维护良性水循环的城镇化LID模式:海绵城市规划方法与技术初步探讨

海绵城市是低影响开发模式(Low Impact Development,LID)的重要途径,也是解决我国城市水问题的重要举措。论文从良性水循环理念的角度,针对城市防洪排涝、面源污染控制以及雨洪资源化利用等三大核心问题,以城市雨洪模拟技术和LID优化技术方法为重点,探讨了支撑海绵城市实施的关键技术方法,构建了具有自主知识产权的城市雨洪模型;并以首批海绵城市试点常德市为例进行了应用研究。研究得出:现状常德城区径流系数在0.33~0.81之间,平均值为0.64;按确保年径流总量控制目标的实现,采用渗、滞和蓄等多种LID消纳各地块径流,城区90%的地块均能达到控制目标,下沉式绿地、透水铺装和绿色屋顶总面积分别为496.75、1 338.15和613.21 hm2,占各地块面积的3.9%~31.4%之间。污染负荷SS削减率在45.0%~47.7%之间,平均削减率为46.1%。常德城区通过实施LID措施,雨洪径流和污染负荷的输出量将显著降低,基本能够达到控制目标。研究为常德海绵城市规划设计提供了重要技术支撑和理论依据,为我国海绵城市规划方法和技术研究提供了参考。     

常德市海绵城市建设示范区雨洪适应性评价与分区

雨洪适应性体现了海绵城市建设的底线约束与生态优先原则,是海绵城市规划中重要的评价标准。采用INVEST模型与GIS技术,进行了研究区的雨洪适应性评价、雨洪适应性的功能分区及安全水平分区。研究表明：（1）从水源涵养、土壤保持和水质净化三个方面进行雨洪适应性评价,并融合雨洪汇流路径与适应性等级,划分雨洪适应性功能分区,体现了雨洪适应系统的源间廊道与基本骨架视角。（2）雨洪安全格局是海绵设施空间形态上的表现,重构不同安全水平雨洪适应性空间,实现了“源—汇”平衡,形成城市雨洪安全系统。（3）雨洪适应性通过水文过程与空间格局耦合,体现了雨洪管控中从微观到宏观层面的协调,对提升城市应对不确定性冲击的自组织能力具有参考意义。     

面源污染输移过程高性能数值模拟方法

高效高精度模拟面源污染输移过程,掌握面源污染的输移规律,是研究面源污染最直接有效的途径之一,也是管理和控制面源污染的有效手段。基于此,提出了一种全面耦合二维水文水动力及污染物输移过程的数值模型,采用二阶Godunov格式的有限体积法进行求解,利用GPU加速技术提高计算效率。结果表明:在理想条件下,数值解与解析解间的平均相对误差为2.5%。对不同面积和精度的城市地表面源污染和农业面源污染输移过程的模拟结果显示,二者的输移规律符合实际的物理过程,模拟总时长为7200 s,城市地表面源污染模拟结果只需186 s;农业面源污染模拟结果只需1169 s,计算效率有显著提升。综上所述,GAST模型对不同下垫面面源污染可实现高精度模拟,且模拟效率有显著提升,为今后面源污染的治理和防控提供参考。     

感潮河网降雨径流污染空间分析与模拟

为了探究茅洲河流域感潮河网面源污染空间分布特征和降雨径流污染规律,基于空间分析、统计分析与流域水动力-水质耦合模拟方法,对典型降雨情景下河网水质情况进行模拟分析,提出基于水质改善目标的生态补水点位空间布局优化策略.研究表明,层次聚类凝聚算法和K-均值法迭代组合可以较好地实现面源污染分级与分类;茅洲河各支流中,石岩渠、松岗河中上游等河道（段）由于面源污染负荷相对较高且缺乏生态补水,雨后水质恢复缓慢;基于补水总量不变原则,对生态补水方案进行局部优化,优化结果可使雨后受污染重点河道（段）水质恢复速度加快一倍以上,提高了流域水质的整体稳定性.研究结论可为进一步认识茅洲河流域水污染特征、实现流域水环境精细化管理提供支撑.     

小区雨水面源污染控制SWMM模拟研究

随着中国城市化进程的不断加快,不透水面积大量增加,城市雨洪与面源污染问题也日益严重。该文介绍了SWMM模型的基本原理及其模型构成,总结了低影响开发的概念及主要措施。并且利用SWMM模型对某小区进行模拟研究,借鉴国内外关于SWMM模型相关模拟研究的参数,根据研究区域特征等对研究区进行概化分区的基础上,建立了模型。通过模拟3种单项LID措施(雨水花园、渗透铺装、绿色屋顶)在实际降雨数据下的截污减排的效能,与不同措施组合下的截污减排效果,得到结论:单项LID措施截污减排效能:渗透铺装>绿色屋顶>雨水花园,不同的LID组合措施对削减污染物峰值浓度作用略有不同。     

保山市隆阳区大、小海坝水库环境质量现状分析

以将大、小海坝水库作为保山中心城市饮用水备用水源保护为目标,在对大、小海坝水库周围环境状况及水质、水量等进行调查分析的基础上,分析了大、小海坝水库污染现状,包括农村居民生活面源污染、畜禽养殖面源污染、农业种植面源污染。     

保山市隆阳区大、小海坝水库环境质量现状分析

以将大、小海坝水库作为保山中心城市饮用水备用水源保护为目标,在对大、小海坝水库周围环境状况及水质、水量等进行调查分析的基础上,分析了大、小海坝水库污染现状,包括农村居民生活面源污染、畜禽养殖面源污染、农业种植面源污染。     

基于水质模拟的不确定条件下两阶段随机水资源规划模型

针对流域内不同企业的水资源分配及企业生产污染排放导致的水环境问题,运用区间两阶段随机规划的方法,耦合区间两阶段模型（ITSP）和区间水质模型（IS-P）,建立不确定两阶段随机水质-水量耦合规划模型（ITSP-SP）.该模型以流域内系统利益最大为目标函数,模拟了流域内各个企业的水量分配及排污过程中河道水质变化,并在保证河流水质达标前提下优化预计分配水量,调整企业生产规模.通过模型运算得到区间解,为管理者提供了多样的决策方案.并且,该模型充分考虑不确定因素对系统利益的影响,能够有效的规避系统决策失误及方案缺失现象.     

基于2种统计分析模型解析网状河流的长期污染趋势和污染源贡献——以椒江为例

文章以椒江为例,对网状河流水质和污染源进行了研究。为了识别椒江水质的主要参数和潜在污染源,运用PCA和相关性分析筛选出COD_Mn、DO、NH₃-N、TP和FL共5个显著的水质指标来代表椒江2016—2020年间的水质数据集,并运用WQI评价水质。运用APCS-MLR模型和PMF模型,对污染最严重的椒南流域点位的水质参数进行了分析,以进一步探索4个潜在的污染源及其贡献。APCS-MLR模型溯源结果显示：生活污水(28.83%);雨洪径流(20.42%);工业废水(16.49%);农业源(8.98%);未识别源(25.27%)。PMF模型溯源结果显示：生活污水(39.24%);雨洪径流(26.49%);工业废水(19.22%);农业源(15.04%)。2种模型的源解析结果基本一致,准确性较高。该结果可以为椒江制定水质管理及污染控制对策提供科学依据,同时,为网状河流的治理提供技术理论支撑。     

城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究

通过分析城市面源污染的来源和污染特征,并针对城市土地利用和下垫面类型特点,建立城市面源污染预测模型,研究探讨城市降雨径流及污染负荷预测模拟和迁移规律。所建模型已成功地应用于武汉市汉阳地区城市面源污染控制技术研究,获得了满意的结果。该模型可为城市水环境规划、面源控制和管理研究提供科学手段。     

城市雨洪过程模拟GPU加速计算效率研究

为量化分析GPU加速技术在城市雨洪过程模拟计算中效率提升效果,采用基于GPU技术的数值模型,对不同降雨及网格分辨率情形下的典型城市雨洪过程进行模拟,并对比分析GPU加速计算效率及其规律。结果表明:城市雨洪过程模拟中,GPU加速技术较CPU技术具有优势,不同情形下可提速23.88~158.72倍;在大暴雨和高分辨率网格条件下,GPU模型的提速效果更加明显,相较于短重现期降雨及低分辨率网格情形提升0.29%~8.43%,表明该技术适用于大范围高分辨率问题的模拟。该成果可为城市洪涝过程快速模拟预报提供技术支持。     

城市面源污染物排放量监测技术方法研究

我国城镇化水平快速发展,基础化设施建设不完善,城市面源压力较大,但我国城市面源研究和管理均较滞后。城市面源污染呈现初始冲刷效应,并且不同城市下垫面和不同功能区的污染特性有比较明显的差异。基于对城市面源污染特征的研究,按照城市面源的形成与转移过程,针对城市面源不同尺度的体现,文章提出3种城市面源污染物排放量监测方法:基于城市下垫面监测、基于雨水/雨污合流排放口、基于地表径流监测的排放量监测。这3种方法之间存在逻辑校验关系,又存在各自的适用条件,在有条件的地区运用不同方法进行监测,并根据实测结果优化布点、频次等监测方案,从而形成较为规范的城市面源监测方法,具有现实意义。     

上海市淀北片降雨径流过程污染时空特性分析

面源是城市水体的主要污染来源之一,其负荷强度及时空分布特征对于城市水环境污染防治具有重要意义.以上海市淀北片为研究区域,选择漕河泾为代表性汇水单元,按照屋面、路面、绿地3种下垫面,于2015年期间进行大、中、小3种雨型的径流-水质同步监测,分析降雨径流特性和面源污染负荷强度,并结合GIS估算区域面源污染负荷的空间分布.结果表明:淀北片CODMn、TP、TN、NH3-N年径流污染负荷强度均值分别为385.40、4.07、57.22、11.22 kg·hm-2·a-1,总体强度较大;屋面和路面径流污染负荷均具有一定程度的初期冲刷效应,对初期55%径流采取截流措施可有效控制60%~70%的面源污染负荷;根据受纳水体河道的空间拓扑,对研究区域进行汇水单元划分,并考虑雨型对污染物EMC(事件平均浓度)的影响,可更精确地估算城市面源污染负荷及其对城市河道的影响,为城市河道水环境治理提供污染负荷来源信息,从而对河道及城市面源污染进行高效而有针对性的治理.     

城市雨洪径流模型研究进展

近年来中国城市暴雨引发频繁内涝灾害,降雨径流成为水体污染重要因素。采用数学模型模拟地表径流过程对城市内涝和径流污染物的高效控制具有重要意义。基于城市雨洪径流模型的研究现状和应用实例,选择SWMM、HSPF、Infoworks CS、SLAMM 4个应用较广而侧重不同的国外城市雨洪径流模型进行介绍,归纳模型基本概念和原理,比较主要用途和适用条件,并分析各自的特点及国内外研究进展。同时指出现有城市雨洪径流模型的不足之处,对其发展趋势进行展望。     

生物滞留技术在城市道路面源污染中的应用

生物滞留技术作为控制城市暴雨最佳管理措施技术,能够有效的控制城市面源污染。笔者根据多年的实际工作经验,总结了生物滞留技术在改善道路雨洪的控制方法,阐释生物滞留池去除污染物的机制。对生物滞留技术改善道路雨洪的控制进一步的研究方向进行展望。     

城区地表径流面源污染和河道水环境治理的研究

河流为人类提供了多样的生态服务功能,然而城市化对河流生态系统健康状况造成严重的影响。随着点源污染的有效管理控制,非点源污染降雨径流己成为造成城市地表水环境污染的主要原因。为了改善河道水质,引调清水激活城市内河水体,提高河道的水环境自净能力,有效改善城市水环境。文章以南京河西水系为例,利用Saint-Venant方程组对水系建立一维水动力模型,并通过汇流结点水位法对方程组进行数值求解;对WASP5水质模型进行二次开发用于水质模拟;建立水质模型和一维河网水动力模型的耦合模型,将水动力模型计算所得到的水动力参数耦合到WSAP5水质模型中,模拟降雨过程以及引调清水过程的河网各河段的水质变量浓度,得出降雨径流对河流的污染程度以及引清冲污措施对河流水质改善的效果并优化调水过程。     

子汇水区划分精度对SWMM模拟城市非点源的影响

SWMM作为动态模拟的城市非点源污染模型,被广泛应用于城市非点源负荷估算研究,并在很多小尺度研究中取得了很好的效果。随着中国城市发展不断加快,城市非点源污染研究的空间尺度也随之变大,如何科学合理选择建模时子汇水区划分精度成为研究中一个重要问题。文章主要分析SWMM应用于城市区域非点源污染模拟时,不同子汇水区划分精度对水质模拟结果的影响,并在此基础上,以降低SWMM建模工作量并保证模拟结果的准确度为原则,对如何选择子汇水区的精度进行了深入的探讨。结果表明事件降雨为降雨输入时,子汇水区划分精度对水质模拟结果影响较大,宜采用高精度或高中精度模型;单月份和雨季连续降雨为降雨输入时,子汇水区划分精度对水质模拟结果影响较小,可以使用低精度模型。     

气候变化下的流域面源污染响应模型评估

该研究提出了一种基于耦合模型联用的方法,对未来气候变化影响下的流域面源污染负荷特征响应进行定量化评估。选取了中国安徽省练江流域作为案例研究对象,针对其水体中的总氮污染物负荷通量及来源构成特征开展模型分析。使用LARS-WG气象发生器模型对HADCM3气候模式结果进行时空降尺度分析,分别模拟3种典型温室气体排放情景(A1B、A2、B1)在未来不同时期的逐日气象数据序列,使用区域营养盐负荷模型(ReNuMa)对练江流域水体中的总氮污染开展源解析,评估未来变化气候条件下的流域污染负荷通量及来源比例构成,并与现状污染源特征进行对比,分析流域面源污染对气候变化的响应。结果表明,未来流域总氮污染负荷通量整体呈上升趋势,且主要集中在秋冬季节,增加的总氮污染主要来自耕地和自然用地,经地表径流和地下潜流过程进入水体,在管理上应予以关注。     

对低影响开发与海绵城市的再认识

海绵城市建设是在继承我国古代先贤智慧和参考国外经验,系统总结我国雨洪管理领域长期研究和实践经验的基础上,结合我国城市水系统实际问题提出的城市发展方式,其核心是构建基于绿灰结合的现代城市雨洪控制系统,通过"渗、滞、蓄、净、用、排"综合措施,实现"治涝"与"治黑"等多重目标。低影响开发是海绵城市建设的重要指导思想,也是海绵城市核心技术体系的重要组成部分。正确认识低影响开发与海绵城市的内涵与联系,对于进一步在全国范围内落实低影响开发建设模式,科学推进海绵城市建设具有重要意义。     

WRF-Fluent耦合模式的构建及其对城市大气扩散的精细化模拟

为了准确刻画城市环境中的复杂建筑结构对大气运动和污染物输送及扩散过程的影响,结合中尺度模式WRF和微尺度模式Fluent构建了单向耦合的WRF-Fluent模式,并将其应用于榆中县城区高架源排放情景下大气扩散的模拟研究.基于城市气象/示踪外场试验期间获取的气象数据对WRF模式的模拟性能进行验证,发现WRF能够为Fluent提供比较准确的随时间变化的气象驱动场.在此基础上,将榆中县城区三维几何模型嵌入到WRF-Fluent中,对城区内的流场及污染烟羽的时空演变过程进行精细化模拟,并将模拟结果与实测示踪物浓度数据进行比对.结果显示,WRF-Fluent模式可以很好地描述城区内的复杂三维风场结构以及污染烟羽随时间的动态变化特征,而且模拟的地面和城市冠层顶浓度最大值基本位于观测值的0.3~3倍之内,这表明构建的WRF-Fluent模式具有较好的模拟性能,可作为一种有效的工具应用于实际城市规划和空气质量改善以及环境风险评估等方面的研究.