国内外城市化水文效应研究综述

城市化等人类活动导致的土地利用方式的改变是城市生态学研究的重要内容之一,而由于城市化进程造成的城市水文效应是其重要的研究方向。本文通过介绍城市化的内涵以及城市化水文效应国内外的最新研究进展,归纳了城市化导致的城市水文效应的主要研究方向和内容,具体包括城市化对径流、蒸散发等各种水文要素及其水质的影响,并针对目前城市化水文效应的研究方法—流域对比实验法、水文特征参数法和流域水文模型法进行了总结,最后指出了当前城市化水文效应研究中存在的问题和不足,对未来的研究趋势进行了展望。     

基于分布式大流域径流模型的中国西北黑河流域水文模拟

水资源短缺是中国西北干旱地区长期的问题,区域人口增加、城市化扩张,加之气候变化的影响进一步加剧了西北地区水资源短缺,也使生活用水、灌溉用水、工业用水和维持生态系统稳定的用水危险加剧.采用分布式大流域径流模型(DLBRM)模拟黑河流域水文(中国第二大内陆河,流域面积128 000 km2)来理解区域的冰川和积雪融化水、地下水、地表水、蒸散发等方面的分布,评估气候变化对水文的影响和冰川退缩对中游和下游来水量的影响.模拟结果表明,黑河流域的大部分产流那源于黑河上游地区的祁连山.模拟1990-2000年黑河河流日流量变化结果认为,黑河中游正义峡给下游的供水为10×108m3,其中地表径流占51%,层间流占49%.中游地区沙土具有较高的蒸腾发能力,近一半的地表水被蒸发掉.模拟实践证明,分布式大流域径流模型可以结合气候变化、水资源管理方面的成果,改进流域水文模拟的精度.     

基于MIKE 11的北京市典型区域降雨径流特征研究

以北京城市化发展区凉水河大红门闸控制流域为典型区域,在分析区域20世纪80年代到2000年后下垫面变化特征的基础上,结合区域同时期的降水和径流资料,采用MIKE11软件中的UR-BAN模块构建流域降雨径流模型,以流域模拟流量和实测流量拟合效果最佳为原则,利于多场次的实测降水进行降雨径流的模拟分析,研究区域城市化发展对水文特性变化的影响。     

天山南坡清水河流域径流过程对气候变化的响应

干旱区的高山寒区水文过程对气候变化特别敏感,冰川、积雪和冻土变化产生的水文效应对下游水资源供给具有重要影响.以天山南坡清水河流域为研究区域,通过分析水文站径流变化,结合流域上游山区巴伦台的气象资料,研究了高寒流域在气候变化背景下径流过程的响应特征.结果表明:降水变化决定着径流过程,但气温上升对径流产生额外影响;气温变化产生的径流变化对径流产生延迟效应,冬季径流明显增加.南疆天山地区冬季积雪较少,产生的春季融水径流不明显;夏季降水和径流同期出现,使得高寒山区水文过程对固体降水变化不敏感;冻土退化产生的水文效应使冬季径流增加明显.为应对气候变化对水文过程产生的影响,应加强山区水库建设,通过工程措施调节,保障持续的水资源供给和利用.     

基于CA的小流域分布式降雨径流模拟

构建基于元胞自动机(CA)模型的分布式水文模型,模拟小流域内降雨径流过程。从元胞状态、转换规则与时间步长3个方面扩展普通CA模型,包括5个子状态、5个元胞系数及两条转换规则,并实现模型与GIS的集成。以黄土高原岔巴沟流域的降雨径流观测数据对模型进行了验证分析。试验结果表明,确定性系数、峰现时差与洪峰误差3个评价指数都达到一定精度,实现了流域内径流过程的可视化。结合CA模型与GIS技术可以较为有效地模拟流域次降雨径流过程,模型在该试验区是基本适用的。     

九龙江径流Flashiness指数时空变化分析

通过分析河流Flashiness指数的时空变异,进而评估水电开发、土地利用变化等人类活动对河流径流时空变异特征的影响。本研究选取地处东南沿海的中尺度流域——九龙江流域,基于1967~2007年近40年的水文资料,利用Flashiness指数、基流指数等重要水文指数,并借助GIS、多元统计分析的方法来识别九龙江北溪与西溪两大干流流域近40年来径流时空变化特征及其影响因素。研究结果表明,九龙江流域近40年来径流特征发生显著的变化,流域面积是影响九龙西溪和北溪径流时空变化的自然因素,大坝建设、水电开发改变了九龙江流域的水文条件,进而影响了径流量的年内分布规律及泥沙输出特征,土地利用变化是影响流域径流特征变化的潜在因子。研究结果可为流域水资源管理提供科学依据。     

融合数据同化与机器学习的流域径流模拟方法

环境变化影响下流域径流的精确模拟对洪涝灾害防治与区域水资源管理都具有重要意义。在径流模拟研究中，现有机器学习模型未能充分考虑水文中间状态变量对降雨-径流过程的影响，本研究基于集合卡尔曼滤波(EnKF)更新水文状态变量，结合主成分分析(PCA)提取预报因子的主要特征，采用长短时记忆神经网络(LSTM)构建考虑水文中间变量的机器学习水文模型EnKF-PCA-LSTM。以赣江流域为例，评估EnKF-PCA-LSTM模型的径流模拟效果，同时将模拟结果与LSTM模型、物理水文模型HYMOD做对比分析。结果表明，EnKF-PCA-LSTM模型模拟径流的纳什效率系数、Kling-Gupta效率系数和对数纳什效率系数分别为0.954、0.971和0.972,比LSTM模型和HYMOD模型具有更好的模拟性能，说明考虑水文状态变量可有效提高机器学习模型的径流模拟精度及稳定性。研究成果可为流域径流模拟提供技术参考。     

环境变化对黄河中游汾河径流情势的影响研究

20世纪70年代后我国许多河流的径流量呈下降的趋势.在这些趋势变化中,如何区分人类活动及气候变化的影响是当前流域水文研究的热点和难点.提出了区分人类活动和气候变化影响的分析思路以及定量计算方法.介绍了SIMHYD概念性降水径流模型,并应用黄河中游汾河流域"天然"时期的水文、气象资料率定了模型参数,通过水文模拟还原了人类活动影响期间的天然径流量,进而分析了汾河流域径流情势的变化原因.结果表明:SIMHYD降水径流模型对汾河流域天然月径流过程具有良好的模拟效果;就1970-1999年的平均状况而言,气候因素和人类活动对径流的影响量分别占径流减少总量的35.9%和4.1%,人类活动是汾河流域径流减少的主要因素.     

基于MIKESHE分布式水文模型的降水时间尺度对喀斯特流域径流模拟的影响研究——以红水河系六硐河流域为例

径流形成是流域系统对降水水文响应的结果,其实质也是流域对降水时间和空间上的重新分配。降水作为径流模拟中最大的不确定因素之一,其时空分布特征是影响径流模拟及一系列其它水文问题的主要控制因素。为了探索喀斯特流域降水时间尺度对径流的影响规律,本研究利用MIKESHE模拟技术,结合喀斯特流域独特的地质、地貌、覆被类型及水文特征,对模型的相关参数进行率定,模拟了5场典型洪水的降水径流过程。并且通过改变降水资料的时间尺度,研究降水时间变异对模拟洪水过程的影响。研究表明,在相同的流域下垫面和模型条件下,若累计降水时间增加,同样数量的降水产生的径流总量也会增加,最大的流量出现时间也相对滞后。      

基于GIS/RS的流域水文过程分布式模拟——Ⅱ模型的校检与应用

GIS/RS是流域水文过程分布式模拟的重要技术支撑。结合泾河流域的实例研究,探讨了GIS支持下,基于栅格DEM流域水文特征的获取,降水、气温等资料的空间插值,以及土壤、植被等下垫面信息在水文模拟单元上的耦合。在此基础上,应用分布式水文模型对泾河流域的水文过程进行模拟。结果表明:所建模型结构上是合理的,在产流计算中泾河25个子流域在水量平衡方面误差均小于5%。潜在蒸发的模拟在趋势上与实测过程基本一致。径流模拟在4个检验站点上与实测过程的相关系数达到0.84～0.93。模型基本能够满足水资源规划与管理的需要。     

Integrating hydrologic modeling and land use projections for evaluation of hydrologic response and regional water supply impacts in semi-arid environments

Semi-arid environments are generally more sensitive to urbanization than humid regions in terms of both hydrologic modifications and water resources sustainability. The current study integrates hydrologic modeling and land use projections to predict long-term impacts of urbanization on hydrologic behavior and water supply in semi-arid regions. The study focuses on the Upper Santa Clara River basin in northern Los Angeles County, CA, USA, which is undergoing rapid and extensive development. The semi-distributed Hydrologic Simulation Program Fortran (HSPF) model is parameterized with land use, soil, and channel characteristics of the study watershed. Model parameters related to hydrologic processes are calibrated at the daily time step using various spatial configurations of precipitation and parameters. Potential urbanization scenarios are generated on the basis of a regional development plan. The calibrated (and validated) model is run under the proposed development scenarios for a 10 year period. Results reveal that increasing development increases total annual runoff and wet season flows, while decreases are observed in existing baseflow and groundwater recharge during both dry and wet seasons. As development increases, medium-sized storms increase in both peak flow and overall volume, while low and high flow events (extremes) appear less affected. Urbanization is also shown to decrease natural recharge and, when considered at the regional scale, may result in a loss of critical water supply to Southern California. The current study provides a coupled framework for a decision support tool that can guide efforts involved in regional urban development planning and water supply management.     

变化环境下城市水文学的发展与挑战——Ⅱ.城市雨洪模拟与管理

全球气候变化和快速城市化改变了城市水循环过程,加剧了城市暴雨洪涝问题。从城市雨洪模型构建的角度,回顾了降雨观测与预报技术、城市雨洪产汇流计算方法以及城市雨洪模型的发展历程,总结了各种技术的特点、适用性和局限性,指出城市雨洪模型在机理认识和数据管理方面的不足,提出了城市雨洪模型的概念性框架与基本流程。从雨洪资源化的角度,介绍了城市雨洪管理基本理念和策略,分析了城市雨洪管理的主要技术方案。阐明了城市雨洪模拟与管理的发展趋势及前景,未来应该强化高精度降雨观测和临近定量降雨预报能力,探索城市化流域的产汇流机理和响应机制,开发有效的城市雨洪模型系统,发展多源信息耦合技术,开展城市雨洪模拟预报及资源化利用研究,实现城市可持续发展以及保障城市水安全。     

Assessing the impacts of rainfall intensity and urbanization on storm runoff in an arid catchment

In the past few decades, rapid urbanization has occurred in many regions of the Kingdom of Saudi Arabia due to increasing population and urban development. Additionally, the effects of global warming on rainfall characteristics have been observed. This rapid change in urbanization and climate change has cause significant changes in the nature of land surfaces and rainfall patterns, which affect the runoff process and the amount of surface runoff during floods. This study investigated the effect of urbanization and rainfall intensity for Hafr Al-Batin watershed located in Saudi Arabia. For this purpose, a hydrologic model, HEC-HMS, was adopted to simulate the flow of different rainfall intesities and urbanization levels. Simulated results showed that for a 100-year storm, a 24-h duration, and an urbanization level of 80%, the peak flow was 213% higher than the estimated current peak and the runoff volume was 112% higher than the current runoff volume. These results show a strong linear correlation between the level of urbanization and both peak discharge and runoff volume. Furthermore, the results indicate that for short return periods, the peak flow is more sensitive to the level of urbanization compared to long periods.     

Estimating potential direct runoff for ungauged urban watersheds based on RST and GIS

Estimating the potential direct runoff for urban watersheds is essential for flood risk mitigation and rainwater harvesting. Thus, this study aims to estimate the potential runoff depth based on the natural resources conservation service (NRCS) method and delineation of the watersheds in Riyadh, Saudi Arabia. To accomplish this objective, the geographic information systems (GIS) and remote sensing technique (RST) data were integrated to save time and improve analysis accuracy. The employed data include the digital elevation model (DEM), soil map, geology map, satellite images, and daily precipitation records. Accordingly, the hydrologic soil groups (HSG), the land use/land cover (LULC), and curve number (CN) were determined for each watershed in the study area. The results of this analysis show that the study area can be delineated into 40 watersheds with a total area of 8500 km². Furthermore, the dominant HSG is group D, which represents about 71% of the total area. The LULC maps indicate four major land types in the entire study area: urban, barren land, agricultural land, and roads. The CN of the study area ranges from 64 to 98, while the weighted CN is 92 for the city. The rainfall-runoff analysis shows that the area has a high and very high daily runoff (35–50 and >?50 mm, respectively). Therefore, in this case, the runoff leads to flooding, especially in the urban area and agricultural lands.     

Assessing the impacts of land use changes on watershed hydrology using MIKE SHE

A fully distributed, physically-based hydrologic modeling system, MIKE SHE, was used in this study to investigate whole-watershed hydrologic response to land use changes within the Gyeongancheon watershed in Korea. A grid of 200 × 200 m was established to represent spatial variations in geology, soil, and land use. Initial model performance was evaluated by comparing observed and simulated streamflow from 1988 to 1991. Results indicated that the calibrated MIKE SHE model was able to predict streamflow well during the calibration and validation periods. Proportional changes in five classes of land use within the watershed were derived from multi-temporal Landsat TM imageries taken in 1980, 1990 and 2000. These imageries revealed that the watershed experienced conversion of approximately 10% non-urban area to urban area between 1980 and 2000. The calibrated MIKE SHE model was then programmed to repeatedly analyze an artificial dataset under the various land use proportions identified in the Landsat TM imageries. The analysis was made to quantitatively assess the impact of land use changes (predominantly urbanization) on watershed hydrology. There were increases in total runoff (5.5%) and overland flow (24.8%) as a response to the land use change.     

快速城市化地区多尺度水文观测试验与暴雨洪水响应机理分析

城市下垫面改变引起水文循环过程发生变异, 导致目前已掌握的天然情况下的产汇流规律和机制难以解释城市化等新形势下的水文现象与过程, 而面临需重新再认识的挑战。本文以长三角地区为典型, 建立了不同城市化水平及空间规模的水文试验流域, 探讨了快速城市化地区暴雨洪水响应规律和机制。结果表明: ①不同量级降水事件下城镇用地土壤水响应程度(表层土壤水涨幅基本超过4%)总体高于其他土地利用类型, 城市化地区下垫面的改变通过影响土壤水动态响应模式直接影响了地表产流过程, 植被覆盖率较低的城镇用地和荒地土壤含水率呈现出陡涨陡落现象, 而植被作用下的土地利用类型则表现出缓慢上升和缓慢消退的土壤水响应过程。②流域洪峰滞时和洪峰流量整体表现为随流域面积增加而呈幂律函数关系形式的增加。③总降水量与主要洪水特征(如洪峰流量、单位面积洪峰流量和径流深)基本呈显著相关(相关系数分别达0.49、0.41和0.78以上)。城市下垫面通过改变土壤水动态响应等产汇流特征而直接影响了洪水过程, 未来长三角地区暴雨洪水在城市化和气候因素双重作用下呈现持续加剧的趋势。     

中国东部不同特征小流域水文对比观测试验分析

为探讨中国东部地区变化环境下水循环演变机制,通过水文站网加密观测、构建不同特征试验流域等方法,揭示了不同土地利用和不同城镇化水平下水文要素分布及响应规律。结果表明:①小流域内场次极端降雨局部差异较大,主要受到微地形和风向的影响。②鄞江镇试验流域水位涨幅和单位雨量水位涨幅均高于天然画龙溪试验流域,主要受到了流域大小和城镇化率等因素的影响。③城镇用地和耕地土壤水消退过程较快,林地退水过程相对较慢;浅层10cm、20cm和40cm土壤含水率对降雨滞后响应时间分别为0~0.25h、0.25~0.75h和0.5~0.75h,而深层(60cm和80cm)土壤含水率由于受到优势流的影响,响应较为复杂,响应时间变动范围较大。④小流域地下水对降雨的响应存在滞后性,响应时间为6.5~12h。     

天津北三河地区垂向耦合产流模型及应用

针对平原地区下垫面多样性的特点,将天津北三河地区下垫面划分为水面、农业用地和城镇建设用地3类,分别采用不同的产流模型。由于北三河地区农业用地主要为旱地,普遍存在犁底层;因此将非饱和带分为耕作层、犁底层和基础层3部分,分别采用蓄满产流、层间超渗产流和蓄满产流耦合产流模式,并考虑犁底层中大孔隙的存在对产流的影响。用北三河第9产流分区1966、1971、1974、1975、1976年资料建立产流模型,用1977年和1982年资料进行检验,合格率达85.7%。应用结果表明,该模型符合实际情况,可以反映北三河地区的水文特点,为平原地区水文分析提供参考。     

北方寒冷地区城市哈尔滨人口城市化与土地城市化协调关系研究

以哈尔滨市为研究范围,构建了人口城市化、土地城市化指标体系,运用熵值法计算各指标的权重,结合协调发展模型,分别研究了哈尔滨市1997-2014年期间人口城市化的内部协调性、土地城市化的内部协调性以及人口城市化和土地城市化的协调度及协调发展水平,并对人口城市化、土地城市化与协调发展水平进行了研究。结果表明：哈尔滨市的人口城市化内部协调性和土地城市化内部协调性都表现出前期加速,后期平稳的状态,在20世纪90年代,人口城市化内部协调性和土地城市化内部协调性都迅速提高,进入21世纪以后,协调度均保持在0.9左右,波动较小,内部协调度较高;综合人口城市化和土地城市化的协调度和相对发展度来看,除1999-2000年处于高级协调外,在研究期的其余时段哈尔滨市人口城市化和土地城市化基本处于初级协调状态,人口城市化与土地城市化的非同步性,是制约两者协调发展的关键因素,其中人口城市化对协调发展水平的影响更大。     

城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究综述

快速城市化显著改变了城市下垫面空间特征,对地表产汇流过程产生了重要影响。综述城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究进展,以下垫面空间特征对产汇流过程的影响为主线,聚焦不透水面和微地形两类空间特征,总结城市下垫面空间特征及其表征方法;从不透水率与不透水面空间变化、数值模拟与物理实验等方面,分别梳理不透水面和微地形等空间特征对地表产汇流过程的影响研究成果。展望未来城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究重点和发展方向,主要包括影响机理解析、主控空间特征参数识别与敏感性分析、城市水文效应适应性应对等,以期为快速城市化下城市水文效应解析和城市洪涝灾害防治提供一定参考。