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地下水退水规律对海绵城市建设的响应成因

冷梦辉  
【摘要】:变化环境下河道洪水地下水退水规律是水文过程仿真、预测预报的重点和难点。近年来,伴随快速城市化进程,大量不透水铺装地面阻隔了大气水、地表水和地下水间的水力联系,改变径流形成规律和洪涝、干旱等灾害孕灾过程,导致城市洪涝和干旱灾害并存、频发。海绵城市是一种城市雨洪管理理念,其目的是解决城市水问题,平衡人与水的生态关系,借助透水铺装、下凹式绿地和雨水花园等措施替换原有不透水地表,有效结合“灰-绿”基础设施,使大量海绵设施发挥对径流过程的积存、渗透、净化和缓释功能,从而恢复对地下水补给。江西省萍乡市是我国首批海绵城市建设试点,评价海绵城市改造措施对流域地下水退水规律的影响可为流域地下水调度管理提供科学依据。本文改进分布式城市水文水动力模型,以萍乡市海绵城市五丰河流域河道洪水退水为研究对象,采用基流分割非参数检验、暴雨情景模拟和正交试验敏感性分析等方法,评价海绵城市建设对地下水退水过程的影响,揭示地下水退水规律对海绵城市建设的响应成因及其主要驱动因子。主要研究结果如下:(1)以萍乡市五丰河流域地下水退水过程为研究对象,以实际退水过程为据,划分场次洪水径流成分,优选径流分割方法及地下水退水曲线模型,分析海绵城市建设前后地下水退水规律。结果表明:海绵城市建设后流域标准退水曲线时程倾向率、洪峰流量和径流总量相对建设前均降低,降幅分别为60%、9.2%和43.6%,地下径流量及其占径流总量比例相对建设前均增加,增幅分别为44.6%和60.4%,基流分割点处流量增大65.2%、时间提前;以直线斜割所得基流流量为据,Pettitt法所得海绵城市建设前后基流流量年均值和变差系数相对其它非参数检验法相对误差最小,平均误差为1.7%和5%,集对分析联系度最大,其是检验城镇化流域洪水退水过程基流分割点的适宜非参数检验方法;有理函数退水曲线模型模拟结果与实测值间均值和变差系数接近,NSE和一致性指数d最大,分别为82.1%和94.914%,NRMSE和累计相对误差最小,分别为13%和106.4。表明有理函数退水曲线模型模拟结果与实测值间偏差较小,精度和可信度较高;耦合有理函数退水曲线和分布式城市水文水动力模型模拟值与实测值间NSE在0.57~0.99之间,均值为0.83,表明改进分布式城市水文水动力模型模拟效果较好,可用于流域地下水模拟研究。(2)以海绵城市建设对地下水退水规律的影响为研究对象,设计不同重现期(5年、10年、20年、50年和100年)和雨型系数(r=0.3、r=0.5和r=0.7)组合条件下24小时暴雨情景;借助改进分布式城市水文水动力模型分别模拟海绵城市建设前后设计暴雨情景地下水退水过程。结果表明:海绵城市建设后设计暴雨情景集对场次洪水径流系数相对建设前减小,降幅在39.7~52%间变化,平均降幅为46.2%;场次洪水地下径流起始流量、退水时长相对建设前增大,增幅分别在1.6~297.8%和3~51.7%间变化,平均增幅分别为96.3%和23%,地下径流起退时间相对建设前提前,降幅在0.6~33%间变化,平均降幅为13.5%;场次洪水退水段径流总量和地下水退水速率相对建设前减小,降幅分别在13.4~57.6%和1.6~45%间变化,平均降幅分别为34.7%和26%,地下径流量及其占径流总量比例相对建设前增加,增幅分别在11.5~268.8%和12.8~66.6%间变化,平均增幅分别为99.3%和34.9%;场次洪水产生地下净雨量空间均值和地下径流系数相对建设前均增加,增幅均为4.5~46%,平均增幅为24.4%,地下净雨量空间变差系数相对建设前减小,减幅为4.9~63.7%,平均降幅为37%,表明地下净雨量相比其它区域增多较为显著,接近流域上中游自然-农业地貌,使流域地下净雨量空间异质性降低。究其原因,海绵设施源头削减、过程阻滞和末端调蓄功能使流域地表产流能力降低,地下产流能力增强,汇流过程减缓。(3)以地下水退水规律对海绵城市的响应成因为研究对象,选取重现期为5年一遇、雨型系数为r=0.3、r=0.5和r=0.7组合条件下的24小时设计暴雨过程,基于海绵城市建设前后城市水文水动力参数,采用正交试验法构建3因素5水平敏感性方案,借助改进分布式城市水文水动力模型模拟不同因素、水平组合下场次洪水地下水退水过程。结果表明:五丰河流域地下水起退流量、地下径流量对CN值和稳渗率较小时正相关,CN值较大时负相关,稳渗率≥3 mm h~(-1)时不敏感,对地表糙率变化不显著;地下净雨量空间均值稳渗率和地表糙率均正相关,对CN值变化不显著。海绵设施源头削减、过程阻滞和末端调蓄功能是造成五丰河流域洪峰流量降低,地下水退水速率变缓,地下净雨量空间均值和地下径流量占径流总量比例增加的主要原因之一。究其原因海绵设施功能使流域CN值减小、稳渗率增大和地表糙率增加。其中,地下水起退流量、地下径流量和地下净雨量对CN值减小和稳渗率增加敏感性较高,CN值和稳渗率变化是造成流域地下水退水规律变化的主要驱动因素。


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