论城市排水防涝工程水文问题.pdf

水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:[phone]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. 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, 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 engineering 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 types 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 rainstorm 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 intensity 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:[phone]摇 E鄄mail:jz@ hhu. 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{Qm0 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 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:[phone]摇 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 灾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 P{Vm>0}将不断减小(图 4)。 其 二为改变下垫面条件的工程措施。 这类市政工程措 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 求得工程失事率 P{Hm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:[phone]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 56 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 为净雨时段数;n 为等流时面积块数;子m 为集水区最大汇流时间;t 为出流的时刻,t = 1,2, …,p,其中 p=m+n-1。 由式(3)得暴雨过程形成的集水区汇水断面洪 峰流量为 Qm= max{Q(t)} = max 1 驻t鄱 m i = 1 hiat-(i-1{} ) (4) 具体而言,若净雨时段数 m 大于或等于等流时面积 块数 n,则参与形成洪峰流量的是全部集水区面积 和集水区最大汇流时间内最大净雨量,如图 8(a)所 示;若 m 小于 n,则参与形成洪峰流量的是全部净雨 和净雨历时内最大的集水区面积,如图 8(b)所示。 图 8摇 基于等流时线的雨洪形成 城市集水区面积及其最大汇流时间一般较小, 形状也可概化为矩形,遭遇的暴雨几乎都是净雨历 时大于或等于集水区最大汇流时间,即 m逸n 的情 况,因此,式(4)可化简为 Qm= (hmax/ 子m)A(5) 式中:hmax为 子m历时内最大净雨量;hmax/ 子m即为 子m 历时内最大平均净雨强度。 若用 子m内最大平均雨 强 I 与系数 C 的乘积,即 CI 表示 hmax/ 子m,式(5)就 变为 Mulvany 给出的合理化公式(2)了。 从以上解释中,不仅可以看出式(2)适用的集 水区面积不宜太大,应有一个合理范围,而且还可以 看出式(2)中的 I 指的是最大汇流时间内最大平均 雨强,综合系数 C 实际上反映了降雨损失和流域调 蓄作用对雨峰形成为洪峰流量的影响。 传统上将 C 仅仅理解为径流系数是不全面的,说成洪峰径流系 数也是理论上的误解,因为洪峰的形成除了与雨峰 和降雨损失有关外,还与流域的调蓄作用有关,洪峰 与雨峰的比值是不符合径流系数的物理意义的。 在式(2)中,A 是一个确定性变量,C 一般也可 视为确定性变量。 因此,式(2)所表达的仅是两个 随机变量 Qm和 I 之间的函数关系。 根据概率论中 随机变量函数的分布理论可知,Qm的出现频率与 I 的出现频率相同。 这就是说,若要推求某一频率的 Qm,只需先求得相应于该频率的 I 就可以了。 如果 集水区布设有自记雨量站,并且已经积累了足够年 数的实测暴雨资料,那么就可以根据该集水区最大 汇流时间 子m,摘取每年 子m历时内最大平均暴雨强 度构成统计样本,并进行频率计算即可达到目的。 但一个城市一般可以包括为数众多集水区,不 54 水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 可能在每个集水区都布设自记雨量站;这些集水区 的 子m也不可能相同。 在这种情况下,按前述步骤推 求每个集水区的设计暴雨必然存在困难且十分烦琐。 水文学家从资料分析中发现,一个雨量站点的同频率 不同历时最大暴雨平均强度随历时的增加而呈递减 趋势,几乎是一条光滑曲线(图 9),可用下列数学函 数来拟合: I = SP/ Tn(6) 或I = SP/ (T + b) n (7) 式中:T 为历时;SP称为雨力;n 为暴雨强度递减指 数;b 为经验参数。 图 9摇 不同频率的 I-T 曲线 式(6)或式(7)中的雨力 SP是频率 P 或重现期 的函数,与理论分布线型有关。 可以证明,对于指数 型分布,SP与 lnP 呈线性关系;对于耿贝尔分布,SP 与 ln[-ln(1-P)]呈线性关系;对于 P鄄芋分布,SP不 仅与 P 有关,而且与 Cs有关,其关系难以表达成解 析形式[7]。 我国目前普遍使用的城市暴雨强度公 式[4]为 i = A忆(1 + C忆lnP) / (b + T) n (8) 式中 A忆、C忆为经验参数。 显然,式(8)仅适用于指数型分布。 若暴雨频 率分布采用 P鄄芋型分布,而暴雨公式采用式(8),则 在理论上是自相矛盾的。 研究发现,暴雨强度公式 包含的参数与历时或地理位置有一定关系。 因此, 揭示这些参数时空分布特点,可为暴雨强度公式用 于内插、外延和移用提供科学基础。 暴雨强度公式 是一个集暴雨统计规律与平均暴雨强度随历时增加 而递减规律于一体的综合表达式,虽出自工程所需, 但也是对暴雨规律的一种科学认识和概括。 4摇 设计暴雨雨型问题 笔者发现,目前在工程界和学术界对设计暴雨 雨型的认识或理解大概有 3 种:一是指设计标准情 况下的暴雨过程线;二是指发生概率正好等于设计 标准的暴雨过程线;三是指按此确定的工程规模能 达到设计标准的暴雨过程线。 基于第 1 种认识或理解,首先必须解决场次暴 雨的识别问题。 由于暴雨强度的变化和暴雨间隔时 间均有很强的随机性,试图将发生在一年之中的暴 雨强度随时间变化划分成若干场暴雨就显得十分困 难,无奈之中只能作出一些硬性规定,例如将间隔时 间大于或等于 2 h 的算作两场暴雨等。 在获得了场 次暴雨样本后,人们又会面临着如何统计分析才能 得到符合设计标准的暴雨过程线问题。 一般的做法 是先分析能反映暴雨过程的一些特征值,例如雨峰 位置、一场暴雨的历时、单雨峰或多雨峰等统计特 征,然后选择它们中的一种组合作为设计暴雨雨型。 基于第 2 种认识或理解,就是将自然界发生的场次 暴雨作为随机过程,每一场次暴雨过程的出现都有 一个概率与之对应。 然后选择一条出现概率为设计 标准的暴雨过程线作为设计暴雨雨型。 图 10摇 雨洪过程中的地面洪水过程 笔者认为,以上两种认识和理解,在理论上是比 较模糊的,在实际应用中也存在相当的不确定性或 任意性。 众所周知,在城市中修建排水防涝工程,目 的是期望工程建成后能确保城市的排水能力和防涝 能力达到设计标准,使原先较高的雨洪致灾率减小 到设计标准所相应的频率。 对于城市内涝问题,这 种分析已在第 1郾 2 节详细讨论了(图 4)。 对于城市 排水问题,如果允许在一定时间内可以有一定的积 水,那么也会提出类似的问题。 因为有了暴雨雨型 才能求出集水区洪水过程线,有了集水区洪水过程 线才能确定一定排水能力条件下是否会积水、积水 有多深、积水时间有多长等(图 10)。 这样就可求得 不同排水流量的地面积水量频率曲线(图 4)。 根据 图 4 可回答排水防涝规划、设计中遇到的 3 类问题: 淤已知 q、P 求 V;于已知 V、P 求 q;盂已知 P 求 q 与 64 水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn V 的合理配合。 虽然利用概率论方法(又称功能函数 法)或数理统计法(又称系列操作法)可以从理论上 求出图4,但由于计算量庞大而复杂,加之一般不具 备必须的资料条件,因此,就提出了能否不必求出图 4 也能解决以上3 类问题的问题,设计暴雨雨型的第 3 种认识和理解就是在这样的背景下提出来的。 笔者认为以上第 3 种对设计暴雨雨型的认识与 理解不仅明确,而且正确。 事实上,对于第 1 种认识 和理解,人们不禁要问为什么符合设计标准的暴雨 雨型就是这样统计出来的呢? 为什么不同设计标准 的设计暴雨雨型就是常遇雨型或者偏于安全的雨型 呢? 对于第 2 种认识和理解,人们容易看出,由于作 为随机过程的暴雨雨型必须依靠多维分布函数来表 达其统计规律,其维数与截口数相同,这样就必然会 出现这样一个问题,发生概率等于设计标准的暴雨 雨型有无穷多个,试问在这无穷多个概率等于设计 标准的暴雨雨型中,是否存在一条按其规划设计排 水工程和防涝工程就能达到设计标准的雨型呢? 如 果存在,那么怎样就像从大海中捞针一样将它找出 来呢? 图 11摇 T调相同的雨洪过程线 在设计洪水过程线的研究中也遇到与上述类似 的问题。 本文第一作者曾在文献[8]中证明同倍比 法和同频率法是基于第 3 种认识和理解得到的两个 确定设计洪水过程线的方法。 分析表明,对于同倍 比法,只要根据每年由不同历时年最大值虚拟成的 洪水过程线之间的关系(图 11),按同倍比法求得的 设计洪水过程线确定防洪工程规模就会符合设计标 准,但这样的情况是不易出现的。 因此,就必须在选 择设计时段和典型洪水过程线上多下功夫。 对同频 率法,只要每年由不同历时年最大值虚拟成的洪水 过程线之间的关系(图 12),按同频率法求得的设计 洪水过程线确定防洪工程规模就会符合设计标准, 这样的情况虽也不易出现,但已经证明,一旦不出现 这种情况时,所得结果必略有偏小。 因此结论是:只 要慎用,同倍比法和同频率法都是值得推荐的确定 设计洪水过程线的方法[9]。 由于设计洪水过程线 是由设计暴雨雨型经产汇流而来的,因此笔者认为 图 12摇 T调不相同的雨洪过程线 在确定设计暴雨雨型时,同倍比法和同频率法也是 值得推荐的。 前人曾对城市设计暴雨雨型做过多种研究,因 而出现了许多确定设计暴雨雨型的方法[10]。 例如 Keifer 和 Chu 于 1957 年提出按同频率不同历时平 均雨强拟定设计暴雨雨型,即芝加哥法,也称 K. C 法;Hershfield 于 1962 年提出按统计分析得到的降 雨时程分配确定设计暴雨雨型,称为 H 法;Huff 于 1967 年提出按最大雨强出现位置统计出的 4 类雨 型中发生频率较高的雨型确定设计暴雨雨型,称为 Huff 法;Pilgrim 和 Cordery 于 1975 年提出先确定按 时段暴雨量大小在本次暴雨中时段排序号,然后通 过确定各次暴雨的时段暴雨量为第一、第二、第三等 的时段排序号平均值来确定设计暴雨雨型,称为 P. C 法。 这些方法在具体统计分析上虽具个性,但按 照前述第 3 种对设计暴雨雨型的认识和理解,K. C 法是同频率法,其他方法实际上只是提出了确定典 型雨型的方法,若采用同倍比确定设计暴雨雨型,它 们就是同倍比法;若采用同频率确定设计暴雨雨型, 它们就是同频率法。 由于同倍比受到典型雨型影响 较大,因此,对于以上除 K. C 法以外的方法,若采用 同倍比法就可能会得出不同的结果,但若采用同频 率法,则由于其基本不受典型雨型影响,以上所有方 法结果就会基本一致。 5摇 产汇流计算问题 城市排水防涝规划设计应以设计洪水为依据, 但由于城市集水区几乎都缺乏实测流量资料,因此 由设计暴雨推求设计洪水就成为城市排水防涝规划 设计中确定设计洪水的主要途径。 其中由降雨量转 换成净雨量或产流量的物理阶段称为产流阶段。 产 流阶段是降雨量在数量上的重新分配或再分配,关 心的是净雨量或产流量的形成,涉及的水文过程有 下渗、土壤水分变化、蒸散发、截留、填洼等。 流域产 流主要受控于水量平衡。 由净雨过程或产流量过程 转变为集水区洪水过程的物理阶段称为汇流阶 段[3,6]。 汇流阶段是净雨过程或产流量过程在时间 上的重新分配或再分配,关心的是不同径流成分的 74 水利水电科技进展,2015,35(1)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 汇集过程。 如果着眼于流域平面结构,那么坡地汇 流阶段涉及的水文过程有坡地汇流和河网汇流。 坡 地汇流将净雨过程或产流量过程转换成河网总入流 过程,河网汇流则将河网总入流过程转换成集水区洪 水过程;如果着眼于坡地的剖面结构,那么坡地汇流 阶段涉及的水文过程包括地面水汇流、壤中水汇流和 地下水汇流,如图 13 所示。 流域汇流除了受水量平 衡制约外,还必须受流域下垫面调蓄作用的支配。 图 13摇 集水区不同径流成分的汇集 与天然流域相比,由于城市化的强烈干预,城市 集水区的产流和汇流具有以下一些特点: a. 分水线由自然地形、地貌和人造路网、地物 等构成,比较复杂,也易受到人为干预而发生改变。 下垫面土地利用虽多样化,但多数仍比较容易掌控。 由于地下空间和地下管网的存在,地面与地下的关 系不是由下渗维系,而是水流直接相通。 b. 酿成城市地区洪涝灾害的主要是地面径流, 因此分析降雨所形成的地面净雨或地面产流量是城 市产流计算的主要任务,下渗曲线法就成为城市集 水区基本的产流量计算方法。 当采用径流系数法简 化这种计算时,径流系数应该指地面径流系数。 c. 坡面汇流一般是城市集水区汇流的主要部 分,河网汇流往往可以不予考虑。 但集水区地下有 管网,坡面通过受水口和检查井与地下管网垂向串 联是城市集水区汇流的一大特点。 管网汇流通常采 用水力学方法,但近几年来,也有人尝试采用水文学 方法[10]。 管网汇流速度一般快于坡面汇流和河网 汇流,是城市化汇流加快的主要原因。 d. 城市集水区的面积一般很小,以致集水区范 围内降雨的空间分布一般比较均匀,点雨量可以代 替面雨量,一般不需做点面关系分析。 集水区长度 一般也不大,其最大汇流时间仅为几分钟或十几分 钟,调蓄作用一般可以忽略不计。 由于这些原因,对 于很小的城市集水区,地面洪水过程与地面净雨过程 近似,地面洪峰流量与净雨强度峰值近似。 只有当流 域调蓄作用不可忽略时,才必须选择合适的产汇流计 算方法来推算由暴雨过程形成的洪水过程线。 产汇流理论融入城市产汇流特点就形成了城市 产汇流计算方法或城市雨洪数学模型[11鄄12]。 6摇 结摇 语 在城市排涝工程规划、设计中,必然要涉及暴雨 洪水问题。 这个问题既不是单纯的气象问题,也不 是单纯的水文问题,而是一个工程水文问题。 笔者 认为,应当从水文、气象与城市排水防涝工程的结合 上寻找解决规划设计中遇到的暴雨洪水问题的途径 和方法。 本文首先论述了城市雨洪变化特点、洪涝 灾害的成因及排水防涝工程措施的防灾减灾原理; 将暴雨洪水的年际变化视作一种服从统计规律的随 机现象,阐述了致灾率、排水标准、防涝标准、安全标 准等概念;然后提出了城市排水防涝工程规划、设计 中的水文计算任务;论述了城市设计暴雨推求方法 和由设计暴雨推求设计洪水的方法。 城市水文学是 工程水文学的重要分支。 城市化进程的加快,使城 市水文面临极好的发展机遇。 笔者期待更多的水文 工作者关注、研究此类问题并取得更多更好的研究 成果,谨以此文抛砖引玉。 参考文献: [ 1 ] 芮孝芳,蒋成煜. 中国城市排水之问[J]. 水利水电科技 进展,2013,33(5):1鄄5. 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