城市下垫面地表径流过程模拟研究与分析

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1、城市下垫面地表径流过程模拟研究与分析-->第一章绪论1.1研究背景与意义随着经济社会的快速发展及城市化程度的不断提高，改变了下垫面原有的使用性质，也改变了城市的水文机制。其主要可以表现为：不透水地表面积增加，雨水的滞留和下渗量减少，地表雨水径流量增加，洪峰流量增大，峰现时间提前，径流系数增大，进而导致严重的城市内涝灾害和雨水径流污染，引发一系列的水文效应[1]，见图1-1所示。城市水文机制的改变主要表现在地下水补给量减少及地表径流在流量、频率、持续时间和水质方面的表现[2]。例如：1999年北京的地下水位平均为

2、12米左右，到2010年，地下水位平均为24米左右，十年之间下降12米左右，已形成了2650平方公里的沉降区。截止到2010年，北京市累计地面沉降量超过200mm的面积为2474.70km2，占北京市平原面积的三分之一。究其原因主要是：一方面地下水过度开采，另一方面由于城市化的影响导致城市下垫面的改变，地下水得不到及时的补充。不透水路面面积的增加，导致地下水补给量减少，地表径流量增加，曼宁系数减少，从而加快雨水汇流过程，增大洪峰流量及峰现时间提前，进而使水文曲线发生大的变化，图1-2是城市化前后地表径流的变化。

3、由于城市化的速度加快，改变了城市下垫面特性，主要特征是不透水面积增加和河道断面流速改变。城市中的建筑、广场和不透水道路等大量增加，绿地、水体等相应减少，尤其是居民日常生活、工厂生产和交通运输所排放的大量热能和废气，从而形成城市“热岛”效应。由于下垫面地表表面温度和暖湿气流的上升，易导致极端气候的产生，尤其是暴雨天气的发生。随着城市规模的不断扩张，城市空间的立体开发、地下停车场等城市现代化标志的建造，减弱了城市整体对暴雨洪涝灾害的承受能力，进而加大了洪涝灾害的损失。在城镇化的过程中，改造和治理天然河流，将天然河流

4、截弯取直，疏通整治，在天然河道旁设立路旁边沟，铺设雨水排除系统，排洪渠道等，增加河流汇流的水力学效应。同时河道漫滩的面积在不断减少，使河道过水断面减小，行洪能力减弱。据估计，盲目地增加不透水面积和利用河滩地，发生百年一遇的洪水概率增加6倍[3]。……..1.2国内外研究进展相对于国外的暴雨径流研究，国内对城市暴雨径流的研究起步较晚，但近年来我国学者在国外学者的研究基础上也取得了很多有益的成果。岑国平等[5]（1993）根据城市降雨径流的基本规律，提出了我国首个完整的城市雨水管道径流计算和设计模型（SSCM）；刘

5、俊[6]（1997）针对传统的城市水文计算方法不能满足城市化地区的水文计算，在SM模型的基础上提出了适用于城镇化地区水文水力计算和模拟的城市雨洪模型，该模型通过对天津市试验区产汇流过程的模拟计算验证了其在城市防洪与排水规划设计中的适用性；周玉文等[7]（1997）根据城市雨水在下垫面上的径流特征，把径流分为两个过程，一个是地表径流过程，一个是管内汇流过程，雨水经过地表径流流入雨水管网，雨水管网的汇流过程采用非线性运动波，建立了一种城市雨水径流模型（CSYJM），该模型可用于雨水排除系统的设计、模拟和排水系统工况

6、分析，通过与小区域的实际测量值相比，该模型的模拟值与实际测量值几乎相同，由于该模型目前只在小区域应用，所以在大范围的模拟计算需要进一步验证。………第二章城市地表产汇流特性分析2.1城市降雨地表径流形成过程分析要形成城市降雨地表径流，一般要经过一下三个过程：降雨过程、扣损—产生地面径流过程（产流过程）和地面汇流等，形成地表径流首先是降雨过程，它的大小是随时间和空间变化的，因此降雨量的大小和其在时空上的分布决定了地表径流的变化过程和径流量大小。扣损—产生地面径流过程（产流过程）是指降雨刚发生时，有部分雨水会被植被截

7、留，而且下地面的土壤比较干燥，雨水开始渗入土壤时，水分被土壤颗粒吸收及充填土壤孔隙，土壤的入渗量比较大，开始时如果入渗量大于降雨量，雨水全部用于下垫面的下渗和损失。随着降雨历时的增加和降雨强度的加大，当下垫面入渗量小于降雨量后，降雨量与下垫面入渗量的差值为余水，在地面开始积水并产生地面径流[44]。汇流过程是指产生的地表径流流入排水口的过程，由于地表覆盖不同，汇流过程的汇水时间也不一样，当流域内的坡度较大或渗水率较小的地方，会首先形成地面汇流，随着降雨量的增加和填满各种各样的坑洼后，汇流范围逐渐扩大到整个流域，

8、产生的地表径流经地表流入雨水口，最后经雨水管网排入水体。……….2.2城市地表产流特性及计算方法城市地表产流与一般流域存在较大的区别，其主要表现在以下4个方面：随着城镇化水平的不断提高，城市下垫面硬化面积不断增加，使得很多的流域被不透水面积（如屋顶、混凝土街道、人行道、街道、停车场等）所覆盖，这些硬化面积占整个城市的比例在60%以上。由于城区硬化地表的损失很少，下渗量和洼地蓄水量几乎没