1、第一章 城市化对水文的影响 第二章 城市防洪与排水措施 第三章 排水管网设计流量计算 第四章 排水系统设计流量过程线推求 第五章 城市水文模型 第六章 城市防洪规划,城市水文学, 一、概述 随着一个国家或地区的工业、商业和文化事业的发展，人口不断地向城市集中和城区面积的扩张，这一过程称之为“ 城市化”。,第一节 城市化对水文的影响,第一章 城市化对水文的影响,城市化过程对当地水文的影响主要表现: （1）城市地貌和排水系统的改变 （2）水资源的重新分配 （3）水环境的改变 （4）大气环境的改变 构成城市的供水、排水、防洪、水环境等水文问题。,第二节 城市化对降水的影响 与周围乡村相比，城市气温明
2、显偏高。其特征往往是城市中心气温最高，而向周围乡村逐步递减，在郊区递减速度较快。 城市气温明显高于周围乡村的现象称为“ 城市热岛”。,造成城市热岛的原因主要为： （1）人为热源 （2）建筑材料的热容性 （3）建筑结构峡谷形式增加接受辐射的面积 （4）大气污染增强了吸收太阳辐射能力 城市热岛现象会对水汽蒸发、空气对流产生明显影响，从而影响到降雨特性。,城区工厂生产，交通运输，人们日常活动使得城市上空大气中尘埃比天然情况下高出几倍至几千倍，使得城市空气污染加重，为城区降水提供了更多的凝结核。城市化尤其使对流层气象活动增加，引起局部区域降水增大。 城市化往往是一个长期过程，气候变化也是缓慢的，不易被
3、人察觉。,城区工厂生产，交通运输，人们日常活动使得城市上空大气中尘埃比天然情况下高出几倍至几千倍，这不仅使得城市空气污染加重，而且为城区降水提供了更多的凝结核。城市化一般引起局部区域降水增大。 但城市化往往是一个长期过程，气候变化也是缓慢的，不易被人察觉。,1大规模建造房屋，铺砌道路，使下垫面不透水性大大增加，其结果是下渗量和蒸发量减少，而地表径流和径流总量增加，洪峰流量加大；,第三节 城市化对径流特性的影响,2城市排水系统管网化，使暴雨径流尽快地就近排入水体，使洪水汇流速度增加，洪量更为集中；,3对城市汇水河道整治与改建，整治后的特点是河道直线化，断面规则化，呈梯形或矩形，边坡用砖石衬砌。增
4、加了河道输水能力，使洪量集中；,4侵占天然河道洪水滩地，减小了洪水滩地储洪容量和泄洪能力，使城市遭遇大洪水时，河道调蓄能力减弱，洪水浸溢积聚城市地面而形成积水；,5设立各种类型的控制性闸坝，进行人工调节，影响城市径流过程；,6来自城市外的引水和城市本身污水排放，造成径流水量和水质的变化。,图1-1 同等降雨下城市化前后洪水过程线比较,城市化后,城市化前,Q,t,第四节 城市化对水文影响的分析,1、统计检验方法 一般，城市化对水位和流量资料影响较为明显，可以采用水文统计中的检验和检验方法对水文样本系列的均值和方差进行显著性检验。 为了进行显著性检验，水文变量系列被划分为容量为（城市化前）和（城市
5、化后）两个不重迭的子系列，并分别计算出它们的均值和，方差12和2。,首先对方差进行方差比检验或检验。计算检验统计量 12/2 1 22/12 1 与分布表中置信水平为、自由度为和的值比较。在大部分实用中，值采用比较适当。一般统计教科书和手册中都附有这类统计表 。如果的计算值超过表列数值，则拒绝关于1与为相同总体方差估计量的零假设。,检验适用于对两个子系列的均值检验。计算检验统计量与分布表中置信度为/，自由度为n+ n-的值比较。若计算值超过表列数值，则拒绝关于和是同一总体均值估计量的零假设。,2、经验分析方法 （1）水文系列分析 对水位、流量、雨量系统的时间滑动平均分析，分析水文变量是否受到城
6、市化影响。,（2）降雨径流关系分析 城市化不同阶段年或次降雨径流关系的差别可以分析城市化的影响程度。,（3）峰量关系比较分析 城市化会引起洪峰洪量之间的关系变化，对不同时期峰量关系的比较可以分析城市化的影响。,（4）相邻流域间同一水文变量比较 如果参证流域水文变量（R1）未受城市化影响，则两流域间不同时期水文变量关系变化可以反映城市化的影响。,如果统计检验结果拒绝了零假设，或通过经验检验方法认为该地区城市化对水文变量影响显著，则表明该地区水文系列的一致性受到破坏。此时，不宜直接采用流量资料由频率分析方法推求设计值。 一般说来，与流量和水位资料相比，降雨受城市化影响相应较小，因此常假定降雨不受城
7、市化影响，采用由设计暴雨推求设计流量和设计水位的途径。,第一节 城市地区的洪水问题 第一，城市本身暴雨引起的洪水。由于城市不断扩张，这一问题会变得愈加尖锐。这是城市排水面临的问题。 第二，城市上游洪水对城区的威胁；可能来自城市上游江河洪水泛滥，山区洪水，上游区域排水，或水库的下泄流量。解决这类问题属城市防洪范畴。 第三，城市本身洪水下泄造成的下游地区洪水问题。由于城区不透水面积增加，排水系统管网化，河道治理等使得城市下泄洪峰成数倍至十几倍增长，对下游洪水威胁是逐年增加的，构成了城市下游地区的防洪问题。,第二章 城市防洪与排水措施,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
8、上下游河道，增加河道过水能力，或者使河流改道，直接进入城市下游区域； 2建造堤防和防洪墙保护城市，阻挡洪水侵入，傍临大江大河的城市大部分采用这一措施 3在城市上游修建防洪水库储蓄洪水，以达到削减洪峰的目的。这类工程要结合水资源开发、发电、渔业、航运诸方面综合考虑。为了防止水库失事造成严重后果，还应制定水库失事的应急措施； 4在城市上游建造分洪区分洪。减缓稀遇大洪水对下游城市的威胁。这是面临江河的重大城市才有可能采取的一类耗资大、影响广的措施，必须经过详尽的论证。,第二节 城市防洪与排水工程措施,城市下游的防洪措施： 1、疏通和整治汇水河道； 2、建造下游河道堤防； 3、减小上游城市下泄洪量和洪
9、峰流量。,（二）排水工程措施 城市排水主体工程是管渠排水系统，将城区雨洪尽快排出。全面解决城市雨洪问题，应结合各城市具体情况，采取综合治理措施来减小、延缓和调节城市雨洪，削减洪峰和减少洪量。,1建立人工蓄洪池塘。在雨洪流量较大时储存一部分洪量，而流量下降时排出，以达到削减洪峰作用。 2设立等高绿地。在广场和住宅区周围沿等高线设置绿地，使雨水进入绿地后再排出，增加下渗量和降低汇流速度，减小地表径流，削减洪峰流量。,排水综合治理措施:,4利用屋顶蓄水滞水。采用屋顶蓄水池或屋顶花园；增大屋顶铺面糙率，如波状屋顶、砾石屋顶等，束狭落水管使屋顶雨水滞蓄。 5采用透水性排水管道。多孔的排水管道可以增加透水
10、量，使排水流量降低。 6地下水回灌。利用枯井、深水井对雨水进行地下水回灌。,3采用透水铺面。可铺砌透水沥青公路，多孔混凝土广场，砖、砾石人行道和巷道，增加下渗量。,植树绿化 在城市上游集水区域和城区植树或种草，增加土壤下渗和滞水能力，降低和延缓洪峰 洪水预报和警报 编制洪水预报方案，根据当地降水或上游洪水情况预报城市水位和流量，在洪水来临之前通告群众和有关部门，及时做好抗洪工作 洪水调度 结合洪水预报方案和洪水警报制定合理的洪水调度方案，降低洪水对城市的威胁程度,第三节 城市防洪与排水非工程措施, 洪水保险 对遭受洪涝灾害的个人及集体支付赔偿，使国家用于水利建设和救灾损失的资金得到合理的应用。
11、 水利管理条例 国家和地方有关主管部门根据具体情况颁布水利方面的有关管理条例。 城市水利规划 制定合理的水利布局方案并留有充分的发展与改进的余地。,市政部门习惯采用公顷（hm2），升（L），分钟（min）作为面积、水量、时间的基本单位。 应用推理公式推求管道设计流量一直是最为广泛应用的方法，采用径流系数由降雨量推求地表净雨。 根据三个基本假定条件，推求管道设计流量的推理公式形式写成： Qp a iF,第一节 推理公式,第三章 排水管网设计流量计算,在城市集水区域，下垫面各处差别很大，径流系数也各自不同。在使用推理公式时，应采用按面积加权平均的径流系数。平均径流系数计算公式为a aiFi/ F
12、biai 在城市，径流系数与地面不透水性有很大关系，地面不透水性越强，则径流系数越大。表3-1列出了几种指定下垫面条件下的径流系数；表3-2列出了一些综合区的权重径流系数。,第二节 地表径流系数,表3-1 各种地表复盖的径流系数表,表3-2 区域不透水性综合径流系数,除了下垫面不透水程度，径流系数大小还与降雨特性、土壤含水量、地下水埋深等特性有关。因此，在选用径流系数时，必须视具体情况而定。,市政部门常用的暴雨公式形式为： i 167A（1C lgT）/（tB）n 式中, T 重现期，年； i 重现期为T 年的t 时段内平均降水强 度，L（shm2）； A、B、C、n 暴雨公式的参数。 ,第三
13、节 暴雨公式,表3-3 我国部分城市暴雨公式的参数,流域集流时间由下式计算 tcmtf 式中 tc 管道入水口坡面汇流时间，min； tf 上游管道管流时间，min； m 延缓系数，管道m2，明渠m1.2 ,第四节 流域集流时间, （1）运动波法公式tc1.359 L0.6 n0.6 i0.4 J0.3 式中，L 坡面流长度，m；n 地面糙率； i 降雨强度，mmmin；J 地面平均坡度. （2）机场排水公式tc 0.703（1.1a）L0.5 J0.333 式中，a 径流系数。 （3）SchaaKe公式tc 1.397 L0.24 J0.16 I0.26 式中，I 不透水面积百分比。,表3-
14、4 几种下垫面复盖的糙率,表3-5 几种区域地面糙率, 管径的计算根据管道入口端设计洪峰流量按满管重力流计算，计算公式采用曼宁公式或其它有关流量公式。 曼宁公式计算圆管管径： D（ 3.2084nQp）3/8/J12式中 D 设计圆管管径，m； n 圆管道糙率； Qp 指定频率设计洪峰流m3s； J 管道坡度。 在实际应用时，实用管径应等于或稍大于计算出管径。,第五节 管径计算,计算管道平均流速V有以下几种方法（以圆管为例）： （1）按满管重力流用连续方程计算 V 4Qp /（D 2） 式中, D 实际采用的管径，m。 （2）按满管重力流用曼宁公式计算 V 0.397 nD 23 J 12,第
15、六节 管流时间计算, 根据平均流速可计算得管流时间： tfL（60V） 式中, L 上游管道管长，m； tf 上游管道中径流平均管流时间，min 由上游管道的地面汇流时间和管流时间之和得出设计管道的总集流时间代入推理公式可以推得管道设计洪峰流量。,在下水道设计中采用推理公式方法时，各管道设计是各自独立地采用推理公式计算洪峰流量的。因各节点的设计洪峰流量并非由同一设计暴雨所形成，各设计洪峰之间无直接的物理联系，仅仅是在计算集流时间时，要用到上游管道的汇流时间而已。 进入设计管道的流量不是一条路径，此时，应把径流流时最长的那条路径的水流时间作为设计管段的集流时间。,第七节 管网系统设计流量计算,图
16、3-1 应用推理公式推求管道设计流量框图,排水面积,管长和坡度,设计雨强,推求洪峰流量,径流系数,集流时间,暴雨公式,计算下一管路,计算管流时间,计算本段管径,结束,最后管段,是,否,算例 北京市某区域需要铺设排水管网。管网上端三个管道、雨水井以及集水面积见示意图。推求各管道二年一遇设计洪峰流量。,1,3,2,图3-2 设计管道布设示意图,表3-6 排水区域与设计管道基本资料,表3-7 北京市某区上游排水管道设计计算表,具体计算是自上游管道向下游管道逐段推求设计流量。先计算1号和2号管道设计流量、流速和管径。最后计算3号管道设计流量、流速和管径。,首先计算1号管道设计流量、流速和管径，计算过程
17、及表中各栏说明如下：,第（1）栏，管道编号，与管首雨水井编号相同 第（2）栏，管道集水面积，它是管首雨水井集水面积以及上游入水管道排水面积之和 F15.1hm2,对应于各种下垫面情况的面积权重bi在表56已给定。根据地面复盖物情况由表52查得对应的径流系数ai，则可计算得 a10.550.850.600.150.558,第（3）栏，管道排水面积的权重径流系数 aaibi,第（4）栏，雨水井的地面汇流时间，这里采用机场排水公式计算。 tc 0.703（1.1a）L0.5J0.333 tc10.703（1.10.556）1030.50.1040.333 17.7（min）, 第（5）栏，各管道排水
18、面积集流时间。第1、2号管道位于上游顶端，管道排水面积等于管首雨水井集水面积，集流时间1tc117.7（min）,第（6）栏，设计雨强。由表53查得北京市雨强公式，把T2年和t代入i 16711.98（10.811Lg2）/（8）0.711 2489.1/（8）0.711 i1 2489.1/（17.78）0.711 248（Lshm2）,第（7）栏，设计流量 QpaipF Qp10.5582485.1706（Ls）,第（8）栏，管道糙率。查表58可知混凝土管糙率 n0.014。,第（9）栏，计算出的设计管径，这里按满管重力流由曼宁公式计算D （3.2084nQp/J0 0.5）3/8 D1（
19、3.20840.0140.706/ 0.0180.5)3/8 0.582（m） 第（10）栏，实际采用的管径。,第（11）栏，管道平均流速，按满管重力流由连续方程计算 V 4Qp /（Dn2） V140.706/（0.623.14）2.50（m/s）, 第（12）栏，管流时间tfL0（60V） tf1109（602.5）0.73（min）,在上游的1、2号管道计算完毕后，才可推求第3号管道的设计值，说明如下：,2号管道计算与1号管道相同。,第（1）栏 N33,第（2）栏 F36.35.12.914.3（hm2）,第（3）栏， 30.750.600.600.400.69 3 (0.696.30.
20、5585.10.432.9)/14.3 0.59,第（4）栏， tc30.703（1.10.69）119 0.50.01250.333 13.5（min）,第（5）栏，管道3汇水路径有三条，第一条从管道1汇入，第二条从管道2汇入，第三条从本管首雨水井汇入，各管路流时为 路径1：T1=1+mtf1=17.720.7319.2 min 路径2：T2=2mtf2=17.220.7518.7 min 路径3：T3tc313.5 min,从三条路径中选择最大流时作为管道3的集流时间，即319.2min,第（6）栏，i3 2489.1（19.28）0.711 238（Lsha）,第（7）栏，Qp30.59
21、23814.32008（Ls） 第（8）栏，n0.014 第（9）栏，D3（3.20840.00142.008 /0.0210.5）3/8 0.837（m） 第（10）栏，Dn3900mm 第（11）栏，V342.008（0.923.14）3.16（ms） 第（12）栏，tf390（603.16）0.47（min）,在城市管渠排水系统的规划与设计中，当涉及系统的优化设计，超载状态，工程控制调度，管渠溢流计算，调节池与泵站设计，雨水污染分析与防治等工程问题时，需要推求相应的设计流量过程线。,第四章 管渠水系统设计流量过程线推求,一、设计雨量 在城市管渠排水系统设计雨量的推求，一般采用暴雨公式。市
22、政部门常用的雨强公式采用mmmin为雨强单位时为 i A（1CLgT）/（tB）n （mmmin） 若重现期T已确定，则aA（1CLgT）为一常数，则上式写成 i a /（tb）n （mmmin） 上式与水利部门采用的雨强公式完全相同。因此可以推求得降雨历时为T的设计雨量为 P at /（tb）n 如果设计流域有较充分的雨量资料，也可以通过雨量频率计算途径推求得设计雨量。,第一节 设计暴雨计算,二、设计暴雨过程拟定 1典型分配：选用实际的暴雨过程作为典型，经同倍比或同频率放大后，得出设计暴雨过程,2同频率分配：按这一途径分配得出一个单峰暴雨过程，每一历时的雨量均满足设计频率，雨峰位置采用地区综
23、合值。,3雨量分配公式：下式是根据暴雨公式推导出的一个瞬时雨强公式，它以雨峰为坐标原点： 雨峰前：I1a(1-n)(t1/r)+b/(t1/r+b)n+1 雨峰后：I2a(1-n)t2/(1-r)+b/(t1/(1-r)+bn+1式中，I1，I2雨峰前t1和雨峰后t2时刻雨强； r 峰前历时与总降雨历时之比； a、b、n 暴雨公式中的参数。 ,t1/t=r t=t1/r ； t2/t=1r t=t2/（1r ）,雨峰前：I1a（1-n）（t1/r）+b/（t1/r+b）n+1雨峰后：I2a（1-n）t2/（1-r）+b/（t2/（1-r）+bn+1,例: 已知某暴雨公式为 i 18（10.9L
24、gT）/（t15）0.8 求2年一遇的设计暴雨过程。,（1）取计算时段为5min，由暴雨公式式计算得5,10， , 60min共12个历时平均雨强i，列第（1）、（2）栏； （2）计算各历时降雨总量Pit，列第（3）栏；,（3）由第3栏中各相邻历时雨量之差推求时段雨量PjPj Pj -1，j1，2， ，12。此时，Pj是按大至小排列，序号即为j ，j与Pj列（4）（5）两栏；, （4）查地区手册得r0.45，由0.45125.4可知，雨峰位于第6时段，按单峰暴雨过程确定时段雨强大小序号K，并按K的顺序位置，分配相应的时段雨量PK，分列第（6）（7）两栏 第（7）栏即为推求的设计暴雨过程,表59
25、 同频率暴雨过程推求 ,由设计暴雨通过产流计算扣除暴雨损失，可以推求出设计净雨过程，暴雨损失一般是指流域内植物截留、填洼、雨期蒸发和下渗损失。,第二节 设计净雨计算,一、城市地区产流计算的特点 1城市管渠排水系统设计要求是短时间内迅速排除暴雨径流，排水工程规模受洪峰控制，由于形成洪峰的水量主要来自地表径流，设计洪水计算方法注重地表径流计算，简单处理甚至忽略地下径流； 2城市不透水面积比例较大，由于城市排水系统设计标准不高，设计暴雨强度低，透水面积上产生的地表径流很小，地表径流主要产生于不透水面积； 3当设计中需研究水质问题时，需涉及植物截留与填洼计算。,二、降雨损失的分项计算 霍顿用方程表示植
26、物截留量与降水量的关系 IRabP n 式中, a、b、n 参数。,表4-2 部分植物的霍顿截留公式参数,填洼量一般采用经验性数据。例如，美国丹佛地区政府编制了不同地面复盖的填洼深度表。,表4-3 不同地面覆盖物的填洼量,三、指标法 绝大部分城市排水缺乏实测下渗资料，无法推求出下渗曲线。由于流域各点的下渗特性相差很大，使采用下渗曲线推求地表净雨过程的方法应用受到限制。 在城市排水区域，由设计暴雨推求净雨计算中，一般采用径流系数折算出径流总量。根据设计暴雨总量P，径流系数，可以求得地表径流总量R和降雨损失总量I： RP I（1）P 采用均匀分配原则将损失量平均分摊到每一时段的降雨中，即指标扣损法
27、。,图中的值需试算求出。根据值可以求得第i时段地表净雨 hi 0 Pi hi Pi Pi 最终得出设计净雨过程h1，h2， ，hm 。,I,R,图4-1 指标扣损法, 一、等流时线方法 为了勾绘等流时线，需调查、收集排水区域和管渠系统的水力特征值，计算汇流速度，推求各点汇流时间，作为勾绘等时线的依据。 坡面集流时间可采用经验公式估算。 边沟或浅渠可概化成宽浅三角渠，用曼宁公式计算流速： V 0.63Hm23J12/n 式中，Hm渠道最大水深，m。 管道应根据具体情况采用满管或非满管水流计算流速。 渠道应根据断面形状、河道坡度、糙率用曼宁公式计算流速。 根据流速和水力长度求得管渠汇流时间。 在流
28、域图上点绘各点汇流时间，据此勾绘等流时线。,第三节 汇流计算,图4-2 某城区集水面积等流时线图,图4-2 某城区集水面积等流时线图,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,11,10,9,8,6,6,据流域等流时线图，可以作出流域的汇流面积随汇流时间的累积曲线，简称汇流曲线。全流域汇流曲线T是由各子集水区域汇流曲线累积得出，即（t）i（t） 式中 （t） t 时刻全流域汇流面积，hm2； i（t） t 时刻第i个子集水区域汇流面积，hm2。 由汇流曲线错开T相减，得等流时面积i（tit）（ti） i1，2， ，n 根据各时段的等流时面积1，2， ，n，由设计净雨推求设计流
29、量过程线。,图4-3 某排水区域汇流曲线,1（t）,2（t）,3（t）,（t）,等流时线法的优点： 1、无须已知设计流域的径流资料； 2、城市排水系统调蓄能力不大。 等流时线法的缺点： 1、需要对进行广泛的调查或勘测，绘制等流时线工作非常繁复； 2、为考虑管渠调蓄作用。,英国运输与道路研究所（TRRL）在等流时线法基础上加以改进，提出一种新的方法，简称TRRL方法。 TRRL方法与等流时线方法的差别主要有以下几个方面： 1汇流面积：TRRL方法假定，只有直接与排水管网系统相通的不透水面积产生地表径流，而透水面积或与下水管道不直接相通的不透水面积均不产生地表径流，不能作为排水面积。 因此，TRR
30、L方法定义出来的排水面积比实际面积小得多，而且是一块块从地表看起来并不相互关连，但地下管道相通的不透水面积所组成。这些直接连通的不透水面积之和即为流域的汇水面积。,2、汇流曲线：每一块直接连通不透水面积作为一小单元面积，假定每单元面积的汇流曲线在地面集流时间内是线性增加的，即直线汇流曲线。总汇流曲线是单元汇流曲线纵标之和。,图4-4 TRRL方法汇流曲线计算示意图 图中，1 、2分别为单元1和单元2汇水面积；t1，t2分别为单元1和单元2距流域出口管流时间；T1t1，T2t2分别为单元1和单元2地面集流时间。,1t,t,2t,1 2,2,1,t,t1,t2,T1,T2,3、调蓄计算：把管渠系统
31、看作一个调蓄水库，把未经管渠系统调蓄的，用等流时面积途径推求出的流域出流，作为水库的入流。再采用水库演算方法计算经调蓄的出流过程。 （Q1+Q2）/ 2 -（q1+q2）/2 =V2-V1 Q F（V ）式中， Q1，Q2 时段T 始、末经管渠水库调蓄的入流 量，Ls； q1，q2 时段T始、末未经管渠水库调蓄后的出 流量，Ls； 联立求解以上两式，可求得经调蓄的出流过程线Qt。,二、水力学方法 汇流过程中，水流的流态一般是非恒定和非均匀的，可用圣维南方程组来描述式中，Q流量，A过水面积，h水深，t时间，X水流方向，g重力加速度，J底坡，Jf摩阻坡度。 在给定初始条件和边界条件下，联合求解得出
32、t时刻的流量和水深。,圣维南方程组的简化： （1）惯性波方程 如果水流运动中摩阻损失很小，如深水水体中的水流运动，闸门启闭等突然变化引起河流水位的波动等，则有JfJ,动量方程简化为惯性波方程：,（2）扩散波方程,如果下游回水影响不大， 可以忽略，动量方程简化为扩散波方程：,(3)运动波方程 当河底比降J较大， 相对很小，动量方程简化为运动波方程 J =Jf 如果用曼宁公式来估计Jf，则有,如果是宽浅断面 R 可以用平均水深 h 近似,则方程组为 式中，为波速系数，即波速与流速的比值。采用曼宁公式估算则1.67，按哲西公式估算则1.5。,当径流沿X方向流动过程中有水量沿程汇入（出）时，圣维南方程
33、组应改写为 式中，Q假定为均匀汇入（出）的单宽流量；Vx流沿x方向的流速分量。,实际应用中，连续方程也常采用区域或河段水量平衡方程表达,1坡面漫流 一般坡面下游无回水顶托，且属宽浅断面，故动力方程可以用宽浅断面的运动波方程推求流量 连续方程可写为 在初始条件已知时，未知参数为第i时段平均流量Qi和时段末水深hi1，故可以求得唯一解，hi1又可作为下一个时段的初始条件，继续逐时段求解方程。,2管渠汇流 对于一段渠道式管道，如果坡度较大，且下游无回水顶托时，也可以简单地采用运动波和水量平衡方程联合求解，即 因为R、A、V均为水深h的函数，所以方程组未知参数仅Q和h两个，根据初始条件可以联立求出唯一
34、解。,第五章 城市雨洪水质模型,第一节 雨洪管理模型（SWMM）第二节 蓄水、处理、溢流模型（STORM）第三节 沃林福特模型（Wallingford procedure）第四节 伊里诺排水模型（ILLUDAS）,所谓模型，是指比原型简单的一个计算系统。它可以根据具体的需要，再现原型的部分特性。模型与理论是有着差别的，它是根据人们的具体要求，预测所研究系统的某些特性，而理论则是揭示该系统的运行规律。建立一个模型应该以正确的理论为基础最为合理，但也常常建立在某种假说前提下。如果模型确能再现研究系统的一些特性，就可以证实支承模型的假说的合理性部分，从而发展成理论。,第一节 数学模型,在排水系统径流
35、计算方面的水文模型，并不是象水工实验通过几何尺寸变换的物理模型，而是用数学语言来描述的数学模型。采用这类数学模型来模拟排水系统的水流和污染物的各种状态，一般需要大量的计算工作，不采用计算机是无法完成的。所以，一个模型往往都是采用计算机运算格式或程序语言来表达的。,模型的建立是与工程实际紧密相联的，根据不同实际问题的要求，建立各种形式和内容的模型。例如，排水系统规划是要求预估在规划的未来条件下的水文情势，研究实施各种可供选用的规划方案时的排水系统效应；排水系统的设计是要求得出最经济有效的详细设计方案；排水系统的改进，则要求模拟和分析已建系统的运行情况；而排水系统运行管理要求各种最佳管理与调度方案
36、，以使损失最小和效益最高。由于城市水质问题的重要性日益增加，排水系统规划、设计和管理都必须同时考虑到水质状况。,随着工程上对模型的要求不断提高和扩展，模型也不断得到改进和完善，结构更为复杂和精细。但其结果使得程序复杂，占用计算机运行时间较多，需要过多或过于详尽的资料，不能适应各种用户对精度和计算费用的不同要求。最近的发展趋势是建立通用的模型程序包，由多个程序块组合而成，适用于各种条件和不同区域的组合，包括由简单到复杂，根据用户要求调用组合。,模型是七十年代大型计算机普及运用中发展起来的，与传统的计算方法相比，具有这样一些特点：（）以计算机程序形式表达；（）能进行时序上连续性模拟，也可分析一次雨
37、洪过程；（）参数在很大范围内适用；（）可同时模拟水量水质过程；（）模型的各个环节都提供几个不同的程序或方法供用户选用，用户可以根据计算要求、资料情况和当地条件组成一个适用的程序包。每一模型都具有上述特点中的一个或几个，甚至全部。,在城市排水系统的规划与设计中，不但考虑正常运用条件，而且要考虑到在非常条件下，即系统内出现回水、环流和超载等各种特殊情况时，系统的运行状态，以便对排水系统进行综合评价。还需研究生活污水、生产废水，以及暴雨径流污染冲刷对城市径流和承受水体水质的影响，确切了解城市水质变化规律，为城市污水处理设施的设计和污水处理方式的规划提供合理的依据。正是为了这一目的，美国环境保护局研制
38、了雨洪管理模型（Storm Water Management Model），简称。,第二节 雨洪管理模型（）,把排水系统划分成地面径流子系统，地下输送子系统，污水处理子系统和承受水体子系统四部分。以计算机程序形式表达，采用语言。子系统可以由流域的地表、管网、处理设施、承受水体的一些特征来表达。模型水量部分的输入是时段降雨过程，经地面径流子系统和地下输送子系统的扣损与调蓄计算，可以得出排水系统各节点及出口的流量过程线。在雨水及生活污水中的水质组份是、悬浮固体、溶解氧和大肠杆菌，构成所谓“污染过程线”，考虑了排水系统、污水处理厂、承受水体对污染过程线的降解、稀释、扩散等作用。, “径流”程序块：模
39、拟地面径流子系统对降雨的扣损和调蓄，以及降雨洗刷引起的雨洪污染负荷。 在地表径流子系统中，排水区域概化为数块单元集水区，每一块单元区由透水面、具有洼地蓄水容量的不透水面、无洼地蓄水容积不透水面三部分组成。每一单元区域三块面积汇水均进入一条排水沟。上游区域排水进入下游单元区域的排水渠道、全部排水区域产汇流推演自上游向下游进行，直至流域出口。这样，只要输入降雨过程线及其与之关联的污染负荷，就可以得出经地表径流子系统调节过的排水区域出流过程线。,图5-1 地面径流子系统的调蓄作用,程序中的基本方程为水量平衡方程和曼宁公式。在输入降雨过程线后，首先对各单元区域三种平面进行产流计算和调蓄演算，它们的流量
40、之和，加上上游的来水流量，形成该单元区域排水沟的入流过程线，经排水沟调蓄计算后得出该单元流域出口流量过程线。对排水区域自上游向下游逐单元区域进行演算，最终得出总的出流过程线。,“径流”子程序块中主要的雨水污染指标是悬浮固体（），其中所含各类污染物的数量要根据当地土地利用的性质而定。在每一单元集水区域的灰尘与污泥的沉积量是雨前晴天日数与清扫街道数次与效率的函数，采用一种经验公式表征。降雨后，被雨水冲走的污染物与地面污染沉积量和雨水径流强度成正比。程序中采用了指数衰减形式的刷洗公式： d/d式中，地表积聚的污物总量；地面径流流率；经验系数。,考虑到地面径流流率较小时，径流输送和冲洗地面能力会迅速减
41、弱。因此，在上式中增加一个效率因子（.）来修正，即 d/d 值可采用经验公式得出 上式也可写成 （A）式中，地表污物初始蓄量；时刻地面污物残存量。由地表径流子系统调蓄演算得出的径流过程线和污染过程线即为地下输送系统的输入。,“输送”和“扩充输送”子程序块 原来仅设置“输送”程序块，主要是考虑排水管网不存在回水、环流，在不超载的正常运行情况下，采用圣维南方程组的差分形式对通过管网系统的流量过程线进行演算，而对超载情况仅进行简单处理。后来，根据用户需要，又研制出“扩充输送”程序块，可以对发生回水、环流、超载诸情况下的管网进行流量演算。,“扩充输送”程序块中的地下输送子系统是把排水管网系统用“输送管
42、”和“节点”来简化，输送管代表管道，节点代表雨水井或管道交叉点。径流演算基本方程采用明渠缓变非恒定流方程和连续方程。在程序中采用的是方程的差分形式，根据管网系统径流的边界条件和初始条件求解。 在具体应用时，如果排水系统的设计或分析中无须研究超载情况，并且不存在回水、环流等复杂水流状态时，一般采用“输送”程序块，因为它计算速度快而且节省运算费用。只有需要考虑超载或复杂水流情况时，才需要调用“扩充输送”程序块进行运算。,由“径流”程序块输出的“污染过程线”是“输送”或“扩充输送”程序块的水质输入。若径流过程中的通过雨水井时，水流速度低于不沉流速，则泥沙颗粒沉积在雨水井中。另外，还得考虑下水道内污物
43、的冲刷，冲刷量与通过管道的水流速度和管道内污染物沉积量成正比。管道内污染物沉积量是前期暴雨后无雨天数的函数。在管道系统内有蓄水池时，应考虑到蓄水池沉积污染物的作用。城市污水流量可作为节点的输入。,“蓄水”子程序块。 该程序块主要模拟污水处理设施对“输送”或“扩充输送”程序块得出的径流过程线和“污染过程线”的调蓄与降解作用。使用者可根据实际情况应用程序。程序可模拟下列内容：污水蓄水池、拦污格栅、筛网、上浮和气浮、砂滤、高速过滤、旋流分离器、涡旋浓缩、加氯器以及其它一些化学处理设施等。只要使用者输入处理设施的尺寸和所要求的处理程序，程序可自动进行计算。“蓄水”程序块还同时兼有计算各项处理设施工程费用、土地利用费用以及运行与维护费用的功能。,“承受水体”子程序块。 它的输入是“输送”或“扩充输送”程序块的出流（分流制排水系统出流或合流制排水系统溢流），也包括“蓄水”程序块的出流（即经污水处理厂处理过的污水出流）。程序计算它们对承受水体水质的影响。承受水体一般为广阔的水体，可描述成与排水系统相连的节点网络系统进行分析，其边界条件可以是堰闸或某种潮汐水流条件。,
