暴雨特征变化下海绵城市建设的流域累积水文效应研究

With a focus on improving our knowledge of the responses of urban hydrological systems to changing environments, and the impacts of urban storm characteristics on cumulative runoff control of sponge-city construction, it is extremely essential and urgent to carry out research on catchment-scale cumulative hydrological effects of sponge-city construction under different rainstorm characteristics. The project will employ a research approach combining experiments, theoretical analysis, model development and numerical modelling,and select Yanjiang Jiaodong catchment of Zhenjiang city as a case study site.First, analyzed is the evolution of urban storm characteristics. Then estimated is short-duration design storm processes by different drainage standards of pipe networks, and medium- and long-duration of areal design storm processes by waterlogging control standards of river networks. Different models （including a distributed rainfall-runoff model, a urban storm-inundation model,a pipe network hydrodynamic model and a river network hydrodynamic model）is developed and coupled to simulate catchment-scale cumulative hydrological effects of sponge-city construction under different short-, medium- and long-duration design storm processes,and it is revealed that short-, medium- and long-duration design storm characteristics impose the influence on catchment-scale cumulative hydrological effects of sponge-city construction. The research results are of theoretical significance in enriching and developing urban hydrology and urban flood and waterlogging prevention theories, and promoting the research on the responses of urban hydrological systems to changing environmental conditions.The research results also have important values in sustaining China’s sponge-city construction, improving urban water security, and ensuring urban sustainable socio-economic development.

以加深理解城市水文系统对变化环境的响应为目标，针对城市暴雨特征变化对海绵城市建设的累积径流调控作用的影响研究亟待加强的现状，急需开展不同暴雨特征下海绵城市建设的累积水文效应研究。采取集观测、机理分析、模型模拟为一体的研究途径，选择镇江市沿江焦东流域为研究区，分析暴雨特征演变规律，核算基于不同管网排水标准的短历时设计暴雨过程和基于不同河网除涝标准的中长历时设计面暴雨过程，构建并集成融合分布式降雨径流模型、暴雨积水模型、管网水动力学模型、河网水动力学模型，模拟短中长历时设计暴雨过程下海绵城市建设的流域累积水文效应，揭示短中长历时设计暴雨特征变化对海绵城市建设的流域累积水文效应的影响机理。研究成果既在丰富和发展城市水文学与城市洪涝灾害防治理论、推动城市水文系统对变化环境响应的研究方面具有重要理论意义，又在支撑我国海绵城市建设、提升城市水安全保障能力、保障社会经济可持续发展等方面具有重要实用价值。

暴雨特征变化下海绵城市建设的水文效应，是城市水文系统对变化环境响应研究的热点。然而从流域尺度上研究分散的LID措施对城市水文的累积影响并不多见，亟需加强。本项目选取镇江市洪涝问题较突出的焦东流域为研究区，采取集实地调研、原位观测、机理分析、模型模拟相结合的研究途径，开展了暴雨特征变化规律分析、基于排水与治涝标准的不同历时设计暴雨过程推求、地表降雨径流-管网水动力-河网水动力模型与暴雨积水演算模型集成融合、暴雨条件变化下海绵城市建设的流域累积水文效应解析等研究。取得的重要结果包括：①创建了基于系统微分响应的暴雨强度公式参数率定方法，解决了高效获取参数真值以及智能算法的“异参同效”问题；②建立了基于暴雨衰减特性的长历时暴雨强度公式，优化了城市长历时暴雨设计流程，促进了市政与水利部门标准的有效衔接；③提出了基于双参数伽马函数与核熵成分分析法的短历时对流型暴雨设计方法，比芝加哥雨型更精准地反映了实际降雨过程的时程演变特征；④构建了基于SWMM与元胞自动机的城市流域分布式雨洪模型，实现了暴雨-LID措施组合条件下流域内涝积水、河网/管网径流过程的动态精准模拟；⑤揭示了典型LID措施-透水铺装的地表径流调控机理，为更精细化描述LID措施的下渗过程奠定了理论基础；⑥探明了LID组合措施的增设对流域内涝积水、河网径流的调控效果，即能有效削减积水量、积水面积、径流总量与洪峰流量，但对峰现时间影响不大，且雨洪调控效果不仅随暴雨的历时、强度和雨峰位置的变化而变化，也会随初始土壤含水量的增加而减弱；⑦解析了管网排水能力提升对降低区域内涝风险的作用，为改造排水管网系统提供了科学依据。项目研究成果已在镇江市住建、水利部门得到推广应用，有力支撑了镇江市海绵城市建设和防洪排涝能力提升，科学引导了镇江市雨洪管理方式的变革。研究成果对促进其他城市通过科学的海绵城市建设保障城市水安全同样具有重要实际意义。