高度城市化区域汇水域尺度LUCC的降雨径流调蓄效应——以上海城市绿地系统为例

快速城市化进程导致的土地利用/土地覆被变化(LUCC),对城市地表水文过程影响显著.城市绿地作为主要的城市透水型下垫面类型,具有良好的降雨径流调蓄效应.利用2000、2003年上海中心城区小尺度城市汇水域的LUCC、降雨和径流资料,以绿地系统为例,分析了高度城市化区域内,面积分别为2.60 km2和2.77 km2的相邻汇水域LUCC的水文过程.结果表明,高度城市化区域内小尺度城市汇水域的城市绿地系统具有良好的削减城市雨水径流总量和延缓雨水径流洪峰现时的调蓄效应.案例研究显示,在绿地系统面积比例分别为39.13%和27.36%,边界条件相近的对比城市汇水域内,10%绿地系统面积比例差,及其绿地结构、覆被植物和土壤类型的差异共同造成:①对比汇水域年径流系数存在约0.3的差别;②对24 h降雨量为42.8 mm的大雨径流过程,延后径流峰值出现时间约20 min;③对24 h降雨量超过270 mm的特大暴雨径流过程,削减地表径流系数约0.1.     

不同设计参数对雨水湿地水量水质的调控规律

基于前置塘+二阶表流湿地组合的雨水湿地系统的室内降雨径流模拟实验数据,研究了不同降雨重现期、不同常水位、不同湿地出水口高度、不同湿地级数以及不同污染负荷等设计参数对湿地水量水质调控效果的影响规律,研究结果表明:前置塘+二阶湿地组合的雨水湿地系统通过截留、缓冲和存储作用,对不同降雨径流条件下的产流时间、流量、径流削减率具有多重调控作用,延长了污染物在流域内部的滞留时间,减少了污染负荷的输出,对降雨径流过程中污染物总量具有较好的截留效果。并随设计参数的变化有明显的变化规律。随着降雨重现期的增加,湿地出水口高度的降低,湿地常水位的增加,以及湿地级数的减少,湿地出流量增加,产流时间提前,出流持续时间延长,径流削减率降低。从场次降雨污染物平均浓度(EMC)削减率上看,降雨过程中,雨水湿地仅对SS削减比较明显,削减率达70%—80%,对其他污染物浓度的削减效果不明显。从场次降雨污染物总量削减率来看,雨水湿地对降雨径流污染物具有较好的截留效果,并随着降雨重现期减少、湿地出水口高度增加、湿地常水位降低,呈逐渐增加趋势。     

北运河流域雨洪“源-汇”景观时空演变

近年来,海绵城市建设热潮涌现,这一强调雨洪弹性的领域却极度缺乏对于宏观水平过程的探究,未能系统理解雨洪过程的转变动态。由此,引入用以分析各类型生态过程及景观格局的重要理论——"源-汇"景观理论,以北运河流域洪涝过程的内在作用机制为例,着重强调与探求雨洪过程中"源"景观与"汇"景观的相对性与动态性。研究选取关键的景观因子指标,利用最小累积阻力模型测算雨洪径流动力值与地表景观阻力值,从而分析"源-汇"景观的动态演变特征,结果表明:北运河流域中,作为初始径流"源"的区域集中于蟒山山地以及百望山及阳台山山地,易成为山体径流的源头;在北运河流域范围内,自然排水条件下,产生径流的"源"景观类型比例大小排序为:林地公建用地道路工业及设施用地居住用地荒地绿地农田;在5年一遇的重现期状态下,建设用地雨水消纳能力良好,10年以上重现期下其"源"作用偏强。非建设用地中的林用地在5年一遇重现期下"源"作用已很强,农用地一直有很强的"汇"作用。城市绿地在20年一遇的降雨下已有20%变成"源",其消纳雨水能力有待进一步的观察与实验;在北京城区内涝积水点体现出西多东少、北多南少的特征,径流过程随降雨强度的增大,以由西向东、由北向南的趋势扩散。北京城内洪涝灾害的成因多有缘于山体径流,需尽早探寻合理的手段与对策解决高山林地的径流问题。     

高度城市化地区屋顶绿化径流调控效益评价——以厦门岛为例

屋顶绿化的降雨径流调控效益对城市水安全与可持续发展具有重要作用,尤其是在土地资源紧缺与环境问题突出的高度城市化地区,然而目前针对城市尺度进行屋顶绿化降雨径流调控效益的研究较少。以厦门岛142 km~2的典型高度城市化地区为研究对象,采用ArcGIS与SCS-CN水文模型,研究了四种屋顶绿化实施场景在四种不同重现期(2、5、10、20年)降雨事件下各汇水区屋顶绿化的降雨径流调控效益,并依其空间分异特征制定差异化生态建设策略。结果显示,(1)平均地表径流减少率随城市屋顶绿化量的增加从0.91%增加至4.51%,随降雨强度的增加从2.86%下降到2.01%。屋顶绿化对南部城市核心区中山路商圈汇水区的地表径流削减作用最为显著,在2年重现期降雨事件和100%屋顶绿化实施场景下地表径流减少了8.84%。(2)厦门岛易积水区域主要分布在高崎机场、西北部港口、筼筜湖、五缘湾和环岛路;在四种屋顶绿化实施场景下,平均积水深度降低1.68、4.68、6.45、14.43 cm,平均积水面积减少6.11、16.89、23.29、52.06 hm~2,而随着降雨强度的增加,积水面积减少率幅度降低,屋顶绿化对中低...     

海绵城市建设对流域海绵体生态水文过程的改善

快速城市化驱动的不透水面比例增加是引起流域洪峰和径流总量增加的直接原因,海绵城市建设通过生态基础设施网络构建增加流域透水面比例,是重构流域生态水文过程的重要途径。但是海绵城市建设在流域海绵体生态水文过程中发挥的作用尚不清楚。以深圳市布吉河流域洪湖片区为例,通过雨季水文过程要素在线连续监测来确定海绵城市建设是否改善洪湖片区生态水文过程。结果表明,中观尺度上,雨季降雨量对洪湖片区地表径流总量无直接影响,降雨强度显著影响洪湖片区地表径流峰值流量(P<0.05),日降雨量对布吉河水质影响极显著(P<0.01)。洪湖片区通过28.3%(0.85 km²)海绵面积建设,透水面比例提升,以生物滞留设施和透水铺装等强化片区蒸散和下渗过程,减少雨季径流97.2%(248.72万m³),削减典型降雨峰值流量98.2%以上,降低易涝点积水水位至7.8 cm以下,2.8%形成河川径流(布吉河),海绵面积(比例)和地表径流量削减无直接量化关系。洪湖片区污染物截留时空随保水能力得到提升,控制排放悬浮物月均浓度均低于15.60 mg/L,污染物通过径流裹挟进入...     

半湿润地区外源径流型海绵绿地设计方法研究——以迁安市滨湖东路绿地为例

海绵城市建设视角下的城市绿地在调蓄城市雨洪中承担着日益重要的角色,半湿润地区的海绵绿地具有显著特征,总结其设计方法可为风景园林行业的相关研究和实践提供参考。以河北省迁安市滨湖东路绿地的建设全过程为研究对象,以保障绿地的基本功能和消减绿地内外部径流为前提,将半湿润地区降雨特征 作为研究基础,提出半湿润地区外源径流型海绵绿地的设计方法。针对绿地内部的低影响开发（low impact development,简称 LID）体系,利用 Xpdrainage 软件对场地开发前、后进行不同重现期降雨条件下的径流排放过程的情景模拟,对比分析二者的径流总量、峰值流量和峰现时间。结论： 1）在不同重现期降雨量下,滨湖东路绿地调蓄雨水径流作用显著; 2）半湿润地区外源径流型海绵绿地在设计时须利用定性分析结合定量模拟的设计方法。     

亚热带季风区城市典型绿化屋顶的径流削减效应

屋顶绿化能够削减暴雨径流,降低城市内涝发生频率,促进可持续雨洪管理。针对亚热带季风气候区典型绿化屋顶的全年径流削减效应,以南京为研究区,以简易型、花园型两类绿化屋顶为研究对象,基于1年现场观测数据及水量平衡方程,分析屋顶雨水的滞蓄、蒸发与径流量随季节变化规律及其关键影响因子,采用SCS-CN模型计算绿化屋面的径流曲线数(CN),并估算城市尺度大面积屋顶绿化的暴雨径流削减效果。结果显示,简易型、花园型绿化屋顶全年径流削减率分别为42%和60.7%;径流削减效应的四季排序为春季冬季秋季夏季,平均径流削减率依次为78.6%、47.5%、33.2%、32.9%(简易型)及98%、84.3%、49.5%、48.1%(花园型);土壤基质层对雨水截留起主导作用,分别占径流削减总量的52%和62%;雨量和雨强是影响径流削减效应的关键因子,与径流削减率均呈显著负相关关系(P0.01),初始土壤湿度与简易型绿化屋顶的径流削减率呈显著负相关(0.01P0.05),但与花园型的径流削减率无显著相关性;基于全年77次降雨事件的降雨量-径流量数据测算得到简易型和花园型绿化屋顶的CN值分别为92和88;若南京主城区所有建筑屋顶面积的60%实施两类绿化,则其全年径流量可分别削减2.8×10~7 m~3和4.2×10~7 m~3。以上研究结果可为城市雨洪管理和海绵城市建设提供科学依据。     

海绵城市规划及景观生态学启示——以盘锦市辽东湾新区为例

随着我国城市面积不断扩张,我国许多城市面临着水资源短缺、地下水储量不足、水质污染和内涝的问题.针对这些城市水环境问题,我国2015年提出“海绵城市”建设.本文以辽宁省盘锦市辽东湾新区为例,依据《海绵城市建设技术指南-低影响开发雨水系统构建(试行)》,通过对典型区进行下垫面及各地块用地类型分析,结合研究区地形、水文、降雨强度等因素,选取低影响开发(LID)措施对研究区海绵城市规划进行设计.结果表明: 研究区达到整体目标控制率(年径流总量控制率大于75%)时,下沉式绿地率为1%～31%,下沉式绿地总面积达13.73 km²;透水铺装率为1%～13%,透水铺装总面积达2.29 km².本研究能够为海绵城市规划设计提供案例,对景观格局与过程研究也提供了新的思路和方法.     

土地利用格局对SWMM模型汇流模式选择及相应产流特征的影响

城市下垫面土地利用格局与地形的复杂性将导致地表汇流模式的多变性。在城市雨洪管理模型中,不同汇流模式的选取对雨洪模拟结果产生重要影响,而这一影响往往被忽视。基于设定与巴中城市社区尺度相近的实验区以及巴中市的真实降水数据,并根据实验区土地利用格局特征,在SWMM雨洪管理模型汇水模块中设置Outlet、Impervious、Pervious 3种汇流演算模式及其演算面积比,分析了不同土地利用格局响应下的不同汇流模式选择对城市雨洪模拟结果的影响。结果表明:(1)Outlet、Impervious两种汇流演算模式下汇水区地表径流的模拟结果相同,但与Pervious演算模式下的模拟结果差异显著。在Pervious模式下地表径流相对另外两种汇流模式最大降低了52%,降雨下渗量提高了近1倍。(2)在Pervious模式下,演算面积比对汇水区地表径流模拟结果具有重要影响。在总不透水面(IA)面积一定的情况下,有效不透水面(DCIA)的减少引起非有效不透水面(UIA)的比率增加。这种土地利用格局的变化致使汇水区总径流量、径流系数显著下降,降雨下渗量逐渐增加,洪峰流量则呈先增后减的趋势,且在非有效不透水面(UIA)比率为30%和40%时(此时非有效不透水面与渗透面面积相接近),洪峰流量最小。对结果的分析表明了雨洪管理模型在小尺度汇水区上应用时,应根据土地利用格局特征选择相应的地表汇流模式。正确的评价和分析不同土地利用格局方案对地表径流的影响,从而更为科学地指导城市雨洪管理和海绵城市的规划与建设。     

三峡库区土质道路侵蚀产沙过程的模拟降雨试验

以三峡库区王家桥小流域为研究区,通过野外调查选择了5个典型路段,在1.0 mm min~(-1)模拟降雨条件下研究了土质道路降雨-径流-泥沙关系.结果表明,土质道路被高度压实,但使用强度和管护方式差异致使容重、路面浮土、杂草盖度、饱和导水率等差异显著.土质道路仅需1～3 mm降雨就能产生地表径流,7～10 mm的降雨使径流趋于稳定,径流系数超过60%,特别是车流量较大干道的径流系数超过70%,平均和峰值径流量达0.69 mm min~(-1)和0.84 mm min~(-1).土质路面大量浮土致使初始径流含沙量高,然后快速下降并趋于稳定.由于路面浮土量大和在降雨过程中能形成人工细沟的车辙等导致较大车流量干道的土壤流失率是其它路段3～4倍.土质道路的容重和路面浮土与径流系数和土壤流失量呈显著正相关,饱和导水率则呈显著负相关;路面杂草能显著减少径流,防治路面侵蚀.     

社区尺度绿色基础设施暴雨径流消减模拟研究

当前快速的城市化进程导致了城市地区内涝事件频繁发生。绿色基础设施是减轻城市洪涝的有效措施之一。SWMM(Storm Water Management Model)等模型的复杂性使得规划管理者对模型的操作和应用存在困难,而且缺乏对绿色基础设施径流消减机制的展现。目前的研究中,比较单个与综合绿色基础设施配置径流消减效果的研究相对较少。基于水量平衡和城市水文过程,开发了社区尺度绿色基础设施消减作用的暴雨径流模型,并以北京市一典型社区为例,模拟研究了一年一遇和五年一遇两种暴雨条件下不同绿色基础设施配置对暴雨径流流量和峰值的消减效率。结果表明:用两场野外监测的降雨和径流数据验证模型得到的决定系数分别为0.68和0.71,纳什效率系数分别达到0.99和0.96,表明模型是可靠的。在一年一遇和五年一遇两种暴雨条件下,将常规绿地改造成5 cm深度的下凹式绿地,径流量分别减少了8.23%和23.30%,径流峰值分别减少了20.31%和29.11%;在建造300 m3调蓄池的情景下,径流量分别减少了84.90%和20.97%,径流峰值分别减少了88.99%和0.10%;在50%的不透水地表铺装透水砖情景下,径流量分别减少了46.51%和38.52%,径流峰值分别减少了39.96%和35.48%。3种绿色基础设施都可以较好的消减社区暴雨径流,但是随着暴雨强度的增强,下凹式绿地的消减效果略增强,调蓄池的消减效果变差,透水砖铺装的消减效果较稳定。综合3种措施对暴雨径流具有显著消减效果,可以100%消减一年一遇暴雨产生的径流,在五年一遇设计暴雨条件下,分别消减75.47%的总径流量和64.52%的径流峰值。     

基于暴雨径流管理模型(SWMM)的海绵城市低影响开发措施控制效果模拟

为解决城市化过程中遇到的水生态、水安全和水环境问题,以低影响开发(LID)为核心理念,我国提出了海绵城市这一新型城市雨洪管理概念.本研究利用芝加哥雨型和沈阳暴雨强度公式构建了不同重现期的降雨过程线,然后利用暴雨径流管理模型(SWMM)模拟分析了城市化前、城市化后和LID措施后3种情景方案的水文水质过程.结果表明: 随着降雨重现期的增大,LID措施减少的径流量逐渐增大,研究区径流量基本达到城市化前的水平.LID措施对总悬浮颗粒物(TSS)、化学需氧量(COD)的去除量较大,但TSS和COD排放量仍然远远高于城市化前,总氮(TN)和总磷(TP)的污染物排放量接近于城市化前的自然状态.随着雨强的增大,径流流速增大,LID措施消减的TSS、TP和COD量逐渐减小.     

基于生态水文调节服务的石家庄雨涝灾害供需匹配分析与街区规划干预

在雨涝灾害威胁日益凸显的背景下,基于生态系统水文调节服务供需匹配分析的规划防涝优先干预区识别,为高效降低城市雨涝风险、利用规划措施防涝提供了新的研究思路与科学支撑。运用数据叠置、水文模拟及公式计算法,将城市原生雨涝供给能力与雨涝需求水平统一至同一评估体系中。结合降雨量、下垫面类型,运用径流曲线模型对街区地表径流调节率进行计算,生成供给能力评估结果;以GIS水文模拟结果计算得出的危险性、暴露性和脆弱性指数生成需求水平评估结果。根据石家庄中心四区3a一遇、50a一遇情景供需匹配结果,划定城市街区尺度的规划干预等级,并分类提出相应规划策略。研究结果表明:石家庄市中心四区低供给高需求街区在3a一遇降雨情景下以点状聚集分布;50a一遇降雨情景下,在京广铁路线沿线呈现纵向聚集形态。同时,在两种降雨情景下,规划干预高等级街区均集中出现于桥西区苑东街道、彭后街道、东华街道,长安区长丰街道、建北街道,裕华区裕翔街道、建华南街道。根据规划干预等级、供需相对关系及供需失衡原因,分别提出3a一遇、50a一遇降雨情景下的九类规划干预策略,为城市雨涝灾害的规划应对提供优化思路。     

北京城市绿地调蓄雨水径流功能及其价值评估

随着城市化进程的加快,城区不透水面积急剧增加,改变了城市自然水循环。充分认识与发挥城市绿地调蓄雨水径流的积极作用,对于城市生态环境的改善和绿地资源的建设管理具有重要意义。本文以2009年北京城市园林绿地调查数据为基础,采用径流系数法和影子价格法评估了绿地调蓄雨水径流的功能及其价值。结果表明：2009年北京城市绿地生态系统调蓄雨水径流1.54亿m3,单位面积绿地调蓄雨水径流2494 m3/hm2;绿地年调蓄雨水径流价值13.44亿元,约合2.18万元/hm2;不同区县绿地调蓄雨水功能主要受其面积影响,朝阳区绿地调蓄雨水径流及其价值量最高,其次为海淀区、顺义区、丰台区区和通州区绿地,而密云县、怀柔区和门头沟区绿地调蓄雨水径流能力及其价值较低。本研究对于认识北京城市绿地的功能与价值、促进城市绿地的科学管理和建设维护具有一定的指导意义。     

基于低影响开发的滨海工业园区景观生态规划——以营口市沿海产业基地二期为例

工业园区的低影响开发(LID)是我国海绵城市建设的重要内容.本研究根据景观生态学原理,通过分析景观格局对水文过程的影响,探讨工业园区雨洪管控的生态空间结构优化方法.首先,根据滨海地区水文和地质条件对工业园区进行景观格局优化,梳理水系廊道,整合绿地斑块;然后,根据下垫面特征进行雨洪管控区域划分,确定不同管控分区的径流控制指标,并选择不同景观节点的LID技术措施,实现工业园区生态基础设施合理的空间配置.结果表明: 通过景观格局优化,工业园区内构建的生态网络加强了景观的连通性,多种LID技术的组合使园区径流控制率由45%提升至70%,其中,透水铺装、下沉式绿地、雨水花园、湿塘、植草沟面积占总面积的比例分别为1.3%、1.9%、0.2%、0.2%、0.1%.本研究能够为滨海工业园区的低影响开发建设提供新的思路和方法.     

基于SWAT模型的北京平原区森林景观格局对雨洪减缓的影响研究

景观格局及其变化是影响地表径流及空间分布的重要因素,也是管理城市雨洪、治理生态环境的途径。以北京市平原区百万亩造林项目为背景,选取第一轮造林时间（2011、2013、2015、2017年）的遥感数据,以三环、五环、六环路为界,将平原区划分为核心区、中心区、近郊区、远郊区四个区域,分别分析整体及分区林地景观格局的变化。运用SWAT模型模拟不同格局对不同区域暴雨径流的影响,探究影响径流变化的主导林地景观指数。研究发现：1）平原区林地面积呈增长趋势,增幅为12.96％。除核心区和中心区的部分地区外,林地斑块更聚集、形状更复杂。2）百万亩造林工程对平原区雨洪风险的减缓有积极作用,但受城市建设及人类活动的影响,不同区域造林对径流的减缓强度与建设扩张的影响强度大小关系略有不同。核心区、中心区造林对径流的减缓强度大于建设扩张对径流的副作用,径流总量减小,减少比例为1.98％、4.29％。而近郊区、远郊区相反,径流总量变大,增大比例为0.09％与6.82％,其中远郊区建设扩张的强度是影响平原区径流风险的主导原因。3）不同区域雨洪减缓的关键性林地景观指数不同。核心区径流的主导林地因子为斑块数量与形状因子,中心区为面积因子,近郊区为聚合度因子和形状因子,远郊区为面积与聚合度因子。主导林地因子的大小调控将更高效的减缓雨洪风险。本研究通过SWAT模拟分析得到第一轮造林期间平原区森林格局与径流特征的空间变化及各区域径流减缓的关键性林地因子,为第二轮造林提高雨洪减缓功效提供参考。     

基于组合绿色生态措施的北方城市雨雪径流削减模拟

以北方城市雨雪径流削减控制为研究目标,通过构建SWMM雨雪径流模型对北方城市夏季降雨径流量和春季融雪径流量进行模拟.同时根据研究区气候特点和实际情况制定了符合研究区低影响开发(LID)绿色生态措施方案,通过加入简单式绿化屋顶、雨雪收集双用装置和下凹式绿地3种控制措施,模拟了组合绿色生态措施对研究区夏季降雨和春季融雪径流的削减以及对排水管网压力的缓解效果.结果表明:2016年5月24日、6月10日和7月18日3场实测降雨模拟的最大径流量分别为2.7、6.2和7.4 m^3·s^-1,1、2、5、10年4种不同重现期降雨条件下的峰值流量分别为2.39、3.91、6.24和7.85 m^3·s^-1;在融雪期,峰值流量出现在3月初.LID措施在雨季对削减峰值流量、延迟峰值时间和缓解排水压力具有很好的控制效果,削减率最高可达70%左右,而且通过加入雪收集装置,对春季融雪径流也有一定的控制效果.     

How does imperviousness impact the urban rainfall-runoff process under various storm cases?

Dramatic changes in imperviousness exert significant influence on the rainfall-runoff process in urban catchments. In urban rainwater management, imperviousness is generally adopted as an effective indicator for assessing potential runoff risk. However, the effects of imperviousness on rainfall-runoff at the scale of small urbanized drainage areas have not been fully determined, particularly when various storm characteristics are considered. In this paper, a model-based analysis is conducted in a typical urban residential catchment in Beijing, China, in which 69 subareas are delineated within the catchment as the basic drainage units. Two metrics, total impervious area (TIA) and directly connected impervious area (DCIA), are employed to quantify the spatial characteristics of imperviousness of the subareas. Three runoff variables within the delineated subareas including total runoff depth (Q_t), peak runoff depth (Q_p), and lag time (T_lag) are simulated by using the Storm Water Management Model (SWMM) to represent the specific rainfall-runoff characteristics. Moreover, model input storms are designated to several typical flood-induced rainfall events with varying amounts, locations of rainfall peak, and durations for holistic assessment of imperviousness. Regression analyses are conducted to explore the contributions and relative significances of impervious metrics in predicting runoff variables under various storm cases. The results indicate that the performances of imperviousness with fine spatial scale (<1 ha) and heavy rainfall conditions (>34 mm) may vary markedly according to storm conditions. Specifically, TIA rather than DCIA acts as a dominate factor affecting total runoff, and its significance maintains relatively stable with various storm conditions. In addition, the combined use of both TIA and DCIA are more effective for predicting peak runoff than that using a single impervious metric; however, rainfall amount, peak location, and duration alter the contribution gaps between TIA and DCIA and the overall performance of the regression model. Moreover, DCIA is more likely to affect runoff lag time without the contribution of TIA; however, an increase in rainfall peak ratio or duration will significantly limit its performance. These results can provide insight into the hydrologic performance of imperviousness, which is essential for landscape design and runoff regulation in small urban catchments.