城区不同下垫面条件对降雨径流的影响

城区降雨径流过程主要受降雨过程和下垫面变化的影响,不同下垫面条件对降雨径流影响很大.通过对绿地、环保透水砖铺装、草皮空心砖铺装和不透水釉面砖铺装4种不同下垫面情况下的模拟降雨入渗试验,其结论可为城市建设设计提供理论依据.     

徐州市土地利用变化对径流的影响

[目的]研究1983—2013年徐州市土地利用变化对径流的影响,为该市水资源利用与保护和土地利用结构调整服务。[方法]基于Landsat TM/ETM+影像提取徐州市土地利用变化信息,采用验证后的SCS(soil conservation service)水文模型模拟了不同降水条件和下垫面状态下径流量的时空特征。[结果](1)丰、平、枯降水条件下,年均径流深分别增加46,42和38mm;(2)径流深变化范围为299~800mm;(3)林地与建设用地之间转换导致径流系数的变化超过0.3,其余在0.1~0.3之间;(4)不同土壤湿润程度条件下,径流增幅大小表现为:AMCⅠAMCⅡAMCⅢ。[结论]建设用地的增加是近期径流增大的主要因素;2003年建设用地比超过20%,为土地利用变化影响径流突变的一个阈值;径流深的高值区为水体、建设用地、耕地以及煤矿区,低值区为林、草地;林地转为建设用地导致最大的径流增加值。     

基于SCS-CN模型的郑州市区域产流特征研究

[目的] 根据郑州市下垫面产流情况研究该市内涝成因,为市区重要基础设施的暴雨内涝灾害风险防范与运行管理提供科学参考。[方法] 利用2016—2020年的气象资料和2020年的土壤、坡度、土地利用资料,采用SCS-CN水文模型,计算下垫面径流量,研究坡度、土壤、土地利用与径流量的关系。[结果] ①2016—2020年郑州地表径流分布整体上呈“东北高,西南低”“城区高,山区低”的趋势,除水域外,径流量主要分布在人类活动较密集区域。②较缓坡的径流最大。坡度贡献率与面积呈正相关。③郑州市土壤分为A (滨海风砂土)、B (黄绵土)、C (潮土等)、D (褐土性土)4类。D类径流最大,4类径流逐步呈上升趋势。土壤贡献率与面积呈正相关。郑州市主要为C类潮土,下渗率低。④SCS模型显示,前期土壤湿润程度越低,降雨下渗越多,径流越小。CN值越大,可能最大滞留量(S)越小,径流量越大。[结论] 郑州市地表产流在东北建设区域较为集中。产流越大,越易发生内涝。因此,应在产流集中的区域增加海绵砖、绿化带,及时修理排水管道。同时应推动郑州东南发展,以缓解郑州东北区域人类活动对地表产流的影响。     

漯河市规划区雨洪格局空间分布特征综合量化研究

[目的]探索城市雨洪格局空间分布规律,为海绵城市建设提供参考。[方法]建立GIS数据库,ArcGIS空间模拟与SCS-CN,SWMM模型相结合,定量分析20a重现期和2h,85.43mm降雨,漯河规划区产流和积水分布特征。[结果]研究区径流量和径流系数(相等)、径流体积、峰值流量、积水区域的自相关Moran's I系数分别为0.338(p0.001),0.142(p0.001),0.101(p0.001),0.918(p0.001),表明产流与积水分布均呈现显著集聚性,土地类型和管网分布对产流影响大于积水过程,而地形影响则相反;径流量和径流系数由中心向外递减趋势,径流体积与峰值流量受汇水区面积和城市管网分布影响;高产流风险区不透水面占该区域82.73%,径流系数0.7和不透水面70%的汇水区集中在城市中心;积水区用地类型以农业用地、城市绿地、道路用地为主,分别占总面积的36.56%,21.39%,21.82%,分布特征存在显著差异。[结论]城市地表结构变化与城市产流和积水分布关系密切,综合量化方法可以直观地反映城市雨洪格局特征与趋势。     

基于土地利用和景观格局的高原山区湖库水质变化主要贡献因子分析

[目的] 准确分析与识别高原山区湖库水质变化的主要贡献因子，为高原山区乃至全国水环境污染防治和管理工作提供科学参考。 [方法] 解译贵阳市“两湖一库”流域2013，2016和2019年3期土地利用数据，采集丰-枯水期总氮和总磷水质数据，通过Pearson相关分析揭示3期土地利用/景观指数与水质的相关性，冗余分析识别土地利用/景观指数对水质的贡献。 [结果] ①2013-2019年，林地、建设用地和草地分别增加11.72%，9.96%和3.18%，水田、旱地分别减少8.77%，12.07%。林地与建设用地均表现为结合度增强，斑块数量比例增加。 ②红枫湖水质达到国家Ⅰ-Ⅲ类水质标准，百花湖和阿哈水库的总磷、总氮浓度波动较大，水质状况劣于红枫湖。 ③林地面积比例和景观指数与水质指标整体表现为负相关，建设用地面积比例和景观指数与水质指标整体表现为正相关。 ④2013和2016年林地斑块数量比例的贡献度分别达到54.0%和52.5%，2019年建设用地面积比例的贡献度达到68.7%。 [结论] 林地表现出“汇”的效果，建设用地则是“源”的效果，增加流域“汇”效应，抑制污染“源”的输出，是缓解“两湖一库”流域水质恶化的有效手段。     

海绵化改造小区调蓄池优化布局及其雨水径流控制效果——以浙江省嘉兴市烟波苑小区为例

[目的]在海绵城市建设背景下,从建筑小区尺度探究调蓄池布局对雨水径流的控制和利用,为平原河网区域城市旧城海绵化改造,增强排水防涝能力,提高雨水利用效率提供技术依据。[方法]以浙江省嘉兴市典型老旧小区烟波苑海绵化改造工程为例,基于暴雨管理模型(SWMM)软件建立排水系统数学模型,通过分析研究区不同降雨重现期和积水节点之间关系,探究最佳的积水节点控制数目;在此基础上,输入设计雨水控制条件探索调蓄池合理布局方案。[结果]①在5～15 a重现期内,研究区积水节点数量分布出现稳定期,并于9 a重现期时积水节点控制数量达到最佳;②模拟容积在20～100 m~3之间的调蓄池比例达84%,达到实际建设标准;③采用合适的"低影响开发(LID)+调蓄池"方案后,研究区雨水径流控制效果提升明显,其中径流峰值削减率达40%以上,外排径流系数降低0.2左右,杂用水供给率最高可达146.3%。[结论]老旧城区在进行海绵化改造时,应当重视调蓄池的合理布局与利用,以构建灰绿结合的径流控制系统,实现高效的雨水管理。     

城市绿地空间径流下渗与海绵设施参数研究

[目的] 对城市绿地空间径流下渗特性与海绵设施参数进行研究,为城市建成区绿地空间海绵设施构建提供理论支持。[方法] 以江西省南昌市为例,通过土壤颗粒级配和SPAW(Soil-Plant-Air-Water)模型演算获取土壤特性参数;利用单环现场实测结合Matlab拟合霍顿(Horton)入渗公式,获取初始、稳定入渗率与衰减系数;通过HYPROP2与HYPROP-Data Evaluation Software(HYPROP-DES)测定土壤水张力以及非饱和导水率。[结果] 现场入渗开始5～10 min后基本达到稳定入渗过程,且稳定入渗率大部分低于100 mm/h;入渗过程受水文土壤分组差异以及人为扰动等影响较大;土壤在完全饱和状态下约需7 d可以恢复到初始状态的下渗速率;基于RECARGA模型构建了海绵城市理念下绿地空间海绵设施改建技术路线。[结论] 3种方法推演绿地土壤下渗过程可提高海绵设施关键参数设计精度。模型演算过程需考虑初始含水率与现场因素影响。     

高密度老旧城区源头减排项目监测评价

高密度老旧城区海绵化改造难度大,为定量评价其源头减排项目实施有效性,以深圳市罗湖区建筑小区、口袋公园和道路项目为例,在2020年雨季(6—9月)连续在线监测各项目排泄流量,评价其径流总量控制和径流峰值控制2项生态效益定量指标。结果表明,径流总量控制率和径流峰值控制率大小排序均为道路>口袋公园>建筑小区。其中：雨水回用设施(兼蓄水)在建筑小区径流控制中具有重要作用,建筑小区屋面径流控制不容忽视,“绿色屋顶+雨水回用设施”组合海绵设施可促使建筑小区削减100%径流总量和100%径流峰值;口袋公园可实现95%以上径流总量削减和97%以上径流峰值削减,是高密度老旧城区公园绿地海绵化改造的有效手段;“生物滞留设施+透水铺装+环保型雨水口”组合海绵设施可增加道路径流总量和径流峰值削减的稳定性,保持在99%以上。这些源头减排项目建设方法在高密度老旧城区具有推广使用价值。     

太原市工业区不同下垫面降雨径流污染特征

[目的]揭示太原市工业区不同下垫面降雨径流的污染特征,为探明工业水体污染的来源以及工业水污染治理提供科学依据。[方法]基于研究区2类不同下垫面的降雨径流水质监测数据,计算场次降雨径流污染物的平均浓度(EMCs)。监测项目包括化学需氧量(CODcr),NH_3—N,NO_3~-—N,TN,TP,Cu和Zn。[结果]2种下垫面条件下降雨径流的CODcr,NH_3—N,NO_3~-—N,TN和TP的浓度均超出Ⅴ类国家地表水标准,重金属污染不明显;污染物负荷(EMC)与降雨历时呈现负相关关系,符合指数回归方程。[结论]研究区降雨冲刷效应显著,随着降雨历时的增加,污染物浓度趋于降低。同时,与国内其他城市工业区相比,太原市工业区的污染程度较轻。     

不同土地利用变化情景下的洪汝河流域水文响应

[目的]研究洪汝河流域土地利用变化对水文过程的影响,为当地水资源的合理规划和利用提供依据和参考。[方法]本研究以土壤水体评价模型(soil and water assessment tool,SWAT)为基础,通过设计多种土地利用情景模式模拟洪汝河流域水文情景,首先利用数字高程模型(digital elevation model,DEM),土地利用数据、土壤数据以及日气象数据建立模型;其次选用2006—2008年的水文观测数据进行模型率定,并进行敏感性和不确定性分析;最后,设置4种土地利用情景模式进行水文模拟。[结果]退耕还林情景下径流减少4.23%;而在耕地增加,城镇用地增加和以城镇用地、林地草地增加为主的复杂土地利用变化这3种情景下,径流分别增加3.01%,4.91%和1.50%。[结论]退耕还林增加了可涵养水源的森林,使得径流减少,而增加耕地开垦或城市建设用地则会增加地表径流。     

土壤对城市雨水径流中污染物的削减作用

[目的]分析城市雨水径流在土壤中的净化情况及径流污染物对土壤环境造成的影响。[方法]在充分了解陕西省西安市某地土壤特性和当地雨水径流水质的基础上,模拟城市土壤表层系统和雨水径流装置,研究雨水径流中的污染物在下渗过程中土壤表层对它们的削减作用及土壤基本理化性质的变化。[结果]在土壤层厚度为20cm,雨水渗透量为6 000ml,径流时间3h的条件下,裸土和绿地表层土壤对模拟雨水中各污染物的去除率均达到40%以上;土壤的密度及pH值基本未发生变化,氮的含量由原土的54.95mg/kg分别增加到65.10(绿地)和68.60mg/kg(裸土),有效磷的含量由原土的59.23mg/kg变化到82.39mg/kg(裸土)和39.93mg/kg(绿地),有机质的含量由原土的18.32mg/kg变化到19.28mg/kg(裸土)和14.04mg/kg(绿地)。[结论]绿地对雨水径流处理效果较好。在渗流过程中,土壤对氨氮的截留效果较为明显,短时间内土壤基本物理性质变化不大。     

2007-2017年夏冬季上海市内外圈层土地覆盖与地表温度的定量关系

[目的]探究超大型城市地表温度对不同土地利用类型的响应特征,为城市建设和规划设计提供科学参考。[方法]以上海市为例,运用2007,2013,2017年夏冬季共6期Landsat系列多光谱及热红外影像数据,解译土地利用类型并反演地表温度,基于900 m×900 m网格分析了夏季和冬季上海市外环内外土地利用类型对地表温度影响特征。[结果]夏季上海市地表温度空间特征为外环外冷内热,平均温差4.86℃;冬季上海市地表温度空间特征为外环外热内冷,平均温差0.17℃。夏季外环外非渗水地表比例每增加10%可升温1.22℃,外环内升温0.97℃;绿地及水体与地表温度呈负相关,外环外绿地比例每增加10%可降温1.01℃,外环内林地比例每增加10%可降温1.06℃;水体比例每增加10%最大降温0.85℃。[结论]夏季绿地的降温效应在外环内大于水体而在外环外小于水体,水体在不同季节不同圈层降温效应均一稳定,上海市形成冷岛所需水体和绿地比例呈逐年降低趋势。     

嘉悦江庭小区海绵城市建设实践与探索

在国家海绵城市建设首批试点的16个城市和地区中,重庆市是唯一的典型山地城市。以重庆市悦来新城嘉悦江庭小区海绵城市建设为例,对小区绿地在海绵城市建设中的功能提升和关键作用展开论述。嘉悦江庭小区海绵城市构建策略为:(1)顺应小区地形地势,构建雨水回用体系;(2)结合小区实际,选择可移动式模块化屋顶绿化;(3)优化原有绿地为下沉式绿地;(4)与周边地块海绵城市建设进行通盘考虑,增强海绵城市建设的整体性和系统性。通过模拟数据结果分析,整个嘉悦江庭小区的污染物负荷去除率为25.1%,达到《海绵总规》中对该区域污染物负荷控制率≥25.0%的要求。年径流排放率为42.49%,达到《海绵总规》中对该区域年径流排放率≤45.5%的要求。年径流总量控制率62%,达到《海绵总规》中的要求。雨水资源化利用量为14926 m3,占总降雨量的8.07%。     

不同植物边坡的糙率系数和水力学特征参数

[目的]研究北方土石山区植物边坡糙度,为坡面生态防护的最佳植物配置选择提供依据。[方法]在北京市昌平区试验基地设置多组不同地表类型的径流小区,设计了控制流速、流量的野外放水冲刷试验。[结果](1)与乔灌植被相比较,草本植被对地表径流流速具有良好的阻滞作用,毛白杨对地表流速有加速作用。(2)草地的平均糙率系数最大,裸地最小。对裸地进行处理后发现,铺设枯枝物,可以有效提高地表糙率系数值,通过砾石压盖处理的地表糙率系数并未有明显改变。(3)各类地表下垫面的雷诺系数Re均介于21.34~23.49之间,枯落物小区Re最大,毛白杨小区Re最小,水流均为层流,紊动性弱;弗劳德数Fr介于0.35~2.55之间;阻力系数f介于1.03~54.43之间。[结论]枯落物和草地可以有效减缓地表径流流速;毛白杨下垫面防蚀功能最弱。     

基于Dempster-Shafer证据理论的流域不透水表面扩张特性研究

[目的]揭示驱动盘龙江流域不透水表面扩张的影响因子,以及影响因子各属性值对不透水表面扩张的影响程度,并在分析驱动机制的基础上,模拟预测盘龙江流域的扩张趋势,为流域生态建设合理规划提供依据。[方法]采用Dempster—Shafer(D—S)证据理论来描述和融合多种空间数据,在已有的不透水表面(impervious surfaces,IS)信息与多种空间数据的量关系的基础上,采用数据驱动方法分配基本概率函数(basic probability assignment,BPA)。经过定义多种空间数据的BPA函数,然后采用D—S证据理论的融合规则融合多个BPA函数以获取研究区域IS的信任函数、不信任函数、不确定函数、似真函数。[结果]距道路距离,距居民点距离,距水系距离,人口密度,GDP,IS邻域单元数,坡度,高程驱动因子对盘龙江流域不透水表面的扩张影响比较大,而坡向对不透水表面扩张的影响程度变化不明显。不透水表面扩张模拟的精度达到78.04%。[结论]采用D—S证据理论方法来描述空间数据和融合多种空间数据具有比传统逻辑回归模型更好的分析和预测功能。     

基于典型年法的海绵城市建设控制指标研究

[目的]探讨海绵城市控制指标年径流总量控制率的确定方法,为海绵城市建设控制指标的合理确定提供新的思路。[方法]结合中国目前海绵城市建设相关规范及研究成果,分析关于年径流总量控制目标确定方法的合理性。以合肥市为例,分别采用长序列法、典型年法、外排径流系数法、逐日水量平衡法对相关问题进行研究,探讨不同年径流总量控制率对外排径流系数的影响及不同规模雨水调蓄设施的实际控制效果。[结果]提出控制指标的典型年计算法,并总结了外排径流系数随年径流总量控制率变大不能无限减小的规律,提出采用雨水利用有效容积这一指标来校核年径流总量控制率提高的适宜范围。[结论]典型年计算方法与雨水系统设计重现期相对应。结合对实际雨水总量控制率的研究,可为海绵城市建设中径流总量控制目标的确定提供新的思路。     

应用土壤测试磷评估砂土中磷的可淋洗性

河流、湖泊的富营养化是当今水质管理面临的最大问题之一。地表水体的富营养化一般与养分年输入量增加有关[1] ,因此控制地表径流和地下排水中养分 (特别是磷 )的输出被认为是降低富营养化风险最有效的途径[2 ,3] 。以往的研究表明 ,地表径流中可溶性磷的浓度与土壤测试磷有关[     

南方山丘区水源地土地利用结构对河库水质的影响——以珊溪水库流域为例

[目的]探明珊溪水库流域土地利用结构与河库水质的相关性,为南方山丘区土地开发利用和水源地保护提供依据。[方法]在库区以及河流入库点设置23个监测断面,于2017年7月及2018年1月进行实地取样监测,利用2016年TM影像数据对研究区用地类型进行划分,并通过ArcGIS水文、空间分析功能将整个流域分为8个子流域,分析每个子流域土地利用结构。选取高锰酸盐指数(COD_(Mn))、总氮(TN)、总磷(TP)、溶解氧(DO)4个水质指标分析其时空变化特征,探讨子流域不同坡度下土地利用结构对河库水质的影响。[结果]珊溪水库流域土地以林草地、耕地为主,两者面积比例总和达到80%以上。枯水期河库水质整体优于丰水期。各水质指标与林草地比例呈现负相关,而与耕地、建设用地呈正相关,丰水期土地利用结构与水质相关性相比枯水期更为明显。河库水质与不同坡度土地利用类型的相关性有差异,低坡度带(15°)COD_(Mn)与耕地比例呈显著正相关;中坡度带(15°～25°)TN,TP与林草地比例呈显著负相关,TN与耕地比例呈显著正相关。[结论]库区水体质量良好。在流域尺度上林草地和耕地是影响水体污染物浓度的主要土地利用类型。丰水期耕地是氮磷元素的主要输出源,林草地在一定程度上削减了氮磷元素的入河量,具有一定的正效应。     

植草沟对北京市道路地表径流的调控效应

[目的]分析植草沟对北京城市道路径流的水量和水质的调控效应,为北京市雨洪管理提供参考。[方法]实地建立植草沟,并根据北京市多年降雨资料和主干道路径流水质2010—2012年的监测结果设置径流水量和水质。[结果](1)降雨历时短,降雨强度低时植草沟的调控水量的功能明显。在降雨历时为3h,降雨重现期为0.33a时,50m2的植草沟可削减50m2沥青道路上产生的66%的径流量,降雨强度相对降雨历时来说对植草沟传输入渗的影响更大。(2)植草沟对水质污染物有一定的去除效果,但达不到完全净化。建设的植草沟能够削减径流中的氨氮达20%,总磷达35%,COD达22%。(3)植被覆盖度能影响植草沟的调控能力。植被覆盖度增加60%,植草沟对0.33年重现期降雨1h的雨量入渗率提高了8%。(4)若建立与北京市城六区道路等长度、宽2m的植草沟,对1a,2a重现期24h降雨形成的道路径流削减率分别为96.3%和56.0%,但对50a极端降雨道路径流量的削减率仅为13.0%。[结论]植草沟对北京市道路地表径流具有一定的调蓄洪峰流量,延缓产流时间,减少径流污染的作用,但无法单独作为有效控制城市道路地表径流水量的管理措施。     

山地校园不同下垫面雨水径流重金属污染特征和健康风险评估

[目的] 了解山地校园不同下垫面雨水径流重金属污染特征及雨水径流中重金属元素对于人体的健康风险，为山地海绵城市建设提供径流污染控制参考和人员健康保护基础数据。[方法] 2019年7月22日在重庆交通大学针对屋顶、道路、停车场和广场4种典型的下垫面进行了雨水径流的取样监测，并统计分析场次降雨平均浓度（EMC）、电导率（EC）、钠吸附率（SAR）、危险商（HQ）和危险指数（HI）。[结果] 广场径流过程中重金属元素整体变化波动较大，道路雨水径流的重金属健康风险最大而屋顶健康风险最小；大多重金属污染物在产流后的10 min内出现了降幅，其中Fe和Mn的降幅较大，Zn的降幅中等，Cu的降幅最低；As和Cr是雨水径流中健康风险最高的重金属污染物。[结论] 山地校园重金属污染物冲刷速度较快，人流大的下垫面雨水径流中重金属元素变化波动较大，但健康风险较低；车流大的下垫面雨水径流中重金属元素波动较为稳定，但健康风险较高。