目 录
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中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪 论 ......................................................................................................................................... 1
1.1 城市降雨径流研究 .............................................................................................................. 1
1.1.1 城市降雨径流产流特征 ............................................................................................. 1 1.1.2 城市降雨径流水质研究 ............................................................................................. 2 1.2 城市暴雨径流模型研究 ...................................................................................................... 7
1.2.1 城市暴雨径流污染模型研究历程简介 ..................................................................... 7 1.2.2 SWMM介绍及应用 .................................................................................................... 9 1.3 城市水体水质保障模型研究 ............................................................................................ 10 1.4 城市暴雨径流调控技术研究 ............................................................................................ 13
1.4.1 LID基本概念 ............................................................................................................ 13 1.4.2 LID应用研究 ............................................................................................................ 14 1.4 课题的提出、研究目的及内容......................................................................................... 15
1.4.1 课题的提出 ............................................................................................................... 15 1.4.2 课题的研究目的及研究内容 ................................................................................... 15
2 山地城市排水系统暴雨径流特性及生态调控评估 ....................................... 17
2.1 山地城市排水系统降雨径流模型构建............................................................................. 17
2.1.1 山地城市排水系统模型的构成 ............................................................................... 17 2.1.2 山地城市排水系统模型的原理 ............................................................................... 23 2.2 山地城市排水系统降雨径流特征分析............................................................................. 26
2.2.1 虎溪河流域降雨径流模型构建 ............................................................................... 26 2.2.2 虎溪河流域降雨径流过程模拟 ............................................................................... 28 2.3 基于SWMM模型的山地城市暴雨径流效应研究 ......................................................... 31
2.3.1 降雨情景的选择 ....................................................................................................... 31 2.3.2 山地城市的暴雨径流效应 ....................................................................................... 31 2.3.3 暴雨径流效应的生态化改造措施研究 ................................................................... 34 2.4 生态化改造与暴雨产流响应评估..................................................................................... 34
2.4.1 生态化改造措施 ....................................................................................................... 34
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重庆大学博士学位论文
2.4.2 不同生态化改造措施的径流特征 ........................................................................... 37 2.4.3 不同生态化改造措施对径流峰值的削减研究 ....................................................... 39 2.4.4 不同生态化改造措施对径流总量的削减研究 ....................................................... 40 2.5 本章小结 ............................................................................................................................ 41
3 山地城市暴雨径流水质特性及调控响应 ............................................................ 43
3.1 材料与方法 ........................................................................................................................ 43
3.1.1 研究地点选取与绿色屋面构建 ............................................................................... 43 3.1.2 研究方法 .................................................................................................................. 44 3.2 山地城市不同下垫面暴雨径流污染物浓度空间分布 .................................................... 47 3.3 重庆沙坪坝区虎溪河流域场次降雨径流污染物浓度时间分布 .................................... 49 3.4 不同屋面降雨径流水质分析及绿色屋面推广应用降雨径流调控效能评估 ................ 51
3.4.1 不同屋面降雨径流水质分析 ................................................................................... 51 3.4.2 绿色屋面推广应用降雨径流调控效能评估 .......................................................... 52 3.5 本章小结 ............................................................................................................................ 58
4 面源污染影响下山地城市水体水质模拟 ............................................................ 59
4.1 水力/水质基本方程 ........................................................................................................... 59 4.2 传统的紊流流动方程 ........................................................................................................ 60
4.2.1 零方程模型 .............................................................................................................. 62 4.2.2 单方程模型 .............................................................................................................. 62 4.2.3 双方程模型 .............................................................................................................. 63 4.3 复杂边界的大型自然河道的二维网格概化模型 ............................................................ 64 4.4 二维水力/水质模型 ........................................................................................................... 66 4.5 模型库的程序实现 ............................................................................................................ 69 4.6 系统集成 ............................................................................................................................ 76 4.7 本章小结 ............................................................................................................................ 88
5 山地城市径流污染调控措施及城市水体水质保障策略 ............................ 89
5.1 山地城市水体水质保障措施总体布局 ............................................................................ 89 5.2 面源污染控制措施 ............................................................................................................ 90
5.2.1 ―源控制‖措施 ............................................................................................................ 90 5.2.2 ―汇控制‖措施 ............................................................................................................ 92 5.2.3 ―迁移控制‖措施 ........................................................................................................ 97 5.3 本章小结 ............................................................................................................................ 99
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目 录
6 结 论 ..................................................................................................................................... 101 致 谢 ..................................................................................................................................... 103 参考文献 ..................................................................................................................................... 105 附 录 ..................................................................................................................................... 113
作者在攻读博士学位期间发表的论文.................................................................................. 113
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重庆大学博士学位论文
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1 绪 论
1 绪 论
随着国民经济的快速发展，城镇化表现出了强劲的发展势头，据研究，2030年中国的城镇化率将达到80%[1] 。在这种发展背景下，流域不透水下垫面快速增加引发的水环境问题日益凸显。快速城镇化不仅减弱了流域暴雨径流滞留能力，而且由于暴雨径流冲刷引发的城市面源污染也日益成为城市水体健康保障的重大威胁。尽管十一五期间国内部分一线城市做了城市面源污染的研究工作，但研究地点大多集中于平原城市，针对山地城市降雨径流的研究还需深化和加强。山地城市地形复杂，河流湖泊星罗棋布，降雨产流时间短，流速快，冲刷强度高，对受纳水体的水质安全威胁更为突出。同时，降雨径流和受纳水体水质之间可能蕴含有某种耦合关系。因此，系统了解山地城市降雨径流与受纳水体水质特征之间的关联性，以及山地城市降雨径流和山地湖库的调控手段及其效能，对于山地城市水环境保障具有重要意义。
1.1 城市降雨径流研究
1.1.1 城市降雨径流产流特征
由于建筑屋顶、交通道路、休闲广场等城市不透水下垫面的大幅增加，导致该城市地区的降雨产流较城市化前有显著改变，宏观表现为降雨产流总量增多、降雨蒸发量减少、洪峰流量增大、径流汇流时间缩短等，有研究将这种现象称之为城市径流效应[2]。
城市径流效应包括径流持续时间效应、初始产流时间效应、峰值径流效应和径流总量效应。流域开发前后其径流曲线特征差异显著，开发后径流峰值时间大大提前，且峰值流量远大于开发前用地布局情景，同时，产生的径流量可能会超过市政雨水管道的泄洪能力，造成城市积水，甚至发生内涝灾害。造成这种现象的根本原因在于城市区域不透水下垫面面积比例的显著提高，以及由此导致的降雨洼蓄截留、蓄渗、蒸发量的减少，进而产生巨大降雨径流量，甚至较小强度的降雨也能产生较大的城市降雨径流。降雨汇流时间的缩短，使得径流系数和集流速度大大增大，城市流域洪水过程线峰值变高、变尖，洪峰出现时刻提前，这些城市径流效应的累加导致城市泄洪管网压力骤增。据调查，上海的城市化发展导致其地表径流量增加了20%-25％，大大增加了城市洪涝灾害的发生几率。Rose et al. (2008)、Mote et al.(2007)研究认为城市区域的扩展能激发或者增加降水[3] [4]。Shepherd et al.(2012)研究发现由于城市化作用，在离城市中心 25-75 km 下风向的125°扇形区域降水显著高于其他地区[5]。Shepherd(2006)对阿拉伯干旱地区和美国
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