城市水循环模拟技术研究与城市水文模型开发

As ubranisation progresses in an increasing speed, cities are causing greater impact and destruction on the natural water cycle in the river basin.The proposal aims to investigate the processes of water flow paths in the urban water environment, and to provide a better understanding of the interaction between the urban water cycle and natural water cycle. It will be based on the established theory of "urban-artificial" two dimensional water cycle, and will proposed an novel coupling of hydrological models and urban water system models. The proposed method will utilise digitised water network and remote sensing data within a city, to develope an urban water cycle model on the GIS platform. The proposed project will also integrate the natural hydrological processes such as "atmospheric-surface runoff- soil water - groundwater" with the urban water processes of "abstraction - utilisation - discharge - reuse" in order to develop a comprehensive "total water cycle" model incooperating the urban environment.The proposed simulation model will be applied to Zhengzhou city to analyse the flowpaths, consumption and discharges patterns of water resources over time and space.It will also attempt to identify the different processes in the "natural - artificial" water cycle.The results of the project will form a valueable tool in analysing water resources problems in an urban environment, and contribute to the advancement in understanding of total water cycle, optimal allocation and control of water and in better urban water resources management.

随着城市化的进程不断加快，城市对河流水系及所处流域的自然水文循环造成的干扰和破坏和也在不断加剧。申请项目以城市"自然-人工"二元水循环理论为指导，在已有流域分布式水文循环模型的基础上，深入研究城市区的人工侧支水循环过程，探究其模拟方法，及其与天然水循环系统的耦合模式。以GIS平台和RS影像资料、数字化城市管网资料为基础，构建城市区二元水文循环模型，以期全面模拟城市区的"大气- - 地表- - 土壤- - 地下"四水转化过程和"供水- - 用水- - 排水- - 回用"的人工侧支水循环过程。选取中原经济区建设核心城市郑州为例，开展实验区模拟，量化分析水资源在城市中的各种流向和消耗使用过程，识别城市"自然-人工"二元水循环模式。项目成果作为城市水问题分析的基础工具，对于深入研究城市水循环机理，开展城市水资源合理配置和优化调控，具有重要意义。

本项目开展了城市区水文循环的机理研究，细致分析城市水循环特征要素和循环过程的基础上，构建了城市水循环模型，并以郑州为例，研究了城市化过程对区域水文循环的影响。项目深入剖析了城市区的自然水循环过程和人工侧支水循环过程，从城市水源、水在城市中的循环路径、城市水循环过程、和排泄途径四个方面对城市区水文循环的特征要素进行了识别；从取水和排水两个联结点上找出自然水循环系统和人工侧支水循环系统的耦合关键节点，深入研究了自然水循环过程和人工侧支水循环过程，识别了二者计算尺度，成功构建了可以完整模拟城市区自然水循环过程和人工侧支水循环过程的城市水文模型。该模型为开放式模块化结构，可分别对区域的自然水循环过程和包含人工侧支水循环的完整城市水循环过程进行模拟。.模型以郑州作为研究区，从出境流量和蒸散发两个方面对模型进行了验证，结果表明，在不加入人工侧支水循环模块的情况下，以1980年到1993年作为模型率定期，1994年到2003年作为模型验证期，验证期出境流量的模拟相关性为0.626，纳什系数0.608；蒸发量的模拟值与实测值的对比相关性为0.846，纳什系数0. 835。加入人工侧支水循环模块后，以2004年到2008年作为模型率定期，2009年至2013年作为模型验证期，验证期出境流量的模拟与实测相关系数0.627，纳什系数0.611；蒸发量的模拟值与实测值对比，相关系数0.846，纳什系数0.835，表明模型模拟效果较好，可用于城市水循环的模拟研究。.为研究城市化快速发展对城市水循环的影响，项目以虚拟扩张的方式，将现有城区以沿河发展的模式，改变用地类型，使城市化面积由现有的4.63%，扩大到占总区域面积的10%，20%，30%，40%，50%，和极端情况下的60%，分别模拟，并分析了城市化对区域产流、蒸散发、地下水补给的影响。结果表明，城市不透水面积的增加有效阻隔了降水与地面的水力联系，直接结果是蒸发量减少，地下水补给量减少，和地面产流迅速增加，超大流量地表径流持续时间长；这也是城市内涝的主要因素。