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城市化和低影响发展的生态水文效应研究

孙艳伟  
【摘要】:城市化通过改变区域的下垫面条件,进而改变了天然状态下的水文机制,并影响河道生物多样性和完整性。低影响发展(Low Impact Development,简称LID)是以维持或者复制区域天然状态下的水文机制为目标,从而达到有效控制城市雨洪径流和保护生态环境的目的。研究城市化及LID调控措施的生态水文效应,对于解决城市雨洪灾害及下游河道的生态环境问题,促进和维护城市地区水文过程的良性循环具有重要的理论意义和实用价值。 本文以美国Lenexa市MillCreek流域内一个经历了城市化快速发展的区域为例,通过建立生态水文效应评价指标体系,运用SWMM、RECARGA软件模拟了该区城市化及LID措施的水文及生态水文效应,分析了生物滞留池设计要素对其径流调控性能的灵敏度,探讨了BMPs措施与LID措施不同的水文及生态水文效应。论文取得了以下主要结论: (1)基于水文调控的河道生态环境改善和低影响发展的内涵及调控目标,建立了间接生态水文指标体系和直接生态水文指标,用于对雨水径流调控与下游河道生物多样性及生态环境的评价。间接生态水文指标体系包括径流历时曲线、洪峰流量频率曲线以及与径流系数三个指标,直接生态水文指标为T0.5。 (2)运用SWMM软件,通过改变区域的不透水性系数、可透水性区域的积水深度和曼宁系数,模拟了不同土地利用形式下的径流形态,并根据不同重现期的设计降水,模拟了区域不同城市化程度下的径流变化特征,模拟结果表明,区域城市化程度越高,其径流曲线越陡,径流持续时间越短,径流变幅越大,径流系数也越大。根据模拟得到的径流历时曲线、洪峰流量频率曲线、径流系数和T0.5等指标,分析了区域不同城市化程度的生态水文效应,表明区域城市化程度越高,其洪峰流量越大,发生的频率越大且高于某一流量阈值的时间越长,T0.5整体呈减小趋势,说明城市化的进展对河道生态环境有着明显的负面效应。 (3)利用SWMM和RECARGA软件,对研究区内19个生物滞留池的生态水文效应进行了模拟研究,结果表明经生物滞留池调控后的径流历时曲线约有90%的时间(10%-100%)与天然状态下的径流历时曲线相吻合,从而证实了生物滞留池可以对较小降水事件径流的流量、大小及频率进行调控,并使其接近于天然状态;区域发展后经由生物滞留池进行调控后,洪峰流量呈显著减小的趋势。对于较大频率的降水事件,生物滞留池对洪峰流量的调控作用非常显著;当降水事件的频率变小,其对洪峰流量的调控作用逐渐减弱。天然状态下的径流系数值最小,为0.081,发展后无调控措施下的径流系数为0.358,发展后经生物滞留池调控后的径流系数为0.165,从而证实了城市化对径流系数的影响以及生物滞留池对径流系数的调控作用;经生物滞留池调控后,T0.5的值与发展后无调控措施下的T0.5有了显著的提高,从而表明生物滞留池在提高下游河道生物多样性、改善下游河道生态环境方面的显著功能。 (4)径流系数不仅考虑了来自于不透水性区域的径流,而且也考虑了来自于透水性区域的径流,以及每个区域独特的地形特征,如坡度、流域宽度,因此可作为生物滞留池表面积设计的重要因素。当生物滞留池的设计以水质处理为目标时,排水孔的设计对结果没有显著影响;若以径流流量调控为目标,排水孔尺寸的设计是非常重要的。 (5)无论生物滞留池是否设置排水孔,其表面面积是影响径流调控性能最灵敏的设计要素,沙砾层厚度是最不灵敏的设计要素;当生物滞留池无排水孔时,各设计要素对其径流调控性能灵敏度排序为:表面面积根区土壤饱和入渗速率根区土壤厚度天然土壤饱和入渗速率;当生物滞留池有排水孔时,各设计要素对其径流调控性能灵敏度排序为:表面面积天然土壤饱和入渗速率排水孔直径;相比无排水孔的情景,当生物滞留池有排水孔时,各设计要素对其水文调控性能更加灵敏。 (6)BMPs措施与LID措施的水文和生态水文效应的对比研究表明:截留池对较大降水事件洪峰流量的调控作用明显,但是不能应用于入渗补给地下水,因此,在需要对地下水进行补给的地区不宜修建截留池;入渗带的调控性能要优于生物滞留池,但因其不具备污染物移除及美化环境的功能,所以难以纳入区域的发展规划;透水性路面的径流及生态水文调控性能最优,但是容易出现“过调控”现象,且透水性路面材料比较昂贵,从而限制了透水性路面的发展;生物滞留池不仅对较小降水事件具有比较显著的调控性能,而且也具有明显的污染物移除和环境美化功能,所以,生物滞留池应该是目前LID中最具发展潜力的调控措施。为此,指出将BMP调控措施(截留池)与LID调控措施(生物滞留池)有机结合,通过二者联合对雨洪径流进行调控,可达到最佳的生态水文调控性能。 本文在学习和吸收国外先进的雨洪径流管理理论和措施的基础上,深入研究了城市化和低影响发展的生态水文效应,研究结果对解决我国城市化进程中的雨洪径流调控问题、提高生态环境质量具有借鉴作用。


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