城市化空间格局演变的洪水效应研究-以秦淮河为例

The impacts of urbanization on flood have been studied extensively from different perspectives, however, not much attention has been given to the role played by the spatial pattern of urbanization on impacts to flood.The project intends to select the Qinhuai River basin, tributary of the lower reach of the Yangtze River as the study area, to analyze the spatial pattern changes of urbanization and its effects on flood. The study will construct a time series of land use / cover , impervious surface, and river networks maps under the support of RS, GIS. The temporal and spatial changes of urbanization patterns will be analyzed based on the indices of landscape metrics, impervious area, impervious rate, impervious distribution curve, as well as drainage density, drainage distribution curve estimated from those maps. The distributed rainfall-runoff model considering the urbanization pattern will be developed to analyze the impacts of varied spatial patterns on different occurrences floods, the impervious threshold pertaining to spatial pattern of urbanization will be explored also. On this basis, the future patterns of urbanization within the basin will be build using cellular automata model, and other patterns according to a variety of flood control measures will be developed also. Those patterns will be considered in simulating the flood processes by the established distributed rainfall-runoff model, the impacts of different patterns on floods will be analyzed , and low-impact way of urban development will be examined. The results of the study will deepen the understanding of hydrological processes in a changing environment, and provide method for simulating the impact of urbanization on flood process,as well as provide a reference for flood control, drainage planning, and urban planning in the changing environment.

城市化的洪水效应已经进行了广泛的研究，但从较大流域城市化格局的角度来分析研究的还不多见。本项目拟选择长江下游的支流秦淮河流域为研究区，分析城市化空间格局的演变及其洪水效应。研究将以RS、GIS为技术支持，分析不同时期的土地利用状况，确定不透水面及河网水系的空间分布，通过构建不透水面的各种景观指数、不透水率、不透水面分布曲线、以及河网密度、河网密度的分布曲线等指标，分析城市化空间格局特征及时空变化特点。同时，构建基于城市化特征的分布式降雨径流模型，分析不同城市化空间格局对不同洪水的影响，探寻城市化空间格局的洪水效应阈值。在此基础上，利用元胞自动机预测未来城市化格局，并根据各种调控措施构建不同城市化格局方案，通过分布式模拟，分析不同格局的洪水效应，探寻低影响的城市化格局优化方案。该研究可为定量研究城市化对洪水过程的影响提供技术方法，为变化环境下的防洪、排水规划以及城市规划提供参考。

国内外城市化洪水效应已经进行了广泛的研究，但研究区域主要集中于小流域和城区，这也是城市化洪水效应比较显著的区域。随着城市化进程的加剧，城市化的洪水效应在较大的区域和大中流域也日益显著，迫切需要进行大中流域的城市化群的洪水效应研究，尤其是研究城市化群的空间格局演变对整个流域洪水的影响。本项目选择长江下游的支流秦淮河流域为研究区，以遥感和地理信息系统为技术支持，利用统计方法和分布式水文模型，分析了城市化空间格局时空演化特征对流域洪水的影响。经过研究取得了下列初步结果：（1）构建了较大流域基于城市化特征的分布式洪水模拟模型，可有效的显式模拟大范围城市化影响的降雨径流过程；（2）提出了基于子流域形状特征和不透水率的流域汇流参数方案，能够模拟与预测不同城市化水平下的洪水汇流过程；（3）提出了基于频率分析的城市化和降雨对洪水影响的归因分析方法，能够分析城市化和降雨变化对不同重现期洪水的影响程度；（4）提出了Landsat 8数据的适合南方景观特点的基于最优的指数的决策树分类模型，可对南方土地利用/覆被进行有效分类；（5）在各地类纯净像元平均反射率基础上构建了多波段水体指数Multi-Band Water Index（MBWI）模型，可有效的抑制低反射率噪声，提高水体提取精度；（6）分析了研究区城市化（不透水面、水系、水面）格局时空演变特征及其对洪水的影响，发现2000年左右城市不透水面格局发生较大变化，尽管不透水率在不断增加，但不透水面的斑块数在减少，这导致径流系数和洪水都发生较大的改变；（7）分析了研究区不同城市化水平对洪水影响程度及其阈值，发现不透水率的阈值在8%左右；（8）分析了不同子流域城市化的洪水叠加效应，发现上游子流域城市化对洪水的影响更加显著。该研究成果为定量研究评估大范围城市化对洪水过程的影响提供技术方法，为变化环境下的防洪、排水规划以及城市规划提供参考。