城市雨洪特性研究及应用

城市地区的雨洪具有利害两重性，一方面，城市化改变了城市水文循环特性，从而使得城市雨洪特性改变，易引起短期内积水形成内涝；另一方面，城市雨洪是城市水资源的主要来源之一，科学合理的利用城市雨洪资源，可以节约城市水资源，保证城市功能的正常发挥。

2.2.1.1　城市雨洪的灾害性

城市化改变了城市雨洪产汇流特性，增加了城市雨洪排水系统压力，从而使得城市雨洪的灾害性更为明显，具体表现在以下几个方面。

（1）雨洪流量增加，流速加大。

城市化不但降水量增加，雷暴雨增多，而且由于不透水地面多，植被稀少，降水的下渗量、蒸发量减少，增加了有效雨量 （指形成径流的雨量），使地表径流量增加。城市化对天然河道进行改造和治理，天然河道被裁弯取直，疏浚整治，设置路旁边沟，雨水管网；排洪沟渠等，增加了河道汇流的水力学效应。雨水迅速变为径流，使雨洪流速增大。河道被挤占、束窄，也使得雨洪流速加大。

（2）洪峰增高，峰显提前，历时缩短。

图2-4　相同降雨情况下城市化前、后雨洪过程对比

由于城市化，雨洪流量增加，流速加大，集流时间加快，汇流过程缩短，城市雨洪径流增加，流量曲线急升急降，峰值增大，出现时间提前 （见图2-4）。同时由于地面不透水面积增大，下渗减少，故雨停之后，补给退水过程的水量也减少，使得整个洪水过程线底宽较窄，增加了产生迅猛洪水的可能性。城市排水管网的铺设，自然河道格局变化，排水管道密度大，以及涵洞化排水，排水速度快，使水向排水管网中的输送更为迅速，雨水迅速变为径流，必然引起峰值流量的增大，洪流曲线急升急降，峰值出现时间提前。城市化地区洪峰流量约为城市化前的3倍，涨峰历时1/3，暴雨径流的洪峰流量预期可达未开发流域的2～4倍。这取决于河道整治情况和城市不透水面积率及排水设施等。随着城市化面积的扩大这种现象也日益显著，如果城市化而又有城市雨岛效应，则洪水涨落曲线更为陡急。

此外，如果河道被挤占，洪水时过水河道缩窄，故洪水频率增加。据估计，无控制的利用河滩地和扩大城市不透水面积，百年一遇洪水可增加6倍。如北京市在20世纪50年代，连续降雨100mm，排水河道通惠河的出口流量为40m3/s，而80 年代则为80m3/s。据Stall等（1970）对美国伊利诺伊州 （Illinois）东中部不同城市化程度 （不透水面积所占百分比）地区，对雨洪排水量速度所作的观测研究指出，随着城市化级别升高，其不透水地面所占全区面积的百分比也愈大，雨水向下渗透量愈小，地表径流量愈集中，雨洪排水量洪峰愈高见表2-2。

表2-2　伊利诺伊州东中部不同城市化地区对雨洪排水速度的影响(www.xing528.com)

（3）雨洪径流污染负荷增加。

城市发展，大量工业废水、生活污水排放进入地表径流。这些污废水富含金属、重金属、有机污染物、放射性污染物、细菌、病毒等，污染水体。城市地面、屋顶、大气中集聚的污染物质，被雨水冲洗带入河流，而城市河流流速的增大，不仅加大了悬浮固体和污染物的输送量，还加剧了地面、河床冲刷，使径流中悬浮固体和污染物含量增加，水质恶化。无雨时（枯水期），径流量减少，污染物浓度增大；暴雨时 （汛期），河流流速增大，加大了悬浮固体和污染物的输送量，也加剧了河床冲刷，使下游污染物荷载量明显增加。据美国检测资料显示，河流水质污染成分50%以上来自于地表径流，城市下游的水质82%受地表径流控制，并受城市污染的影响。据2001年环境统计公报，我国废污水排放总量428.4亿t，其中工业废水排放量200.7亿t，城镇生活污水排放量227.7t，生活污水处理率只有18.5%，80%以上未经处理直接排入水域，使河流污染严重，水质恶化。此外，城市建设施工期间，大量泥沙被雨水冲洗，使河流泥沙含量增大。

2.2.1.2　城市雨洪的资源性

我国雨水资源丰富，年降雨量达6.2 万亿m3。但在城区，传统的雨水处理方式大多为直接排放。由于不透水地面比例不断增加，集蓄、利用设施缺乏，每年有大量雨水弃流排放。但实际上，雨水作为自然界水循环的阶段性产物，其水质优良，是城市中十分宝贵的水资源。只要在城市雨洪排水系统设计中，采取相应的工程措施，就可将城区雨水加以利用。这样不仅能在一定程度上缓解城市水资源的供需矛盾，而且还能有效减少城市地面雨洪径流量，延滞汇流时间，减轻雨洪排涝设施的压力，减少防洪投资和洪灾损失。

城市雨洪利用通过国内外实践证明是行之有效的。美国加州富雷斯诺市的地下回灌系统10年地下水回灌量1.34亿m3；丹麦利用城市屋顶收集雨水冲洗厕所、洗衣服的水量占居民冲厕所、洗衣服总用水量的68%，相当于居民总用水量的22%。总之，发达国家通过制定一系列有关雨水利用的法律法规，建立完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水组成的地面回灌系统，收集雨水用于冲厕所、洗车、浇庭院、人造景观、洗衣服和回灌地下水。既缓解了城市水资源的供需矛盾，又减少了雨洪灾害。

据调查，在我国严重缺水的各城市中，年均降水均在400mm 以上。如石家庄市多年平均降雨量为599mm，城市建筑物、道路等不透水铺装面的径流系数可达0.9，是形成城市暴雨径流的主产流区。按城建规划石家庄市主城区，到2005年，建筑、道路、工业等占地达119.19km2（按现代城市发展要求，其中绿地面积约占1/3，目前还达不到此数据），其中不透水面积约80km2，年均径流量为0.44亿m3；绿地面积约50km2（包括上述区域的1/3面积的绿地和特殊规划的绿地面积），径流系数为0.15～0.3，径流量0.08亿～0.16亿m3。即主城区的多年平均径流量在0.5亿m3以上，完全可以采用绿地渗透、透水地面、渗池、渗井以及蓄水池等工程，收集雨水利用、补充回灌地下水、滞洪防灾等。

绿地因表土层根系发达，土壤相对较疏松，其对降雨的入渗性能较无草皮的裸地大，经测定有草地的土壤稳定入渗率比相同土壤条件的裸地大15%～20%。另一方面草地茎棵密布，草叶繁茂，一般在地表有2cm 深水层时，水不易流失。即使在日降雨量达100mm其间暴雨量达30mm/h时，也很少看到平地草地有地表径流出流，足见草地的滞流入渗作用很强。我国现代城市小区规划规范已有要求，小区绿地面积不应小于30%，建筑物、道路占地一般为40%～50%。

建筑物、道路等不透水铺装面，暴雨的径流系数可达0.9，是形成小区暴雨径流的主要产流区。因此，可合理设计透水地面（透水地面比不透水地面投资高10%）或渗井、渗池、渗沟，减少地表径流，增加入渗量，安全、合理地将剩余径流排出。还可以因地制宜的修建雨水蓄积处理池或人工湿地将雨洪资源简单处理后（雨水的处理比生活污水处理成本低得多）作为人工湖泊的景观用水、绿地灌溉用水、冲洗厕所用水、冷却水等。综合考虑，城市雨水利用既节省投资、缓解水资源供需矛盾，还涵养了地下水，调节城市生态环境，减轻城市雨洪灾害。