028、水流断面计算方法在城市水系规划中的运用

1.4.1 排涝模数法
M=K Rm F-n Q=M F M 为排涝模数,Q 为设计排涝模数（m3/s•km2） ；R 为设计暴雨产生的径流深 （mm） ； F 为设计控制的排水面积 （km2） ；K 为综合系数 （反映降雨历时、流域形状、排水沟网 密度、沟底比降等因素） ；m 为峰量指数 （反映洪峰与洪量关系） ；n 为递减指数 （反映排 涝模数与面积关系） 。 其中 K、m、n 可查阅当地的水文资料获得。
[6]
影响暴雨洪峰流量的要素很多， 其计算方法的选择， 应根据各地的实际和可调查数据情 况而定。目前国外己开发相关的计算机软件，如美国环保局提出的城市雨洪管理模型 （SWMM） 、英国沃林福特模型(WALLIGFORD)、美国辛辛那提大学提出的 CURM 模型等， 都很好的模拟了城市雨洪情况， 但国内推广运用到实际规划的中的案例还很少， 尤其是后两 者模型，望在日后的规划设计中多多加以运用。
Q
( P 0 .2 S ) 2 ( P 0 .8 S )
1.4.5 推理计算法（The Rational Method）
此方法的运用己有近百年的历史了，通常使用于排水区域单元，其公式为： Qy=C×I×A
式中：Qy 为暴雨峰值；C 为径流系数；I 为平均降雨强度；A 为排水区域面积。 虽然这是一个直接简单的方法， 其计算即考虑了降雨集中的时间， 也考虑了在峰值估算 中径流系数的不确定因素， 但是该方法是在出现频率相对较高的事件中发展起来的， 遇到更 为极端的事件时， 其峰值率应该随之增加。 其只适合运用于地块较小， 且不渗透率高的区域。
水流断面计算方法在城市水系规划中的运用
许乙青 龚妹 杨晓
摘要：水是人类社会赖以生存和不可替代的物质资源，其为地球的万物创造了生存和繁衍的必要条件， 是充满生机的自然资源。然而随着 18 世纪中叶工业革命的到来，人类采取的无度消费、大量生产、大量废 弃的生活方式，带来了一系列的生态和环境危机，如肥沃土地与森林的毁坏、高额的基础设施花费等，河 流、水系往往成为了城市建设的背立面。为了加强人水关系、突出城市特色，保护水资源，将河流、水系 变为城市生活的正立面， 各大城市水系规划如火如荼地进行， 但其研究多停留在定性层面。 文章通过将 Rhino 软件汇流路径计算与水利计算相结合，利用地表汇水流量数据，设计水系景观节点的最优断面形式，使城 市水系规划除了保证水安全，预测水危机外，兼顾水景观环境与人水和谐，从定量层面寻求城市水系规划 的新方法。 关键词：水系规划；暴雨洪峰流量；断面计算方法
1.3
水系流域单元的划分
流域是指以分水岭为边界的由河流、 湖泊或海洋等水系所覆盖的区域以及由该水系形成 的集水区。简而言之，就是地面分水线所包围的区域。[6] 水系流域单元划分的方法有两种——一种是递进划分法， 一种是并列划分法。 两种划分 方法之间的关系是相辅相成的，根据需求相互独立，又相互包含存在着。其中，递进划分法 （如图 4）中，从最小的流域单元向上一级流域单元递进，即初级流域单元（最小流域单元） ——次级流域单元——多级流域单元（2、3、4……流域单元）——高级流域单元，上级流 域单元与下级流域单元是包含与被包含的关系；并列划分法（如图 5）中，以某一级流域作 为大背景，再划分下一级流域，该级流域单元面积相差不大，呈并列关系。这两种水系流域 单元划分方法，其最后的结果都是根据水系分析情况，找出各级流域范围内最大汇水点，使 流域内的水汇流到更高级的河流中。 然而大部分的城 市规划范围都不在一 个流域内，为了确保 数据完整性与准确 性，从源头开始计算 水流量，水系流域的 划分往往都意味着研 究范围的扩大。
1
1.1
研究方法
地表径流计算
随着数字化时代的到来和信息技术的发展，参数化设计（Parametric Design)于近些年来 已经取得飞速的发展， 它以计算机的技术发展为基础， 并且受到复杂系统和非线性科学的深 刻影响才产生出来的， 这些特点就决定了参数化设计在处理城市复杂系统的规划和设计的问 题方面具有很好的适用性及发展潜力[3]。现在正在推广一款较新的软件——犀牛（Rhino） ， 其为参数化设计的发展提 供了很好的平台。 它是一款 运用于汽车、飞机、建筑、 医药、运动器材、鞋类、珠 宝、 动画等诸多领域的设计 软件， 具有灵活性与精确性 等特点。 它对各种用途的分 析更快捷便利， 及根据设计 需求对其调整也很方便、 快 图 1：犀牛软件的应用——GH 水系分析参数编程步骤一 速。 即使如此， 其在规划中 的运用甚少。 近几年从国外 引进的 GH 插件使犀牛运 用的领域更为广阔了， 使得 Rhino 在规划中的推广与 运用成为可能。 Grasshopper 图 2：犀牛软件的应用——GH 水系分析参数编程步骤二 是用以对环境的生态要素 进行分析的媒介，是 Rhino 软件的一款编程插件， 采用 简单的节点式可视化数据 操作， 可动态实时显示参数 调整的成果， 运算全过程的 数据被完整保存， 使用户可 图 3：犀牛软件的应用——GH 水系分析参数编程步骤三 以 开 发 出 自 己 的 Grasshopper 运算器，并永久使用[4]。对其的使用，虽然前期的参数化程序编辑过程较为复 杂，但是后期数据修改与导出十分的快捷方便，使设计人员可以通过几个参数的调整，随图 面效果和设计需要来实现自己的设计意图与追求。 GH 插件水系地表径流分析参数化编程的原理是模拟自然雨水汇流的路径。雨水的降落 实际上是一个重力流的过程。 根据当地的降水密度形成方格网， 再将网格上交叉形成的点垂 直投射到事先生成的 Mesh 三角形面上，即模拟自然降水在水平面上的形成的落水点。在 Mesh 上投射到交点再往下寻找最短路径的等高线，即点与线的垂线。这只是一个落水点与 等高线所形成的雨水汇流路径，最关键的步骤是 hoopsnake 的运用，要通过反复不断的循环 才能生成整个研究范围的水系分析。 当 GH 参数化编程完成后， 运用犀牛软件形成水系分析 就变得相当容易了，其具体地操作步骤是：1.导入整理好的 cad 原始地形，一般是提取的元 素最好是点， 由点形成线， 再给 curve 电池块赋以犀牛中的地形线， 再通过分析需要给 slider 赋值；在犀牛软件中，人为设定一个点，该点的位置从平面上看，要在整个地形图幅的最左 下角，从垂直角度看，要位于 z 值的最小值。再将该点赋值给基础网络生成中的 point，即 可生成所需的网格点； （如图 1）2.双击 hoopsnake,使其自动循环运行，此步骤根据分析地块
暴雨洪峰流量 计算
1.4 图 4：递进划分法 图 5：并列划分法
传统的计算往往 是就地块论地块，极 少考虑与周边地块的 关系。此次沿用常用的计算方法，但从高级流域的角度出发，从水系流域源头计算到最终汇
集点，使计算的前因后果更具说服力。首先将一级流域划分为若干个二级流域，再将二级流 域划分为若干个三级流域……以次类推， 直至划分便于计算的流域范围， 根据其特征计算出 径流过程，找出雨水汇集点，即流域范围内雨水流量最大处，并通过水流量演算，将各级流 域的汇流范围组合起来计算。 国内最常见的有水利部门所使用的排涝模数法、多点入流汇流法，市政城建部门按《室 外排水设计规范》所用的雨水流量计算方法。国外则多使用径流曲线计算法（Runoff Curve Number Method） 、推理计算法（The Rational Method） 。
式中 Q 是指径流量，P 是降雨量，Ia 是初始雨量损耗值，S 是指最大雨水滞留量,是流域 土壤与覆盖条件的一种反映，由径流曲线表现出来。其取值为：
S
1000 10 CN
Ia 包括洼地存储、蒸发、渗透及中途截取的雨量损耗，通过美国土壤保护局的经验测算 值通常近似于 0.2S。 因此，其方程式变为
前言
自古以来，人们对水都有着深厚的感情，但由于城市防洪的需要，高大冰冷的挡水墙， 挡住了洪水，也阻挡了人们对水的向往与渴望。随着人们生态保护意识的加强，城市水系规 划在国内外日渐兴起， 其中比较有影响力是的美国圣安东尼奥的水街——将传统与现代相结 合； 杭州市水系景观规划——提倡山水和谐的生态设计方法； 上海外滩滨水区城市设计—— 自然与人文结合的空间场地设计等。 早在 200 多年前， 美国就开始重视水资源的管理与保护， 颁布了一系列的法令，如美国联合水资源保护法案、宾夕法尼亚水系保护法。我国从法律上 保护水系起步较慢，在规划层面上，2009 年 2 月颁布《城市水系规划导则》 ，该导则对水系 布局、水面、水量、水质、水景观和水文化、水系管理、规划工程实施方案等方面作了规定， 是面向实施的城市水系规划依据。[1]2009 年 12 月颁布《城市水系规划规范》 ，确定规划区 内的江、河、湖、干渠、水库的功能划分、岸线位置、水系连通方式、规划水位控制标高， 主要拦水闸坝位置等，是面向管理的城市水系规划的依据。[2] 目前，我国对于城市水系规划还处于摸索阶段，其研究大部份都停留在定性层面。文章 以流域为背景，从宏观、中观、微观三个角度出发，借助 Rhino 软件中 GH 插件将水利学暴 雨洪峰流量计算方法与断面计算方法有机结合，从定量层面，给城市水系规划以数据支撑， 望能给同行在城市水系规划研究方向与方法上提供借鉴与参考。
1.4.2 多点入流汇流法
Q PJK FJ
j 1 k 1 n cj
(1 t - J 1 r)
Cj 为 J 等流时块的汇流曲线时段数；r 为总出流时段数。
1.4.3 雨水设计流量计算方法
雨水设计流量按下式计算：
Q qF Q 为雨水设计流量，L/s； 为径流系数，其数值小于 1；F 为汇水面积，h行的断面形式有矩形、梯形等，其设计尺寸多为主观经验，文章以暴雨洪峰流量计算 所取得的水流量数据为基础，运用洪水调查法，尊重现状，测量河床的横断面和纵断面，采 用复合断面的形式，使其在丰水期、平水期、枯水期三个不同时期，呈现不同的滨水景观并 满足安全规范要求。丰水期即水位较高时，一级驳岸被淹没，水面较为宽阔，人们可以在二 级驳岸处进行各种娱乐活动；平水期，枯水期时，人们可以使用在一级驳岸处设置游步道和 市民休闲空间，并在一定的位置设置水闸，对流水进行拦蓄，满足各时期的需水量。
传统的断面设计往往只单一考虑该段水力断面形式该方法则从整个流域出发使用了新角度新技术新方法将断面设计的定性分析与定量计算结合起来更好的服务于城市水系规划为水系在转变为城市建设用地时保留自然走向提供数据支撑改变传统截弯取直改变河道等的水系规划方法同时在重要汇水点处采用复合断面的形式局部加大水面既可以节约建设成本又能达到美观亲水安全的效果
的大小及电脑的性能，要花费的时间较长； （如图 2）3.水系分析生成，再将其 bake 到犀牛 软件中形成可供选择的汇水线。 （如图 3）
1.2
主要汇水通道和汇水节点的确定与保留
根据水系地表径流计算图， 确定主要汇水通道与汇水节点。 主要汇水通道是指水系地表 径流中比较重要的支流。通常为了使城市看上去规整，气派，设计师们会把城市中的水系截 弯取直， 且将岸边建成欧式的人工驳岸， 结果往往是由于自然径流的改变， 使得粗糙度减小， [5] 流速增大，进而导致径流量和洪峰流量加大，峰现时间提前。 城市中水系的形成要经过成百上千年的沉淀与积累， 是宝贵的自然资源。 尤其随着近些 年，暴雨洪灾给人们生活生产上面造成的巨大损失，自然生态理念深入人心，世界各地越来 越意识到保护自然、尊重自然的重要性。主要汇水通道的确定，是改变在城市水系规划中的 传统做法、水系保留其自然走向的重要步骤。同时主要汇水通道的保留，可以对城市绿地系 统提供很好的依据，将这些主要汇水通道做成下凹绿地、平式绿地、上凸绿地等，进而起到 减少地表冲刷、增加径流时间、降低径流系数、消减洪峰、补充地下水，净化水质，从而恢 复自然水循环过程的作用，影响整个城市的结构。 汇水节点一般是流域范围内的水流集中点。 此次所研究的是水系如何在非城市建设用地 到城市建设用地的转变中，扮演好自己的角色，保留其自然属性。当河流转变为城市建设用 地，大体保留水系自然走向与宽度时，汇水节点的设计尤为重要，并成为检验城市水系规划 成功与否的关键环节。
计暴雨强度，L/（s hm2） 。[7]
1.4.4 径流曲线计算法（Runoff Curve Number Method）
径流曲线计算法由美国土壤保护局提出的，是美国径流量计算运用最为广泛的一种方 法。其数据是基于降雨量、径流曲线、流域范围与损耗的情况而得出的，公式为：
Q
（ P I a） (P I a ) S