平原感潮河网区城市防洪规划中的水文计算方法研究.pdf

河海大学硕士学位论文平原感潮河网区城市防洪规划中的水文计算方法研究姓名：张磊申请学位级别：硕士专业：水文学及水资源指导教师：徐向阳20050301摘要本文针对平原感潮河网区城市的水系及水文特点，分析、研究适用于城市防洪舰划的水文计算方法。本文分析了城市化对水文情势的影响及平原感潮河网区城市的洪涝特性、洪涝灾害形成机制，根据城市防洪规划的要求，将传统的“城市”定义进行了扩展和延伸。根据平原河网区城市下垫面产汇流方式的不同，分成水面、水田、早地、城镇四类，分别采用相对应的产流汇流计算方法，将适用于山丘区的新安江模型引入到平原河网区城市，同时对于城镇这类下垫面，从下渗角度考虑，划分成透水和不透水两种类型，根据霍顿下渗公式和下渗率空间分布曲线，建立下渗率和土壤含水量的关系，进而研制出城镇透水面的产流计算方法，城镇汇流根据实际情况可结合城市管道排水计算。河网洪水位计算中采用基于P r e i s s m a n n四点线性隐式差分格式求解圣维南方程组的水力学方法，同时，在求解河网节点方程组时，在矩阵标识解法基础上，采用解大型稀疏线性方程组的逐次超松驰迭代法。进而将城市产汇流方法和河网水动力学方法相耦合，计算出在不同规划条件下的酒网洪水位，以此为防洪规划工程提供技术支持。本文研究成果直接为张家港市城市防洪规划提供依据，同时文中所建议的方法也可适用于解决其它平原感潮河网区城市的水文计算问题。关键词：平原感潮河网城市产汇流城市化防洪规划下垫面A b s t r a c tB a s e do np r o p e r t yo fw a t e rs y s t e ma n dh y d r o l o g y，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h eh y d r o l o g i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rf l o o dp r e v e n t i o np l a no fc i t i e si 1 1p l a i nt i d a Jr i v e rn e t w o r ka r e a s。A c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ff l o o dp r e v e n t i o n t h eP a D e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fu r b a n i z a t i o no nh y d r o l o g ys i t u a t i o n s，t h ep r o p e r t yo ff l o o da n dw a t e r l o g g i n g，t h em e c h a n i s mo fd i s a s t e rg e n e r a t i o n，a n dt r a d i t i o n a ld e f i n i t i o no f“c i t y”i Se x p a n d e d C o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c eo fD n o f fc h a r a c t e r i s t i c so nd i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c ej nt h ea r e ao f p l a i nt i d a lf i v e rn e t w o r k，f o u rk i n d so fs u r f a c ei sd i v i d e d，n a m e l y，w a t e r s、p a d d yf i e l d、d r yl a n da n dc e n 廿a lu r b a n i z e da r e a a n ds u i t a b l em e t h o dj Sa d o p t e ds e p a r a t e l yi ne a c hs n r f a c et os i m u l a t er u n o f fp r o c e s s X i n a n j i a n gM o d e lu s u a l l ya p p l i c a b l ef o rm o u n t a i na r e a si si n t r o d u c e dt or i v e rn e t w o r ka r e a，f u r t h e r m o r e，t h ep a p e l r e s e a r c h e sr n D o f fc a l c u l a t i o no fc e n t r a lu r b a n i z e da r e a，t h eu n d e r l y i n gs u r f a c ei sd i v i d e di n t op e r v i o u sa n di m p e r v i o u s n e s sa r e a s I np e r v i o u s n e s sa r e a s H o t o nI n f i l t r a t i o nf o r m u l aa n dc o r r e s p o n d i n gs p a t i a li n f i l t r a t i o nr a t ec u r v ea r eu s e dt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n f i l t r a t i o nr a t ea n ds o i lm o i s t u r ei no r d e rt od e c i d et h ei n f i l t r a t i o n A c c o r d i n gt op r a c t i c a ls i t u a t i o n U r b a nd r a i n a g en e t w o r ki Sc o n s d i d e r e di nt h ec o n f l u e n c ei nu r b a n i z e dB x e a s S a i n tv e n a n tE q u a t i o n sd i s c r e t e db y4 p o i n tP r e i s s m a n ni m p l i c i ts c h e m e i su s e dt oc a l c u l a t ef i v e rf l o o dw a t e r1 e v e l T os o l v i n gt h en o d ee q u a t i O I I S，S u c c e s s i v e0 v e tR e l a x a t i o nM e t h o dw h i c hb a s e do nt h eM a t r i xM a r kM e t h o df o rs o l v i n gl a r g es i z es p a r s i t yl i n e a re q u a t i o n si su s e d A tl a s t，f i v e rw a t e rl e v e li nd i f f e r e n tp l a nc o n d i t i o ni sc a l c u l a t e di n t e g r a t i n gt 1 1 em e t h o do f c i t yr u n o f fa n dr i v e rn e t w o r kh y d r a u l i c s，t Op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t sf o rf l o o d p r e v e n t i o np r o j e c t s n ea c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e rh a v ep r o v i d e dg u i d a n c ef o rt h ef l o o dp r e v e n t i o np l a no fZ h a n g j i a g a n gC i t y，a n dt h em e t h o d ss u g g e s t e dh e r ea r ea p p l i c a b l et oo t h e rs i m i l a rh y d r o l o g i c a lp r o b l e m so f c i t i e si np l a i nt i d a lr i v e rn e t w o r ka r e a K e y w o r d s：p l a i nt i d a lr i v e rn e t w o r k，r u n o f fg e n e r a t i o na n dc o n f l u e n c ei nc i t y，n r b a n i z a t i o n，f l o o dp r e v e n t i o np l a n，u n d e r l y i n gs u r f a c e学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者(签名)：学位论文使用授权说明2 0 0 5 年月日河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布(包括干登)授权河海大学研究生院办理。论文作者(签名)：2 0 0 5 年月日第一章绪论l-1 问题的提出l，1 1“城市化”引起的防洪问题城市的发展往往与水息息相关，不少城市都是依江河而建设与发展的，江河是城市发展与建设的一令非常重要的依托条件。在我国，经济比较发达的城市和新兴开发区大多数处于江河湖畔和海滨，6 8 座人口在5 0 万人以上的城市沿海分布1 8 座“1。处于大江大河的河口、沿海、沿江、三角洲地区的平原城市，由于地理、气候等各方面的优势，其经济发展程度远比其它内陆平原城市高，“城市化”程度和水平也相对较高，例如地处我国沿江、沿海两大经济发达地带结合部的长江三角洲地区，2 0 0 2 年该地区以占全国1 的土地和6 的人口，创造了占全国1 8 7 的G D P 总量，人均G D P 为全国的3 7 倍，财政收入占全国的近1 4。3，其城市化水平也远高于其它内陆平原地区，如上海市2 0 0 1 年的城市化水平达到7 5 3，2 0 0 7 年预计将达到8 0。随着城市化的快速发展，使得原有的环境、地表和地貌条件大为改观，从而使得城市水文效应发生了变化，这些变化给城市防洪带来了较大的影响。研究“城市化”引起的防洪问题首先得研究城市化对水文情势的影响。儿“。城市化对水文情势的影响主要体现为：(1)城市化对降水机制的影响根据现有资料分析，城市化地区降水量比其他地区会有所增加，一般平均为1 0 左右。引起降水机制变化的主要原因是城市热岛和城市阻碍效应8。一方面由于城市化引起的热岛效应，城市空气层结不稳定，有利于产生热力对流，当城市水汽充足时，容易形成对流性降雨；另一方面城市阻碍效应是由于城市有高低不一的建筑物，其粗糙度比较大，引起湍流，而且对稳动滞缓的降水系统(静止锋、静止切变、缓进冷锋等)也有阻碍效应，使其移动速度减慢，在城区滞留的时间加大，因而导致城区的降水强度增大，降水的时间延长。(2)城市化对产流特性的影响城市化将天然流域下垫面改变为楼房的屋顶、道路、街道、高速公路、机场、停车场、公园及建筑工地等不透水地表，不透水面积大大增加，从而减少了地面下渗能力，造成地下水位降低，壤中流和基流减少，而地表径流系数、径流总量、河海大学硕士学位论文洪峰流量显著增加“。(3)城前化对汇流特性的影响城市地区的不透水地表坡度增大、糙率减少，地面汇流速度加快；城市排水系统管网化，且多数采用混凝土管道，管道坡度大，糙率小，相对来说水力半径增大，使径流的汇流时间缩短，使暴雨径流尽快地就近排入接受水体，这样，一方面改变了城市原先的小集水区域形状，另一方面使城市径流流态，洪水过程线形状及洪峰流量均发生变化，其主要特点是洪峰增大，峰现时间提前，洪水陡涨陡落，过程线尖瘦，使洪水汇流速度增快，洪量更为集中。1；同时，城市化往往侵占和填埋一些天然河道，减少了洪水滩地储洪能力，使河道调蓄能力减弱，容易造成洪水漫溢，积聚在城市地面，形成的积水并在短时间内无法排除。由于城市水文效应的改变，同时加上社会经济发展等社会因素的影响，带来了一系列的防洪问题。(a)城市化使城市防洪能力脆弱化5 0 多年来，我国在城市化发展的过程中，出现了水灾损失、频次都大大增加的现象。从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代的3 0 年间，我国出现过3 次大水灾，从2 0 世纪8 0 年代起，我国经济进入高速发展时期，城市化水平也飞速发展，水灾开始频繁，进入2 0 世纪9 0 年代，水灾愈演愈烈。1 9 9 1 年，华东等地区发生特大洪涝灾害，经济损失达6 8 5 亿元；1 9 9 4 年华南特大洪灾，全国直接经济损失为1 6 0 0 亿元：1 9 9 6 年长江、珠江和海河发生大洪水，成灾面积1 1 8，2 3 3k m 2，受灾人口2 6 7 亿，损失2，2 0 8 3 6 亿元。1 9 9 8 年“三江”大洪水，全国直接经济损失为2 5 0 0 亿元。从近年的资料来看，水灾损失越来越大，而且城市受淹的损失占历次洪灾造成的总损失比例越来越大，般达到5 0 8 0”。1。(b)城市化使城市洪涝模式改变城市化的发展使得水灾类型的比例发生了变化，使得内涝灾害比例增加。城市化使天然流域迅速变化，原有植被和土壤用于城市建设，使天然流域透水面积变为认为建筑不透水面积，以致大部分的降雨形成地面径流，同时降雨时将大量泥沙带入城市排水系统，降低了城市排水能力，导致了城市易受内涝之灾，加上财富向城市聚集，所以导致内涝损失的急剧增长，使得内涝造成的损失比例增加。1 I 2 平原感潮河网区城市洪涝特性分析第一章暗舟我国西临太平洋，受东南、两南季风的影响显著，具有雨热同期的特点。平原感潮河网区城市由于地处大江大河的河口、沿海、沿江、三角洲地区，受季风活动影响的同时还遭受潮灾和风暴影响，因此在泱水期间往往出现：上游 共水、当地暴雨、潮汐“三碰头”的现象，即平原感潮河网区城市受到当地暴雨威胁的同时还遭受上游洪水、潮汐的影响，由于平原城市地势平坦，且地面高程较低，外河水位在汛期和高潮期往往高于城市地面高程，极易造成严重的洪涝灾害。因此，从防洪安全角度考虑，平原感潮河网区城市更需做好城市防洪规划。1 1 J3 城市防洪规划的目的及意义一些城市遭受特大洪涝灾害，损失严重，往往是由于没有进行科学、合理的防洪规划。随着城市经济的发展，城市化影响程度的加深，城市防洪压力也曰益增加，因而对城市防洪规划提出了更高的要求。城市防洪规划是城市发展规划的重要组成部分，是城市防洪安全的保障。规划的目的是协调城市发展与城市除涝、城市所在江河行洪之间的关系。可以说城市防洪规划是搞好城市防洪建设和管理的前提和依据，规划不仅能确定城市防洪建设的方向、总体布局、建设规模、防洪标准及主要治理措施，而且能够指导实施，同时还能较好地协调城市防洪排涝设施与城市其它设施建设之间的关系，保证城市安全和居民安居乐业，加强城市防洪规划是做好城市防洪工作的前提。1 1 4 城市防洪规划中的水文计算方法存在问题水文计算可分为两类：一类是用于建筑物防洪设计的洪水计算；另一类是用于建筑物兴利效益计算的径流计算。本文研究的水文计算指的是前一类。在进行防洪规划时，水文计算是防洪规划的技术支撑，科学、合理的水文计算方法是做好城市防洪规划的关键。本文研究的水文计算方法主要是为水利建设规划设计阶段提供水文情势而服务的“。其中心思想在于拟定一个既经济合理又安全可靠的工程设计方案，掌握建筑物所在水体在未来整个使用期间的水文情势。因此，可以说研究适用于城市防洪规划中采用的水文计算方法的目的和根本任务就是为防洪工程提供合理、安全的设计方案。但是现有城市防洪规划中的水文计算方法还存在着若干的问题，主要为：(1)在城市防洪规划的水文计算中，需要推求管道、河道、泵闸等防洪排水工程的水文水力设计值，在计算过程中往往利用前期当地流域或区域规划成果，坷海大学硕士晕佳论文而这些方法多数适用于山丘区域或人类活动影响不显著地区。由于城市化的影响，城市地区下垫面的变化导致了产流、汇流特性都有别于山丘区及人类活动影响不显著地区，因此如果直接移用这些地区采用的计算方法，则计算成果的可靠性、精度都存在一定问题。(2)防洪规划中对城市地区的产流、汇流、排水计算往往比较粗糙，计算方法相对较陈旧，计算过程描写也不够详细，未能体现城市化影响。同时，由于长期以来城建部门负责市区的排水规划，水利部门负责河道防洪规划，人为地将城市排水规划和城市防洪规划分开，且在水文计算方法上两个部门存在很大的差异，致使城市排水与河道洪水计算不能衔接。(3)一个城市防洪规划需要充分考虑上下游、左右岸的关系，同时必须服从区域和流域的防洪规划。因而，从水文计算的范畴和深度来讲城市防洪规划有别于区域和流域防洪规划，城市防洪规划中水文计算方法特点和适用条件，是一个十分值得讨论的问题，在城市防洪规划中不能简单地移用适用于区域和流域防洪规划的水文计算方法。因此，针对平原感潮河网区城市的水系、水文特点，分析、研究适用于城市防洪规划的水文计算方法，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。1 2 国内外研究进展平原感潮河网区城市防洪规划中涵概的水文计算主要有设计暴雨计算、产流计算、排涝计算、潮位计算、汇流计算、河网计算、管网计算等，限于时间、篇幅的原因，本文研究的重点是产汇流和河网计算部分，因此有必要对这两部分的国内外研究进展作一个简要的介绍。同时，太湖流域作为城市化发展水平较高的平原感潮河网地区，对该流域历次防洪规划中所采用的水文计算方法，也有必要做一个简要的回顾。1 2 1 产汇流计算产汇流计算旨在探讨不同气候和下垫面条件下降雨径流形成的物理机制“。产汇流理论是在1 9 世纪以后逐步建立和发展起来了，i 8 5 6 年达西(一P G D a r c y)提出的渗流力学的基本定律达西定律。2 0 世纪3 0 6 0年代，产汇流理论取得了重大的突破。1 9 3 5 年霍顿(R E H o r t o n)提出了著名的霍顿产流理沦，阐明了自然界超渗地面径流和地下水径流产牛的机制。6 0 年代初，中国水文学者通过对大量的实测水文资料的分析研究，取得了湿润地区以蓄满产流为主和干旱地区以超渗产流为主的重要论点，建立了实用的流域产汇流计算方法。同时出现了一大批的水文模型，在国际上比较有影响力的模型有我国的新安江模型、美国的萨克拉门托模型、斯坦福模型及日本的水箱模型等“。但这些水文模型主要侧重于对山区产汇流机制的研究，而对平原河网区城市的产汇流形成机理研究却甚少，在国内对城市地区的产汇流机制的研究也尚属于起步阶段。对于城市地区，尤其是城市中心区域，由于地表特性不像山区产流那样单一，因而，城市地区的产流计算显得尤为复杂“”。在国外对城市雨洪模型的研究起步较早，美、英、法、德等发达国家从六十年代起开始研制城市雨洪模型，以满足城市排水、防洪、环境治理、交通运输、工程管理等各方面的要求，这些模型中的产流计算方法有：(1)美国辛辛那提大学的C U R M 模型此模型在地表处理时，将流域概化位不透水和透水区两部分。不透水区只需扣除其初损值，而透水区的下渗计算采用霍顿公式，储蓄采用指数型关系来模拟。(2)城市雨洪管理模型(S W M M)此模型于1 9 7 t 年由美国环境保护局(E P A)提出。它在地表处理上与C U 蹦模型相同，但具体计算时则不同。透水区采用计算采用了改进的霍顿公式；在不透水区处理时，则将不透水区分为两部分，其中2 5 的不透水面积上洼蓄为零，而不透水面区的另外7 5 的面积上，净雨计算必须扣除初损。(3)美国陆军工程兵团模型(S T O R M)此模型与前几种模型的区别在于：前几种方法需要确定地区的下渗资料，而S T O R M 模型，只需要知道土壤类别、土地利用情况这些较易确定的资料，便可通过综合指标号计算出净雨过程。(4)英国的沃林福特(W a l l i n g f o r d)方法该方法将每个子流域分为：确切表面、屋顶及透水区三部分。在计算各种表面产流时，必须先计算流域总的出流百分率，以确定各地表的处理率。但是，上述这些模型的研究对象主要集中在城市中心区，因此从方法的适用范围来讲，仍有较大的局限性。1 2 2 河网计算1 8 7 1 年圣维南(A TC B d es t V e n a n t)导出了明渠渐变非恒定流的基本微分方程组圣维南方程组，它描述的是明渠菲恒定渐变流断面水力要素随时间和空间变化的函数关系式，圣维南方程组的成功导出为研究水流运动规律奠定了理论基础“。其后的研究主要集中于对圣维南方程组的求解，从7 0 年代开始，随着计算机技术的发展，关于圣维南方程组的数值解法的成果大量问世。圣维南方程组的数值解法通常有直接解法、分级解法、单元划分法、松弛迭代法。(1)直接解法是早期河网计算中最常用的方法，由于将方程差分离散后，所形成的是一个不规则、不对称的大型稀疏矩阵，需要占用庞大的内存，而且大量零元素参与运算，因而在求解时存在着存储量多，计算量大，计算速度慢等诸多问题。1 9 7 7 年我国学者李岳生等提出改进的河网不恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法，在一定程度上节省了存储并提高了计算速度，但矩阵中需包括所有的子河段方程和未知数，规模仍然较大，在当时的计算条件下。当处理大型复杂河网时仍有比较大的困难。(2)1 9 6 9 年荷兰水力学家D r o n k e r s 提出分级解法的概念，他将求解过程分结点及河道两级处理，从而使差分方程中的未知数压缩到只含有各交汇(结点)的水位与流量，再求解只含有汉点变量的矩阵方程，得各汉点变量值，而后返回至各单一河段，最终求得各断面的水位和流量，该法节省了内存单元，提高了求解速度。在此基础上，又有许多学者不断将它改进并提出了三级、四级解法等，其中比较有影响的有：1 9 8 2 年张二骏等提出“河网非恒定流三级联合算法”；1 9 8 5年吴寿红提出“河网非恒定流四级解算法”；1 9 9 0 年芮孝芳以三级联合解法为指导，提出了虚设单元河段处理方程组的系数矩阵；1 9 9 7 年李义天提出的基本分级解法的节点分组解法还可以在节点水位法的基础上进一步降低线性方程组的阶数：1 9 9 9 年侯玉等在基于系数矩阵为对称正定假设基础上，提出了汊点分组解法的一般理论。(3)法国水力学家J e a nA C a n g e 于1 9 7 5 年提出组合单元法，该方法针对河网地区的水力特性，将水利特性相似，水位变化不大的某一片水体概化为一个单元，以此将河网概化成彼此相连的单元，对单元进行分组，建立以水位为自变量的矩阵方程组，解此方程组，可求得水位和流量等变量，这种方法能有效地节省弟一辛绪论存储，提高运算效率，为复杂河网的水力模拟开辟了新的途径，并成功地应用于M e k o n g 河流域的河网水力计算，国内金忠青、韩龙喜等发表了多篇相关论文，如复杂河网非恒定流计算模型单元划分法、一种新的平原河网水质模型组合单元水质模型等。(4)1 9 7 3 年F r e a dD L 提出了松弛迭代法，其基本思想是将河网分解为一条条河道，再对其分别迸行求解，求解时对汇流点处支流的流量先给预估值，再用松弛迭代法逐步校正，逼近精确值，这样就将复杂的大型河网水力数值模拟问题化为一系列简单的单一河道水力数值模拟问题。国内徐小明对该法有较深入的研究，发表了求解大型河网的非恒定流的非线性方法、河网水力数值模拟的松弛迭代法及水位的可视化显示等多篇相关论文。1 2 3 太湖流域防洪规划中的水文计算方法太湖流域属于典型的平原感潮河网区，同时城市化水平也很高，因此分析、研究其防洪规划中所用到的水文计算方法，对本论文极具参考价值。我国从8 0年代初开始，针对太湖流域平原感潮河网地区的产汇流计算开展了一系列的研究工作，主要从事平原河网地区产汇流机制的研究“”。在此期间主要的科研成果有：将平原地区划分为水面、水田、旱地、城镇和道路四种下垫面类型分别进行研究，提出了一整套如何解决处理平原水网地区产水量计算的理论和方法。在该流域的各类规划中，应用最广最具影响力的水文模型是由河海大学程文辉等研制开发的H O H Y 系列模型“”“”。”。H O H Y 模型从8 0 年代初开始应用于太湖流域各类规划之中，并于1 9 9 9 年成功应用于太湖流域防洪规划，作为太湖流域防洪规划中的计算方法。其中H O H Y 模型在产汇流计算中，根据太湖平原河网地区的产汇流机制，将下垫面分为水面、水田、早地(包括非耕地)、城镇四种类型，圩区及非圩区的汇流过程作为河道的交换水量，应用陆域宽度的概念，参与河网非恒定流计算。河网汇流模拟模型中的圣维南方程组数值解法采用分级解法。1 3 主要研究内容本文拟从分析平原感潮河网区城市的产汇流特性、洪涝特点及城市防洪规划对水文计算方法的要求入手，研究适合于平原感潮河网区城市的水文计算方法，以用于城市防洪规划。本文主要研究内容包括以下几个方面：河海太孳硕士学位论文(1)从防洪规划巾对水文计算的要求出发，拟将传统水文学意义上的“城市”定义进行了扩展和延伸。(2)充分借鉴和分析天然流域的产流方法，同时根据平原感潮河网区城市的产汇流形成机制和特点，及其土地利用状况，研究平原河网区城市的产流计算方法。考虑由于城市化后城市地下管网比较完善，在平原河网区城市汇流计算中，拟将管网计算纳入城市汇流计算中。(3)将城市产汇流计算方法和河网水动力学计算方法相耦合，研制出在不同规划条件下的河网洪水计算模型，并模拟各规划水利工程的运行情况。同时，研究求解河网节点方程组的数值方法，以提高河网节点概化效率。1 4 论文技术路线检索国内外在城市防洪规划中水文计算方面的研究成果，充分借鉴和利用已有的成果和经验，研究适用于平原感潮河网区城市防洪规划的水文计算方法。(1)充分分析和研究城市化影响下的平原河网区城市在水文情势变化后，对产汇流形成机制影响；(2)对平原感潮河网区城市的设计暴雨进行研究，计算设计暴雨。(3)研究对平原河网区城市土地利用情况，对城市下垫面进行分类。(4)研制出适用于城市防洪规划的不同下垫面条件下的产汇流计算方法：(5)利用陆域宽度的概念，计算入河水量；(6)用P e i s s m a n n 四点隐式差分格式求解圣维南方程组，对节点方程组采用超松驰迭代法求解；(7)用无因次潮位单位线计算出逐时潮位过程，解决河网计算边界问题；(8)根据平原河网区城市的水系、高程、工程布局、洪涝特性，科学、合理地划分和调整防洪分区，并通过以建立的水文计算方法进行安全验证；(9)计算不同规划条件下的河网洪水位，根据计算洪水位调整规划防洪工程的规模。本文技术路线框图参见图1 1。第一辛培舟平原感潮河网区城市特点研究上城市设计暴雨计算上城市下垫面分类研究I汇边流流丌1=r界算算条研研究究件工工计l算入河水量计算调河网计算研究整lI防洪工程规划图1 1 技术路线图第二章研究区的选择及防洪分区平原感潮河网区城市由于处于大江大河的河口、沿海、沿江、三角洲地区，其城市化发展程度比较高，为更好的研究平原感潮河网区城市防洪规划中的水文计算方法，本文对平原感潮河网区城市的特点进行分析和研究，并将城市的范畴和定义进行拓展。同时平原感潮河网区水流往复不定，河网水量交换关系比较复杂，在服从流域及区域的规划的前提下，为更加有效地进行防洪控制，需要对河网区城市合理地划分防洪分区，同时可根据城市自身的发展需求调整防洪分区，并根据水文计算加以安全验证。本文研究的水文计算方法是为防洪规划服务的，因此在本文中也有必要分析和研究一些与水文计算相关的防洪规划要点。2 1 城市的范畴和定义2 1 1 城市化发展阶段城市化的发展过程体现在对土地利用情况的变化上，从城市地理学的观点出发，其发展过程可分成四个阶段髓：(1)农村阶段：农村阶段是指研究区的土地处在耕种或放牧状态。(2)早期城市阶段：早期城市土地利用的特点是大量修建城市型房屋，但仍有不少土地被原有植物所覆盖。一些农村的小社区和城郊就属于此类。(3)中期城市阶段：中期城市阶段是住房、商业中心、学校和工厂等建筑物大规模的发展和建设，所有这些还伴随着越来越多的土地用于街道和人行道，在大城市郊区多属于中期城市发展阶段。(4)后期城市阶段：后期城市阶段是整个城市更大发展的结果，可能使留下的原有植物缩减为零，地面完全以人工建筑和某些设施所覆盖。由上可以看出，受城市化的影响，使得城市面积不断地扩大，同时不透水面积也逐步增加，在城市防洪规划中必须考虑这种变化趋势。2 1 2 城市的范畴和定义城市化的发展使得城市用地规模不断地扩展，工业区域成片分布，小城镇建设星罗棋布，城市向心增长和空间集聚加快。一方面大型商场、大型公共建筑向中心区集聚，中心商务区逐步形成；另一方面城市规模不断扩大，不断向周围郊区蔓延，使得郊区逐渐转变为城市地区，从而农村和城市的之间的界限变得越来越模糊”1。传统的水文学剥城市的定义往往指的是城市中心区，但由于本文研究第二章研冗匝的选择及防洪分区的城市位处平原感潮河网区城，这些地区的城市其城市化程度都比较高，即使在农村地区其城市化的水平也比较高，而且将更加地高速发展，为了更好地做好城市防洪规划，同时从水文计算的要求出发，本文的对“城市”的范畴和定义作了进一步的引申、扩展，可以理解为：受到“城市化”影响的区域，据此本文中将受到城市化影响的城市中心区、城郊、郊区都归为城市的范畴。2 2 城市防洪规划要点2 2 1 防洪标准的选取确定防洪标准是进行防洪规划的前提条件之一，也是本文进行水文计算方法研究的前提。目前，国内外表示防洪标准的方式主要有三种“1：(1)以调查、实测的某次大洪水或适当加成表示；(2)以可能最大洪水或其3 4、2 3、i 2 表示；(3)以洪水重现期(N)或出现频率(P 9 6)表示。国家防洪标准中列出了城市等级及相应的防洪标准，行业标准城市防洪工程设计规范也给出了类似的城市等级及相应的防御江(河)洪、海潮和山洪等类洪水的防洪标准。城市防洪标准的选取，应根据城市等别、洪灾类型，并考虑经济、政治、社会、环境等因素，有条件的还应进行一些防洪保护范围内的安全效益与工程投资比较，要与城市的经济发展相适应，即在选取城市防洪标准时应考虑以下事项：(1)充分调查研究历次大洪水的成因及成灾情况；(2)根据防护对象在国民经济中的作用、受洪水威胁的程度、洪水所造成的淹没损失、工程修复程度以及人口多少等；(3)根据城市防洪建设的需要与投资的可能，全面规划，分期实施，对近远期工程分别确定出不同的防洪标准；(4)在同一城市中，可根据市区、工业区、郊区等不同防护对象的重要性，采用不同的防洪标准；(5)应与流域规划相适应，不得低于流域规划的防洪标准：(6)对超标准洪水，应有对策性措施。2 2 2 防洪规划的原则平原感潮河网区城市在进行防洪规划过程中，为使得规划满足城市防洪需河海大学硕士挚位论文求，有利于社会经济的可持续发展，城市防洪规划应遵循阻下原则：(1)城市防洪规划应与流域防洪规划、区域防洪规划相配合，并且应与城市市总体规划相协调，使防洪规划在一个较长的时期内具有指导作用：(2)结合城市的远景规划，城市发展的水平，提高防洪标准，切实保障人们生命财产的安全，有利于改善投资环境和地区经济发展；(3)坚持全面规划，重点突出，先急后缓，分期实施的原则，以经济效益和社会效益为指标，近期与远期相结合，有效解决城市现状与未来防洪存在的问题；(4)统筹安排，妥善处理好外洪内涝，根据水系条件、水利工程条件和下垫面特性，合理划分防洪水利分区，强调高水高排，低水低排，确定地面控制高程；(5)城市防洪工程要适应城市水利现代化的要求，与城市水环境改善、河道两侧地区的绿化和景观建设相结合，尤其要注意为搞活城市水体、引清拒污和改善水质创造条件。既要在洪水时保证安全，又要在平时为居民亲近水体创造条件，发挥综合效益；(6)工程措施与非工程措施相结合，重视非工程措施在城市防洪中的重要作用；(7)综合考虑水资源规划、水环境治理、城市景观、市政建设、交通航运等方面的多种要求，以获取最大的社会经济效益。2 3 防洪分区平原感潮河网区的防洪水利分区主要是根据地形特点、水系分布、水利工程布局、洪水特性等，根据防洪需要而划分成一个或多个相对独立的区域。一般来说分区与分区之间在防洪期间是不考虑水量交换的，在特殊情况下，可以考虑利用工程控制调度来调节各区之间水位，以保护重点地区不受灾。合理的划分水利分区的目的是根据各分区特点，在防洪分析和计算的基础上，制定相应的防洪工程措施，并通过相应的防洪控制调度方式，使能够抵御设计标准的洪水。在防洪规划中可以根据城市社会经济的发展需求，可适当地调整防洪水利分区，但是这种调整一方面需要服从流域规划和区域规划。同时，需要在合理制订出水闸、河道等防洪工程初始规划方案的基础上，按防洪控制调度方式，推求各防洪分区设计标准的最高洪水位，根据计算结果、对照规划目标，调整规划方案后作进一步水文计算，并依此确定各防洪分区的地而控制高程和河道第二章研究叵均选择及防洪分区堤防高程，并根据防洪水利分区内地面高程的分布状况和土地利用性质，制定圩区及排水泵站等防洪工程以及其它有关的防洪措施的规划。2 3 研究区的选择为研究平原感潮河网区城市防洪规划中的水文讨算方法，要求选择的研究区能够具备以下特点：(1)地处平原河网区；(2)遭受潮汐影响；(3)城市化影响明显：由此，本文研究区选择的对象是位于太湖流域境内的张家港市。其境内河网密布、北临长江，是中国沿海和长江两大经济开发带交汇处的一个新兴港口工业城市。2 4 研究区概况2 4 1 自然地理(1)地理位置张家港市地处东经1 2 0。2 17 1 2 0。5 27，北纬3 1。4 37 3 2。0 2，位于江苏省东南部，隶属于苏州市，地处长江三角洲，北濒长江，南近太湖，境内地势平坦，河流纵横，总面积9 9 8 4 8 k i n 2，其中长江水域面积2 1 2 9 3 k m 2，陆地面积7 8 5 5 5 k m 2(含江中双山岛)。其地理位置示意图见图2 1。(2)地质地貌图2 1 研究区地理位置示意图河海太学硕士学位论文南部古陆主要是第四系沉积覆盖，厚度9 G 2 4 0 m，是全新现代沉积，西南零星出露基岩属泥盆系茅山群的紫红色砂砾岩。第四系覆盖的可耕层为2 3 m，耕层下面是砂质黏土、黏土层，隔水性能较好，厚度为5 0 7 0 m；在地面以下7 0 15 0 m 之间，有含水性较好、透水性较强的细砂层、粘质砂层、中砂层、砾石层，并加有粘土层。在地面1 4 0 2 4 0 m 以为砾石、灰岩、砾岩层。全境地跨长江三角洲平原的两个地貌副区，即长江南岸古代沙咀区和靖江常阴古沙洲区，北面临江，双山沙岛孓立江中，长江水域宽阔，沿岸滩地绵长，平原上散落着零星山丘。南部地势高亢，吴淞高程5 8 米，古代沙咀的不连续，彤成了一系