城市化通過改變區(qū)域的下墊面條件,進而改變了天然狀態(tài)下的水文機制,并影響河道生物多樣性和完整性。低影響發(fā)展(Low Impact Development,簡稱LID)是以維持或者復制區(qū)域天然狀態(tài)下的水文機制為目標,從而達到有效控制城市雨洪徑流和保護生態(tài)環(huán)境的目的。研究城市化及LID調(diào)控措施的生態(tài)水文效應,對于解決城市雨洪災害及下游河道的生態(tài)環(huán)境問題,促進和維護城市地區(qū)水文過程的良性循環(huán)具有重要的理論意義和實用價值。 本文以美國Lenexa市MillCreek流域內(nèi)一個經(jīng)歷了城市化快速發(fā)展的區(qū)域為例,通過建立生態(tài)水文效應評價指標體系,運用SWMM、RECARGA軟件模擬了該區(qū)城市化及LID措施的水文及生態(tài)水文效應,分析了生物滯留池設計要素對其徑流調(diào)控性能的靈敏度,探討了BMPs措施與LID措施不同的水文及生態(tài)水文效應。論文取得了以下主要結論: (1)基于水文調(diào)控的河道生態(tài)環(huán)境改善和低影響發(fā)展的內(nèi)涵及調(diào)控目標,建立了間接生態(tài)水文指標體系和直接生態(tài)水文指標,用于對雨水徑流調(diào)控與下游河道生物多樣性及生態(tài)環(huán)境的評價。間接生態(tài)水文指標體系包括徑流歷時曲線、洪峰流量頻率曲線以及與徑流系數(shù)三個指標,直接生態(tài)水文指標為T0.5。 (2)運用SWMM軟件,通過改變區(qū)域的不透水性系數(shù)、可透水性區(qū)域的積水深度和曼寧系數(shù),模擬了不同土地利用形式下的徑流形態(tài),并根據(jù)不同重現(xiàn)期的設計降水,模擬了區(qū)域不同城市化程度下的徑流變化特征,模擬結果表明,區(qū)域城市化程度越高,其徑流曲線越陡,徑流持續(xù)時間越短,徑流變幅越大,徑流系數(shù)也越大。根據(jù)模擬得到的徑流歷時曲線、洪峰流量頻率曲線、徑流系數(shù)和T0.5等指標,分析了區(qū)域不同城市化程度的生態(tài)水文效應,表明區(qū)域城市化程度越高,其洪峰流量越大,發(fā)生的頻率越大且高于某一流量閾值的時間越長,T0.5整體呈減小趨勢,說明城市化的進展對河道生態(tài)環(huán)境有著明顯的負面效應。 (3)利用SWMM和RECARGA軟件,對研究區(qū)內(nèi)19個生物滯留池的生態(tài)水文效應進行了模擬研究,結果表明經(jīng)生物滯留池調(diào)控后的徑流歷時曲線約有90%的時間(10%-100%)與天然狀態(tài)下的徑流歷時曲線相吻合,從而證實了生物滯留池可以對較小降水事件徑流的流量、大小及頻率進行調(diào)控,并使其接近于天然狀態(tài);區(qū)域發(fā)展后經(jīng)由生物滯留池進行調(diào)控后,洪峰流量呈顯著減小的趨勢。對于較大頻率的降水事件,生物滯留池對洪峰流量的調(diào)控作用非常顯著;當降水事件的頻率變小,其對洪峰流量的調(diào)控作用逐漸減弱。天然狀態(tài)下的徑流系數(shù)值最小,為0.081,發(fā)展后無調(diào)控措施下的徑流系數(shù)為0.358,發(fā)展后經(jīng)生物滯留池調(diào)控后的徑流系數(shù)為0.165,從而證實了城市化對徑流系數(shù)的影響以及生物滯留池對徑流系數(shù)的調(diào)控作用;經(jīng)生物滯留池調(diào)控后,T0.5的值與發(fā)展后無調(diào)控措施下的T0.5有了顯著的提高,從而表明生物滯留池在提高下游河道生物多樣性、改善下游河道生態(tài)環(huán)境方面的顯著功能。 (4)徑流系數(shù)不僅考慮了來自于不透水性區(qū)域的徑流,而且也考慮了來自于透水性區(qū)域的徑流,以及每個區(qū)域獨特的地形特征,如坡度、流域?qū)挾?因此可作為生物滯留池表面積設計的重要因素。當生物滯留池的設計以水質(zhì)處理為目標時,排水孔的設計對結果沒有顯著影響;若以徑流流量調(diào)控為目標,排水孔尺寸的設計是非常重要的。 (5)無論生物滯留池是否設置排水孔,其表面面積是影響徑流調(diào)控性能最靈敏的設計要素,沙礫層厚度是最不靈敏的設計要素;當生物滯留池無排水孔時,各設計要素對其徑流調(diào)控性能靈敏度排序為:表面面積根區(qū)土壤飽和入滲速率根區(qū)土壤厚度天然土壤飽和入滲速率;當生物滯留池有排水孔時,各設計要素對其徑流調(diào)控性能靈敏度排序為:表面面積天然土壤飽和入滲速率排水孔直徑;相比無排水孔的情景,當生物滯留池有排水孔時,各設計要素對其水文調(diào)控性能更加靈敏。 (6)BMPs措施與LID措施的水文和生態(tài)水文效應的對比研究表明:截留池對較大降水事件洪峰流量的調(diào)控作用明顯,但是不能應用于入滲補給地下水,因此,在需要對地下水進行補給的地區(qū)不宜修建截留池;入滲帶的調(diào)控性能要優(yōu)于生物滯留池,但因其不具備污染物移除及美化環(huán)境的功能,所以難以納入?yún)^(qū)域的發(fā)展規(guī)劃;透水性路面的徑流及生態(tài)水文調(diào)控性能最優(yōu),但是容易出現(xiàn)“過調(diào)控”現(xiàn)象,且透水性路面材料比較昂貴,從而限制了透水性路面的發(fā)展;生物滯留池不僅對較小降水事件具有比較顯著的調(diào)控性能,而且也具有明顯的污染物移除和環(huán)境美化功能,所以,生物滯留池應該是目前LID中最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)控措施。為此,指出將BMP調(diào)控措施(截留池)與LID調(diào)控措施(生物滯留池)有機結合,通過二者聯(lián)合對雨洪徑流進行調(diào)控,可達到最佳的生態(tài)水文調(diào)控性能。 本文在學習和吸收國外先進的雨洪徑流管理理論和措施的基礎上,深入研究了城市化和低影響發(fā)展的生態(tài)水文效應,研究結果對解決我國城市化進程中的雨洪徑流調(diào)控問題、提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有借鑒作用。
【學位單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：P339;X143
【部分圖文】：

本章從以下五個方面論述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：（市化和河道生態(tài)環(huán)境的關系；（3）河道徑流機制的體系的發(fā)展；（5）城市化的雨洪調(diào)控措施研究。市化的水環(huán)境問題化是一個非常復雜的空間形態(tài)變化和社會經(jīng)濟發(fā)展當?shù)厮那閯萦绊懢薮螅饕憩F(xiàn)在城市地貌和排水工業(yè)活動和人類日常生活等方面。城市化所產(chǎn)生的主

次降水事件中，天然狀量減少、洪峰流量增大其水文曲線上升和下降速也增強了其輸送污染物峰流量峰值出現(xiàn)的頻率位下降，因此，由地下究主要為城市化對徑流續(xù)時間方面的研究相對土地利用變化對徑流的增加。袁藝等(2003)以采用分布式水文模型就，模擬結果表明，城市量加大，匯流時間變短系統(tǒng)模擬了不同土地利

-3 土地利用變化與水文機制、地形地貌以及河流生態(tài)之間的相nteraction of land use change and hydrological regime, topography 態(tài)的改變機理中最終匯入河道的地表徑流與基流是影響河流徑流最重流徑流情勢(flow regime)的改變。河流是由上、下游和、完整的體系。河流的生態(tài)系統(tǒng)具有生物棲息地、過濾匯等方面的功能(Craig and Hollis 1999)。徑流是河流生關鍵因素，同時也是生物組成的決定性因素(Cassin et 02; Poff et al. 1997; Poff and Ward 1989; Riis and Bigg)。因此，研究影響河流生態(tài)的水文機制，找出并量化影要水文特征，是研究水文過程影響生態(tài)過程的一個重要恢復提供依據(jù)。系統(tǒng)的生物組成、結構和功能依賴于河流徑流情勢。河響的關鍵過程主要包括以下三個方面：（1）改變了棲
【引證文獻】

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1 孫艷偉;王文川;魏曉妹;POMEROY C A;王富強;;城市化生態(tài)水文效應[J];水科學進展;2012年04期

本文編號：2888462