论城市排水防涝工程水文问题.pdf
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1、水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 第 35 卷第 1 期 Vol. 35 No. 1 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2015 年 1 月 Jan. 2015 作者简介:芮孝芳(1939),男,江苏溧阳人,教授,主要从事水文学及水资源研究。 E鄄mail:jiangguol hotmail. com DOI:10. 3880/ j. issn
2、. 10067647. 2015. 01. 007 论城市排水防涝工程水文问题 芮孝芳1,蒋成煜2,陈清锦2 (1. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京摇 210098; 2. 北京世纪千府国际工程设计有限公司江苏分公司,江苏 南京摇 210029) 摘要:排水防涝工程是防治和减轻城市洪涝灾害的重要设施,其建设规模主要受到工程寿命期内雨 洪变化规律、社会经济发展水平的制约。 论述了城市雨洪变化的特点、洪涝灾害的成因和不同类型 工程措施的防灾、减灾原理;阐述了致灾率、设计标准等概念;提出了城市排水防涝工程规划、设计 中的水文计算任务;讨论了城市设计暴雨所涉及的暴雨强度公式、设计暴雨雨型等问题以及
3、由设计 暴雨确定设计洪水的原理和方法。 关键词:城市水文问题;排水防涝工程;暴雨强度公式;设计暴雨雨型;产汇流计算 中图分类号:TV122+. 5摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2015)01004207 Hydrological problems for engineering of drainage and water log prevention in urban areas/ / RUI Xiaofang1,JIANG Chengyu2, CHEN Qingjin2(1. College of Hydrology and Water Resources
4、, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Century Chief International Architecture Design Limited Company, Jiangsu Branch, Nanjing 210029, China) Abstract: Engineering of drainage and water log prevention is an important measure to prevent and mitigate the flood disasters. The scale of the engin
5、eering is mainly restricted by rain flood variation within the project life period and the level of economic and social development. This paper discusses the characteristics of the changes of city rainwater, the causes of flood disaster and disaster prevention and reduction principle of different ty
6、pes of engineering measures. Additionally, it also explains the concept of disaster probability and design standard and presents the hydrological calculation task about planning and designing of engineering of drainage and water log prevention in urban areas. By doing it so, it discusses the rainsto
7、rm intensity formula, design rainstorm hydrograph and other problems, which are involved in city design storm. Finally, it is described the principle and method of confirming design flood from design storm. Key words: urban hydrology; engineering of drainage and water log prevention; rainstorm inten
8、sity formula; design rainstorm hydrograph; computation of runoff yield and concentration flows 摇 摇 城市雨洪是暴雨作用于城市下垫面的产物,是 自然界常见的水文现象。 一场一定时空分布的暴雨 降落在城市区域形成的洪水与其地形、地貌、水系、 土壤、植被、地质、水文地质、土地利用、现有工程设 施等下垫面条件关系密切。 城市雨洪是造成城市洪 涝灾害的根本原因1。 通过兴建排水和防涝工程 可以达到防治或减轻洪涝灾害的目的,而兴建的规 模必须从工程寿命期内的雨洪变化规律、经济社会 发展水平等方面加以考虑。 城
9、市雨洪的变化一般有 两种表现:一是在一定时空分布暴雨形成的集水区 汇水断面处的流量和水位表现为随时间连续变化; 二是一年一轮回的水文循环产生的集水区汇水断面 处的年最大流量、年最高水位、年最大时段洪量等时 间序列表现为年际演变。 对于前一种变化,应用物 理学定律和水文学本构关系基本上能描述其动态规 律,属于根据初始状态可以预知其未来状态的确定 性现象。 对于后一种变化,科学家至今尚未发现其 演变所服从的物理定律,认为是一种根据初始状态 对其未来状态只能作概率预估的不确定性现象,可 用概率论描述其统计规律。 在城市排水防涝工程的 规划、设计中,推求设计洪水或设计暴雨遵循统计规 律2;由设计暴雨转
10、换为设计洪水遵循动态规 律3。 本文将基于这种认识,对颇具特色的城市排 水防涝工程水文问题进行初步论述。 1摇 雨洪致灾率 1. 1摇 排水不及时致灾率 对城市排水的一般要求是:当城市遭遇暴雨时, 地面无积水或者积水深、积水历时不超过一定的允 许值。 因此,如果地面产生积水或积水深、积水历时 超过允许值,就认为发生了排水不及时而致灾。 令 集水区的排水能力为 q,暴雨形成的某时刻洪水流 量为 Q。 如果发生了事件Q逸q,那么就遭遇排水 不及时带来的灾害;反之,就不会出现由于排水不及 24 水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu.
11、edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 时造成的灾害。 水文学已经揭示:地球绕太阳公转一周即一年, 就是水文循环一个轮回。 如果将水文循环一年一轮 回视作一次随机试验,那么在每次试验中就可观测 到城市任一集水区的降雨量及其所形成的洪水流量 在一年中随时间的变化过程,取其中最大者为年最 大值,经过 n 年观测,就可得到由年最大流量 Qm组 成的年时间序列Qmi,i=1,2,n,假设这种时间 序列的演变服从统计规律,就可用分布函数或频率 曲线来描述它的年际演变规律,如图 1 所示。 这样, 如果某年集水区的最大流量 Qm小于集水区的排水 能力 q,即出现事件Qm
12、0 的 情况,那么就意味着会发生内涝,否则将不会发生内 涝。 式(1)适用的条件是削平头调洪方式,这是一 种最优的调洪方式,即对同样的雨洪过程和排水能 力,该方式可以使内涝积水量最小。 与前述类似,如果以水文循环一年一轮回作为 一次随机试验,那么就可以得到每年汇入低洼地区 的雨洪过程,如图 3 所示。 据此,按式(1)就可以求 得排水能力为 q 的每年最大内涝水量 Vm,经过 n 年 观测就可得到 Vm的年时间序列Vmi,i = 1,2, n。 由概率论可知,由于雨洪年时间序列服从统计 规律,因此作为其函数的 Vm也服从统计规律,并可用 图4 所示的一组不同 q 的 Vm频率曲线来描写。 图中
13、 频率曲线与横坐标的交点所对应的频率就是一定 q 情况下的内涝致灾率。 q 越大,内涝致灾率越小,即 内涝的发生概率越小,其倒数就是内涝重现期。 图 3摇 历年雨洪过程及排水能力一定的年最大内涝积水量 图 4摇 不同排水能力的年最大内涝水量频率曲线 1. 3摇 工程失事率 上述排水不及时致灾率和内涝致灾率都反映了 一个城市在一定下垫面条件和工程背景下未来可能 发生洪涝灾害的概率。 一切可以减小排水不及时致 34 水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 灾
14、率和内涝致灾率或者可以减轻灾害损失负担的方 式方法,均可视为城市防灾减灾措施,它可以分成工 程措施和非工程措施两类。 能减小排水不及时致灾 率和内涝致灾率而采取的市政工程措施称为工程措 施,其他措施统称为非工程措施。 工程措施又分为两类:其一为增加排水能力的 工程措施。 对于排水工程,由于通过改善排水系统 可使其排水能力从 q 提高至 q忆,因此即使不改变集 水区年最大流量 Qm频率曲线,也能达到减小排水 不及时致灾率的目的(图 1)。 对于防涝工程,随着 排水能力不断提高,内涝水量 Vm频率曲线将不断 改变,内涝致灾率 PVm0将不断减小(图 4)。 其 二为改变下垫面条件的工程措施。 这类
15、市政工程措 施很多,例如增加透水地面比例的工程,开辟具有滞 蓄洪功能的调蓄池、深层调蓄隧道和下凹式绿地、湿 地等。 图 5 为地面透水性对集水区年最大流量 Qm 频率曲线的影响,可见,即使集水区排水能力没有增 加,也会因为下垫面透水性的增加而使得排水不及 时致灾率有所减小。 对于防涝工程,由于下垫面条 件的改变会导致集水区年最大内涝水量 Vm频率曲 线发生改变,例如滞蓄洪就会对内涝水量 Vm频率 曲线产生影响(图 6),因此即使集水区排水能力没 有增加,也会因滞蓄洪作用的加大而使内涝致灾率 有所减小。 在工程实践中,一般不会采用单一类型 的工程措施减小排水不及时致灾率和内涝致灾率, 具体采用何
16、种复合工程措施,必须通过方案比选。 图 5摇 透水地面比例不同的洪峰流量频率 图 6摇 不同滞蓄洪作用的年最大内涝积水量频率曲线 城市排水防涝工程是以洪水为运行环境、以水 荷载为主要受力的,洪水对这些涉水工程是一种破 坏力,可用洪水位作为衡量指标。 工程结构具有抗 御洪水破坏的能力,也可换算成一种“水位冶。 令洪 水位为 H,工程结构抗御洪水破坏的能力为 h。 如 果出现 H逸h,那么涉水工程就有失事的可能;反之, 涉水工程将安然无恙。 与前述同样的理由,年最高 水位 Hm构成的年时间序列Hmi,i=1,2,n也可 用统计规律描述。 因此,根据年最高水位频率曲线 (图 7)就可由已知的 h 求
17、得工程失事率 PHm逸 h,其倒数就是工程失事重现期。 图 7摇 洪峰水位频率曲线 2摇 设计标准及工程水文计算任务 2. 1摇 设计标准 不难理解,排水防涝工程的规模越大,其减小排 水不及时致灾率和内涝致灾率的效果越好,防灾减 灾的效益就越大,但相应的工程造价就越高,失事造 成的损失可能较大。 因此,采用工程措施防灾减灾 必然要以经济技术可行性为制约,在工程投资、工程 效益和失事损失之间进行博弈,通过博弈从中寻求 一个合理的平衡作为确定设计标准的依据。 因此, 所谓设计标准就是指据此修建的工程规模能使排水 不及时致灾率或内涝致灾率或工程失事率减小到当 时经济社会发展水平可以接受的数值。 为了
18、区别, 将排水不及时致灾率可接受的数值称为排水设计标 准,简称排水标准;将内涝致灾率可接受的数值称为 防涝设计标准,简称防涝标准;将涉水工程失事率可 接受的数值称为安全设计标准,简称安全标准。 显 然,安全标准不得小于排水标准或防涝标准。 排水 标准、防涝标准和安全标准通常由国家制定,并以规 范的形式予以颁布4。 2. 2摇 工程水文计算任务 由以上分析可知,为确定城市排水设计流量,应 先求出集水区的洪峰流量 Qm频率曲线,然后按给 定的排水标准确定之;为确定城市防涝工程规模,应 先求出最大内涝水量 Vm的频率曲线,然后按给定 的防涝标准确定内涝水量并安排其出路;为确定涉 水工程设计水位,应先
19、求出洪峰水位 Hm频率曲线, 然后按给定的安全标准确定之。 因此,在城市排水 44 水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 防涝规划、设计中,水文计算的任务就是推求集水区 的设计洪水,包括设计洪峰流量(水位)、设计洪量、 设计洪水过程线等。 基于概率论和数理统计理论推求设计洪水,一 般有两条途径:一是根据实测流量资料系列直接推 求设计洪水;二是先根据实测暴雨资料系列推求设 计暴雨,然后通过流域产汇流分析计算将设计暴雨 转换成同频率的设计洪水。 3摇 暴雨
20、强度公式问题 在城市排水防涝工程规划、设计中,集水区洪峰 流量一般采用下列合理化公式计算: Qm= CIA(2) 式中:I 为暴雨强度;A 为集水区面积;C 为综合 系数。 式(2)由谁先提出,这在 20 世纪 60 年代之前 曾经有过争议5。 美国的文献称是美国人 Kuichlin 于 1889 年首先提出的,英国的文献称是英国人 Lioyd鄄Davies 于 1906 年首先提出的。 但著名水文学 家 Dooge 仔细考证后发现是爱尔兰人 Mulvany 最早 提出了合理化公式,时间是1850 年,这要比 Kuichlin 和 Lioyd鄄Davies 提出合理化公式分别早 39 年和 5
21、6 年。 Mulvany 是基于什么样的原理提出合理化公式 的? 式(2) 中的雨强指何雨强? 综合系数是何意 义? 这些,现在都已经无法考证清楚了,但 20 世纪 30 年代以来发展起来的产汇流理论却可以对其合 理性作出令人满意的解释3,6。 根据等流时线概念,暴雨过程形成的集水区汇 水断面的洪水过程可表示为 Q(t) = 1 驻t鄱 m i = 1 hiat-(i-1)(3) 其中驻t = 子m/ n 式中:驻t 为选取的计算时段长,它与相邻等流线之 间的汇流时间相同;hi为第 i 时段内的净雨量,是降 雨量与降雨损失量之差;at-(i-1)为第 t-(i-1)块等流 时面积;m 为净雨时
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