城市水文学2014

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、城市化定义：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”。 二、 城市化过程 农村阶段：土地处在耕作或放牧状况。
早期城市：大量修建城市型房屋，但仍有相当部分土地 被原有植物所覆盖。
统计量
Ｆ＝ｓ12/ｓ２2
Ｆ＝ｓ22/ｓ12
ｓ1>ｓ２
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。
ｔ检验适用于对两个子系列的均值检验。计算检验 统计量
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
3. 城市供水及优化调度
城市中工业和居民用水量很大，用水规律有自身特点，对水 质也有一定要求。城市供水水源来自地表水和地下水。有些城市 依靠单一水源供水，也有不少城市依靠两种水源联合供水。无论 利用何种水源供水，都存在水资源量的估算、质的评价和供需平 衡分析等问题，还要考虑如何重复使用水资源和探求最优的供水 方式。
二、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。城市化尤其是对流层 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
城市水文学
水文水资源专业 & 农业水利工程专业 2014-02
绪 论
第一章
城市水文学
城市化对水文的影响
第二章
第三章 第四章 第五章 第六章
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 城市水文模型 城市防洪规划
水文学（hydrology） 是地球物理学和自然地理学的分支学科。研究存在于大气层中、地球表面和 地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境与人类活动之间的相互联系 和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类 服务的知识体系。
-绪论一、定义： 城市水文学（urban hydrology）研究发生在大中型 城市环境内部和外部，受到城市化影响的水文过程，为 城市建设和改善城市居民生活环境质量提供水文依据的 学科，又称都市水文学，是水文学的一个分支。 二、主要内容： 包括城市化的水文效应、城市化对水文过程的影响 、城市水文气象的观测实验、城市供水与排水、城市水 环境、城市的防洪除涝、城市水资源、城市水文模型和 水文预测以及城市水利工程经济等。是一门综合性很强 的学科。 三、作用&意义 对城市发展规划、城市建设、环境保护、市政管理 以及工商企业的发展和居民生活都有重大意义。
四、主要特点
1.综合性 城市水文学涉及水文科学、水利工程科学、环境科学和城市 科学，是一门综合性很强的交叉学科。 2.动态性 由于城市地区的人类活动十分频繁，随时而变，因此城市水 文学不能只研究较长时间内的准平衡状态，还须着重考虑随时间 变化的动态过程。
五、研究的基本问题 城市水文气象、城市暴雨径流及防洪、排水，城市水资 源及供需平衡，以及城市水质评价及水污染控制。
图1 城市化对城市水文过程的影响
四、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
一、城市热岛：与周围乡村相比，城市气温明显偏高。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”。
交通事 故增多
额外的 疏淤开 支
额外的 建筑开 支
额外的 处理开 支
供水 条件 改善
农业 收入 增加
地价 升高
保险费 开支增 加
图 3 城市化对城市暴雨或降水的影响及后果(Changnon等，1977)
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
2.城市流域暴雨径流模拟
城市中的道路、屋面和飞机场跑道都是不透水的，因此处理 这些地区的降雨损失比较简单。城市排水系统一般由管网和排水 河网组成。城市面积上产生的暴雨洪水通常先排入管网，然后排 入河网，排水系统较为优良。用于城市流域暴雨洪水计算的模型 可分为三类。第一类只给出洪峰流量，如合理化公式。第二类既 给出洪峰流量又给出洪水过程线，如芝加哥方法。第三类是多用 途模型，如美国环保局暴雨径流管理模型（SWMM）。
4. 城市污水排放及处理
城市中工业排放的废水和居民生活垃圾都是水污染源。 城市中的污染源分为点污染源和非点污染源两类。点污染源 是在离散点上的废水的集中排放，污水处理厂的出流就是点 污染源的实例。非点源污染是由人类活动产生的污染物堆积 于街道上再由暴雨径流沿程运送到河流、湖泊而形成。非点 污染源是城市污水处理中要着重研究的问题。
中期城市：住房、商贸中心、学校、工厂等建筑物大规 模地发展和建设阶段。 后期城市：使已残留很少的原有植物缩减为零，地面完 全由人工建筑和一些其他设施所覆盖。
三、城市化与城市水文过程 城市化的发展对水环境所产生的直接或间接影响,主要表现为 三个方面城市水文问题,即城市水源资源紧缺、水质污染控制和 洪水控制问题。 1.城市水源紧缺 随着人口增加，对水的需求量也就随之增大，产生了一个寻 求充足水源这一水文第一重要的问题。 2.洪水控制问题 城市污水增多、降雨的径流量变大和流速的增大，使短时间 内的大流量径流发生，不可避免地要使洪峰流量增大，从而引起 了洪水控制问题。 3.水质污染控制问题 城市化扩大时，枯水流量减小，城市污水的增加及雨水径流 水质恶化，引起水源水质恶化。另外，固态及液态致病污染物的 处置对地下水水质也可能产生不利影响，产生了水质污染控制问 题。
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。
*资料：城市暴雨径流特点
城市化的程度的提高，直接改变了城市的暴雨径流 形成条件，使其水文情势发生变化 暴雨径流总量增大，洪峰流量增高，出现时间提前。 河道中水流流速加大，径流过程中悬浮固体及污染物 浓度提高。 发生这些现象的原因可从两个方面来分析： 不透水面积增加 城市化的进程，增加了城市的不透水表面，使相当部 分的流域为不透水表面所覆盖，如屋顶、街道、人行道 、车站、停车场等。不透水区域的下渗几乎为零，洼地 蓄水大量减少，造成产流速度和径流量都大大增加。 汇流时间缩短 排水管渠系统的完善，如设置道路边沟、密布雨水管 网和排洪沟等，增加了汇流的水力效率。导致径流量和 洪峰流量加大，出现洪
城市化对城市暴雨或降水的影响
雨强增大
降雨量增加
冰雹增多
雷电增多
土壤浸 蚀增强
洪水 增多
排水系 统负荷 加重
水流带 走的污 染物增 多
总径流 量及枯 水量增 多
作物 增产
作物 减产及河流 沉积
设计 标准 提高
水源 污染 加重
增强河 流稀释 能力
水库库 容增大
作物 净产量
s2
2 2 (n 1)s (n 1)s 1 1 2 2 n n 2 1 2
m s 1 2 t 1/n 1/n 1 2
m
与ｔ分布表中置信度为α/２，自由度为n１+ n２-２的ｔ 值比较。若计算值超过表列数值，则拒绝关于ｍ１和ｍ ２是同一总体均值估计量的零假设。
补充： 参数检验法主要为t检验和方差分析(即F检验)等 ，两组间均数比较时常用t检验，两组以上均数比较 时常用方差分析；t检验可分为单组设计资料的t检验 、配对设计资料的t检验和成组设计资料的t检验；当 两个小样本比较时要求两总体分布为正态分布且方差 齐性，若不能满足以上要求，宜用t 检验或非参数方 法。 方差分析可用于两个以上样本均数的比较，应用该 方法时，要求各个样本是相互独立的随机样本，各样 本来自正态总体且各处理组总体方差齐性（方差齐性 实际上是指要比较的两组数据的分布是否一致,通俗 的来说就是两者是否适合比较）。
补充：
方差分析(Analysis of Variance)，又称“变异数分析” 或“F检验”，是R.A.Fisher发明的，用于两个及两个以上样本 均数差别的显著性检验。 方差分析的假定条件为： （1）各处理条件下的样本是随机的。 （2）各处理条件下的样本是相互独立的，否则可能出现无法解 析的输出结果。 （3）各处理条件下的样本分别来自正态分布总体，否则使用非 参数分析。 （4）各处理条件下的样本方差相同，即具有齐效性。
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
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