城市扩展的城市雨洪和非点源污染效应研究

As urbanization progresses, the impact of urbanization on the surface water environment has drawn more and more attention. Urban flooding and non-point pollution caused by urban 2-dimensional and 3-dimensional expansion have been increasing year by year, making the city a sensitive area and key area where ecological and environmental problems such as waterlogging and water pollution are concentrated. 2-D and 3-D landscape pattern indices will be presented in this project, and urban expansion characteristics and driving forces will be analyzed by these indices. Using the combination of monitored data and hydrological model (L-THIA and SWMM), this research will analyze the impact of urban landscape changes on urban storm flooding and non-point source pollution under the background of urbanization. We will explore the optimization of landscape pattern of urban stormwater management and non-point source pollution control by "source-sink" landscape pattern theory and low impact development theory. This proposal can explore the relationship between 2-dimensional and 3-dimensional landscape patterns and the process of water environment, and provide a scientific method for the monitoring and improvement of the urban surface water environment. Meanwhile, it will promote the development of urban landscape ecology from the 2-dimensional to 3-dimensional landscape, strengthen the research the core issues of landscape ecology-pattern and process.

中国正处于城市化剧烈发展阶段，城市化对地表水环境的影响越来越受到人们关注。城市二维三维扩展导致的城市雨洪和非点源污染逐年加重，使城市成为内涝和水污染等生态环境问题集中的敏感地区和重点治理地区。本项目拟构建二维三维景观格局刻画方法，分析城市扩展特征及其驱动力；采用实测数据和水文模型（L-THIA和SWMM）相结合的方法，综合分析城市化背景下二维三维城市景观格局演变对城市雨洪和非点源污染的影响；结合“源汇”景观格局理论和低影响开发理论，探讨城市雨洪管理和非点源污染控制的景观格局优化措施。本研究可以探索二维和三维景观格局与水环境过程的关系，为城市地表水环境监测和改善提供科学方法。同时，项目可以推动城市景观生态学研究由二维向三维发展，丰富景观生态学格局与过程核心问题的研究。

快速的城市化进程不可避免地导致不透水面和地下排水管网的增加，这显著改变了城市水文过程。随着全球变暖的持续，极端天气频繁发生，从而加剧了城市内涝和非点源污染的发生频率和强度。城市的土地利用/覆被的显著变化，城市二维三维景观格局复杂，使得城市雨洪特征和驱动因素存在着不确定性。因此，探索城市内涝与非点源污染空间特征与驱动因素，有效减少或消除暴雨径流影响是城市雨洪管理的首要目标。.本项目通过实地监测、遥感反演和水文模型模拟相结合的方法，研究了城市扩展的不透水面和绿色基础设施的演变格局，分析了城市扩展的不透水面变化对城市径流的影响、绿色基础设施的滞蓄能力与城市内涝的关系，以及我国特大城市内涝分布格局与影响因素，探究了城市非点源污染负荷特征，模拟优化了最佳管理措施对径流与非点源污染的消减作用。.利用landsat遥感影像和混合光谱分解方法，分析了沈阳市从1984-2015年不透水面的演变特征。根据LAI和土壤容重计算了辽宁中部城市群绿地雨水存储能力。皮尔逊相关分析的结果表明，斑块之间的连通性越高，绿地覆盖率越大，内涝发生率越低。相反，斑块密度和丰富度越高，内涝发生率越高。同时，三维建筑因素被发现在城市内涝中起着至关重要的作用。TN和COD是屋面径流的主要污染物，TSS、TN、TP、COD是路面径流的主要污染物，TP是绿地径流的主要污染物。浑河太子河流域TN和TP负荷的空间分布特征基本相一致。当点源污染物削减20%时，其对浑河沈阳段污染物TN和TP削减率在15.76%和11.86%，其对太子河沈阳段污染物TN和TP削减率在5.32%和16.46%。点源削减、施肥削减和植被过滤带可有限削减流域非点源污染负荷，采用点源削减15%、施肥削减20%和10m植被过滤带措施，对浑河沈阳段污染物TN和TP削减率在43.65%和49.30%，其对太子河沈阳段污染物TN和TP削减率在68.13%和43.65%。本研究的方法和结果可以为为城市地表水环境监测和改善提供科学借鉴，帮助政府管理者识别城市的内涝和非点源污染风险，并制定相应的城市雨洪管理措施。