城市暴雨积水成因分析与模拟

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1、http://www.paper.edu.cn城市暴雨积水成因分析与模拟龚伟河海大学水文水资源学院，江苏南京（210098）E-mail：ecvita@gmail.com摘要：随着城市化的发展，暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上，运用数值模拟技术，建立了城市产汇流、管网有压流和泵站控制等模型来模拟积水现象。并用上海市徐汇区进行了验证，证明模拟结果是良好的。关键词：城市暴雨；积水原因；城市排水；积水模拟1.引言近20年来，随着我国城市化进程的迅猛发展，城市地区由于人口密集，物资和财产密度不断加大等特点，高强度暴雨积水形成的洪涝灾害对城市化地区产生的威胁和带来的损失愈来愈大。灾害

2、一旦发生，不仅给人们的日常生活带来不便，严重的话还可能危及人民和集体的生命和财产安全，破坏城市整体形象。通过对暴雨积水形成原因的分析，可以找出防汛工作中的薄弱点与空白点，由此加以改进，减轻灾害带来的损失。同时，如何对城市地区地面积水的发生区域及形成过程进行预测，以有效地分析涝情可能造成的后果，及时可靠地制定城市排涝减灾对策和措施是日前城市防汛研究和实践的重要课题。2.城市暴雨积水成因分析2.1城市地区的流域特性相对于天然流域而言，城市地区的水文气象特性和产、汇流机制远较前者复杂。首先，城市地区由于城市化影响产生的“热岛”、“尘罩”和“雨岛”效应，影响了区域的降雨特性。主要表现为汛期大暴雨次数及

3、在大暴雨中降水总量和平均雨强增大，使得城市地区[1][2]暴雨出现的几率明显增加。其次，城市化的过程，显著改变了土地利用特性，致使城市地区与天然流域的产汇流特性大为不同。土地利用特性的改变突出表现为建筑物密集、高楼林立、道路纵横交错，绿化率和水面率降低，增加了不透水面积，天然透水面积的比率却大幅下降。由此直接改变了当地雨洪径流的形成条件，导致径流总量增加，流速加大；峰量增高，峰现提前，历时缩短。再次，为了迅速排出城市地区产生的雨水径流，市政部门兴建了排水管网系统。加上地面沉降等因素，低洼区不得不依靠泵站动力抽排的强排水模式。这使汇流速度显著加快，而入河强度明显提高。最后，我国城市在建设发展过程

4、中，往往存在与水争地，侵占河道，破坏水系的现象，致使城市地区水面率大幅降低。结果使得城市滞蓄雨洪的能力急剧减弱，影响城市的防洪安全。2.2城市地区暴雨积水的形成原因[3-5]综合来说，城市暴雨积水的产生主要有以下三个方面的原因：（1）自然原因：○1全球气候变化和城市化等原因，暴雨次数增多和强度加大。○2沿海城市多属感潮河网地区，地势平坦，如暴雨时恰逢外河道发生高水（潮）位时，会影响到城市排水能力，内河-1-http://www.paper.edu.cn水无法外排。同时，为保护防汛墙设施安全，防止河水漫溢，防汛泵站停泵，从而造成暴雨积水。特别是遭遇风、暴、潮“三碰头”时，情势更加严峻。（2）排水

5、设施抵御暴雨能力不足：○1较多老城区的设计暴雨重现期标准偏低，当遭遇超标准暴雨时，容易造成暴雨时积水。○2一些系统泵站和主干管线虽已建成，但收集支管由于种种原因尚未完善，造成实际排水能力达不到系统标准。系统中一些地区管道处排水系统的末梢，或下游管道管径偏小造成瓶颈导致积水。○3排水系统的改造，使得原有系统的服务区域范围发生变更，存在泵站与管道系统排水能力不相配套的情况。（3）人为因素：○1市区面积逐年扩大，且市区不透水面积比例迅速提高；下渗量减小，产流增大，汇流加快，形成暴雨洪水。○2长期超采地下水引起地面沉降，形成一些排水不畅、地势低洼区，容易造成暴雨积水。○3城市发展，施工建设管理不善造成

6、建筑垃圾或居民生活垃圾堵塞或淤积管道，造成排水不畅，局部地面积水成灾。○4突发因素的影响，如泵站故障停泵导致的积水。3.城市暴雨积水模拟降落在城市的雨水，除去各种损失后，沿地面、屋面及道路边沟流动，一般由雨水口进[6]入排水管网。雨水向管网出口流动的过程中，不断汇集地面及支管中的水流，直到出口。在实际处理中，根据管网的分布情况将整个汇水区域划分为若干单元区域，每个单元区域的地面径流通过雨水口集中进入排水管网。经管网汇流后，通过泵站动力或自流排入受纳水体。数值模拟的任务首先是计算各单元区域的产流和地面汇流，再将各单元区域地面径流作为管网入流，演算到管网出口。3.1城市产流及地面汇流模型在进行城市

7、地区产流分析与计算时，将城市地表划分为完全不透水A1和透水A2两类。城市的铺砌面积（包含半透水砖石铺面、有裂隙铺面、由绿地包围的铺面等，这类铺面均存在[7][8]不同程度的下渗）是这两类表面的组合。其计算方法如下：对完全不透水面积A1，其产流量可直接由降雨量P扣除洼蓄量D得出R=P−D1（1）在透水面积A2（包括铺砌面积上的透水面积）上降雨损失主要为下渗，当时段降雨强度大于下渗强度时透水面积产生径