的污染負(fù)荷，就可以得出經(jīng)地表徑流子系統(tǒng)調(diào)節(jié)過的排水區(qū)域出流過程線。第98頁/共189頁１“徑流”程序塊：模擬地面徑流子系統(tǒng)對(duì)降雨的扣損和調(diào)98圖5-1

地面徑流子系統(tǒng)的調(diào)蓄作用

子區(qū)域1

子區(qū)域2第99頁/共189頁圖5-1地面徑流子系統(tǒng)的調(diào)蓄作用子區(qū)域199

程序中的基本方程為水量平衡方程和曼寧公式。在輸入降雨過程線后，首先對(duì)各單元區(qū)域三種平面進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算和調(diào)蓄演算，它們的流量之和，加上上游的來水流量，形成該單元區(qū)域排水溝的入流過程線，經(jīng)排水溝調(diào)蓄計(jì)算后得出該單元流域出口流量過程線。對(duì)排水區(qū)域自上游向下游逐單元區(qū)域進(jìn)行演算，最終得出總的出流過程線。第100頁/共189頁程序中的基本方程為水量平衡方程和曼寧公式。100

“徑流”子程序塊中主要的雨水污染指標(biāo)是懸浮固體（ＳＳ），其中所含各類污染物的數(shù)量要根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋乩玫男再|(zhì)而定。在每一單元集水區(qū)域的灰塵與污泥的沉積量是雨前晴天日數(shù)與清掃街道數(shù)次與效率的函數(shù)，采用一種經(jīng)驗(yàn)公式表征。降雨后，被雨水沖走的污染物與地面污染沉積量和雨水徑流強(qiáng)度成正比。程序中采用了指數(shù)衰減形式的刷洗公式：

dＳ/dｔ＝－ＫＲＳ

式中，Ｓ—地表積聚的污物總量；Ｒ—地面徑流流率；Ｋ—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。第101頁/共189頁“徑流”子程序塊中主要的雨水污染指標(biāo)是懸浮固體（ＳＳ101

考慮到地面徑流流率較小時(shí)，徑流輸送和沖洗地面能力會(huì)迅速減弱。因此，在上式中增加一個(gè)效率因子Ａ（Ａ≤１.０）來修正，即

dＳ/dｔ＝－ＡＫＲＳ

Ａ值可采用經(jīng)驗(yàn)公式得出

Ａ＝ａ＋ｂＲｃ

上式也可寫成

ΔＳ＝Ｓ０－Ｓ＝Ｓ０（１－ｅ－AＫＲｔ）

式中，Ｓ０—地表污物初始蓄量；Ｓ—ｔ時(shí)刻地面污物殘存量。由地表徑流子系統(tǒng)調(diào)蓄演算得出的徑流過程線和污染過程線即為地下輸送系統(tǒng)的輸入。第102頁/共189頁考慮到地面徑流流率較小時(shí)，徑流輸送和沖洗地面能102

２．“輸送”和“擴(kuò)充輸送”子程序塊

ＳＷＭＭ原來僅設(shè)置“輸送”程序塊，主要是考慮排水管網(wǎng)不存在回水、環(huán)流，在不超載的正常運(yùn)行情況下，采用圣維南方程組的差分形式對(duì)通過管網(wǎng)系統(tǒng)的流量過程線進(jìn)行演算，而對(duì)超載情況僅進(jìn)行簡單處理。后來，根據(jù)用戶需要，又研制出“擴(kuò)充輸送”程序塊，可以對(duì)發(fā)生回水、環(huán)流、超載諸情況下的管網(wǎng)進(jìn)行流量演算。第103頁/共189頁２．“輸送”和“擴(kuò)充輸送”子程序塊

103“擴(kuò)充輸送”程序塊中的地下輸送子系統(tǒng)是把排水管網(wǎng)系統(tǒng)用“輸送管”和“節(jié)點(diǎn)”來簡化，輸送管代表管道，節(jié)點(diǎn)代表雨水井或管道交叉點(diǎn)。徑流演算基本方程采用明渠緩變非恒定流方程和連續(xù)方程。在程序中采用的是方程的差分形式，根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)徑流的邊界條件和初始條件求解。

在具體應(yīng)用時(shí)，如果排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或分析中無須研究超載情況，并且不存在回水、環(huán)流等復(fù)雜水流狀態(tài)時(shí)，一般采用“輸送”程序塊，因?yàn)樗?jì)算速度快而且節(jié)省運(yùn)算費(fèi)用。只有需要考慮超載或復(fù)雜水流情況時(shí)，才需要調(diào)用“擴(kuò)充輸送”程序塊進(jìn)行運(yùn)算。第104頁/共189頁“擴(kuò)充輸送”程序塊中的地下輸送子系統(tǒng)是把排水管網(wǎng)系統(tǒng)104

由“徑流”程序塊輸出的“污染過程線”是“輸送”或“擴(kuò)充輸送”程序塊的水質(zhì)輸入。若徑流過程中的ＳＳ通過雨水井時(shí)，水流速度低于不沉流速，則泥沙顆粒沉積在雨水井中。另外，還得考慮下水道內(nèi)污物的沖刷，沖刷量與通過管道的水流速度和管道內(nèi)污染物沉積量成正比。管道內(nèi)污染物沉積量是前期暴雨后無雨天數(shù)的函數(shù)。在管道系統(tǒng)內(nèi)有蓄水池時(shí)，應(yīng)考慮到蓄水池沉積污染物的作用。城市污水流量可作為節(jié)點(diǎn)的輸入。第105頁/共189頁由“徑流”程序塊輸出的“污染過程線”是105

３．“蓄水”子程序塊。

該程序塊主要模擬污水處理設(shè)施對(duì)“輸送”或“擴(kuò)充輸送”程序塊得出的徑流過程線和“污染過程線”的調(diào)蓄與降解作用。使用者可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用程序。程序可模擬下列內(nèi)容：污水蓄水池、攔污格柵、篩網(wǎng)、上浮和氣浮、砂濾、高速過濾、旋流分離器、渦旋濃縮、加氯器以及其它一些化學(xué)處理設(shè)施等。只要使用者輸入處理設(shè)施的尺寸和所要求的處理程序，程序可自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。“蓄水”程序塊還同時(shí)兼有計(jì)算各項(xiàng)處理設(shè)施工程費(fèi)用、土地利用費(fèi)用以及運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用的功能。第106頁/共189頁３．“蓄水”子程序塊。

該106

４．“承受水體”子程序塊。

它的輸入是“輸送”或“擴(kuò)充輸送”程序塊的出流（分流制排水系統(tǒng)出流或合流制排水系統(tǒng)溢流），也包括“蓄水”程序塊的出流（即經(jīng)污水處理廠處理過的污水出流）。程序計(jì)算它們對(duì)承受水體水質(zhì)的影響。承受水體一般為廣闊的水體，可描述成與排水系統(tǒng)相連的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其邊界條件可以是堰閘或某種潮汐水流條件。第107頁/共189頁４．“承受水體”子程序塊。

它的輸107

ＳＷＭＭ程序還有一個(gè)輔助性子程序塊，它的主要作用是根據(jù)用戶要求把各程序塊連接起來，并兼有定義一些函數(shù)的作用。

ＳＷＭＭ自從研制使用后，已經(jīng)有過幾次新的版本。使用ＳＷＭＭ程序的用戶組成一個(gè)理事會(huì)，定期討論和交流使用情況，并提出修改意見，以便使模型更為完善和在實(shí)際中能適應(yīng)各種條件與要求。第108頁/共189頁ＳＷＭＭ程序還有一個(gè)輔助性子程序塊，它的主要作108

蓄水、處理、溢流模型（Storage，TreatmentandOverflowRunoffModel）簡稱ＳＴＯＲＭ。它是美國陸軍工程兵團(tuán)水文中心１９７６年研制的,是一個(gè)水量水質(zhì)模型。ＳＴＯＲＭ程序共分四大部分：徑流形成、水質(zhì)處理、蓄水與溢流、土壤侵蝕。

ＳＴＯＲＭ的輸入是整個(gè)排水面積的平均雨量。模型將排水面積分成透水和不透水兩種下墊面情況分別計(jì)算地表徑流。第三節(jié)蓄水、處理、溢流模型（ＳＴＯＲＭ）第109頁/共189頁蓄水、處理、溢流模型（Storage，Tre109

對(duì)于不透水面積，降雨損失僅需考慮洼地蓄水量和雨期蒸發(fā)量。洼地蓄水量可以看成前次降水后尚余的洼地蓄水量（或稱有效洼地蓄水量）和前次降水后洼地蓄水量的蒸發(fā)總量，后者為兩次雨間無雨日天數(shù)的函數(shù)，模型用下式來表達(dá)：

Ｖｄ＝Ｖ０＋ｍＫ

式中，Ｖｄ—雨前排水區(qū)域洼地蓄水量，ｉｎ；Ｖ０—上次降雨后的有效洼地蓄水量，ｉｎ；ｍ—自上次雨后迄今的間隔天數(shù)，ｄ；Ｋ—消退因子，ｉｎ／ｄ。

降水量扣去雨期蒸發(fā)和洼地蓄水量，即為不透水面積的地表徑流量。第110頁/共189頁對(duì)于不透水面積，降雨損失僅需考慮洼地蓄水量和110

透水面積的降水量除一部分損失于雨期蒸發(fā)和洼地蓄水外，還有一部分會(huì)下滲變?yōu)橥寥佬钏偷叵聫搅鳌＿@時(shí)采用地表徑流系數(shù)來折算

Ｒ＝α（Ｐ－Ｅ－ΔＶ）

式中，Ｒ—地表徑流量；Ｐ—降水量；Ｅ—雨期蒸發(fā)量；ΔＶ—洼地蓄水增量；α—地表徑流系數(shù)。

透水面積與不透水面積產(chǎn)流量之和為排水區(qū)域地表徑流量。并采用三角形單位過程線推求徑流過程。這些徑流量由排水管渠送至污水處理廠處理。第111頁/共189頁透水面積的降水量除一部分損失于雨期蒸發(fā)和洼111

當(dāng)雨水徑流與污水流量之和超過污水廠處理能力時(shí)，多余的水量送入排水管渠系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)池和系統(tǒng)以外的蓄水池儲(chǔ)蓄。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)外的蓄水池全部蓄滿后，徑流經(jīng)排水系統(tǒng)溢流堰溢入承受水體。當(dāng)降雨徑流逐漸減小至小于污水處理廠的處理能力時(shí)，則系統(tǒng)內(nèi)外所蓄污水將逐步輸送至污水處理廠直至庫容騰空。

第112頁/共189頁當(dāng)雨水徑流與污水流量之和超過污水廠處理能力時(shí)112圖5-2ＳＴＯＲＭ徑流演算流程圖

輸入Pi、Ei扣除Ei、△ViRi＝α（Ρi－Εi－△Vi）蓄水池蓄水排水系統(tǒng)溢流承受水體打印徑流及蓄水池出流至污水處理廠處理Ri＞

Ri水池蓄滿降雨結(jié)束是是是否否否第113頁/共189頁圖5-2ＳＴＯＲＭ徑流演算流程圖輸入Pi、Ei扣除E113

ＳＴＯＲＭ中的水質(zhì)指標(biāo)是懸浮固體（ＳＳ），可溶固體（ＳＥＴ），生化耗氧量（ＢＯＤ），總氮（Ｎ），正磷酸鹽（Ｐ）。雨水沖洗的污染物質(zhì)組成采用經(jīng)驗(yàn)公式推求。其污染物的沖洗量與地面徑流流率、雨前干旱日數(shù)、灰塵和污泥累積速率、污染物組分占地面累積污物的比例成正比。

模型可以長時(shí)間連續(xù)模擬排水區(qū)域降雨徑流過程，并根據(jù)不同的管網(wǎng)內(nèi)外蓄水池容量、污水處理廠處理速率計(jì)算出排水系統(tǒng)每年的溢流次數(shù)，并輸出各種污染物過程線。第114頁/共189頁ＳＴＯＲＭ中的水質(zhì)指標(biāo)是懸浮固體（ＳＳ），可114圖5-3

舊金山排水系統(tǒng)特征關(guān)系曲線mV（in）0.100.080.060.04第115頁/共189頁圖5-3舊金山排水系統(tǒng)特征關(guān)系曲線mV（in）0.100115

由于模型可以提供這樣一組關(guān)系曲線和污染過程線，因此，根據(jù)水量水質(zhì)對(duì)承受水體的影響，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)方面的綜合評(píng)價(jià)，可以就開挖排水系統(tǒng)蓄水池，增加污水處理廠的處理能力和程度，或者使排水系統(tǒng)年溢流次數(shù)增加之間作出適當(dāng)選擇。根據(jù)STORM的這些特點(diǎn)，很適用于排水系統(tǒng)規(guī)劃計(jì)算。因?yàn)槟Ｐ涂蛇M(jìn)行長時(shí)間徑流事件模擬，計(jì)算速度較快，也可作為排水系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，然后用SWMM詳細(xì)論證計(jì)算。第116頁/共189頁由于模型可以提供這樣一組關(guān)系曲線和污染過程線116

沃林福特模型（Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）是英國給排水常設(shè)委員會(huì)從１９７４年至１９８1年，歷經(jīng)８年研制的結(jié)果。該委員會(huì)下水道水力設(shè)計(jì)小組通過對(duì)英國應(yīng)用的各種排水設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜合評(píng)判、研究和修改，采用最新提出的系統(tǒng)途徑將它們結(jié)合起來，制成了大型程序包，即沃林福特模型。模型由四種方法合并而成.第四節(jié)沃林福特模型第117頁/共189頁沃林福特模型（Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ117

（１）修正推理方法：它是推理方法的修改形式。仍然僅可用于估計(jì)洪峰流量，適用于排水面積小于150公頃的均質(zhì)流域；

（２）過程線方法：用于模擬地面徑流和管道水流情況，可以得出完整的流量過程線，并且能夠模擬雨水溢流設(shè)施、泵站和蓄水池的作用；

（３）優(yōu)化方法：采用離散動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)，用以獲得工程最小造價(jià)的管道埋深、坡度和管徑；

（４）模擬方法：可以在超載條件下，檢驗(yàn)分析已建系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，亦能模擬暴雨溢流、滯蓄池和泵站作用。若系統(tǒng)未超載，計(jì)算結(jié)果與過程線方法相同。第118頁/共189頁（１）修正推理方法：它是推理方法的修改形式。仍然僅可用118Ａ．修正推理方法：修正推理方法對(duì)原推理公式加以修改，增加了一個(gè)修正系數(shù)以反映流域匯流曲線的非線性，以及流域集流時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)變化的情況。經(jīng)修正后的推理公式形式為

Ｑｍ＝ｃαｉＦ

式中，Ｑｍ—洪峰流量，l／s；Ｆ—流域面積，hm2；ｉ—集流時(shí)間內(nèi)的平均雨強(qiáng)，l／s·hm2

；α—徑流系數(shù)；ｃ—修正系數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)條件，可簡單地?。悖剑?３。

第119頁/共189頁Ａ．修正推理方法：修正推理方法對(duì)原推理公式加以修改，增加了一119

徑流系數(shù)與地面復(fù)蓋物類型和土壤濕度關(guān)系最密切，可采用經(jīng)驗(yàn)公式求出。

流域集流時(shí)間是地面匯流時(shí)間和管流時(shí)間之和的最大值。地面匯流時(shí)間隨集水面積大小、地面坡度以及設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不同而變。對(duì)于年最大暴雨情況取４－８分鐘，五年一遇暴雨?。常斗昼?。在面積較小和坡度較大的集水面積，取較小值為宜。第120頁/共189頁徑流系數(shù)與地面復(fù)蓋物類型和土壤濕度關(guān)系最密切120Ｂ．過程線方法：過程線方法是對(duì)ＴＲＲＬ方法加以改進(jìn)后得出的。方法把流域劃分成數(shù)塊排水子區(qū)域，徑流過程分為地面階段和管網(wǎng)匯流階段分別模擬。并通過設(shè)計(jì)暴雨途徑推求設(shè)計(jì)流量過程線。具體計(jì)算過程及說明如下：

（１）首先收集流域特征資料，包括地面坡度，不透水鋪砌面積，屋頂面積，透水面積，雨水口個(gè)數(shù)及控制面積，排水管網(wǎng)布設(shè)和水力特性，并把流域劃分?jǐn)?shù)塊子集水區(qū)域；第121頁/共189頁Ｂ．過程線方法：過程線方法是對(duì)ＴＲＲＬ方法加以改進(jìn)后得出的。121

（２）采用頻率計(jì)算方法或暴雨公式計(jì)算流域面上指定頻率和歷時(shí)（一般?。保担常?，６０，８０，１２０分鐘）的設(shè)計(jì)雨量，根據(jù)同頻率方法得出雨量時(shí)程分配；

（３）地表產(chǎn)流量計(jì)算。

英國采用經(jīng)驗(yàn)公式估算子區(qū)域地表徑流系數(shù)：

α＝0.829Ｉ＋0.25Ｓ０＋0.00078Ｕｃ-0.207

式中，α—子區(qū)域地表徑流系數(shù)；Ｉ—子區(qū)域內(nèi)不透水面積百分比；Ｓ０—土壤指標(biāo)，由英國水文所發(fā)行的圖集查得；Ｕｃ—土壤濕度指標(biāo)，由英國各地的土壤濕度～年平均雨量關(guān)系得出。第122頁/共189頁（２）采用頻率計(jì)算方法或暴雨公式計(jì)算流域面上指定頻率122

過程線方法假定，當(dāng)不透水面積上的地表徑流系數(shù)小于0.７時(shí)，透水面積上不產(chǎn)生地表徑流。因此，當(dāng)由J經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來的α≤0.７Ｉ時(shí)（Ｉ為不透水面積比），則說明地表徑流量全部出自不透水面積。此時(shí)有：

α透＝０；

α鋪＝α頂＝α／Ｉ

式中，α透—透水面積地表徑流系數(shù)；α鋪—不透水鋪砌面積徑流系數(shù)；α頂—屋頂面積徑流系數(shù)。

子區(qū)域內(nèi)不透水面積包括不透水鋪砌面積和屋頂面積兩部分。第123頁/共189頁過程線方法假定，當(dāng)不透水面積上的地表徑流系數(shù)123

當(dāng)計(jì)算出來的α＞0.７Ｉ時(shí)，應(yīng)把超過量平均分配到全部子區(qū)域面積上，即：

α透＝α－0.７Ｉ

α鋪＝α頂＝0.７＋α透

得出子區(qū)域各類面積的地表徑流系數(shù)后，便可通過折算得出相應(yīng)的暴雨損失。例如，對(duì)于鋪砌面積

ＩＤ鋪＝（１－α鋪）Ｐ

式中，ＩＤ—暴雨損失，mm；Ｐ—設(shè)計(jì)雨深，mm。

透水面積與屋頂面積損失計(jì)算與之類似。第124頁/共189頁當(dāng)計(jì)算出來的α＞0.７Ｉ時(shí)，應(yīng)把超過量平均分124

暴雨損失包括初損和持續(xù)損失兩部分，對(duì)于鋪砌面積和透水面積，計(jì)算初損采用下式：

Ｄ＝0.７１Ｊ－0.４８

式中，Ｄ—初損，這里主要指洼地蓄水，ｍｍ；Ｊ—子區(qū)域平均地面坡度，％。

對(duì)于瀝青屋頂，建議采用0.４ｍｍ的初損值。初損從暴