局部土地利用類型變化對城市水文過程的影響研究

關鍵詞：耦合模型；動態(tài)規(guī)劃；地表積澇；管網(wǎng)流量；徑流控制率

中圖分類號：ＴＶ１２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．００５

引用格式：李欣怡，侯精明，潘占鵬，等．局部土地利用類型變化對城市水文過程的影響研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：２６－３３．

０引言

近年來城市化迅速發(fā)展，城市擴張、郊區(qū)化、士紳化、舊城改造等物理空間轉(zhuǎn)型成為學者們探討中國城鎮(zhèn)化的重要對象［１］ 。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)逐漸開始為城市發(fā)展規(guī)劃、空間評價和資源配置提供科學支撐［２］ 。然而，我國大部分城市的規(guī)劃評估依然以“靜態(tài)藍圖評估”為主，這種評估方式缺乏對城市復雜系統(tǒng)的變化過程進行實時監(jiān)測、動態(tài)評估和調(diào)控反饋機制，導致規(guī)劃靈活性、適用性不足，無法及時為城市的發(fā)展提供理論依據(jù)。城市規(guī)劃主要涉及土地利用規(guī)劃的制定和管理，城市的土地利用結(jié)構(gòu)即各類用地之間相互依存、結(jié)合和轉(zhuǎn)化的關系，包括各類用地數(shù)量、時間上的空間布局結(jié)構(gòu)［３］ 。因此，通過研究局部土地利用類型變化對整體區(qū)域的影響并進行動態(tài)規(guī)劃，在理論上是可行的。

我國城市化發(fā)展加快，更容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇災害，城市內(nèi)澇已經(jīng)成為必須面對和解決的“城市病”［４］ 。根據(jù)聯(lián)合國（ＵＮ） 的報告，在過去２１ ａ（１９９５—２０１５年），有１５．７萬人死于洪水，受影響的人數(shù)達２３ 億，占所有受天氣相關災害影響人數(shù)的５６％［５］ 。因此，城市洪澇災害的防治越來越值得深入研究并受到許多學者關注。城市化效應使得土地不透水面積增加，徑流峰值增大，匯流時間縮短，如何更準確地模擬城市內(nèi)澇過程成為學者關注的問題。

城市內(nèi)澇研究中常用的商業(yè)／ 非商業(yè)模型包括Ｉｎ?ｆｏＷｏｒｋｓ 模型、ＳＷＭＭ 模型、ＧＡＳＴ 模型和ＭＩＫＥ 模型等［６－９］ 。在管網(wǎng)和地表二維水動力模擬中，檢查井和雨水網(wǎng)格之間進行流量交換的條件下，通常需要分別耦合管網(wǎng)和地表二維模型。在早期階段，Ｈｓｕ 等［１０］ 將ＳＷＭＭ 模型與地表二維模型耦合，這些模型之間的流動交換被定義為單向交換。管網(wǎng)容量過載時，水從檢查井溢出到地表，但即使管網(wǎng)容量足夠，地表水也無法再通過檢查井返回管網(wǎng)。隨著研究的深入和技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新，在城市水模擬研究中逐漸出現(xiàn)了一些能夠?qū)崿F(xiàn)地下水與地表水雙向交換的耦合模型。Ａｂｅｂｅ等［１１］ 將ＳＷＭＭ 模型與自行開發(fā)的二維地表模型耦合，克服了地表和地下管網(wǎng)之間水流交換的困難，實現(xiàn)了一維和二維水流交換過程。然而，這些耦合模型對高精度地形的地表徑流過程模擬均有一定的缺陷，降低了管網(wǎng)排水過程的精度，且ＩｎｆｏＷｏｒｋｓ 和ＭＩＫＥ 等軟件因其商業(yè)化性質(zhì)而限制了其推廣以及二次開發(fā)。

針對以上問題，筆者采用自主研發(fā)的高效高精度數(shù)值模型ＧＡＳＴ 模型［１２］ 耦合ＳＷＭＭ 模型［１３］ ，該耦合模型具有地表水與地下水交換過程合理、地表徑流過程計算準確、管網(wǎng)排水過程精度高、運行速度快的優(yōu)點，通過比較不同降雨重現(xiàn)期下改變局部土地利用類型前后的城市地表和管網(wǎng)水動力過程，從城市內(nèi)澇角度分析動態(tài)規(guī)劃可行性，以期為未來老城更新和新城擴建提供指導。

１數(shù)據(jù)來源與研究方法

１．１研究區(qū)域概況

１．１．１研究區(qū)域

西安是古代絲綢之路的起點，在“一帶一路”建設中處于十分重要的位置［１４］ 。其多年平均降雨天數(shù)為９８．９ｄ，年平均降雨量為５７１ｍｍ，降雨年內(nèi)分布不均勻，夏季降雨最多，占比３９％［１５］ 。本文以西安市第二大商圈小寨街區(qū)為研究對象。

動態(tài)規(guī)劃在規(guī)劃層面主要涉及土地利用類型的改變。因此，在本研究區(qū)域通過改變局部區(qū)域土地利用類型來探討動態(tài)規(guī)劃可行性。在研究區(qū)域隨機選取改造區(qū)域Ｒ_１和Ｒ_２，改造區(qū)域在改造前土地利用類型由建筑、道路、綠地等組成。改造后分別為無下滲土地Ｃ_１、裸土地Ｃ_３、草地Ｃ_４和林地Ｃ_５，以及無下滲組合Ｃ_２。

用Ｂ_１表示未進行動態(tài)規(guī)劃的原始土地利用類型，Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４和Ｃ_５分別表示進行動態(tài)改造后不同土地利用類型，其地表坡度均為０。具體土地利用類型和參數(shù)見表１。由于Ｂ_１原始土地由建筑、道路、綠地等組成，不同區(qū)域曼寧系數(shù)和下滲速率不同，因此未在表中展示。

１．１．２降雨條件

根據(jù)研究區(qū)域降雨特征和水文特性，選擇芝加哥雨型作為短歷時降雨適用雨型（降雨峰值系數(shù)ｒ為０．３８）。根據(jù)相關資料［１６］ ，西安市降雨強度公式如下：

式中：ｉ為降雨強度；ｔ為降雨歷時，取２ ｈ；Ｐ為降雨重現(xiàn)期，分別取２、１０、５０、１００ａ。

不同重現(xiàn)期的降雨過程如圖１所示。

１．２研究方法

１．２．１地表產(chǎn)匯流控制方程

采用具有守恒格式的平面二維淺水方程（簡稱ＳＷＥｓ）模擬二維計算區(qū)域的水流運動過程。二維非線性淺水方程的守恒格式［１７］ 如下：

３）降雨量越大，土地利用類型改變對城市帶來的影響越大，尤其是無下滲土地類型，采取海綿城市建設等一系列舉措增加下墊面下滲能力會降低城市積水量且減小管網(wǎng)排水負荷。而在降雨量過大情況下，工程措施改善效果有限，需考慮非工程措施對極端暴雨的應對模式。

動態(tài)規(guī)劃通過評估新項目對局部和整體區(qū)域排水能力以及災害風險變化的影響，定量分析新項目的可行性。但是，具體的實施必須考慮其他因素，如資金和政策的影響。此外，本文還存在以下不足：規(guī)劃土地類型相對單一，規(guī)劃用地僅代表西安典型的商業(yè)街道。因此，在后續(xù)研究中，各規(guī)劃區(qū)域之間的連通效應和典型性需要進一步增強。