生态水文学视角下的山地海绵城市规划方法研究——以重庆都市区为例

海绵城市是我国新型城镇化和生态文明建设的重要内容,在城市内涝灾害频发的背景下,具有缓解雨洪灾害和水资源短缺问题、构建城市水文安全体系的重要意义。山地作为海绵城市建设的主体区域之一,其海绵城市建设受到自然地形、气象水文和城市建设等多方面因素的制约。本文以重庆都市区为研究对象,在系统梳理山地水文过程特征的基础上,将生态水文体系与海绵城市规划两者间的理论性和技术性耦合,提出重庆都市区海绵城市规划建设的一般途径,从建设目标、生态空间、雨水单元、场地规划等角度制定规划管控措施,落实海绵城市建设要点,实现山地海绵城市规划的理论创新和实践指导价值。     

基于雨洪安全格局的城市低影响开发模式研究

城市调蓄用地总量减少、泄洪网络被建设用地割裂、汇流用地与建设用地重叠等是造成城市内涝灾害的主要原因。本文尝试在产流源头、产流途径以及汇流地三个层面,充分利用原有自然雨洪调蓄系统,建立能够消纳极端暴雨水的城市低影响开发模式,以长沙市苏圫垸为例,基于地形数据、水文气象数据,运用ArcGIS空间分析和SCS水文模型,模拟极端降雨的雨洪淹没区和雨洪廊道,并建立雨洪安全格局。根据年径流总量控制率85%的海绵城市建设目标,结合模型模拟确定苏圫垸低影响开发设施位置及规模,即开发后应保留雨洪斑块面积228.2 hm²,控制水量107.5万m³,雨洪廊道面积51.5 hm²,控制水量10.1万m³。可为探索基于极端气候下内涝防控的海绵城市建设新模式提供参考。     

西南山地城市雨洪灾害防治多尺度空间规划研究——基于水文视角

西南地区城市因山地环境的特殊性,面临城市雨洪灾害频发、多发和危害严重等特点,其雨洪灾害防治方法也不同于其它地域城市。通过对典型山地城市重庆近10年水文数据的观察,将雨洪灾害的形成、发展与城市水文过程特征进行关联分析。借助水循环模拟分析的理论基础,结合山地流域多元化、城镇空间组团化、社区空间多维化等特点,以多尺度空间下的水文模拟过程为依托,建构应对山地城镇雨洪灾害防治框架体系:(1)流域尺度生态安全格局体系建构;(2)城镇尺度雨洪防灾基础设施布局及空间优化;(3)社区尺度雨洪设施的低冲击设计。研究探索山地城镇雨洪灾害发生的规律特征和科学价值,可为全球气候变暖下的山地城市雨洪灾害防治提供参考。     

湖南省凤凰县城雨洪管控路径

发达国家的经验表明,基于低影响开发的雨洪管理措施可以有效缓解城市雨洪灾害。聚焦中国海绵城市建设过程中新旧城区的关联性问题,提出“现状评估—低影响开发指标分解—建设效果模拟验证”的雨洪管控路径。以湖南省凤凰县为例,基于城市内涝模型,对新旧城区进行雨洪风险性评估与改造可行性评估,在现状评估基础上,构建低影响开发控制指标分解体系,实现低影响开发理念和技术从宏观控制策略到详细规划过程中的落实,最后通过内涝节点的滞水量计算验证雨洪管控效果。结果表明：凤凰县旧城区所面临的雨洪淹没风险高于新城区;旧城区现状年径流总量控制率明显低于新城区,且旧城区改造可行性较低。在新旧城区协调统筹的整体性视角下,构建“城区—街区—地块”的三级指标分解体系可以实现径流总量与峰值的消减,但在暴雨情境下,单独依靠低影响开发措施缓解内涝较为困难,基于滞水量完善灰色基础设施可以有效控制短时强降雨导致的雨洪灾害。     

基于雨洪综合管理的上海临港新城降雨径流水文模拟

针对当前城市严峻的雨洪生态环境问题,在多目标雨洪控制利用的视角下,确定了径流削减、洪涝控制、水质保障、雨水资源化利用的雨洪综合管理体系.基于GIS平台,结合上海市临港新城总体规划愿景,建设研究区雨洪综合管理GIS数据库.在两级集水区层面,对研究区未来的地表径流产流、洪水与内涝淹没、径流污染负荷进行了空间模拟,进而判别出研究区的径流削减重点控制区域、洪水与内涝高危区域、水质保障重点控制区域,并通过雨水资源化利用需求分析,确定了研究区雨水回收利用重点区域的雨水存储设施建设规模.结果表明:1)LEED标准降雨事件下,开发后相比开发前,研究区径流产流总量增加了637 776.87 m3 (23.44％);两级集水区中,径流削减重点控制区域分别占研究区总面积的43.10％、55.05％.2)研究区分别有10.61％、26.98％的用地存在较高的洪水和暴雨内涝风险.3)WQv标准降雨事件下,研究区NHa-N、TP、TSS 3种污染物的总负荷量分别达2.27 t、1.03 t、797.33 t;两级集水区中,水质保障重点控制区域分别占研究区总面积的39.24％、18.52％.本研究可为后续的城市雨洪综合管理提供依据,对城市水资源的可持续发展具有重要意义.     

基于水循环视角的海绵城市系统及研究要点解析

海绵城市建设的本质是城市水系统的重构,明晰海绵城市系统所涉及的水循环过程是海绵城市研究中最根本、最重要的问题。以海绵城市建设区为研究对象,本文定义了海绵城市系统的内涵,明确海绵城市系统的输入项与输出项,探讨了基于海绵城市系统的城市水循环过程,即海绵城市建设区“大气水—地表水—土壤水—管网水—地下水”转化过程。分别从明确海绵城市建设区的降水与污染物输入、掌握典型海绵设施的径流及污染物转化过程、重视排水管网径流监测与汇流特征参数确定、准确分析海绵城市建设区的径流及污染物外排过程、综合评估海绵城市建设的生态与地下水回补效益共5个方面,系统梳理了海绵城市系统的研究现状及未来的研究要点,以期为海绵城市建设的基础理论研究与工程实践提供启发和帮助,促进中国城镇化转型发展。     

中国城市LID技术设施的成本效益区域差异

随着城市化进程不断加快,人口和城市规模不断扩张,对现代城市雨洪管理提出了新要求。本文运用情景分析法研究中国城市典型低影响开发(Low Impact Development, LID)技术设施的成本效益。分别以80%与95%降雨场次控制率对应的场次降雨为情景,以30年为服务期计算技术设施的雨水管理效益。研究发现：北方城市的建安成本与维护费用均值高于南方城市,同时受区域降雨量差异的影响,南方城市LID技术设施的雨水处理效益普遍高于北方。而北方城市之间效益差异亦较大,其中京津冀地区及西北地区的城市雨水处理效益尤低。不同技术设施之间差异表现为：原地入渗设施的雨水处理成本在6~188元/m3之间,显著高于具有汇流功能的设施。对降水较少的北方城市建议采用成本低、效果好的下沉式绿地结合雨水湿地的方式;对雨量大、雨强高的南方城市建议采用生物滞留设施结合调节塘的方式,可增大调蓄能力达到降雨场次控制率的要求,同时能够净化地面径流、增强雨水下渗。     

黄土丘陵沟壑区坡面产流能力及影响因素研究

坡面是黄土高原土壤侵蚀的重要来源,本文以团山沟流域的7个径流场9年的降雨－径流事件,对不同坡面和降雨特征下径流系数随坡面的变化进行了研究。结果表明,研究区存在降雨强度大、持续时间短的A型雨、降雨强度小持续时间长的C型雨以及居于二者之间的B型雨。不同雨型下坡面产流能力大小为A型雨>B型雨>C型雨,而产流尺度效应则为C型雨>B型雨>A型雨。坡度一定,A型雨下随着坡面长度增加产流能力先增加后减小,径流系数峰值出现在坡长为40m的坡面上,B型和C型雨坡面产流能力随坡面长度的增加而增加;坡长一定,峁坡区坡面产流能力随着坡度的增加而增加;A型雨下沟坡产流能力最小,而在B型和C型雨下,坡面产流能力相对有所提高。     

紫色丘陵区典型小流域非点源磷迁移特征

通过对居民点、林地、坡耕地等土地利用类型的小型集水区(亚流域)径流磷形态与通量的定位监测,研究了紫色丘陵典型小流域的非点源磷流失特征。结果表明,居民点在降雨量4 mm即可产流,林地与坡耕地的产流临界降雨量为20 mm。居民点的降雨径流响应迅速,径流与降雨峰值基本同步;林地和坡耕地产流时间延迟,径流峰值较降雨延迟20~120 min。居民点、坡耕地和林地的次降雨平均径流深分别为22.4、12.3、9.5 mm,径流系数分别为0.36、0.17和0.09,泥沙流失量分别为136.2、73.5和48.6 kg/hm2。居民点和林地径流的总磷(Total P-TP)、颗粒态磷(Particulate P-PP)浓度在径流过程中迅速达到峰值后陡然下降;坡耕地径流的TP、PP浓度呈多峰变化。居民点径流的可溶性磷(Dissolved P-DP)浓度随径流量增大而减少;林地径流的DP浓度逐渐增加;坡耕地DP、磷酸盐(PO3-4-P)浓度较低且波动较小。居民点小雨、中雨、大雨和暴雨等雨型下的TP流失负荷分别为42.6、136.3、190.0、1 245.6 g/hm2,平均负荷为403.6 g/hm2,林地与坡耕地在中雨、大雨和暴雨等雨型下的TP流失负荷分别为3.5、3.9、90.6和6.6、10.2、210.6 g/hm2,二者的平均负荷为32.7和75.8 g/hm2。降雨量越大,磷流失负荷越高,暴雨条件下的TP流失负荷最高。居民点的磷流失负荷远高于坡耕地和林地,表明居民点的径流污染是非点源污染控制的关键源。     

临沂市海绵城市建设中雨水回收系统设计:以东风东关片区改造为例

以山东省临沂市东风东关片区改造为例,将海绵城市建设要求融入到园林景观建设中。通过对临沂当地降雨量的分析,制定区域降雨控制管理目标,采取了屋顶绿化、透水铺装、下凹式绿地、植草沟、渗井渗管、车库顶板处理、雨水回收利用系统和植物绿化等措施。雨水回收利用系统工程完成后,通过夏季的几场大到暴雨的检验,实现降雨后片区道路雨水下渗明显、无积水,基本达到规划设计的目标要求,该方法将有助于海绵城市在临沂市的推广应用。     

流域尺度土地利用调蓄视角的雨洪管理探析

发达国家雨洪管理焦点历经管网设计、不透水面阈值控制、低影响开发及土地利用管理等过程,呈现“多尺度多视角衔接”趋势。本文聚焦太湖流域土地利用调蓄功能变化机制及管理应用,揭示了1985-2015年来建设占用耕地是调蓄功能降低的主要原因;发现基于小流域的调蓄功能变化与建设用地强度整体低关联,但局部高相关,高相关的地区位于大城市或某些乡镇周边的建设增长热区,而这些热区的建设用地与调蓄空间规模较大且接触机会更多,是开发之前调蓄空间保护、开发控制以及开发之后综合管理等3个土地利用调蓄目标因子协调不当的结果;最后提出流域尺度土地利用调蓄视角的雨洪管理“345”模式,即以3个目标因子和5类控制要素为基础,实施土地利用调蓄创建、防御、拓展与保护等4类差别化战略模式,从更大尺度认识老城区和新区的雨洪关联,拓展海绵城市建设的本土认知和视野。     

利用雨洪资源恢复北京市房山区水景观湿地研究

北京市城市水资源极度匮乏。同时,近年来北京多次受城市洪水侵袭,其中,房山区因2012年7月21日暴雨事件备受关注。利用遥感和地理信息系统技术及方法,从1991年6月17日和2014年9月4日遥感影像数据中,提取房山区水景观湿地信息;以2012年7月21日暴雨事件中死亡人员遇难地点和各种实证数据,推算潜在北京市城市雨洪资源分布特征,利用区域地貌—水文—湿地空间耦合分析方法,提出面向城市雨洪资源利用与城市水景观湿地恢复重建的新途径。研究结果表明,1991~2014年期间,房山区水景观湿地面积约减少了1/3;房山区潜在可利用雨洪资源主要分布在山前河网密集地区;结合现实问题,提出了良乡和靠近燕房2个关键区域水景观湿地恢复重建的科学策略。研究雨洪资源利用于水景观湿地恢复,对于维护城市水生态安全和城市生态文明建设具有重要意义。     

滇池不同流域类型降雨径流对河流氮磷入湖总量的影响

通过对滇池三种不同流域类型的雨季初始期三场降雨径流的汇水河道的入湖口水质和流量监测 ,重点分析了典型城市纳污河流、城乡结合型河道和农业重污染区河道的营养盐携带状况与特征。研究结果表明 :不同流域类型河流的氮磷营养盐入湖总量受降雨过程及特征、流域类型特征、降雨径流流量、径流水营养盐浓度综合控制。城乡结合型河道 (大清河 )有最高的TP、KN (凯氏N)、NH3 N、NO3 N和NO2 N入湖总量 ,三场降雨累积量分别为11374 3、 12 7971 7、 85 36 5 4、 92 3 4和 84 1 2kg ;城市纳污河流 (乌龙河 )有最高的单位面积入湖总量负荷 ,TP、KN、NH3 N和NO2 N分别为 5 35 7、 5 86 0 5、 382 1 9和 2 4 6kg/km2 。     

中国科学院地理所水文室径流实验室

径流实验室创建于1965年,是国内目前仅有的两个降雨径流实验室之一。该室可以模拟天然的降雨径流过程,探索径流形成的基本规律,为流域数学模型的研制提供实验依据,并可为各种水利工程的降雨径流计算提供实验数据。目前该室的全部实验过程与数据采集及处理均由微机控制,实现了自动化。该室模拟降雨器的突出特点是不仅可以模拟降雨强度随时间的变化过程,而且可以模拟雨强在流域空间上的不均匀分布。     

紫色土坡面降雨侵蚀试验研究

坡面水蚀的主要侵蚀动力来自降雨及其产生的地表径流,将坡面水蚀过程分为降雨侵蚀和径流侵蚀,可以从侵蚀动力、侵蚀特征差异与侵蚀规律等方面研究坡面水蚀过程与机理。应用人工模拟降雨及微小区测定技术,以大田紫色土为研究对象,模拟和测定不同雨强与不同坡度条件下降雨侵蚀过程和侵蚀量,揭示以降雨为主要动力的土壤降雨侵蚀特征和规律。研究结果表明：(1)小雨强(＜67．26 mm/h)下,紫色土坡面降雨侵蚀率具有稳定性,随着降雨历时的增加变化微小；大雨强(106．57 mm/h)下,降雨侵蚀率随降雨历时增加呈上下波动；(2)紫色土降雨侵蚀率与降雨强度呈线性相关,随降雨强度增加而直线增加；(3)降雨侵蚀率与坡度符合二次抛物线关系,随坡度的增加出现临界坡度,且临界坡度随雨强的变化而改变。在中小雨强(18．06～67．26 mm/h)条件下,临界坡度SK的变化范围在17°～19°。在大雨强条件下,临界坡度有逐渐增大的趋势；(4)当坡度与雨强共同影响产沙效应时,坡度对降雨侵蚀的影响较小,雨强能掩盖坡度对产沙的贡献。     

城市不透水面与降雨径流关系研究

城市不透水面增加对降雨径流关系有着重要的影响,本研究选择位于福州城区内的厦坊溪和解放溪2个流域,在流域尺度上研究现状和城区未来扩展过程中对应的不透水率及其与降雨一径流关系．研究结果表明不透水率与径流系数在不同降雨情况下都成正相关的线性关系,尺。达到0．9以上;随着降雨量的增大并伴随着前期湿润度由干到湿变化,虽然不透水率对地表径流的影响有所弱化,但整体而言,城市不透水面的增加导致相同降雨情况下径流系数增加,并增大城市排水系统负担．利用研究结果,论文最后从保护河网水系、合理规划城区发展、完善排水系统和加强绿地系统建设等方面对城市规划提出建议．     

水生态系统韧性视角下热带雨林地区的蓝绿空间评价——以五指山市南圣河为例

热带雨林地区因特殊的气候特点及空间特征,河流蓝绿空间面临的雨洪压力与人类社会活动压力较大,其韧性建设对于整个生境具有关键性影响。国内外研究聚焦于韧性承洪实践与韧性评估量化,鲜有基于不同生态压力冲击对河流蓝绿空间开展多维韧性评价。文章以南圣河为对象,基于雨洪等自然灾害的脉冲式压力与人类社会对生态系统施加的慢性压力两类情境,构建水生态系统的“压力-脉冲-韧性”模型,通过“构建理论模型―叠合双维承压评价―解析吻合/冲突点―探析韧性策略”的逻辑方法实现特定地域蓝绿空间的评价与优化。研究发现：1）生态系统服务价值越高,调节功能越高,蓝绿空间韧性越强。2）突发性脉冲方面,在极端日降雨量增加情景下,河流水系的缓冲半径与水源类型密切相关,水库受到水安全威胁的风险大于河流,地表的径流曲线数值（简称CN）一般与历史经验相关。3）慢发性压力方面,韧性压力与城市人口密切相关,人口越密集,韧性压力越大;且不同季候的游憩密度与丰枯期存在分异,丰水期雨洪威胁大,游憩密度低,枯水期雨洪威胁小,游憩密度高。     

自然降雨条件下不同生态措施坡地的径流数值模拟

从动量定理和水量平衡原理出发,以Saint Venant方程为基础推导出自然降雨条件下不同生态措施(即同时考虑变雨强、降雨动量和不同生态措施影响下的坡地径流过程)坡地的径流基本方程。在考虑一般问题定解条件的基础上,采用Preissmann隐式格式对模型进行数值求解。利用3个处理(裸地、百喜草覆盖和百喜草+果树覆盖)、5组实测资料(不同雨型)对模型进行了验证,结果表明3个处理的计算值与实测值的平均相对误差分别为:14.97%、13.59%、15.15%,说明模型的计算结果是可靠的,对于模拟预测自然降雨条件下不同生态措施坡地径流过程是可行的。     

自然降雨条件下不同生态措施坡地的径流数值模拟

从动量定理和水量平衡原理出发,以Saint Venant方程为基础推导出自然降雨条件下不同生态措施(即同时考虑变雨强、降雨动量和不同生态措施影响下的坡地径流过程)坡地的径流基本方程。在考虑一般问题定解条件的基础上,采用Preissmann隐式格式对模型进行数值求解。利用3个处理(裸地、百喜草覆盖和百喜草+果树覆盖)、5组实测资料(不同雨型)对模型进行了验证,结果表明3个处理的计算值与实测值的平均相对误差分别为:14.97%、13.59%、15.15%,说明模型的计算结果是可靠的,对于模拟预测自然降雨条件下不同生态措施坡地径流过程是可行的。     

基于改进线性光谱解混和 SCS-CN 模型的广州主城区降雨产流模拟

城市降雨产流特征的定量研究对于城市雨水资源开发利用、科学规划和管理具有十分重要的意义。以广州市主城区为研究对象,提出一种改进的线性光谱解混方法提取遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度,并结合SCS-CN 产流模型进行城区降雨径流模拟。首先利用线性光谱解混方法提取 2015-10-18 Landsat 8 OLI 遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度;然后利用归一化建筑物指数和归一化植被指数进一步优化解混结果;最后结合优化的不透水面、植被和土壤盖度计算合成的 CN 值,并应用 SCS-CN 产流模型分析研究区在不同降雨重现期的降雨产流分布特征。结果表明：改进的线性光谱解混方法能较好地提高不透水面、植被和土壤盖度的提取精度;不透水面盖度越高的区域,CN 值越高;CN 值对地表径流深模拟有显著的影响;在不同重现期降雨条件下,研究区地表径流深空间分布格局差异显著;总体上,降雨量越大,不透水面盖度越高,形成的地表径流深越深,内涝发生的可能性越大。