基于SWMM不同气候区城市绿色屋顶径流调控效益研究

对比研究不同气候区城市绿色屋顶径流调控效益,可为不同气候区城市绿色屋顶水文设计和评估提供科学参考。基于北京市试验绿色屋顶2019年降雨-径流过程监测数据率定并检验SWMM,采用该模型模拟分析不同气候区城市(北京、上海、广州)绿色屋顶径流调控效益变化特征。结果表明：(1)种植佛甲草(Sedum lineare)的轻质基绿色屋顶具有较强的径流调控功能,监测期平均径流和峰值流量削减率分别为73.22%,77.63%。(2) SWMM可较精确地模拟绿色屋顶径流量和峰值流量,率定期平均Nse和R²分别为0.64,0.73,检验期平均Nse和R²分别为0.66,0.64。(3)在不同设计暴雨重现期下,三个城市的绿色屋顶径流削减率不同,但均随重现期的增大呈指数衰减趋势。(4)三个城市绿色屋顶径流削减率和峰值流量削减率均随基质层厚度的增加而上升,但达到某一厚度后径流调控效益不再增加,其中北京和上海的临界基质厚度为500 mm,广州为800 mm。综上,气候条件和基质厚度是影响绿色屋顶径流调控效益的主要因素,故在不同气候区城市布设绿色屋顶需综合考虑各因素,以达...     

黄土高原北部水蚀风蚀交错区产流条件及径流系数

为了揭示黄土高原北部水蚀风蚀交错区的产流机制并推求径流系数,为该地区地表水资源的深入研究提供基础数据,选取具有黄土高原北部水蚀风蚀交错区典型气象与水文特征的六道沟流域为研究区。通过分析实测水文数据,从机制上分别研究了试验流域在表层土壤（5—10 cm）达到饱和及不饱和条件下的产流过程,在长历时低强度降雨条件下,产流的必要条件是表层土壤达到饱和且雨强≥0.12 mm/min;在短历时高强度降雨条件下,表层土壤未达到饱和状态时,产流的必要条件是降雨强度≥0.52 mm/min;径流系数与平均降雨强度之间存在着显著的正相关关系;以运动波理论的基础方程式结合GIS技术开发了适用于试验流域的分布式降雨—径流数值模型,模型的误差<3%;基于2005—2009年（5 a）的降雨—径流数值计算,得到试验流域在这5 a的平均径流系数为0.11,从而推求出多年平均径流系数为0.10～0.15。     

麦田降雨产流过程的影响因素

为探讨多种因素对麦田降雨产流的影响及其相应的定量关系,通过人工模拟降雨试验,研究麦田降雨强度(RI)、冠层覆盖度(用叶面积指数表示,LAI)及0-40cm土壤初始含水量(θ40)对降雨产流特征的影响。结果表明:在其他影响因素一定条件下,径流强度和累积径流量与降雨历时分别具有显著的负指数函数和幂函数关系(P<0.01);产流时间随RI增大而提前,径流强度、累积径流量和径流系数随RI增大而增大;产流时间随LAI的减少而提前,径流强度、径流量及径流系数随LAI减小而增大;当降雨强度增大时,LAI对麦田产流过程的影响减弱。在RI和LAI不变时,产流时间随θ40增大而提前,径流强度、径流量及径流系数随θ40增大而增大,但稳定径流强度基本相同。通过对模拟降雨实测数据统计分析,径流强度、累积径流量可最终表示为t、RI、LAI和θ40的4因素函数关系,并建立了径流系数回归计算模型(P<0.05)。     

不同空间布局对城市降雨径流的影响

[目的]探讨不同城市空间布局(包括分析绿地、建筑)分别到出水口不同水流长度、面积比等因素与降雨径流的关系,以优化城市典型下垫面的空间布局,实现城市雨水径流的控制。[方法]以漯河市中心城区为研究对象,基于2016年3月航拍影像,提取中心城区的土地覆被信息,利用SWMM模型分析研究区在不同降雨重现期的径流特征以及影响降雨径流的因素,并定量研究城市绿地、建筑不同空间分布格局对径流削减的影响。[结果]绿地、建筑面积比与径流系数呈极显著负相关,二者到出水口的水流长度对产流效应有较显著影响,绿地较建筑离出水口近的子汇水区径流系数较小,其中重现期为5a时,径流削减率最高可达到44.49%。[结论]结合水流长度、面积比等因素,合理安排绿地、建筑的规模及布局,可实现雨水空间再分配,从而达到削减径流的目的。     

太行山花岗片麻岩区坡面产流的影响因素分析

通过自制的截流铲截取坡面径流,对太行山花岗片麻岩区产流过程的影响因素进行了研究.结果表明:(1)雨强是启动产流的关键因素,当降雨强度大于特定值时才能产生地表径流,且随着坡度降低,地表产流所需雨强增大.当雨强达到产流后,径流量和降雨量成显著正相关,与雨强的相关性不显著.(2)地表径流量不随着集水面积的增加而增加,坡面强烈的人渗能力,使得上方来水在产流过程中渗入土壤.坡度是影响地表径流的又一关键因素,随着坡度的增加,地表径流量明显的增加.由于不同坡向土壤质地不同,使得阳坡地表径流量要明显多于阴坡,平均径流系数也比阴坡高.总体上,研究坡面径流系数均较小,以2 m坡长为对象,最大径流系数仅为7.3%,说明坡面人渗能力很强,产流过程以入渗为主.     

城市化土地利用对降雨径流的影响与调控

运用水文模型DRAINMOD模拟了1988-2007年西安市城市土地利用变化对降雨径流产生的影响,通过DRAINMOD模型探讨了降低城市地表径流、增加雨水入渗的调控措施。结果表明:西安地区透水地面的年径流系数为0～0.414,不透水地面的年径流系数在0.677～0.844之间变化;土地利用类型、土壤入渗能力以及降雨强度是影响城区降雨-径流关系的重要因素;当透水与不透水地面比例接近1∶1时,城区综合径流系数达到0.8以上。分析结果显示,通过增加透水地面下凹深度的建设形式来蓄渗雨水可有效增加雨水入渗量,削减地表径流水量,但此类滞留系统对24h最大暴雨的作用有限。     

蒿坪河小流域降雨径流特征研究

选取丹江口水库河南部分的最大入库河流老鹳河的支流蒿坪河小流域为研究对象,依托径流场等野外设施,系统开展了不同坡度和土地利用类型降雨径流特征的研究,研究结果表明:蒿坪河小流域降雨年度分布不均,暴雨集中型降雨产流量大,是产生非点源污染主要降雨类型。0°～5°耕地、5°～10°耕地、10°～15°耕地、栎林和果园平均径流系数分别为2.01%,2.98%,5.44%,16.47%和2.42%。陡坡地带栎林在降雨侵蚀力大于0.5的时候开始产流,以超渗方式为主;果园在降雨侵蚀力大于2.5的时候开始产流,以蓄满产流为主;耕地产流受人为影响显著,产流界限不容易确定,在暴雨集中型降雨条件下其产流以超渗方式为主。栎林和果园产流量与降雨侵蚀力均存在一定的线性相关性,R2分别为0.939和0.912。耕地由于受人为影响比较大,其产流与降雨侵蚀力关系波动较大。在暴雨集中型降雨条件下,坡度是影响产流的主要因素,10°～15°耕地产流和0°～5°,5°～10°差异性显著(P0.05)。在小雨集中型降雨条件下,土壤结皮成为影响产流的主要因素。对大于10°的耕地,实施坡改梯工程,根据气象条件适时的锄地,有利于雨水的下渗,对于保持土壤水分、减少径流和农业非点源污染都有很重要的现实意义。     

黑土区农地集水区次降雨径流与输沙特征研究

水力侵蚀是诱发黑土区侵蚀发生发展的首要因素,研究次降雨条件下产流、产沙特征对水力侵蚀的防控具有重要意义。本文通过野外实地监测,分析农地集水区次降雨径流与输沙特征。结果表明:观测期内,有径流记录的降雨事件为12次,降雨等级主要为中雨、大雨和暴雨。初始产流时间随降雨等级表现不同,中雨时初始产流时间大多出现在降雨后期,而大雨和暴雨时,初始产流时间大多出现在降雨过程中的初始期和中期。不同降雨等级下累积径流深、径流系数和累积输沙量表现不同,累积径流深和径流系数表现为:大雨暴雨中雨,累积输沙量表现为:大雨中雨暴雨。集水区内大部分泥沙由6场降雨事件产生,对总径流量和总输沙量的贡献分别为90. 6%和87. 0%。基于12次有径流的降雨事件,不同降雨等级对径流的贡献表现为:大雨暴雨中雨,对输沙量的贡献表现为:大雨中雨暴雨。偏最小二乘回归分析显示,径流相关变量最大径流率Q_(max)是对总径流量和总输沙量贡献最大的因子,变量权重系数VIP值分别达1. 490和1. 629。     

梯田对黄土区降雨径流过程的影响及SCS-CN模型应用与改进

梯田改变了流域下垫面,对降雨径流过程势必产生影响,径流曲线模型（Soil Conservation Service Curve Number,SCS-CN）在中国黄土区,特别是梯田分布广泛流域的适用性仍存争议。为此,该研究以位于甘肃天水的罗玉沟流域为研究对象,利用梯田修建前后2个时段（1985-1990年、2000-2010年）的降雨径流实测资料,分析梯田修建对降雨-径流过程的影响,验证SCS-CN模型的适用性,进一步考虑梯田修建的影响针对不同降雨类型分别提出了基于降雨量和平均雨强的模型改进方法。结果表明：1）梯田修建对流域径流过程的影响与降雨强度关系密切。当雨强较小时,梯田显著削减流域洪峰和径流总量,削减幅度均在55%以上;而当降雨量和雨强较大时,梯田削减洪峰和径流总量效果并不显著。总体上,梯田修建后流域平均降雨径流系数显著减小至0.06,减小幅度约54%。2）基于最小二乘法优化与考虑前期土壤含水率修正的SCS-CN模型并不适用于梯田分布广泛流域的径流预报。引入降雨量和平均雨强改进后的模型模拟效果显著提高,此时流域暴雨量级以下和以上降雨事件的初损率分别为0.29和0.02。该研究基于降雨因子改进的模型在梯田分布广泛流域具有一定的适用性,可为流域产流计算及水土保持规划提供参考依据。     

侵蚀性风化花岗岩坡地降雨产流及水文过程研究

为研究坡地的降雨产流分配及水文动态过程,以侵蚀性风化花岗岩坡地为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(30,60,90,120,150mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下坡面径流和壤中流的分配特征与水文过程。结果表明:坡面径流的初始产流时刻均随降雨强度和坡度的增大而提前,壤中流的初始产流时刻明显滞后于坡面径流。壤中流径流量在不同坡度下随降雨时间的延长呈先递增后趋于平稳的现象,雨强越大达到峰值的时间越早,在降雨停止一段时间后径流量开始下降。多数情况下,壤中流所占总径流量的比重均大于坡面径流,坡面径流量比重随雨强的增大而增大,随坡度的变化幅度较小。坡面径流的径流系数与雨强的相关性较强,而壤中流径流系数与坡度之间的拟合效果较好。不同坡度下坡面径流、壤中流和混合流(坡面径流与壤中流同时发生)的径流模数与雨强呈正相关关系,不同类型径流的径流模数大小依次为混合流壤中流坡面径流。     

不同绿化屋面对雨水调蓄能力的影响

[目的]为了分析不同基质层厚度的绿化屋面对雨水的调蓄作用。[方法]通过搭建绿化屋面装置,采用人工降雨模拟器开展试验,在不同基质层厚度和降雨条件下,对绿化屋面的降雨—径流过程、持蓄雨水和减滞洪峰能力进行了研究。[结果]基质层厚度在一定的范围内时,绿化屋面出水的洪峰过程具有很高的相似性;绿化屋面基质层厚度与降雨持蓄率呈指数函数的关系;洪峰削减率与降雨强度无明显关系,主要由基质层厚度决定。[结论]绿化屋面能在一定程度上降低雨水的径流峰值,减少总的径流量,延缓产流时间,且随着基质层厚度的增加,绿化屋面对雨水的调蓄能力越好。     

灌木式屋顶绿化设计及对屋面初期雨水的净化

[目的]探讨灌木式屋顶绿化屋面承载力及对屋面初期雨水径流污染物的净化效果,为屋顶绿化设计及雨水资源化利用提供一定的理论指导。[方法]根据屋面所能承受承载力大小及屋面雨水径流的特点设计灌木式屋顶绿化结构,采用蛭石、珍珠岩作为吸水剂,与红壤土、腐殖土按一定比例复配为屋顶灌木绿化的种植基质。通过将收集到的屋面雨水模拟降雨,淋洒屋顶灌木,对其干、湿重荷载和对雨水去除效果进行研究。[结果]1m3复配的人工土壤的饱和吸水量为0.65m^3,种植基质湿容重为1 190kg/m^3,灌木式屋顶绿化的干、湿重荷载分别为261,529kg/m^2。对屋面初期雨水中的SS,COD,TN,TP的削减量分别在60.1%~71.3%,50.0%~61.8%,49.2%~53.2%和55.6%~67.7%之间。[结论]灌木式屋顶绿化能满足一般建筑物屋顶的荷载要求,同时对初期雨水径流具有较好的净化效果。     

绿化屋面的水文水质特征分析

通过人工搭建绿化屋面装置,重点研究了绿化屋面的径流削减率、产流过程和出水水质3个方面。结果表明,绿化屋面的径流削减率符合一定的阶段性计算公式;绿化屋面产流过程中的径流总量、前期削减量和后期削减量三者与基质层高度呈现不同的线性相关性;绿化屋面能够有效降低雨水中的总氮浓度和COD浓度,但氨氮浓度和总磷浓度有所升高;最后,综合水文和水质两方面,建议绿化屋面基质层高度范围是10—20cm。     

基于暴雨洪水管理模型的铁路车站片区雨洪模拟及低影响开发效果评价

[目的]减轻西北地区高速铁路车站片区建设过程引起的水资源矛盾问题,实现铁路车站片区雨水的积存、渗透和净化,促进雨水资源的利用和生态环境保护,实现高速铁路绿色施工。[方法]以甘肃省兰州市西客站为研究对象,采用暴雨洪水管理模型(SWMM)研究了传统开发下的雨水径流效应,并对采用生物滞留池、透水铺装、绿色屋顶及生物滞留池+透水铺装+绿色屋顶组合措施方案3种低影响开发(LID)方案进行了模拟。[结果]不同LID措施均能有效削减径流总量、洪峰流量、溢水量及延后峰现时间,其中组合LID方案的控制效果最佳,对洪峰流量和径流总量削减率高达75.9%和41.6%;透水铺装和生物滞留池对洪峰流量和径流总量的削减效果较显著;绿色屋顶单独铺设时,雨洪控制效果较差。[结论]合理采用LID措施可以有效地实现雨水的可持续管理,减小铁路车站片区的洪涝灾害。     

屋顶花园雨水利用系统设计与实践

该文意在探讨利用屋面雨水对屋顶花园进行灌溉的可行性。以北大荒集团某酒店屋顶花园为例,从植物需水量、雨水可收集量、蓄水池容量及雨水收集系统等方面进行屋面雨水回收利用设计,利用彭曼-蒙特斯公式计算屋顶花园植物需水量,结果表明:5-10月屋顶花园植物需水总量为3521.78m3,各月份间差异较大,10月份量最小仅为361.8m3,6月份量最大为729.6m3;同期可收集屋面雨水总量为2179.3m3,并据雨水径流总量与初期弃流量产生的径流量设计蓄水池容量为131m3;将收集雨水全部用于屋顶花园绿地灌溉,能节省61.88%灌溉用水;据此,采用工程技术为屋顶花园设计雨水收集系统及自动灌溉系统,对屋顶花园雨水收集量与灌溉量的水量平衡分析结果表明:利用该自动灌溉系统可节约灌溉用水67.20%,雨水利用率可达54.55%,该设计对北方干旱地区屋顶花园雨水回用技术设计具一定的实用价值和应用前景。     

Thermal and water regime studied in a thin soil layer of green roof systems at early stage of pedogenesis

Purpose

The potential heat load and stormwater reduction of the anthropogenic, lightweight soil systems, such as green roofs, are valuable to heat island effect mitigation and to urban water management. Benefits of extensive green roofs, as widely used vegetated roof system with very thin soil layer, could be threatened by temporal changes of the soil structure.

Materials and methods

Green roof raised beds filled with two different anthropogenic soils (artificially constructed stripped topsoil with admixed crushed bricks and a commercial mixture of a technogenic substrate) were built to investigate the benefits of such systems in a temperate climate. These two soils were chosen with the intent to compare their thermal and water regime. One soil is expected to be favorable for hydrological functioning, whereas the other one for the thermal performance. Temperature and water balance measurements complemented with meteorological observations and knowledge of physical properties of the soil substrates provide the basis for detailed analysis of a thermal and hydrological regime in green roof raised beds. Moreover, the state of pedogenesis was studied on undisturbed soil samples by means of X-ray computed tomography.

Results and discussion

The water balance of green roof raised beds was calculated for a whole vegetation season and individual rainfall events. Runoff from raised beds was 38 and 63 % of received rainfall. On the basis of a detailed analysis of individual rainfall events, rainfall-runoff dependency was found for both raised beds. The difference between measured actual evapotranspiration and calculated potential evapotranspiration was discussed on the period with contrasting conditions in terms of moisture stress. Thermal characteristics of soil substrates result in a highly contrasting diurnal variation of soil temperatures. Analysis of X-ray computed tomography-derived macroporosity profiles reveals significant temporal changes in the soil comprised of the stripped topsoil with admixed crushed bricks.

Conclusions

Both green roof systems were able to reduce heat load of roof construction when comparing with the concrete roof construction. Similarly, received rainfall was significantly reduced. The extent of rainfall reduction mainly depends on soil, vegetation status, and experienced weather patterns. Methods used for non-invasive imaging proved to be beneficial for studying of soil structure changes.

     

坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性研究

针对降雨和床面大糙度共同作用下坡面降雨径流侵蚀不平衡输沙特性研究薄弱的问题,采用室内模拟降雨试验的方法,研究不同降雨强度和坡长条件下的坡面降雨径流侵蚀输沙特性。结果表明：（1）坡面为裸坡、坡度为10°条件下,径流含沙量随坡长的增加呈增大趋势,当坡长由1 m增加至8 m时,同一雨强下径流含沙量增大3.28~7.15倍;径流含沙量随雨强的增大而增加,当雨强由40 mm/h增大至120 mm/h时,同一坡长下径流含沙量增加1.41~2.97倍。（2）分析降雨径流侵蚀条件下,水动力学参数对坡面径流挟沙能力的影响发现,水流挟沙能力与流速的3次方成正比,与水力半径和沉速的乘积成反比,得到降雨条件下的水流挟沙能力计算公式。（3）研究坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性表明,雨强与恢复饱和系数之间呈幂函数关系,给出坡面不平衡输沙模型并进行验证,表明该模型可以较好地模拟坡面降雨径流侵蚀输沙沿程变化。研究结果可为预测坡面径流侵蚀输沙沿程变化及完善坡面径流侵蚀机理提供参考。     

山地校园不同下垫面雨水径流重金属污染特征和健康风险评估

[目的] 了解山地校园不同下垫面雨水径流重金属污染特征及雨水径流中重金属元素对于人体的健康风险，为山地海绵城市建设提供径流污染控制参考和人员健康保护基础数据。[方法] 2019年7月22日在重庆交通大学针对屋顶、道路、停车场和广场4种典型的下垫面进行了雨水径流的取样监测，并统计分析场次降雨平均浓度（EMC）、电导率（EC）、钠吸附率（SAR）、危险商（HQ）和危险指数（HI）。[结果] 广场径流过程中重金属元素整体变化波动较大，道路雨水径流的重金属健康风险最大而屋顶健康风险最小；大多重金属污染物在产流后的10 min内出现了降幅，其中Fe和Mn的降幅较大，Zn的降幅中等，Cu的降幅最低；As和Cr是雨水径流中健康风险最高的重金属污染物。[结论] 山地校园重金属污染物冲刷速度较快，人流大的下垫面雨水径流中重金属元素变化波动较大，但健康风险较低；车流大的下垫面雨水径流中重金属元素波动较为稳定，但健康风险较高。