城市水文与水资源

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
暴雨强度计算
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。
3、城市雨洪径流的计算
•（1）城市雨洪径流计算的特点 •城市降雨的径流过程，依水流方式可分为地 表径流和下水道传输二种。
•城市雨洪过程绝大部分为地面流（原因：城
市的产流着重于地表径流部分，对壤中流等不予考 虑；另外，把地下径流当作损失来处理），过程
线历时短，涨落幅度大。
（1）城市雨洪径流计算的特点
下图为城市化水文问题框图
城市化
人口密度增大
建筑密度增大
污水增多
需水量增多
不透水区 面积扩大
改变了 排水系统
水源问题
暴雨水质恶化 地下水补 给量减少 基流减少
城市气候 发生变化
径流量增加
峰值流量增大
流速加快 汇流时间和 历时缩短
承受水体 水质下降
控制污染问题
控制洪水问题
第三节 城市化地区的雨洪径流
• 2、河流在城市生态环境建设中的功能 • ④ 提供生物多样性存在的基地： • 城市河流及其自然特征是城市景观多样性的 组成部分； • 河流两岸、河漫滩湿地、河心沙洲是多种植 物生长地及鸟类栖息地； • 河流是多种淡水水生生物的栖息繁衍地。 • ⑤ 提供城市居民亲近自然的场所。 • ⑥ 提供自然教育课的天然实验室。
径流系数是指某段时间内径流深与降 水量之比。表示降水量用于形成径流的有 效雨量。 （3）洪峰增高，峰值出现时间提前，历

时缩短； （4）径流污染负荷增加
城市化后
城市化前
图4-2
同等降雨下城市化前后洪水过程线比较
** 城市化对径流特性的影响（小结）

1．大规模建造房屋，铺砌道路，使下垫面不透
• 一、城市化对水分循环过程的影响
• 水分循环：水分的蒸发、凝结、降落（降雨）、 输送（径流）循环往复运动过程。 • 城市化前：天然流域蒸发量占降水量的40%， 入渗地下水量占50%，地面径流10%； • 城市化后；入渗地下32%，蒸发25%，地面径 流43%(地面径流和屋顶径流)。
二、城市化对水量平衡的影响
城市生态环境学
城市水文及水资源
Urban Hydrology and Water Resources
第一节 城市水系的基本特征 Characteristics of Urban Water System
• 一、城市化对水系的影响 • 1、地面水系人工化 • 城市的开发建设，改变许多天然河流的形状及 流向，加上人工开挖的水库、渠道等，构成了 城市天然河湖与人工沟渠并存、彼此连通，相 互影响，受人工整治和高度控制的地表水系统。
雨洪径流的汇流特性是城市排水系统设计
的依据。 城市雨洪径流汇流的计算包括城市化流域、 城市个别河段、河网式排水管路网络等系 统的汇流计算。 计算方法： （1）传统的水文方法：等流时线法、单位 线法、推理公式法； （2）模型模拟
(2) 设计暴雨强度计算
•雨水设计流量公式： • • Q＝q· Ψ· F •上式中，Q为雨水设计流量（L/s）；q为设 计暴雨强度［L/(s· hm2）］；Ψ 为径流系数； F为汇水面积（hm2）
•城市地区年总降雨量比非城市化地区偏高5～10％； •由于热岛效应，城市蒸发力可能变强，然而由于汇 流迅速和不透水的干燥地面，城区可供蒸发的水量甚 少，蒸发量少； •因此，城市城区的年径流总量比同一地区自然条件 下的年径流总量大。 •一般地，城市年径流可能是天然流域的2～2.5倍。 （如果包括城市供水系统抽取的深层地下水或从外流 域引进水，城市化地区年径流总量会更大）
二、城市防洪
• • 城市防洪标准关系到防洪工程规模、投资 及建设期限等问题。目前我国对城市防洪 标准是根据城市具体情况，由设计部门提 出意见，报请有关主管部门审核批准。因 此，适当提高防洪标准，是今后城市防洪 建设的主要任务。
（1）城市地面产流过程
•天然流域：壤中流比地面径流流动慢，壤 中流汇入河道的时间较长，产流缓慢。 •城市化流域：不透水面积率增大，雨水因 填洼下渗减少；当地面100%为不透水面积时， 填洼下渗甚至减少为零。城市植被少，蒸发 减少，更多的雨水直接变为径流，使地表径 流动产生较快。
（2）城市化地区年径流总量的理论分析
• 1、城市不同发展时期的河流作用
• 古代：提供稳定水源和肥沃的土地； • 近代：除提供水源外，也是城市物质运 输的重要通道； • 现代：水源地、动力源、交通运输通道、 污染净化场所。
二、城市河流的生态环境功能
• 2、河流在城市生态环境建设中的功能 • ① 就近供水的功能：投资少、成本低、稳定性 高； • ② 供绿化和降温增湿功能：河岸、河心沙洲为 绿化提供场所；河水的高热容量、流动性以及河 流风等，为减弱城市热岛、缓和冬夏温差具有明 显的调节作用； • ③ 提供便捷的交通条件。
• 区域内贮水量变化＝输入水量-输出水量 • （1）流域水量平衡方程式为： • △W＝（P＋R＋G）－（E1＋E2＋R1＋G1＋S）
• • • • • • 式中：P为降水量； R，R1分别为地表径流流入与流出量； G，G1分别为地下提取与渗入地下水量； E1，E2分别为地表蒸发和植物蒸腾水量； S为生态系统组分内贮水量； △W为时段内区域贮水量变化。
一、城市化对水系的影响
• 2、地下建成排水系统 • 天然的地面排水系统被人工形成的引导水 流的各种不透水通道和地下下水道排水系 统所代替和补充，以利于尽快排水。
• 广州市：历史上的地面河涌大部分已演变 成地下排水系统，下水道以河涌为单元铺 开，与河道呈正交布置，形成网络化的地 下排水系统。
二、城市河流的生态环境功能
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，整治后河道直 线化，断面规则化，呈梯形或矩形，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
各种地表覆盖的径流系数表
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
区域不透水性综合径流系数
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％） 径流系数 0.6－0.8 0.5－0.7 0.4－0.6 0.3－0.5
Rain and Flood Runoff of Urbanization Area
一、城市化地区雨洪径流的计算
径流是水分循环、水量平衡的基本要素，
是影响城市水文及水资源的直接因子。
（1）城市地面产流过程 截留、蒸发、填洼、下渗是影响产流的主
要因素。
（1）城市地面产流过程
•降水经截留，满足下渗、填洼和蒸发之后， 便形成地面漫流，然后汇入水道形成地表径 流。 •满足填洼后产流，称蓄灌产流； •满足下渗后产流，称超渗产流； •下渗入土壤中的雨水在超过土壤持水能力 时，在土壤中继续向下运动，为壤中流。
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
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
地区 降水 量 径流 地表 地下 蒸发 地表 地下 总量 径流 径流 量／ 径流 径流 ／mm ／mm ／mm mm 系数 系数
城中 675 心区
405
337
68
270
0.50 0.10
城外 644.5 267 平原
96
171
377
0.15 0.26
三、城市化对河流水文性质的影响
（1）流量增加，流速加大； （2）径流系数增大；
流域集流时间
流域集流时间τ由下式计算
τ＝tc＋mtf
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. （2）机场排水公式 tc＝ 0.703（1.1－a）L0.5 J－0.333 式中，a — （3）SchaaKe公式 tc＝ 1.397 L0.24 J－0.16 I－0.26 式中，I—
P
城市化前 城市化后
R1
R2
R
城市化径流的差别
W
城市化前 城市化后
Q1
Q2
Q
城市化前后降雨量的变化
（2）城市化地区年径流总量的理论分析
•城市河道年径流量增加的原因： •① 城市降水量增加； •② 城市地表径流系数的增大； •③ 从外流域引水或抽取地下水。 城市河道年径流量减少的原因： ① 下水道排水直接入海或输送到城市边界以外； ② 用水系统等引起的水量损失； ③ 城市化引起的蒸发量增加，但一般此项影响甚 微。
二、城市防洪
• ( 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。
三、城市河流的合理开发利用和保护
• 河流是城市生态环境的重要组成部分，城市的经 络、命脉。 • • • • 1、保持河流原来的自然地貌特征； 2、维持河流的水文特征； 3、保持河流水质清洁； 4、合理开发利用。
第二 节 城市化的水文效应 Hydrological Effect of Urbanization
• 在城市化地区的水量平衡中，不仅包括天 然水循环，而且还包括人工控制的上下水 管道中的水循环（ T， T1 ）。
• 城市化改变了城市的水文特征： • 输入项：大气降水（P）改变；R、G也发
生改变；增加了T • 输出项：城市的E1和E2比乡村少；G1也相 应减少；R1比郊区大，增加了T1
பைடு நூலகம்京城市中心区与郊区水量特征值比较
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。
四、城市化对地下水的影响
（1）地下水水位下降，局部水质变差； （2）水量平衡失调； （3）生态环境恶化；
二、城市化对水量平衡的影响
• （2）城市水量平衡方程式为：
• △W＝（P＋R＋G＋T）－（E1＋E2＋R1＋G1＋ S＋T1） • 式中：T 为上水管道输入水量；T1为下水管道 输出水量； • P为降水量；R，R1分别为地表径流流入与流出量； G，G1分别为地下提取与渗入地下水量； E1，E2 分别为地表蒸发和植物蒸腾水量； S为生态系统 组分内贮水量；△W为时段内区域贮水量变化。