城市建筑群遮挡对小区尺度关键水文过程的影响机理及模拟

Buildings can shield the precipitation and the sunligt obviously, which may have a significiantly impact on the hydrological processes in the community-scale. To detect the shielding effect of urban buildings on hydrological processes under community-scale, the project will identify the critical factors that control the shielding effects including precipitation, evapotranspiration, and runoff under community-scale, determine the mechanisms of the rainfall-runoff relationship under community-scale considering geometric characteristics and distribution patterns of buildings, wind speed, and wind direction, and develop the community-scale hydrological model from three aspects. Firstly, explore the mechanisms of the shielding effect of single building on the neighbour hydrological process. Secondly, explore the mechanisms of shielding effects of a cluster of buildings on the critical hydrological process of the community. Last, carry on the hydrological simulation under community-scale. a LID reconstruction community located in Xiamen city which is the first group of pilot cities of sponge city construction is selected as typical research areas and used to verify the newly developed model. The result of this project will help to improve urban hydrological simulation methods and the accuracy of flooding prediction in urban areas.

建筑群对降水、阳光等具有明显的遮挡作用，也将显著影响城市小区尺度产汇流过程。本项目针对城市水文研究中建筑群遮挡及其水文效应这一科学问题，选择国家海绵城市建设试点城市厦门市翔安新城海绵改造小区为典型小区，遵照“原型观测-机理识别-模型研发”的总体研究思路，在“单体建筑-建筑群-城市小区”三个尺度上，分别开展单体建筑遮挡对周边区域关键水文过程影响机理、城市建筑群遮挡对小区尺度关键水文过程影响机理、考虑建筑物遮挡的城市小区尺度水文模拟三项研究，识别城市建筑群遮挡对小区尺度降水、蒸发、产流等关键水文过程影响的主要因子，引入建筑群几何特征、分布形式、风速、风向等因子，研发考虑建筑群遮挡效应的产流模式，构建城市小区尺度水文模型并在典型小区进行校验，为进一步完善城市水文模拟方法、提高城市洪涝预报精度提供理论与技术支撑。

城市建筑区为市民的主要活动区域，洪涝问题直接影响市民的生命财产安全。城市建筑物具有复杂的竖直结构，对风作用下的倾斜降雨具有明显的遮挡作用，使建筑区的受雨面转变为由地面、建筑物侧壁、屋顶形成的组合受雨面，且这个受雨面随着风向、风速、雨强等风雨过程变化，形成了城市建筑区的“变受雨面”产流特征。针对城市水文研究中建筑群遮挡及其水文效应这一科学问题，本项目以城市建筑区的产流机理为研究对象，以建筑区建筑、风、雨等产流要素的相互作用关系为基础，基于大量监测资料的系统分析、实验室控制性机理试验、计算流体力学（CFD）模型数值试验，在“单体建筑-建筑群-城市小区”三个尺度上，分别开展了单体建筑遮挡对周边区域关键水文过程的影响机理、城市建筑群遮挡对小区尺度关键水文过程的影响机理、考虑建筑物遮挡的城市小区尺度水文模拟三项研究，主要研究成果包括：揭示了城市区域极端降水随温度和风速演变规律；揭示了城市建筑区变受雨面产流机理；提出并验证了考虑变受雨面产流机理的城市建筑区产流理论框架；建立了综合考虑建筑物几何特征、雨强、风速、风向等要素的城市建筑区产流控制方程；开发了城市水文模型UHM-VRRS，并结合典型实验流域原型观测数据验证了UHM-VRRS模型的适用性。本项目提出的城市建筑区的变受雨面产流机理与开发的城市水文模型UHM-VRRS，有助于推动城市水文学科基础理论发展，对提高城市雨洪模拟精度、科学规划城市排水体系具有重要实践价值。