局部土地利用類型變化對城市水文過程的影響研究

關(guān)鍵詞：耦合模型；動態(tài)規(guī)劃；地表積澇；管網(wǎng)流量；徑流控制率

中圖分類號：ＴＶ１２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．００５

引用格式：李欣怡，侯精明，潘占鵬，等．局部土地利用類型變化對城市水文過程的影響研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：２６－３３．

０引言

近年來城市化迅速發(fā)展，城市擴(kuò)張、郊區(qū)化、士紳化、舊城改造等物理空間轉(zhuǎn)型成為學(xué)者們探討中國城鎮(zhèn)化的重要對象［１］ 。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)逐漸開始為城市發(fā)展規(guī)劃、空間評價和資源配置提供科學(xué)支撐［２］ 。然而，我國大部分城市的規(guī)劃評估依然以“靜態(tài)藍(lán)圖評估”為主，這種評估方式缺乏對城市復(fù)雜系統(tǒng)的變化過程進(jìn)行實時監(jiān)測、動態(tài)評估和調(diào)控反饋機(jī)制，導(dǎo)致規(guī)劃靈活性、適用性不足，無法及時為城市的發(fā)展提供理論依據(jù)。城市規(guī)劃主要涉及土地利用規(guī)劃的制定和管理，城市的土地利用結(jié)構(gòu)即各類用地之間相互依存、結(jié)合和轉(zhuǎn)化的關(guān)系，包括各類用地數(shù)量、時間上的空間布局結(jié)構(gòu)［３］ 。因此，通過研究局部土地利用類型變化對整體區(qū)域的影響并進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃，在理論上是可行的。

我國城市化發(fā)展加快，更容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇災(zāi)害，城市內(nèi)澇已經(jīng)成為必須面對和解決的“城市病”［４］ 。根據(jù)聯(lián)合國（ＵＮ） 的報告，在過去２１ ａ（１９９５—２０１５年），有１５．７萬人死于洪水，受影響的人數(shù)達(dá)２３ 億，占所有受天氣相關(guān)災(zāi)害影響人數(shù)的５６％［５］ 。因此，城市洪澇災(zāi)害的防治越來越值得深入研究并受到許多學(xué)者關(guān)注。城市化效應(yīng)使得土地不透水面積增加，徑流峰值增大，匯流時間縮短，如何更準(zhǔn)確地模擬城市內(nèi)澇過程成為學(xué)者關(guān)注的問題。

城市內(nèi)澇研究中常用的商業(yè)／ 非商業(yè)模型包括Ｉｎ?ｆｏＷｏｒｋｓ 模型、ＳＷＭＭ 模型、ＧＡＳＴ 模型和ＭＩＫＥ 模型等［６－９］ 。在管網(wǎng)和地表二維水動力模擬中，檢查井和雨水網(wǎng)格之間進(jìn)行流量交換的條件下，通常需要分別耦合管網(wǎng)和地表二維模型。在早期階段，Ｈｓｕ 等［１０］ 將ＳＷＭＭ 模型與地表二維模型耦合，這些模型之間的流動交換被定義為單向交換。管網(wǎng)容量過載時，水從檢查井溢出到地表，但即使管網(wǎng)容量足夠，地表水也無法再通過檢查井返回管網(wǎng)。隨著研究的深入和技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新，在城市水模擬研究中逐漸出現(xiàn)了一些能夠?qū)崿F(xiàn)地下水與地表水雙向交換的耦合模型。Ａｂｅｂｅ等［１１］ 將ＳＷＭＭ 模型與自行開發(fā)的二維地表模型耦合，克服了地表和地下管網(wǎng)之間水流交換的困難，實現(xiàn)了一維和二維水流交換過程。然而，這些耦合模型對高精度地形的地表徑流過程模擬均有一定的缺陷，降低了管網(wǎng)排水過程的精度，且ＩｎｆｏＷｏｒｋｓ 和ＭＩＫＥ 等軟件因其商業(yè)化性質(zhì)而限制了其推廣以及二次開發(fā)。

針對以上問題，筆者采用自主研發(fā)的高效高精度數(shù)值模型ＧＡＳＴ 模型［１２］ 耦合ＳＷＭＭ 模型［１３］ ，該耦合模型具有地表水與地下水交換過程合理、地表徑流過程計算準(zhǔn)確、管網(wǎng)排水過程精度高、運行速度快的優(yōu)點，通過比較不同降雨重現(xiàn)期下改變局部土地利用類型前后的城市地表和管網(wǎng)水動力過程，從城市內(nèi)澇角度分析動態(tài)規(guī)劃可行性，以期為未來老城更新和新城擴(kuò)建提供指導(dǎo)。

１數(shù)據(jù)來源與研究方法

１．１研究區(qū)域概況

１．１．１研究區(qū)域

西安是古代絲綢之路的起點，在“一帶一路”建設(shè)中處于十分重要的位置［１４］ 。其多年平均降雨天數(shù)為９８．９ｄ，年平均降雨量為５７１ｍｍ，降雨年內(nèi)分布不均勻，夏季降雨最多，占比３９％［１５］ 。本文以西安市第二大商圈小寨街區(qū)為研究對象。

動態(tài)規(guī)劃在規(guī)劃層面主要涉及土地利用類型的改變。因此，在本研究區(qū)域通過改變局部區(qū)域土地利用類型來探討動態(tài)規(guī)劃可行性。在研究區(qū)域隨機(jī)選取改造區(qū)域Ｒ_１和Ｒ_２，改造區(qū)域在改造前土地利用類型由建筑、道路、綠地等組成。改造后分別為無下滲土地Ｃ_１、裸土地Ｃ_３、草地Ｃ_４和林地Ｃ_５，以及無下滲組合Ｃ_２。

用Ｂ_１表示未進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃的原始土地利用類型，Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４和Ｃ_５分別表示進(jìn)行動態(tài)改造后不同土地利用類型，其地表坡度均為０。具體土地利用類型和參數(shù)見表１。由于Ｂ_１原始土地由建筑、道路、綠地等組成，不同區(qū)域曼寧系數(shù)和下滲速率不同，因此未在表中展示。

１．１．２降雨條件

根據(jù)研究區(qū)域降雨特征和水文特性，選擇芝加哥雨型作為短歷時降雨適用雨型（降雨峰值系數(shù)ｒ為０．３８）。根據(jù)相關(guān)資料［１６］ ，西安市降雨強(qiáng)度公式如下：

式中：ｉ為降雨強(qiáng)度；ｔ為降雨歷時，?。?ｈ；Ｐ為降雨重現(xiàn)期，分別?。?、１０、５０、１００ａ。

不同重現(xiàn)期的降雨過程如圖１所示。

１．２研究方法

１．２．１地表產(chǎn)匯流控制方程

采用具有守恒格式的平面二維淺水方程（簡稱ＳＷＥｓ）模擬二維計算區(qū)域的水流運動過程。二維非線性淺水方程的守恒格式［１７］ 如下：

３）降雨量越大，土地利用類型改變對城市帶來的影響越大，尤其是無下滲土地類型，采取海綿城市建設(shè)等一系列舉措增加下墊面下滲能力會降低城市積水量且減小管網(wǎng)排水負(fù)荷。而在降雨量過大情況下，工程措施改善效果有限，需考慮非工程措施對極端暴雨的應(yīng)對模式。

動態(tài)規(guī)劃通過評估新項目對局部和整體區(qū)域排水能力以及災(zāi)害風(fēng)險變化的影響，定量分析新項目的可行性。但是，具體的實施必須考慮其他因素，如資金和政策的影響。此外，本文還存在以下不足：規(guī)劃土地類型相對單一，規(guī)劃用地僅代表西安典型的商業(yè)街道。因此，在后續(xù)研究中，各規(guī)劃區(qū)域之間的連通效應(yīng)和典型性需要進(jìn)一步增強(qiáng)。