中国海绵城市建设的水问题研究与展望

随着城市化的迅速发展,我国城市内涝、水体黑臭、河湖生态退化等水问题日益突出。这些问题与城市化的水文效应密切相关,主要表现在城市化改变了城市微气候和下垫面条件,导致水文循环发生变化;污染物排放量增多导致水环境恶化;城市建设挤占原有的生态系统导致湿地退化与湖泊萎缩,进一步引起城市内涝等。针对上述水问题,海绵城市应运而生,并已成为我国城市建设中的热点。虽然海绵城市建设在理论和实践方面均取得了长足的进展,但在水文学基础方面仍然存在着许多薄弱环节。针对我国海绵城市建设,在城市化水文效应分析的基础上,提出了海绵城市建设中关于科技创新与应用基础研究的若干对策与建议。     

城市水文模型原理刘家宏

城市水文过程因强烈的人类活动影响而发生了深刻变化,科学精细地模拟城市区域的产汇流过程是解析城市水问题机理的科学基础。在系统剖析城市水文模型原理的基础上,将城市复杂下垫面根据其透水特性划分为不透水单元、透水单元、半透水单元、伪透水单元、强透水单元、水域单元等六类基本单元,并构建了不同类型城市水文响应单元的水文特性曲线,基于圣维南方程组和Navier-Stokes方程提出了城市管网与河湖水系水动力学模拟的技术方案。在耦合城市水文响应单元的降水—截留—蒸发—入渗—产流模块、地表汇流模块、管网汇流模块、水系一维水动力学模块等基础上,以水循环过程为主线,将水文模型的径流输出作为城区一维管网、河道水动力模型的输入边界,实现水文模型与一维管网、河道水力学模型的集成。将单元水文模型通过城市管网和河湖水系等连接方式集成到城市水文模型系统中,弥补了现有城市雨洪模拟在水文学机理上的不足,可为城市排水防涝和海绵城市建设提供科学基础。     

海绵城市建设中若干水文学问题的研讨

针对海绵城市建设面临的问题和挑战,提出了以水循环为纽带、将城市暴雨-径流、水污染治理和城市生态绿地、湿地建设与市政建设(排水、排污)规划管理联系为一体的"城市水系统"的概念与方法。基于水文学原理,分析了目前海绵城市建设中最为关键、也是质疑较多的年径流总量控制率概念,指出现行的年径流总量控制率的计算实质是年降水总量控制率。如果回归到水文学概念,年径流总量控制率就必须与水文系统响应的增益因子,即径流系数建立内在的联系;需要研究径流系数并非常数,而是与土壤湿度、降水强度和下垫面组合的时变非线性理论问题。此外,对比分析了现行海绵城市建设低影响开发措施和改进后的年径流总量控制率之间的关系,深入剖析了"城市看海"发生的条件与风险。最后就海绵城市建设与规划的水文学基础亟待改进的方面:径流系数非线性、区分自然条件和城市化后的蓄水量变化的差别、考虑河湖水系调蓄和陆地蒸散发、与流域大海绵调控结合、风险管理等,进行了研讨,并提出了未来我国海绵城市建设的若干建议。     

我国海绵城市建设中的水科学难题

在总结我国海绵城市建设实践和相关研究成果的基础上,分析海绵城市建设提出的背景和承载的期望以及可能存在的问题,从水科学学科体系的10个方面(水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育),阐述水科学在海绵城市建设中的应用和海绵城市建设中可能遇到的6方面水科学难题:海绵城市建设水文效应与水系统模型、水资源高效利用机理及方案优选、面源污染物通过土壤渗虑消减机理及效应、"渗、蓄、滞"作用机理与城市雨洪计算、水安全风险管控及适应机制、水管理体系研究,并初步提出这些难题的解决途径,旨在为海绵城市建设的研究和实施提供参考。     

城市水文模型原理

城市水文过程因强烈的人类活动影响而发生了深刻变化,科学精细地模拟城市区域的产汇流过程是解析城市水问题机理的科学基础。在系统剖析城市水文模型原理的基础上,将城市复杂下垫面根据其透水特性划分为不透水单元、透水单元、半透水单元、伪透水单元、强透水单元、水域单元等六类基本单元,并构建了不同类型城市水文响应单元的水文特性曲线,基于圣维南方程组和Navier-Stokes方程提出了城市管网与河湖水系水动力学模拟的技术方案。在耦合城市水文响应单元的降水—截留—蒸发—入渗—产流模块、地表汇流模块、管网汇流模块、水系一维水动力学模块等基础上,以水循环过程为主线,将水文模型的径流输出作为城区一维管网、河道水动力模型的输入边界,实现水文模型与一维管网、河道水力学模型的集成。将单元水文模型通过城市管网和河湖水系等连接方式集成到城市水文模型系统中,弥补了现有城市雨洪模拟在水文学机理上的不足,可为城市排水防涝和海绵城市建设提供科学基础。     

城市化与城市水文学面临的问题

随着经济社会的快速发展,目前我国正处在城镇化快速发展的时期,由此引发的城市水问题愈发突出,相关研究需求也愈加迫切.本文初步分析了城市化对降水和极端暴雨、流域产汇流规律及洪水、需水、供水及水资源保障、水质水环境及水生态系统等方面的影响.在分析城市水文效应的基础上,从学科发展和应用的角度,提出了当前城市水文学需要重点研究的问题,如城市极端暴雨的成因分析、城市暴雨洪水计算方法、城市雨洪资源化应用方法和关键技术等.     

城市化与上海城市水文

上海的城市化产生了城市化的水文效应。改变了天然水循环的模式，具备了城市水文的特征。由此产生了许多亟待研究的城市水文问题。本文从城市水文学的角度，对上海城市水文问题进行了思考。     

城市暴雨洪涝模拟：原理、模型与展望

在气候变化和人类活动的双重影响下,我国城市洪涝问题日趋严重。在对城市水循环规律深入研究的基础上,开发城市水文水动力模型模拟城市洪涝过程,是弄清城市洪涝致灾机理、减轻洪涝灾害和评估海绵城市减灾效果的重要工具。本文从我国城市洪涝现状和海绵城市建设出发,总结了城市洪涝模拟方法,对水文模型、水动力模型以及二者的耦合机理进行了较为深入的分析,并介绍了目前常用的城市洪涝模拟模型。在此基础上,梳理了当前与城市洪涝模拟相关的热点研究领域,并对其未来发展趋势进行了展望。     

城市化水文效应研究进展:机理、方法与应对措施

为深刻理解城市化对水文过程与生态环境的影响机制,从水循环过程、暴雨内涝及水体环境变化3方面总结了国内外对城市化水文效应的研究进展,梳理了城市化水文效应的研究方法与技术体系,阐述了国内外应对城市化水文效应的基本思路与措施。针对目前研究中的问题,展望了未来研究的重点方向,如城市化水文效应的机理解析、城市水文监测系统与智慧水务建设以及建立健全应急管理机制,旨在为缓解城市化水文效应带来的负面影响提供一定的理论支撑。     

“城市看海”:城市水文学面临的挑战与机遇

近年来,我国"城市看海"现象频发,给人民生命财产造成了巨大的损失。为了应对城市洪涝灾害频发的现象,我国提出建设自然积存、自然渗透、自然净化的"海绵城市"。海绵城市建设的理论支撑是水文科学,分析了当前我国水文科学存在的城市区域多缺乏历史观测资料、缺乏对城市雨洪过程与演变规律的深入研究、城市水文计算理论基础较为薄弱、缺乏符合我国国情的城市水文水动力学模型等问题,提出了城市水文学研究的挑战与机会以及水文科学的研究方向,以期为我国海绵城市建设提供参考。     

城市水文的研究现状与发展趋势

阐述城市化对流域下垫面条件的改变，对城市区域小气候的影响，对径流形成及洪水过程的影响，以及城市水土流失及其对城市水质的影响，介绍若干城市水文模型，指出新技术的发展和推广，如卫星遥感，雷达测雨，信息网络及地理信息系统等，和新理论的研究与应用，如流域水文尺度化的相似性等，将是城市水文研究和发展的主要趋势。     

广州城市内涝原因分析与对策研究

广州城市内涝暴发的主要原因在于城市化的水文效应、现有排水设施建设滞后及排水系统维护和管理力度不足。其中城市化进程的推进引发的水文效应是造成广州城市内涝频发的关键性因素,现有排水设施的标准偏低、建设滞后、维护和管养力度不足则进一步加速了内涝的发生。因此解决广州城市内涝的对策研究应充分考虑城市化水文效应的影响,改变现有的治水观念,树立绿色排水理念;改变重建轻管的思维模式;明确广州城市内涝防治的责任主体,完善排水管理模式。     

城乡水务一体化管理的制度分析

本文分析了我国自20世纪末以来由于经济和社会变化产生的水问题，即包括城市化进程不断加快所导致的城市用水量的不断增加，以及城乡之间水事关系的日益密切；然后从制度的角度分析了水管理模式的改革，即要求改变过去的层级分解一信息包裹模式，建立一定的协调机制或合并有关机构；最后指出在实施城乡水务一体化管理以后，仍然需要正确协调和处理水的资源管理、服务管制和环境管理之间的关系。     

浙江省城市雨洪控制初步研究

浙江省城市化水平较高,城市发展和下垫面条件的改变引起城市暴雨增多、径流量增大、蓄水空间缩小等系列水文效应,从而导致城市雨洪加剧,洪水风险增大。雨洪控制是缓解浙江省城市防洪压力的一项重要措施。本文参考国内外雨洪控制技术,结合浙江省城市特点,提出削减暴雨径流量和科学规划城市排水的城市雨洪控制措施,从城市规划和雨洪控制相关文件制订、统一管理、加强雨洪控制研究等方面提出了城市雨洪控制措施保障体系。     

北京城市水文站网现状分析与思考

通过对北京市河湖基本情况普查专项中水文站网、雨量站网现状的分析,认为目前水文站网在城市化加剧的进程中已不能适应城区防洪、排涝、水资源管理等多方面需求,应重视城市水文的发展,拓展水文业务,通过调整和补充,逐步形成布局合理科学和满足应用需求的现代水文监测网络体系,促进水文工作在城市建设管理中发挥重要作用。     

城市水系建设的环境重塑

为适应城市发展对水系的多功能需求,特别是对生态环境功能的需求,我国城市水系治理已开始从单纯的河道治理到水环境综合治理的转变。实现这种转变,需要相应的理论支撑,也需要在实践上进行积极的探索。本文从概念上阐述了广义水环境的内涵,分析了城市水系流动缓慢、水体交换性能差、水体自净能力弱等特点。结合我国城市化进程的主要水环境问题,指出在水系建设中重视水环境在生态、景观、文化等方面的作用对支撑城市发展的意义,并讨论了在水系建设重塑环境功能时应考虑的自然性、多样性、连续性和系统性原则。     

生物滞留池水文水质效应模拟分析

为研究生物滞留池措施对雨水水文水质的调控作用,以宜兴市城区某试验区为研究区域,利用SWMM模拟软件,在5年、10年、100年设计重现期下,分别模拟城市化后有无生物滞留池措施的水文水质状况,并将两者比较分析。研究发现:占研究区域总面积10.75%的生物滞留池措施下,雨水径流量减少了12%左右,峰值流量降低了8%左右,入渗量增加了22%左右;污染物SS、COD、TN、TP总负荷量的削减率分别在10%、7%、9%、8%左右。结果表明:随着城市化进程日益加快,生物滞留池可有效地降低雨水径流量、增加雨水入渗量,削减雨水径流的峰值流量;同时还可以拦截一定量的颗粒悬浮物、营养物质、重金属等污染物。研究成果对海绵城市建设和雨水资源调控利用具有参考价值,对城市水生态建设具有重要意义。