城市水文学

城市水文学
第一章 第二章 第三章 第四章 城市化对水文的影响 城市防洪与排水措施 排水管网设计流量计算 排水系统设计流量过程线推求
第五章
第六章
城市水文模型
城市防洪规划

第一章 城市化对水文的影响
第一节 城市化对水文的影响

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”。
第三节 城市化对径流特性的影响
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； 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
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
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市化影响。
X
t（a）
（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。
P
城市化前
城市化后
R1
R2
R
（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。
重迭的子系列，并分别计算出它们的均值ｍ１和ｍ２， 方差ｓ12和ｓ２2。
首先对方差进行方差比检验或Ｆ检验。计算检验
统计量Leabharlann Ｆ＝ｓ12/ｓ２2 ｓ1>ｓ２
Ｆ＝ｓ22/ｓ12 ｓ1<ｓ２
与Ｆ分布表中置信水平为α／２、自由度为ｎ１－１和 ｎ２－１的Ｆ值比较。在大部分实用中，α值采用５％ 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Ｆ的计算值超过表列数值，则拒绝关于ｓ1与 ｓ２为相同总体方差估计量的零假设。
第四节
流域集流时间
流域集流时间τ 由下式计算

τ ＝tc＋mtf
tc — 管道入水口坡面汇流时间，min；
式中
tf — 上游管道管流时间，min；
m — 延缓系数，管道m＝2，明渠m＝1.2

（1）运动波法公式 tc＝1.359 L0.6 n0.6 i－0.4 J－0.3 式中，L — 坡面流长度，m；n — 地面糙率； i — 降雨强度，mm／min；J — 地面平均坡度.
排水综合治理措施:
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。
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
地面状况 沥青铺面 混凝土铺面 裸土 粗糙裸土 耕地 割草草地 一般草地 密集草地 灌木丛 树林
第二章 城市防洪与排水措施
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
A 11.98 22.95 10.11 5.27 0.0596 17.30 9.581 12.97 11.88 28.14 17.90 21.56 60.92 8.30 B 8 17 7 4.6 5.4 10 5 7 9 17.5 13.3 14 25 1.4 C 0.811 0.85 0.898 0.86 0.985 0.9 0.8 0.68 0.77 0.753 0.671 0.76 0.844 0.69 n 0.711 0.85 0.729 0.62 0.85 0.88 0.76 0.831 0.77 0.898 0.8 0.84 1.038 0.64
第三节 暴雨公式
市政部门常用的暴雨公式形式为： i＝ 167A（1＋C lgT）/（t＋B）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／（s·hm2）； A、B、C、n — 暴雨公式的参数。
表3-3 我国部分城市暴雨公式的参数
城市名称 北京 天津 石家庄 太原 包头 哈尔滨 长春 吉林 沈阳 济南 南京 合肥 杭州 南昌
矩形，边坡用砖石衬砌。增加了河道输水能力，
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。
Q
城市化后
城市化前 t 同等降雨下城市化前后洪水过程线比较
图1-1
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ｔ检验和Ｆ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ｎ１（城市化前）和ｎ２（城市化后）两个不
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
＝∑ 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。
（2）机场排水公式 tc＝ 0.703（1.1－a）L0.5 J－0.333 式中，a — 径流系数。
（3）SchaaKe公式 tc＝ 1.397 L0.24 J－0.16 I－0.26 式中，I— 不透水面积百分比。

表3-4
几种下垫面复盖的糙率
糙率 0.012 0.014 0.02 0.03 0.03 0.03 0.04 0.06 0.08 0.20
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。
理的洪水调度方案，降低洪水对城市的威胁程度

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。 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。
第三章 排水管网设计流量计算
地表复盖种类 建筑稠密的中心区（不透水面积＞70％） 建筑较密的居住区（不透水面积 50％～70％） 建筑较稀的居住区（不透水面积 30％～50％） 建筑很稀的居住区（不透水面积＜30％）
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。
要素 凝结核 与郊区比 多10倍 要素 云量 与郊区比 多5～10％
微粒 日照
降水总量
多10倍 少5～15％
多5～15％
雾 温度
相对湿度
多30～100％ 0.5～3度
小6％
降水日数 雷暴
多10％ 多10～15％
风速 无风日
小20～30％ 多5～20％
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。
第一节 推理公式
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 iτ F
第二节 地表径流系数
表3-1 各种地表复盖的径流系数表
地表复盖种类
各种屋面、混凝土和沥青路面 大块石铺砌路面、 沥青表面处理碎石路面 配碎石路面 干砌砖石和碎石路面 非铺砌土地面 绿地和草地
径流系数
0.90 0.60 0.45 0.40 0.30 0.15
表3-2
区域不透水性综合径流系数
径流系数 0.6－0.8 0.5－0.7 0.4－0.6 0.3－0.5
W
城市化前
城市化后
Q1
Q2
Q
（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。
R1
城市化前 城市化后
R21
R22
R2
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。