（环境工程专业论文）模拟降雨条件下城市不透水面地表径流削减影响因素研究.pdf

中文摘要 摘要 城市可透水面是截留、消纳暴雨径流的重要形式之一，能有效缓解城市内涝 灾害，减轻城市排水管网压力。通过现场模拟城市可透水面削减暴雨径流过程， 探讨不同条件下城市不透水与可透水下垫面临界面积配比，并分析径流削减过程 的影响因素，可为城市规划用地布局及雨洪利用工程设计提供科学依据。本文根 据重庆市沙坪坝气象站提供的1 8 9 2 2 0 1 0 的逐月降雨量资料分析了重庆市全年及 汛期降雨特征，利用人工模拟降雨装置、典型城市下垫面模拟装置，通过模拟典 型城市下垫面产汇流过程，研究了不同降雨条件及坡度下的产汇流曲线，得到了 相应产汇流特征值，并在此基础上模拟城市不透水地表径流流经可透水面的削减 过程，探讨了不同降雨条件、不同可透水下垫面坡度及不同进水模式下不透水与 可透水下垫面的临界面积配比，分析了各影响因素对不透水面地表径流削减效果 的单因素及多因素影响规律。本试验研究的主要结论有以下几点： ( 1 ) 试验既定条件下，散流式与集中式进水模式不透水与可透水下垫面临界面 积配比分别为5 ：1 和4 ：1 。面积配比与可透水面对不透水面地表径流削减的效果呈 负相关关系，同种面积配比不同进水模式下散流式进水模式的径流削减效果要高 于集中式。降雨条件及可透水下垫面坡度一定时，进水模式和面积配比两种因素 对径流削减效果的影响次序依次为：面积配比 进水模式。 ( 2 ) 降雨强度与两种进水模式下的临界面积配比呈负相关关系，散流式进水模 式下的临界面积配比依次为6 ：l ( i = o 6 0 m m m i n ) = 6 ：1 ( i = 1 0 7 m m m i n ) 5 ：1 ( i - - 1 4 3 m m m i n ) 4 ：l ( i = 1 9 2 m m m i n ) ，集中式进水模式下的临界面积配比依次为 5 ：l ( i - - o 6 0 m m m i n l = 5 ：l ( i - - 1 0 7 m m m i n ) 4 ：1 ( i = 1 4 3 m m m i n ) 3 ：l ( i = 1 9 2 m m m i n ) 。 同种面积配比不同降雨条件下，散流式进水模式的径流削减效果均高于集中式。 可透水下垫面坡度一定时进水模式、面积配比及降雨强度三种因素对径流削减效 果的影响次序依次为：降雨强度 面积配比 进水模式，其中降雨强度及面积配 比与不透水面地表径流削减率呈负相关关系，进水模式与不透水面地表径流削减 率呈正相关关系。 ( 3 ) 可透水下垫面坡度对两种进水模式下临界面积配比的影响在坡度为1 5 。时 存在一定的界限规律，具体表现为：坡度小于1 5 0 时，散流式进水模式下的临界面 积配比依次为5 ：1 ( 5 0 ) 4 ：1 ( 1 5 。) ，集中式进水模式下的临界面积配比依次为 4 ：1 ( 5 0 ) 一3 ：1 ( 1 5 0 ) ；坡度大于15 0 时，散流式进水模式下的临界面积配比依次为 4 ：1 ( 1 5 。) 一5 ：1 ( 3 0 0 ) ，集中式进水模式下的临界面积配比依次为3 ：l ( 1 5 0 ) 4 ：1 ( 3 0 。) 。同 种面积配比不同坡度下，散流式进水模式的径流削减效果均高于集中式。降雨条 重庆火学硕十学位论文 件一定时进水模式、面积配比及可透水下垫面坡度三种因素对径流削减效果的影 响次序依次为：坡度 面积配比 进水模式，其中坡度及面积配比与不透水面地 表径流削减率呈负相关关系，进水模式与不透水面地表径流削减率呈正相关关系。 关键词：径流削减，临界面积配比，人工模拟降雨，城市下垫面 英文摘要 a b s t r a c t u r b a np e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c ei sa ni m p o r t a n tf o r mo fs t o r m w a t e rr u n o f f d e t e n t i o na n da b s o r p t i o n ，w h i c hc a nr e l i e v eu r b a nw a t e r l o g g i n gd i s a s t e r se f f e c t i v e l y , a n dr e d u c et h ep r e s s u r eo nu r b a nd r a i n a g en e t w o r k t h r o u g hs i m u l a t i n gt h ep r o c e s so f s t o r m w a t e rr u n o f fr e d u c t i o no ns i t ew i t hu r b a np e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c e ，t h i ss t u d y d i s c u s s e dt h ea r e ar a t i ob e t w e e nu r b a ni m p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c ea n dp e r m e a b l e u n d e r l y i n gs u r f a c eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n da n a l y s i s e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so n t h er u n o f fr e d u c t i o np r o c e s s ，t op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h el a y o u to ft h el a n df o r u r b a np l a n n i n ga n dr a i n w a t e ru t i l i z a t i o np r o je c td e s i g n a c c o r d i n gt ot h em o n t h l y p r e c i p i t a t i o nd a t ai n 18 9 2 - 2 010f r o ms h a p i n g b aw e a t h e rs t a t i o ni n c h o n g q i n g ，t h i s p a p e ra n a l y s i s e dt h ep r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n n u a la n di nf l o o ds e a s o n ，u s i n gt h e a r t i f i c i a ls i m u l a t e dr a i n f a l ld e v i c ea n dt y p i c a lu r b a nu n d e r l y i n gs u r f a c es i m u l a t i o n d e v i c e ，t h r o u g hs i m u l a t i n gt h er u n o f f - p r o d u c i n gp r o c e s so ft y p i c a lu r b a nu n d e r l y i n g s u r f a c e ，s t u d i e dt h ec u r v eo fr u n o f fu n d e rd i f f e r e n tr a i n f a l la n ds l o p ec o n d i t i o n s ， o b t a i n e dc o r r e s p o n d i n gr u n o f fc h a r a c t e r i s t i cv a l u e s ，a n do nt h i sb a s e ，s i m u l a t e dt h e p r o c e s so fr u n o f fr e d u c t i o no fu r b a ni m p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c ef l o w i n gt h r o u g h p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c e ，d i s c u s s e dt h ea r e ar a t i ob e t w e e ni m p e r m e a b l ea n d p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c eu n d e rd i f f e r e n tr a i n f a l la n ds l o p ec o n d i t i o n s ，a n a l y z e dt h e s i n g l ea n dm u l t i - f a c t o r si m p a c tl a wo nr u n o f fr e d u c t i o no fi m p e r m e a b l eu n d e r l y i n g s u r f a c e t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rt h ev e s t e dc o n d i t i o n so ft h ee x p e r i m e n t ，t h ec r i t i c a la r e ar a t i ob e t w e e n i m p e r m e a b l ea n dp e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c eu n d e rd i s p e r s e dw a t e ri n l e tm o d ea n d c e n t r a l i z e dw a t e ri n l e tm o d ea r e5 ：1a n d4 ：1r e s p e c t i v e l y t h ea r e ar a t i oh a san e g a t i v e c o r r e l a t i o nw i t ht h er u n o f fr e d u c t i o ne f f e c t so ft h ei m p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c ew i t h p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c e ，t h er u n o f fr e d u c t i o ne f f e c t su n d e rd i s p e r s e dw a t e ri n l e t m o d ei sh i g h e rt h a nt h ec e n t r a l i z e dw a t e ri n l e tm o d eu n d e rt h es a m ea r e ar a t i oa n d d i f f e r e n tw a t e ri n l e tm o d e w h e nt h er a i n f a l lc o n d i t i o n sa n ds l o p eo fp e r m e a b l e u n d e r l y i n gs u r f a c er e m a i nu n c h a n g e d ，t h ee f f e c to r d e ro ft h et w of a c t o r so nr u n o f f r e d u c t i o ne f f e c t si si ns e q u e n c eo fa r e ar a t i o w a t e ri n l e tm o d e ( 2 ) t h er a i n f a l li n t e n s i t yh a san e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h ec r i t i c a la r e ar a t i ou n d e r t w ow a t e ri n l e tm o d e ，t h ec r i t i c a la r e ar a t i ou n d e rd i s p e r s e dw a t e ri n l e tm o d ea r ei n s e q u e n c e o f 6 ：1 ( i - o 6 0 m m m i n ) = 6 ：1 ( i = 1 0 7 m m m i n ) 5 ：l ( i = 1 4 3 m m m i n ) 重庆火学硕十学位论文 4 ：1 ( 1 2 1 9 2 m m m i n ) ，t h ec r i t i c a la r e ar a t i ou n d e rc e n t r a l i z e dw a t e ri n l e tm o d ea r ei n s e q u e n c e o f 5 ：l ( i = o 6 0 m m m i n ) = 5 ：1 0 = 1 0 7 m m m i n ) 4 ：1 ( i = 1 4 3 m m m i n ) 3 ：1 ( i = 1 9 2 m m m i n ) t h er u n o f fr e d u c t i o ne f f e c t su n d e rd i s p e r s e dw a t e ri n l e tm o d ei s h i g h e rt h a nt h ec e n t r a l i z e dw a t e ri n l e tm o d eu n d e rt h es a m ea r e ar a t i oa n dd i f f e r e n t r a i n f a l lc o n d i t i o n s w h e nt h es l o p eo ft h ep e r m e a b l e u n d e r l y i n gs u r f a c ei sc e r t a i n ，t h e e f f e c to r d e ro ft h et h r e ef a c t o r so nr u n o f fr e d u c t i o ne f f e c t si si ns e q u e n c eo fr a i n f a l l c o n d i t i o n s a r e ar a t i o w a t e ri n l e tm o d e ，a m o n gt h e mr a i n f a l lc o n d i t i o n sa n da r e ar a t i o h a v ean e g a t i v ec o r r e l a t i o nw h i l ew a t e ri n l e tm o d eh a sa p o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hr u n o f f r e d u c t i o nr a t eo fi m p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c e ( 3 ) t h ei m p a c to ft h ep e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c es l o p eo nt h ec r i t i c a la r e ar a t i o u n d e rt w od i f f e r e n tw a t e ri n l e tm o d eh a sac e r t a i nb o u n d a r yl a w ，i ti ss h o w na s ：w h e n t h es l o p ei sl e s st h a n15 0 ，t h ec r i t i c a la r e ar a t i ou n d e rd i s p e r s e dw a t e ri n l e tm o d ea r ei n s e q u e n c eo f5 ：1 ( 5 0 ) - 4 ：1 ( 15 0 ) ，t h ec r i t i c a la r e ar a t i ou n d e rc e n t r a l i z e dw a t e ri n l e tm o d e a r ei ns e q u e n c eo f 4 ：1 ( 5 。) - 3 ：1 ( 1 5 。) ，w h e nt h es l o p ei sg r e a t e rt h a n1 5 。，t h ec r i t i c a la r e a r a t i ou n d e rd i s p e r s e dw a t e ri n l e tm o d ea r ei ns e q u e n c eo f4 ：1 ( 15 。) 一5 ：1 ( 30 。) ，t h ec r i t i c a l a r e ar a t i ou n d e rc e n t r a l i z e dw a t e ri n l e tm o d ea r ei ns e q u e n c eo f3 ：1 ( 1 5 。) - 4 ：1 ( 3 0 。) t h e r u n o f fr e d u c t i o ne f f e c t su n d e rd i s p e r s e dw a t e ri n l e tm o d ei sh i g h e rt h a nt h ec e n t r a l i z e d w a t e ri n l e tm o d eu n d e rt h es a m ea r e ar a t i oa n dd i f f e r e n ts l o p e w h e nt h er a i n f a l l c o n d i t i o ni sc e r t a i n ，t h ee f f e c to r d e ro ft h et h r e ef a c t o r so nr u n o f rr e d u c t i o ne f f e c t si si n s e q u e n c eo fs l o p e a r e ar a t i o w a t e ri n l e tm o d e ，a m o n gt h e ms l o p ea n da r e ar a t i oh a v e an e g a t i v ec o r r e l a t i o nw h i l ew a t e ri n l e tm o d eh a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hr u n o f f r e d u c t i o nr a t eo fi m p e r m e a b l eu n d e r l y i n gs u r f a c e k e yw o r d s ：r u n o f f r e d u c t i o n ；t h ec r i t i c a la r e ar a t i o ；a r t i f i c i a ls i m u l a t e dr a i n f a l l ；u r b a n u n d e r l y i n gs u r f a c e i v 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 城市化影响 城市化是当今社会发展的一大主题，也是现代文明发展不可逆转的走向。近 年来随着工业化步伐的加快，中国城市化水平也不断提高。据国家统计局提供的 数据显示，从1 9 9 0 年到2 0 1 0 年，我国的地级市数量由1 8 8 个快速增加到2 8 7 个【l 】。 目前我国正以世界罕见的速度推行城市化，城市化率已超4 7 ，是近3 0 年来城市 化率增长最快的国家之一，2 0 1 1 年我国城市地区的经济对国内生产总值的贡献率 己经超过7 0 ，全国城镇人口达到6 9 亿人，城镇人口占总人口的5 1 2 7 ，预计 到2 0 2 0 年前后可达到6 0 左右拉j 。 城市化使社会经济飞速发展，城市规模不断扩大，城市人工建筑物不断增加， 但城市化的发展同时也带来了城市水资源短缺，雨洪灾害及水环境污染等问题， 并引起了一系列的水文效应，详见图1 1 【3 j ： l 城市化l i 上1 l 人口密度增加建筑物密度增 1 l1 l上上 需水量增加 废污水增加 不透水面积增加排水系统改变 1r 1 l上城市气候变化 地下水补给量减少暴雨水质恶化 1r 1r 径流增大 流速增加 v 上上 基流减少受纳水体质量下降 洪峰流量增大l l 汇流时间缩短 上上 水资源问题 污染控制问题洪水控制问题 图1 1 城市化的水文效应 f i g 1 1h y d r o l o g i c a le f f e c to fu r b a n i z a t i o n 城市化引起的水文现象主要表现在以下几个方面： 对水循环的影响 由于城市的快速发展，大面积的天然植被和土壤被街道、工厂、住宅等建筑 重庆人学硕+ 学位论文 物代替，使不透水下挚面面积同益增加，城市下挚面的滞水性、渗透性、热力状 况发生了变化。城市降雨后，截留、填沣、下渗、蒸发量减少，而地表径流量却 增大，地下径流也不断减少。城市化前，蒸发量占4 0 ，地面径流量占1 0 ，入 渗地下水占5 0 ；城市化后，蒸发量占2 5 ，地面径流占3 0 ，屋顶径流占1 3 ， 入渗地下水占3 2 【4 】。由此可见，城市化对水循环要素量的变化影响显著，它们的 变化随城市的发展，不透水下挚面面积的增大而增大，不透水面积的百分比越大， 土壤下渗量越小，地面径流量越大。图1 2 说明了城市化进程中，城市水循环的变 化过程。 纂虢。审 潮醚丛溆。曩妞是姚。 aa 黼a j ! 薹墅二薹! !豳笺 2 0 h 科# i 瑚 f i “l m u w 参101m,91a)lnonf f ) nn lw 蘩f j i t 繁孤 m ，o n罐“ 15 d e e p j d e t j p i 攀 ；州l l l l ；1 t l o f l i n f i5 u 融 u f 3 5 - 5 0 i m p e r v i o u ss u r f a c e7 5 - 1 0 0 i m p e r v i o u ss u r f a c e 图1 2 城市化对水循环的影响【5 f i g 1 2t h ee f f e c t so nw a t e rc y c l eo fu r b a n i z a t i o n 对水文过程的影响： 1 ) 对城市降雨的影响 受城市化影响，城区的降雨量呈波动增加趋势。美国v p s i n g h 教授对城市气 候和降雨变化进行了研究【6 】，结果表明城市化地区的降雨量比农村地区的降雨量多 5 一1 0 ；国内有关城市化对降雨影响的研究并不多，但其结论大致相同。马风莲 j 等利用承德市和承德县1 9 6 4 2 0 0 7 年逐月降雨资料，采用趋势分析等统计分析方 法，对比分析了承德市城区、城郊降雨变化特征及其城市化的可能性影响。结果 表明：城市化进程加快时期城区及城郊的年降雨量和季降雨量的变化速率出现明 蘸鼹膜毯嚣氍譬群_璧n 篓圣t 上。：?h#。、订畦上：曩澄 1 绪论 显差异，年降雨量城区呈增加趋势，而城郊则呈明显减少趋势；各季降雨量城区 相对城郊呈增加趋势。周丽英【8 】等对上海城区、城郊降雨量变化分析发现：上海城 区与城郊降雨量存在显著性差异，近4 0 a 城区降雨增长率为郊县的1 5 倍，城区与 城郊降雨量的显著性差异呈扩大趋势。李蝶鹃和刘俊教授【9 j 对天津市区的降雨量进 行了分析，结果表明：城市化对市区暴雨出现频次及各时段设计暴雨量有显著增 加的影响，城市工业、市政建设的高速发展使市区的年降雨量明显增加，同时使 汛期的小雨事件明显增加，降雨量年内分配呈现均化趋势，但并不明显。李娜【l 0 】 等对苏州的降雨特征进行分析也得l ! l 卡i 似结论：城市化对年雨量、汛期雨量和最 大日雨量有不同程度的增加作用，城市化使不同类型的降雨次数增加，其中对暴 雨的次数的影响最大。任春艳】等研究表明受城市化影响，城区的降雨量呈波动 增加趋势，且城区降雨量比郊区多，存在城市雨岛现象。 2 ) 对城市下垫面条件的影响 城市化后流域不透水面积不断增加，河道断面的流速也有所改变。流域的天 然下垫面植被生长状况良好，下渗性能较好，但城市化使其改变为楼房的屋顶、 道路、街道、高速公路、机场、停车场、公园及建筑工地等，不透水下垫面面积 大量增加，使天然的径流过程改变为具有城市特性的径流过程【l2 | 。城市化进程中， 天然河道被截弯取直，疏浚整治，设置路旁边沟，雨水管网，排洪沟渠，增加了 河道汇流的水力学效应；同时河道漫滩被挤占使河槽过水断面减小行洪能力减弱， 据估计不断扩大不透水面积和盲目地利用河滩地，百年一遇的洪水可增加6 倍【3 j 。 3 ) 对雨洪径流的影响 城市不透水面积随着城市化的发展不断增加，由于不透水地表的入渗量几乎 为零，导致城市地表径流系数增大，雨水汇流速度提高，从而引起城市降雨径流 总量的增大和径流洪峰提前 1 3 】，行洪历时缩短、洪水总量增加，洪水过程线呈现 峰高坡陡的趋势 1 1 。据e s p e y 等的研究【4 】，城市化地区洪峰流量较城市化前增加2 倍，峰现时间缩短1 3 。 当前，随着城市化的不断发展，城市防洪排涝面临着许多新情况、新问题， 造成的损失也不断加大，除全球气候变化，局部暴雨增多等自然因素外，城市化 带来的城市下垫面条件和水文特性的变化也不容忽视【l4 1 ，“暴雨淹城”的现象时有 发生。 1 1 2 城市内涝灾害 由于强降雨或连续性降雨超过城市排水能力导致城市内产生积水灾害的现象 称为城市暴雨内涝。内涝灾害的发生会导致城市交通、网络、通信、水、电、气、 暖等生命线工程系统瘫痪，社会经济活动中断，其灾害损失已远远大于因建筑物 和物资破坏所引起的直接经济损失【l 5 | 。 重庆人学硕+ 学位论文 近年来，我国多个大中城市屡遭内涝灾害袭击，造成了严重的人员伤亡和财 产损失。山东济南于2 0 0 7 年7 月1 8 日突降大暴雨，3 h 内最大降雨量达n 1 8 0 m m ，多 人因此丧生，直接经济损失达1 2 亿元 1 6 。深圳市2 0 0 8 年6 月遭遇了百年一遇的大暴 雨，数十万人受灾，全市内涝水浸达1 0 0 0 多处，近万家企业被迫临时停业【1 7j 。2 0 0 8 年8 月上海市遭遇一场局部雨量超出百年一遇标准的强雷暴雨，造成中心城区1 5 0 多条马路积水，超过1 1 万户民居进水，徐家汇等地一度交通严重拥堵【l 引。安徽芜 湖市2 0 0 9 年6 月降倾盆大雨，最大- d , 时降雨量达6 0 5 m m ，由于暴雨来势猛，瞬间 雨量强度大，城市主要道路均出现积水，部分路段积水严重，低洼处积水深达 3 0 4 5 c m 1 9 】。2 0 1 0 年6 月1 3 日以来，我国南方多次出现强降雨过程，截至2 0 日1 6 时， 强降雨过程己造成福建、江西、浙江、湖南、广东、广西、贵州、四川等省( 自 治区) 1 5 3 2 9 万人受灾，1 4 7 人死亡，9 3 人失踪，紧急转移安置人口1 0 9 4 万人；房 屋倒塌8 8 万间，损坏1 7 8 万间；直接经济损失达1 9 7 3 亿元【2 。 2 0 1 0 年，我国南方城市历次强降雨波及范围及影响详见表1 1 ： 表1 1 我国南方城市历次强降雨波及范围及影响 ! 呈! ：! ：! ! 坠宝! 兰! ：翌望量1 2 呈垒呈璺堑翌p 呈12 1 璺! ! p ! 宝i 2 坚! 垒曼呈：2 翌i 翌! ! ! ! i 翌坚! 垒呈2 1 兰2 旦! 皇竺垒i 翌呈 次数时间范同及影响 4 1 绪论 国家防汛抗旱总指挥部7 月2 7 日通报，2 0 1 0 年以来，2 8 个省( 区、市) 遭受洪涝 灾害，受灾人口达1 2 4 亿人，8 2 3 人死亡、4 3 7 人失踪。洪涝灾害已造成6 8 万间房屋 倒塌，农作物受灾累计达7 8 7 4 千公顷，直接经济损失达1 5 4 1 亿元【2 1 1 。 2 0 0 7 年1 月上旬，巴西东南部地区持续大雨，引发洪水和泥石流，造成至少5 0 人丧生，约1 4 7 j 人被迫撤离。1 月中旬，暴雨袭击斯里兰卡，并引发洪水和泥石流， 造成1 4 人丧生。1 月1 8 日，猛烈暴风雨席卷欧洲多国，英国南部、法国北部、荷兰、 德国和捷克等国遭到暴雨和强风的袭击，造成至少4 7 人死亡。1 月中下旬，安哥拉 首都罗安达地区连遭暴雨袭击，造成5 3 人死亡，2 5 人失踪。2 月中下旬，巴基斯坦 大部地区连续降雨，引发泥石流和房屋坍塌，公路交通受到严重影响，造成至少 2 0 余人丧生。印度尼西亚频繁遭受暴雨袭击。其中，2 0 0 6 年1 2 月下旬，暴雨引发 洪水和泥石流，造成至少1 0 9 人丧生、2 0 5 人失踪。2 0 0 7 年1 月中旬，暴雨连续袭击 印度尼西亚北部和马来西亚南部，并引发洪水和泥石流，印度尼西亚至少1 4 人死 亡，2 3 人失踪，多人受伤；马来西亚至少1 1 人丧生，2 0 人失踪。2 月上旬，印度尼 西亚雅加达地区连日暴雨引发洪灾，至少有6 6 人丧生。2 0 0 6 年1 2 月一2 0 0 7 年2 月，暴 雨洪涝造成玻利维亚多人死亡，5 万多名居民严重受灾。1 月至2 月，秘鲁持续遭受 暴雨和冰雹袭击，2 7 人死亡，4 3 人受伤，约4 8 万人受灾。莫桑比克因遭暴雨袭击， 约4 0 人死亡，1 2 万人无家可归【z 川。 2 0 1 0 年6 月1 6 日，塞尔维亚首都贝尔格莱德遭遇暴雨侵袭，穿行贝尔格莱德 市的多瑙河水位己超过警戒线。德国明镜周刊网站报道，洪水洪峰已经沿着 奥德河以及维斯杜拉河向北逼近德国，与此同时在波兰，肆虐的洪水冲破河堤淹 重庆大学硕士学位论文 没了大量村镇，法国东南部山洪暴发，至少2 0 人死亡，洪水导致当地大面积停电， 约1 0 万居民受到影响，当地的公路和铁路交通也受到严重影响怛3 | 。 1 1 2 城市内涝成因及对策 部分学者认为，形成城市内涝的最大原因是高楼大厦数量急速膨胀，原本降 雨可以经草地、水塘直接渗透到地下，如今却被不透水的柏油水泥阻挡，不得不 在地面积攒起来【2 制。 北京建筑工程学院教授李俊奇、北京市水务局局长程静等 2 5 】对城市雨洪内涝 的形成原因进行了分析，李俊奇指出：“城市洪涝包括自然和人为两方面因素”。 在自然方面，李俊奇称，极端暴雨事件是造成城市洪涝的原因之一。程静 则进一步解释，暴雨的形成正是城市热岛效应的体现。他说，原来降雨一般会在 山前迎风面出现，而现在迎风面变成了城市大楼，所以在城市中就会下得很大。 此外，城市的快速发展造成路面日趋硬化，严重破坏城市径流系数。据程静介绍， 城市化前即自然状态下径流系数一般为o 2 o 3 ，而城市开发后径流系数则可达 o 6 0 7 甚至更高。也就是说降雨后原本可以被自然地面吸收、渗透的“损失水量” 大大减少，大部分雨水转化为地表径流，详见表1 2 【2 6 1 。在汇水面积和暴雨强度相 同的条件下，地面的径流系数越大，雨洪流量就越大。r u i s o n gq u a n 等【2 7 】对上海 浦东新区的城市内涝风险评估研究表明，随城市化不断发展，土地利用布局和结 构也不断变化，新区的地表径流深度较之以前大大增加。在同样最高日降雨为 2 0 0 r n m 的条件下，2 0 0 6 年地表径流深度与1 9 9 4 年相比增1 3 1 9 m m 。周玉文等 2 8 1 在 北京市百万庄小区所做的实验表明：在1 h 内新、旧沥青路面的降雨损失分别仅为 草地的6 和1 2 ，分别为裸露土地面的1 4 和2 6 ；而屋面的降雨损失量更小，一 般都仅为1 - 2 m m 。据北京水利科学研究所的两次实测仅有0 7 0 m m 齐1 0 9 4 m m 。根据 以上数据可以做如下估计：如果流域内城市不透水面积达到城市面积的2 0 ，只要 在3 年一遇以上降雨强度时，其产生的流量就可能相当于该地区原有流量的1 5 2 倍 【2 9 1 。 表1 2 不同下垫面降雨后的损失水量 ! 璺! ：! ：兰! 垒宝兰垒! 竺1 2 1 1 曼12 1 垒i ! ! 堕竺! 旦呈璺竺! z i 翌g ! 旦垡! 堡垒垒竺翌垫! ! ! ! 下垫面新沥青旧沥青混凝土 种类路面路面方砖 红砖土地面 草地 损失水m m2 85 49 2 在人为方面，李俊奇表示，城市洪涝则与城市规划、排水系统设计理念、 管系设计标准、政策以及后期管理等诸多因素相关。例如城市管网的不完善等， 1 绪论 由于城市开发总是从中心区慢慢向周边发展，城市规划部门也不能完全预料到城 市发展的最终程度，在管道建设初期，周边区域没有完全规划好，导致排水系统 的建设无法一步到位。后来，随着新开发区域逐渐成为城市中心区，以前的排水 管网显然不能满足急剧膨胀的排水需求。因此城市前期整体规划必须对城市水系 有较充分和全面的调查，对城市未来发展走势有较准确的预测，从而达到合理布 设城市排水管网的目的【3 。 目前，为解决城市内涝灾害，国内外专家进行了大量的研究，总结了许多行 之有效的对策。最终发现，城市雨洪控制利用技术从雨水利用、减少雨水径流量、 径流流速等思路出发，通过合理的生态雨水控制利用工程措施达到消减洪峰流量， 延缓峰现时间能有效提高现有排水体系排洪能力的效果。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市雨洪控$ 1 1 禾q 用技术 城市雨洪控制利用技术是从2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代逐渐发展起来的，是将雨 水资源化利用与雨洪灾害防范相结合的系统工程。城市雨洪利用技术与单纯缺水 地区雨水收集系统不同，在利用雨水资源和节约用水的同时，还具有减缓城区的 雨洪灾害，回补地下水，控制雨水径流污染、改善城市生态环境等广泛的意义p 。 2 0 世纪8 0 年代初期，“国际雨水收集系统协会( i r c s a ) ”正式成立，雨水利用将成为 解决2 1 世纪世界水资源短缺的有效措施之一【3 2 1 。近2 0 年来加拿大、德国、美国、 法国、墨西哥、意大利、印度、土耳其、以色列、泰国、日本、苏丹、澳大利亚、 也门等约4 0 多个国家和地区在城市和农村开展了规模不一的雨洪控制利用研究， 并召开过十届国际雨水利用大会。其中，美国、德国、日本等经济发达、城市化 进程发展较快的国家，城市雨洪控制利用技术发展较快。 美国的雨洪控制利用技术以提高天然入渗能力为宗旨，在2 0 世纪8 0 年代初对 所有新开发区强制实行“就地滞洪蓄水” 3 3 】。针对城市化引起的河道下游洪水泛滥 问题，美国政府相继提出了最佳管理措施( b m p s ，b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 及低影 响开发体系( l i d ，l o wi m p a c td e v e l o p m e n t ) 。b m p s 主要关注的是年均径流量而非 偶然的暴雨事件，要求对较小的降雨事件如2 5 4 c m ( 也即径流水质控制容积) 以下的 降雨实施有效控制，约占当地年降雨事件和径流量的9 0 。总体上说，b m p s 体系 是一种末端处理方式，控制措施效率较低，投资较大，且在用地比较紧张的城市 使用范围受到限制。l i d 综合考虑流域类型、土地利用、污染类型、环境容量等选 择适宜的绿色处理方法，从技术实施尺度角度来看，b m p s 主要是大尺度的集中处 理，而l i d 主要是进行小尺度的分散处理。l i d 是对b m p s 的一次更新，l i d 需要的 空间更少，方法更为生态，技术更为科学，开发费用更为低廉p 4 i 。 重庆大学硕士学位论文 德国是城市雨洪控制利用技术发展较为发达的国家之一，上个世纪初期德国 的部分城市采用屋面雨水集蓄系统、雨水截污与渗透系统及生态小区雨水利用系 统三种典型的雨水利用措施 3 1 】，将收集的雨水经简单处理达到杂用水水质标准后， 用于街区公寓的厕所冲洗和庭院浇洒，可节约生活饮用水5 0 【35 1 。目前德国的雨 洪控制利用技术已经达到了标准化和产业化，市场上存在大量收集、过滤、储存、 渗透雨水的产品。德国还制订了一系列有关雨水利用的法律法规，如1 9 8 9 年出台 的“雨水利用设施标准( d i n l 9 8 9 ) ”规定，除特定情况外，降雨不能直接排放到公共 管网中，开发后的径流量不得高于开发前的径流量，即实现“排放零增长”；在新建 小区之前，无论是工业、商业还是居民小区，均要求设计雨洪利用项目，否则政 府将征收雨水排放设施费和雨水排放费【3 6 1 。 日本是亚洲重视雨洪管理最典型的国家之一【37 1 ，早在1 9 6 3 年日本就开始兴建 滞洪及调蓄雨水的地下式蓄洪池，并将收集的雨水用作喷洒路面、灌溉绿地等城 市杂用水，2 0 世纪8 0 年代初期日本更加重视环境、资源的保护和倡导可持续发展 的理念【3 引，并开始推行雨水贮存渗透计划，实施雨水贮存渗透计划可有效地补充 涵养地下水，复活泉水，恢复河川基流，改善环境和生态，并逐步实现规范化和 标准化，至今已有大量的工程应用，取得了良好的环境效益 39 1 。1 9 9 2 年颁布的“第 二代城市排水总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面纳为城市总体规划的 组成部分，规定新建、改建的大型公共建筑物必须设置雨水下渗设施【4 0 1 。 英国在1 9 9 9 年5 月更新了国家发展战略 4 l 】，各地方也相继制定t 2 1 世纪议程， 为解决传统的城市水体制产生的洪涝频繁、水体污染严重、水资源短缺以及对环 境的破坏等问题，建立了可持续城市排水系统( s u s t a i n a b l eu r b a nd r a i n a g es y s t e m s ， s u d s ) 。s u d s 在径流产生到最终排放整个链带上分级削减、控制( 渗透或利用) 产 生的径流，而不是通过管理链的全部阶段来处置所有的径流。s u d s 的技术措施类 似于b m p s 和l i d 中的技术，也可以分为源头控制、中途控制和末端控制三种途径， 以及工程性、非工程性两类措施，这些技术和措施相互配合贯穿于整个雨水的管 理链，由原来的只对城市排水设施的优化上升到对整个区域水系统的优化，通过 综合措施来改善城市整体水循环【4 2 。 我国城市雨洪利用起步较晚，在理论与技术方面尚不十分成熟【4 3 1 ，发展初期 仅局限于缺水地区，以水窖、塘坝等一些小型的、局部的非标准性方式应用，如 山东的长岛县、大连的獐子岛和浙江省舟山市、辽宁省葫芦岛等雨水集流利用工 程【4 训。大中城市的雨水利用基本处于探索与研究阶段，但是随着城市化和经济的 高速发展，我国一些发达城市如北京、天津、青岛、上海、大连、南京、武汉、 成都、哈尔滨、沈阳、太原、深圳、西安等都相继开展研究与工程应用，显示出 巨大的发展潜力。 1 绪论 北京市水利局和德国埃森大学的“城市雨洪控制与利用”示范小区合作项目于 2 0 0 0 年启动，于2 0 0 5 年2 月完成并通过鉴定，总投资达6 0 0 0 万元。 2 0 0 1 年国务院批准了“2 1 世纪初期首都水资源可持续利用规划”该计划包括了 雨洪控制利用规划的内容；北京市政府6 6 号令中明确规定开展市区的雨水利用工 程，在2 0 0 8 年的北京奥林匹克场馆建设中采纳雨水利用技术。 2 0 0 2 年，中国农业大学在北京市节约用水办公室的资助下开展了城市雨洪利 用的研究。北京建筑工程学院和北京市节约用水办公室也开展了“北京市城区雨水 利用技术研究及雨水渗透扩大实验”项目的研究。上海、深圳、天津等城市也相继 开展了雨洪利用的研究和应用。 2 0 0 3 年3 月经市政府同意，北京市规划委员会和水利局联合发布的“关于加强 建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定”对雨水利用工程做出了明确规定。要求 北京市行政区域内的任何新建、改建、扩建工程均应进行雨水利用工程设计和建 设；建设工程的附属设施应与雨水利用工程结合；景观水池的设计应兼顾雨水调 蓄，草坪绿地的设计应逐步建设为雨水滞留设施”。 近期发布的绿色建筑评价标准中也明确提出了雨水利用的相关条款。 北京市政府办公大院中于2 0 0 5 年5 月建成了一个雨水收集利用系统，表明了政 府积极带头推行循环经济、建设节约型社会的决心。目前北京城市雨水利用项目 己进入实施推广阶段，成为我国城市雨洪管理技术的先锋。随着水管理体制和水 价的科学化和市场化，通过总结前期雨水利用工程的经验，可加快实现我国城市 雨洪管理技术标准化和产业化的步伐【4 5 1 。但总的来说，现代意义的城市雨洪控制 与利用在我国起步较晚，且技术较发达国家落后，缺乏系统性和规范性，更缺少 相应的法律、法规保障体系。 综合国内外已有研究，目前城市雨洪控制利用主要有就地径流控制、中水回 用及调控排放三种形式，由于中水回用和调控排放存在成本高、雨水利用效益不 明确而造成资