第四章城市水文與水資源課件

城市生態(tài)環(huán)境學(xué)第四章城市水文及水資源UrbanHydrologyandWaterResources城市生態(tài)環(huán)境學(xué)第四章城市水文及水資源1第一節(jié)城市水系的基本特征

CharacteristicsofUrbanWaterSystem一、城市化對水系的影響1、地面水系人工化城市的開發(fā)建設(shè)，改變許多天然河流的形狀及流向，加上人工開挖的水庫、渠道等，構(gòu)成了城市天然河湖與人工溝渠并存、彼此連通，相互影響，受人工整治和高度控制的地表水系統(tǒng)。第一節(jié)城市水系的基本特征

Characteristics2一、城市化對水系的影響2、地下建成排水系統(tǒng)天然的地面排水系統(tǒng)被人工形成的引導(dǎo)水流的各種不透水通道和地下下水道排水系統(tǒng)所代替和補充，以利于盡快排水。廣州市：歷史上的地面河涌大部分已演變成地下排水系統(tǒng)，下水道以河涌為單元鋪開，與河道呈正交布置，形成網(wǎng)絡(luò)化的地下排水系統(tǒng)。一、城市化對水系的影響2、地下建成排水系統(tǒng)3二、城市河流的生態(tài)環(huán)境功能1、城市不同發(fā)展時期的河流作用古代：提供穩(wěn)定水源和肥沃的土地；近代：除提供水源外，也是城市物質(zhì)運輸?shù)闹匾ǖ?；現(xiàn)代：水源地、動力源、交通運輸通道、污染凈化場所。二、城市河流的生態(tài)環(huán)境功能1、城市不同發(fā)展時期的河流作用4二、城市河流的生態(tài)環(huán)境功能2、河流在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的功能①就近供水的功能：投資少、成本低、穩(wěn)定性高；②供綠化和降溫增濕功能：河岸、河心沙洲為綠化提供場所；河水的高熱容量、流動性以及河流風(fēng)等，為減弱城市熱島、緩和冬夏溫差具有明顯的調(diào)節(jié)作用；③提供便捷的交通條件。二、城市河流的生態(tài)環(huán)境功能2、河流在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的功能52、河流在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的功能④提供生物多樣性存在的基地：城市河流及其自然特征是城市景觀多樣性的組成部分；河流兩岸、河漫灘濕地、河心沙洲是多種植物生長地及鳥類棲息地；河流是多種淡水水生生物的棲息繁衍地。⑤提供城市居民親近自然的場所。⑥提供自然教育課的天然實驗室。2、河流在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的功能6三、城市河流的合理開發(fā)利用和保護河流是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，城市的經(jīng)絡(luò)、命脈。1、保持河流原來的自然地貌特征；2、維持河流的水文特征；3、保持河流水質(zhì)清潔；4、合理開發(fā)利用。三、城市河流的合理開發(fā)利用和保護河流是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成7第二節(jié)城市化的水文效應(yīng)

HydrologicalEffectofUrbanization一、城市化對水分循環(huán)過程的影響水分循環(huán)：水分的蒸發(fā)、凝結(jié)、降落（降雨）、輸送（徑流）循環(huán)往復(fù)運動過程。城市化前：天然流域蒸發(fā)量占降水量的40%，入滲地下水量占50%，地面徑流10%；城市化后；入滲地下32%，蒸發(fā)25%，地面徑流43%(地面徑流和屋頂徑流)。第二節(jié)城市化的水文效應(yīng)

HydrologicalEff8二、城市化對水量平衡的影響區(qū)域內(nèi)貯水量變化＝輸入水量-輸出水量（1）流域水量平衡方程式為：△W＝（P＋R＋G）－（E1＋E2＋R1＋G1＋S）式中：P為降水量；R，R1分別為地表徑流流入與流出量；G，G1分別為地下提取與滲入地下水量；E1，E2分別為地表蒸發(fā)和植物蒸騰水量；S為生態(tài)系統(tǒng)組分內(nèi)貯水量；△W為時段內(nèi)區(qū)域貯水量變化。二、城市化對水量平衡的影響區(qū)域內(nèi)貯水量變化＝輸入水量-輸出水9二、城市化對水量平衡的影響（2）城市水量平衡方程式為：△W＝（P＋R＋G＋T）－（E1＋E2＋R1＋G1＋S＋T1）式中：T為上水管道輸入水量；T1為下水管道輸出水量；P為降水量；R，R1分別為地表徑流流入與流出量；G，G1分別為地下提取與滲入地下水量；E1，E2分別為地表蒸發(fā)和植物蒸騰水量；S為生態(tài)系統(tǒng)組分內(nèi)貯水量；△W為時段內(nèi)區(qū)域貯水量變化。二、城市化對水量平衡的影響（2）城市水量平衡方程式為：10在城市化地區(qū)的水量平衡中，不僅包括天然水循環(huán)，而且還包括人工控制的上下水管道中的水循環(huán)（T，T1

）。城市化改變了城市的水文特征：輸入項：大氣降水（P）改變；R、G也發(fā)生改變；增加了T輸出項：城市的E1和E2比鄉(xiāng)村少；G1也相應(yīng)減少；R1比郊區(qū)大，增加了T1在城市化地區(qū)的水量平衡中，不僅包括天然水循環(huán)，而且還包括人工11北京城市中心區(qū)與郊區(qū)水量特征值比較地區(qū)降水量徑流總量／mm地表徑流／mm地下徑流／mm蒸發(fā)量／mm地表徑流系數(shù)地下徑流系數(shù)城中心區(qū)城外平原675644.540526733796681712703770.500.150.100.26北京城市中心區(qū)與郊區(qū)水量特征值比較地區(qū)降水量徑流總量／mm地12三、城市化對河流水文性質(zhì)的影響（1）流量增加，流速加大；（2）徑流系數(shù)增大；

徑流系數(shù)是指某段時間內(nèi)徑流深與降水量之比。表示降水量用于形成徑流的有效雨量。（3）洪峰增高，峰值出現(xiàn)時間提前，歷時縮短；（4）徑流污染負荷增加三、城市化對河流水文性質(zhì)的影響（1）流量增加，流速加大；13城市化后城市化前圖4-2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圖4-2同等降雨下城市化前后洪水過程14第四章城市水文與水資源ppt課件15**城市化對徑流特性的影響（小結(jié)）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；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；**城市化對徑流特性的影響（小結(jié)）1．大規(guī)模建造房屋，鋪砌163．對城市匯水河道整治與改建，整治后河道直線化，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，減小了洪水灘地儲洪容量和泄洪能力，使城市遭遇大洪水時，河道調(diào)蓄能力減弱，洪水浸溢積聚城市地面而形成積水；3．對城市匯水河道整治與改建，整治后河道直線化，斷面規(guī)則化，175．設(shè)立各種類型的控制性閘壩，進行人工調(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。5．設(shè)立各種類型的控制性閘壩，進行人工調(diào)節(jié)，影響城市18四、城市化對地下水的影響（1）地下水水位下降，局部水質(zhì)變差；（2）水量平衡失調(diào)；（3）生態(tài)環(huán)境惡化；下圖為城市化水文問題框圖四、城市化對地下水的影響（1）地下水水位下降，局部水質(zhì)變差；19城市化承受水體水質(zhì)下降暴雨水質(zhì)惡化污水增多建筑密度增大人口密度增大需水量增多水源問題地下水補給量減少基流減少流速加快城市氣候發(fā)生變化改變了排水系統(tǒng)徑流量增加峰值流量增大匯流時間和歷時縮短不透水區(qū)面積擴大控制污染問題控制洪水問題城市化承受水體暴雨水質(zhì)惡化污水增多建筑密度增大人口密度增大需20第三節(jié)城市化地區(qū)的雨洪徑流

RainandFloodRunoffofUrbanizationArea一、城市化地區(qū)雨洪徑流的計算徑流是水分循環(huán)、水量平衡的基本要素，是影響城市水文及水資源的直接因子。（1）城市地面產(chǎn)流過程截留、蒸發(fā)、填洼、下滲是影響產(chǎn)流的主要因素。第三節(jié)城市化地區(qū)的雨洪徑流

RainandFloo21（1）城市地面產(chǎn)流過程降水經(jīng)截留，滿足下滲、填洼和蒸發(fā)之后，便形成地面漫流，然后匯入水道形成地表徑流。滿足填洼后產(chǎn)流，稱蓄灌產(chǎn)流；滿足下滲后產(chǎn)流，稱超滲產(chǎn)流；下滲入土壤中的雨水在超過土壤持水能力時，在土壤中繼續(xù)向下運動，為壤中流。（1）城市地面產(chǎn)流過程降水經(jīng)截留，滿足下滲、填洼和蒸發(fā)之后，22（1）城市地面產(chǎn)流過程天然流域：壤中流比地面徑流流動慢，壤中流匯入河道的時間較長，產(chǎn)流緩慢。城市化流域：不透水面積率增大，雨水因填洼下滲減少；當(dāng)?shù)孛?00%為不透水面積時，填洼下滲甚至減少為零。城市植被少，蒸發(fā)減少，更多的雨水直接變?yōu)閺搅?，使地表徑流動產(chǎn)生較快。（1）城市地面產(chǎn)流過程天然流域：壤中流比地面徑流流動慢，壤中23（2）城市化地區(qū)年徑流總量的理論分析城市地區(qū)年總降雨量比非城市化地區(qū)偏高5～10％；由于熱島效應(yīng)，城市蒸發(fā)力可能變強，然而由于匯流迅速和不透水的干燥地面，城區(qū)可供蒸發(fā)的水量甚少，蒸發(fā)量少；因此，城市城區(qū)的年徑流總量比同一地區(qū)自然條件下的年徑流總量大。一般地，城市年徑流可能是天然流域的2～2.5倍。（如果包括城市供水系統(tǒng)抽取的深層地下水或從外流域引進水，城市化地區(qū)年徑流總量會更大）（2）城市化地區(qū)年徑流總量的理論分析城市地區(qū)年總降雨量比非城24PR城市化前城市化后R1R2城市化徑流的差別PR城市化前城市化后R1R2城市化徑25WQ城市化前城市化后Q1Q2城市化前后降雨量的變化WQ城市化前城市化后Q1Q2城市化前后降雨量的變化26（2）城市化地區(qū)年徑流總量的理論分析城市河道年徑流量增加的原因：①城市降水量增加；②城市地表徑流系數(shù)的增大；③從外流域引水或抽取地下水。

城市河道年徑流量減少的原因：①下水道排水直接入?；蜉斔偷匠鞘羞吔缫酝?；②用水系統(tǒng)等引起的水量損失；③城市化引起的蒸發(fā)量增加，但一般此項影響甚微。

（2）城市化地區(qū)年徑流總量的理論分析城市河道年徑流量增加的原273、城市雨洪徑流的計算（1）城市雨洪徑流計算的特點城市降雨的徑流過程，依水流方式可分為地表徑流和下水道傳輸二種。城市雨洪過程絕大部分為地面流（原因：城市的產(chǎn)流著重于地表徑流部分，對壤中流等不予考慮；另外，把地下徑流當(dāng)作損失來處理），過程線歷時短，漲落幅度大。3、城市雨洪徑流的計算（1）城市雨洪徑流計算的特點28（1）城市雨洪徑流計算的特點雨洪徑流的匯流特性是城市排水系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。城市雨洪徑流匯流的計算包括城市化流域、城市個別河段、河網(wǎng)式排水管路網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的匯流計算。計算方法：（1）傳統(tǒng)的水文方法：等流時線法、單位線法、推理公式法；（2）模型模擬（1）城市雨洪徑流計算的特點雨洪徑流的匯流特性是城市排水系統(tǒng)29(2)設(shè)計暴雨強度計算雨水設(shè)計流量公式：

Q＝q·Ψ·F上式中，Q為雨水設(shè)計流量（L/s）；q為設(shè)計暴雨強度［L/(s·hm2）］；Ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積（hm2）(2)設(shè)計暴雨強度計算雨水設(shè)計流量公式：30各種地表覆蓋的徑流系數(shù)表各種地表覆蓋的徑流系數(shù)表31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，必須視具體情況而定。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32暴雨強度計算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時段內(nèi)平均降水強

度，L／（s·hm2）；

A、B、C、n—暴雨公式的參數(shù)。

暴雨強度計算市政部門常用的暴雨公式形式為：

33我國部分城市暴雨公式的參數(shù)我國部分城市暴雨公式的參數(shù)34流域集流時間流域集流時間τ由下式計算

τ＝tc＋mtf

式中tc—管道入水口坡面匯流時間，min；

tf—上游管道管流時間，min；

m—延緩系數(shù)，管道m(xù)＝2，明渠m＝1.2流域集流時間流域集流時間τ由下式計算

τ＝tc＋mtf35（1）運動波法公式

tc＝1.359L0.6n0.6i－0.4J－0.3

式中，L—坡面流長度，m；n—地面糙率；

i—降雨強度，mm／min；J—地面平均坡度.

（2）機場排水公式

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。（1）運動波法公式

tc＝1.359L0.6n036二、城市防洪(一）城市地區(qū)的洪水問題

第一，城市本身暴雨引起的洪水。由于城市不斷擴張，這一問題會變得愈加尖銳。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。二、城市防洪(一）城市地區(qū)的洪水問題

第一，城市本37二、城市防洪（二）確定設(shè)計標(biāo)準的基本原則

城市防洪標(biāo)準關(guān)系到防洪工程規(guī)模、投資及建設(shè)期限等問題。目前我國對城市防洪標(biāo)準是根據(jù)城市具體情況，由設(shè)計部門提出意見，報請有關(guān)主管部門審核批準。因此，適當(dāng)提高防洪標(biāo)準，是今后城市防洪建設(shè)的主要任務(wù)。二、城市防洪（二）確定設(shè)計標(biāo)準的基本原則

38在確定城市防洪工程設(shè)計標(biāo)準時，除了進行保護范圍內(nèi)的安全效益與工程造價比較外，還應(yīng)考慮以下幾項基本事項：

（１）充分調(diào)查研究歷次洪水的成因及災(zāi)害情況。

（２）以防護對象在國民經(jīng)濟中的作用、受洪水威脅的程度、洪水所造成的淹沒損失、工程修復(fù)難易程度以及人口多少等為依據(jù)。

（３）根據(jù)城市防洪建設(shè)的需要與投資的可能，全面規(guī)劃，分期實施，對近遠期工程分別定出不同的防洪標(biāo)準。（４）在同一城市中，可以根據(jù)市區(qū)、工業(yè)區(qū)、郊區(qū)等不同防護對象的重要性，采用不同的防洪標(biāo)準。

（５）對超過設(shè)計標(biāo)準的洪水，應(yīng)采取對策性措施（如分洪、滯洪、臨時扒口、水庫調(diào)洪等）。

（６）與流域防洪規(guī)劃相適應(yīng)，不得低于流域防洪標(biāo)準。在確定城市防洪工程設(shè)計標(biāo)準時，除了進行保護范圍內(nèi)的安全效益與39（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，增加河道過水能力，或者使河流改道，直接進入城市下游區(qū)域；2．建造堤防和防洪墻保護城市，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蓄洪水，以達到削減洪峰的目的。這類工程要結(jié)合水資源開發(fā)、發(fā)電、漁業(yè)、航運諸方面綜合考慮。為了防止水庫失事造成嚴重后果，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。（三）城市防洪工程措施城市上游洪水的防洪措施40（三）城市防洪工程措施城市下游洪水的防洪措施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。（三）城市防洪工程措施城市下游洪水的防洪措施41三、城市排水城市地面雨洪排水系統(tǒng)的功能是分洪、調(diào)蓄和排水，盡快把城市地面的雨洪排走，保護城市免遭洪患。

現(xiàn)代城市排水系統(tǒng)是人工形成引導(dǎo)水流的各種地面通道，包括路沿、邊溝、襯砌的水道、鋪砌的停車場、街道等；地下通道包括雨水排水道、污水排水道、合流式排水道等，以及所有附屬設(shè)備，包括截留水池、蓄水池、下水道的進水口、檢查孔、沉淀井、溢流口等。三、城市排水城市地面雨洪排水系統(tǒng)的功能是分洪、調(diào)蓄和排水，盡42（一）城市地面雨洪排水系統(tǒng)的組成（1）地表徑流子系統(tǒng)指排水系統(tǒng)地面以上部分。通過雨水井匯集進入地下排水管網(wǎng)。（2）傳輸子系統(tǒng)各雨水井將地面的雨洪徑流及其中的污染物荷載，通過排水溝渠或地下管網(wǎng)，輸送到一點或多點排放出去。（3）受納水體子系統(tǒng)河流、湖泊、海洋等都可作為受納水體。（一）城市地面雨洪排水系統(tǒng)的組成（1）地表徑流子系統(tǒng)43（二）城市地面雨洪排水系統(tǒng)的組成分為合流制排水系統(tǒng)和分流制排水系統(tǒng)二類：（1）合流制排水系統(tǒng)雨洪排水管網(wǎng)與排污管網(wǎng)合并在一塊設(shè)計，排放口處設(shè)有截流設(shè)施。（雨洪期間排水流量超過截流能力將從溢流口溢出，直接進入受納水體）（2）分流制排水系統(tǒng)將污水和雨水分開排放，各自設(shè)置一套排水管網(wǎng)。該排水系統(tǒng)較之合流制排水系統(tǒng)可以減少受納水體的污染。歐美發(fā)達國家、我國一些新建城市采用該系統(tǒng)（二）城市地面雨洪排水系統(tǒng)的組成分為合流制排水系統(tǒng)和分流制排44（三）城市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