海绵城市低影响开发措施雨洪控制效应9787030718600

前言

第1章 绪论

 1.1 研究背景

 1.2 研究意义

 1.3 海绵城市与低影响开发雨水系统内涵

 1.3.1 海绵城市概念

 1.3.2 LID雨水系统内涵

 1.4 国内外研究进展

 1.4.1 海绵城市建设与LID

 1.4.2 LID径流控制效应研究

 1.4.3 LID措施设计优化与评估

 1.5 主要研究内容

第2章 基于中试试验的LID措施雨水径流控制效应研究

 2.1 中试试验装置设计

 2.1.1 下凹式绿地试验装置设计

 2.1.2 透水铺装试验装置设计

 2.1.3 绿色屋顶试验装置设计

 2.1.4 下凹式绿地试验供水系统

 2.1.5 人工模拟降雨系统

 2.2 试验研究方案

 2.2.1 下凹式绿地试验研究方案

 2.2.2 透水铺装试验研究方案

 2.2.3 绿色屋顶试验研究方案

 2.3 试验结果与分析

 2.3.1 评价指标

 2.3.2 下凹式绿地试验结果分析

 2.3.3 透水铺装试验结果分析

 2.3.4 绿色屋顶试验结果分析

 2.4 小结

第3章 基于现场试验的LID措施雨水径流控制效应研究

 3.1 试验设施

 3.1.1 试验设施设计

 3.1.2 填料性质及其铺填情况

 3.1.3 试验供水系统及其径流走向

 3.2 试验研究方案

 3.2.1 研究因素与方案

 3.2.2 雨水径流计算与模拟

 3.2.3 样品采集及其水质检测方法

 3.3 试验结果与分析

 3.3.1 数据分析方法

 3.3.2 填料含水量变化

 3.3.3 雨水径流水量控制效果分析

 3.3.4 生物炭分布状态对径流污染物去除的影响

 3.3.5 淹没区高度对径流污染物去除的影响

 3.3.6 渗透条件对径流污染物去除的影响

 3.4 小结

第4章 基于现场监测的LID措施水量水质控制效应研究

 4.1 监测场地及监测方案

 4.1.1 透水铺装和绿地

 4.1.2 人工湿地

 4.2 样品采集及其水质检测方法

 4.3 透水铺装和绿地雨水径流控制效应分析

 4.3.1 透水铺装和绿地雨水径流水量控制效应分析

 4.3.2 透水铺装和绿地雨水径流水质特征分析

 4.4 人工湿地在不同季节和降雨强度下的水质变化分析

 4.4.1 监测数据整理及其分析方法

 4.4.2 人工湿地在不同季节下的水质变化分析

 4.4.3 人工湿地在不同降雨强度下的水质变化分析

 4.5 小结

第5章 基于Hydrus-1D模型的LID单项措施雨水径流控制效应研究

 5.1 模型原理与构建

 5.1.1 水流模型选择及其参数设定

 5.1.2 溶质运移模型选择及其参数设定

 5.1.3 填料剖面划分

 5.2 模型参数率定与验证

 5.2.1 参数率定与验证评价指标

 5.2.2 评价指标的结果

 5.3 模拟方案及结果分析

 5.3.1 防渗型生物滞留池

 5.3.2 渗透型生物滞留池

 5.3.3 下凹式绿地

 5.3.4 透水铺装

 5.4 小结

第6章 SWMM模型原理与构建

 6.1 模型原理

 6.1.1 水文模块

 6.1.2 水质模块

 6.1.3 LID措施模块

 6.2 研究区域概况

 6.2.1 基本情况

 6.2.2 数据监测

 6.3 模型构建

 6.4 模型率定与验证

 6.4.1 模型参数验证指标

 6.4.2 水文水力参数率定与验证

 6.4.3 水质参数率定与验证

 6.5 参数敏感性分析

 6.5.1 分析方法

 6.5.2 分析结果

 6.6 小结

第7章 基于解析概率模型的LID径流控制效应

 7.1 降雨特征概率分析

 7.2 基于解析概率方程的LID水文效应

 7.2.1 绿色屋顶的解析概率方程

 7.2.2 透水铺装的解析概率方程

 7.2.3 生物滞留池的解析概率方程

 7.3 解析概率模型的评估验证

 7.3.1 绿色屋顶解析概率模型评估

 7.3.2 透水铺装解析概率模型评估

 7.3.3 生物滞留池解析概率模型评估

 7.4 基于解析概率模型的LID效益优化评估

 7.4.1 LID生命周期成本分析

 7.4.2 NAGA-Ⅱ优化算法

 7.4.3 LID措施效益优化评估

 7.5 小结

第8章 城市区域径流污染特征及LID措施控制效果

 8.1 径流样品采集及水质检测

 8.1.1 径流采样方法

 8.1.2 降雨特征与污染物指标

 8.2 基于主成分分析法的污染物特征分析

 8.2.1 主成分分析法

 8.2.2 污染物相关性分析

 8.2.3 不同下垫面EMC的得分评价

 8.3 降雨径流的初期冲刷效应

 8.3.1 初期冲刷效应定性分析

 8.3.2 初期冲刷效应定量分析

 8.4 LID措施对径流污染削减效果评估

 8.4.1 下垫面类型概化

 8.4.2 设计暴雨过程

 8.4.3 模型参数设置

 8.4.4 LID措施对径流污染的削减效果

 8.4.5 LID措施设置比例对污染物削减的影响

 8.5 小结

第9章 LID措施空间布局多目标优化研究

 9.1 多目标优化算法介绍

 9.1.1 BPSO算法

 9.1.2 NSGA-Ⅱ算法

 9.2 LID措施空间布局优化模型构建

 9.2.1 目标函数

 9.2.2 算法求解过程

 9.3 不同优化算法对LID措施布局优化效果差异评估

 9.3.1 不同算法种群粒子

第1章 绪论　　1.1 研究背景　　近年来，快速城市化导致的城市内涝、水污染、水生态退化和水资源短缺等城市水问题引起了全球的关注，随着快速城市化和气候变化对城市水系统负面影响的出现，城市建设过程中对城市水系统的发展提出了更高的要求。我国的城镇化率于2011年便超过了50%，标志着我国成为一个城市化工业大国，至2019年城镇化率达到了60.60%，说明我国城市化程度在不断增大，如何有效地控制由城市水问题而引起的水灾害及如何减轻城市水灾害对城市系统的影响，对科学研究和社会发展都具有重要意义。城市水管理系统在解决城市水相关问题方面发挥着主导作用，因此，世界各国越来越重视城市水管理系统构建，并对其开展了广泛的科学研究。　　为缓解日益严重的城市水问题，我国在参考和借鉴国外建设经验与相关理论知识的基础上，于2013年12月确立了适合本国国情的城市水综合管理策略——海绵城市，其理念是自然积存、自然渗透和自然净化，设想城市如海绵般在降雨时下渗滞流和储蓄雨水并使雨水得到一定程度的净化，*后达到雨水资源的收集和利用的目标（夏军等，2017a）。海绵城市是在发展中国家首次提出且适用于快速城市化阶段的综合城市水资源管理战略，因此我国的实施经验可为其他发展中国家提供参考，我国海绵城市建设发展进程如图1-1所示。　　图1-1 海绵城市建设发展进程时间轴　　2014年，《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》（简称《指南》）确定了以年径流总量控制率为目标，兼顾排水防涝和污染控制等方面的思路，《指南》为海绵城市建设提供了科学的指导，为日后围绕《指南》展开的海绵城市建设科学研究奠定了重要基础。2015年和2016年相继批准了共30个城市作为海绵城市的试点地区，政府引导和鼓励政策提高了社会参与的主动性和积极性，海绵城市建设在各级政府和部门推行呈白热化状态，时任住房和城乡建设部副部长陆克华在国务院政策例行会上指出，海绵城市是我国城市发展理念和建设方式转型的重要标志。2021年，财政部、住房和城乡建设部和水利部通过竞争性选拔，确定广州等20个城市为典型示范城市，系统化全域推进海绵城市建设。　　随着海绵城市试点工作的逐步推行，海绵城市建设成效得到了很好的总结和分析，同时强调加强对海绵城市的内涵、要点和原则的进一步探索和梳理。低影响开发（low impact development，LID）模式、可持续发展规划和弹性城市等核心思想逐渐被强化（Jiang et al.，2017；Sang and Yang，2017），LID模式强调尽量保护城市发展前原有的生态特征并合理控制开发强度，达到尽量降低不透水面积增加速率的目标（李俊奇等，2015）；可持续发展规划强调通过工程措施与非工程措施的综合方式控制城市水污染，保护城市水生态（王文亮等，2014）。海绵城市的弹性也越来越受重视，弹性指的是海绵城市在不同形式和条件变化环境下的适应能力，具有弹性的城市系统能够吸收外部干扰并学习重组从而保持自身特征（张书函，2019），弹性的概念在海绵城市建设理念基础上进一步延伸，巩固优先利用自然排水系统与建设生态排水设施的海绵城市建设要求。　　1.2 研究意义　　LID措施是海绵城市建设过程中的重要手段，LID措施被形象地称为海绵体，通过建设 LID措施来降低城市扩张对自然环境的影响，可减缓城市不透水地表的增长速度，同时增加城市的弹性（邢薇等，2011）。此外，城市径流污染的控制是建设海绵城市的重要目标之一， LID措施在城市非点源污染的消解和截留、治理城市黑臭水体与修复城市水环境等方面发挥着重要的作用（张鵾和车伍，2016）。LID发展模式植根于自然和社会水循环的科学根源，研究并合理运用径流控制和污染净化的相关规律，有利于缓解城市内涝灾害和城市非点源污染，促进城市水生态可持续发展，构建健康的城市水循环系统，并能提高城市的适应能力以应对城市化扩张与气候变化带来的影响（刘家宏等，2019）。　　目前，海绵城市建设试点工程基本落成， LID措施的优点是显著的，但 LID措施的实施受到技术问题、地域气候要素、土壤类型、政策法规、建设成本和维护管理等因素的限制（孙艳伟等，2011）。不同 LID措施具有不同的水文响应及水质处理特性，而且LID措施雨水径流控制能力与不同地区的自然地理条件密切相关。我国幅员辽阔，各地区的地形、气候条件和土壤类型等自然地理条件都有所不同。为实现 LID措施在中国的本土化推广应用，还需要进一步结合区域自然地理特征，探究和完善 LID措施技术体系。因此，开展 LID措施的实地监测、试验以及模型模拟研究是当前 LID措施研究的重要发展方向。此外，在考虑当地的环境、社会和经济情况基础上，综合分析实施 LID措施的控制目标，完善城市雨洪管理系统的效益考核与评估系统具有重要的应用价值；构建LID措施建设规划布局和经济效益优化系统，有助于实施方案的比选与优化并为决策者提供科学参考依据。