（水力学及河流动力学专业论文）旱区城市绿化带与雨洪利用技术研究.pdf

摘要 论文题目：旱区城市绿化带与雨洪利用技术研究 学科专业：水力学及河流动力学 研究生：王立杰 指导教师：牛争鸣教授 摘要 西北干旱城市的生态环境建设是一项艰巨而漫长的过程。本文旨在探讨干旱城市生态 环境建设中城市绿化带及雨洪利用技术的相关问题，具有一定的理论创新性和实际应用价 值拳文认为在早区城市绿化带区域应该进行科学的雨洪利用规划和示范，它能在很大程 度上解决旱区城市绿化带建设中的诸多问题，保证早区城市绿化带的可持续发展。本文通 过对早区城市绿化带问题及雨洪利用技术研究，取得的主要成果有： 提出了早区城市绿化带的概念，重点阐述了旱区城市绿化带在营建中所遇到的7 个关 键技术问题；鉴于早区城市绿化带的全面生态作用，本文建立了旱区城市绿化带生态规划 的指标，包括旱区城市绿化带的面积比率、植被结构合理性、雨洪利用率和节水率等。对 旱区城市绿化带的蓄滞机理作了分析计算，并确定了单一坡向、四周型、串联型三种旱区 城市绿化带规划模型；对旱区城市绿化带雨洪利用系统作了条件界定，通过定量与定性分 析结合的方法描述了早区城市绿化带系统的雨洪蓄滞情况，确定了超设计暴雨下实行蓄排 结合的方式来降低暴雨时的洪峰流量。 以宝鸡市北坡生态公园为例，参照旱区城市绿化带问题及雨洪利用技术，进行了实际 的旱区城市绿化带雨洪利用规划，提出了早区城市绿化带雨洪利用规划的指导思想、方法 与步骤。确定了北坡生态公园水土保持区、水源涵养区、雨洪与节水技术综合利用区的雨 洪利用分区；采取下渗、绿地的低势改造、储存和梯级利用的模式，辅以多功能水景观的 设计，制定了该雨洪利用规划下的水质管理、工程管理和用水管理规划。通过对北坡生态 公园的水资源潜力分析，明确了北坡生态公园的水资源合理配置方式，通过分析计算表明 水资源合理配置成效明显。 初步建立了旱区城市绿化带与雨洪利用的综合评价指标体系，它包括了旱区城市绿化 带、社会合理性、经济合理性、城市防洪减灾和生态环境合理性五个二级指标，1 7 个三 级指标，并确定采用模糊综合评价的方法，初步建立了模糊评价的模型。 关键词：早区城市绿化带蓄滞雨洪利用规划合理配置综合评价 本研究得到国家科技攻关计划“西部开发”重大项目( 2 0 0 4 - b a 9 0 1 a 1 3 ) 的资助。 a b 盯r a c t t i t l e ：t h ec i t yv i r e s c e n c eb e l - ti nd r o u g h ta r e a sa n dt h e r e s e a r c ho fr a l n w a t e ru t i l l z a t i o nt e c h n o l o g y m a j o r ：h y d r o d y n a m i c sa n dr i v e rd y n a m i c s n a m e ：l u i ew a n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n g m i n gn i u a b s t r a c t s i 厶i巴洲矿丞gnature：生兰竺：! ： s i g n a t u r e ：垄6 掣竺1 掣型型 n o r t h w e s td r o u g h tc i t y sc c o l o g i c a le n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o ni sa na r d u o u sa n dl o n g p r o c e s s 弛p a p e ra i m st od i s c u s st h er e l a t e di s s u e so fc i t yv i l 宅s c e n c eb e l ta n dr a i n w a t e r u t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nd r o u g h tc i t y s e c o l o g i c a le n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o n , w i t hc c h a l n t h e o r e t i c a li n n o v a t i o na n ds o m ev a l u eo f p m c t i c a la p p l i c a t i o n 1 1 1 ev i e wo f t h i sp a p e ri st h a ti t s h o u l dm a k es c i e n t i f i cr a i n w a t e ru t i l i z a t i o np l a n n i n ga n dd e m o n s t r a t i o no ft h ec i t yv i l 脚e n c e b e l ti nd r o u g h ta r e a s ，w h i c hc a nl a r g e l ys o l v em a n yp r o b l e m si nb u i l d i n go fi t ，a sw e l la st o e n s u r es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fi t b a s c do nt l l es t u d i e so f t h ec i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h t a r e 船a n dr a i n w a t e ru t i l i z a t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nr e s u l t sa r e ：p u tf o r w a r d 也ec o n c e p to f t h ec i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h tr t _ c a s f o c u so nt h es e v e l lk e y t e c h n i c a lp r o b l e m st h a th a v eb e e ne n c o u n t e r e di nt h ec i t yv i - r c s c e n co f d r o u g h ta r e a s i nv i e wo f t h ec o m p r e h e n s i v ee c o l o g i c a lr o l eo ft h ec i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h ta r e a s ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e se c o l o g i c a lp l a n n i n gi n d i c a t o r so fi t ，w h i c hi n c l u d er a t eo fa r e a , r a t i o n a l i t yo f v e g e t a t i o ns t r o c t u r e ，n t i l i z a t i o nl a t eo fr a i n w a t e r , w a t e r - s a v i n gr a t e ，a n ds oo n 础sp a p e r a n a l y z e sa n dc a l c u l a t em e c h a n i s mo fr e t a r d i n go ft h ee i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h ta r e a s 。i t e n s u r e st h r e ep r o g r a m m i n gm o d e l so f t h ec i t yv i r e s c e n c , eb e l ti nd r o u g h ta r e a s , w h i c ha r cs i n g l e a s p e c t ，a r o u n da n ds e r i e s ；t h er a i n w a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e mc o n d i t i o n sh a v eb e e nd e f i n e d ，t h i s p a p e rd e s c r i b e st h er e t a r d i n gs i t u a t i o no ft h ec i t yv i r c s c e n c cb e l ti nd r o u g h ta r e a st h r o u g ht h e c o m b i n a t i o no fq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o d 。i ti d e n t i f i e st h ew a yo nh o wt o r e d u c et h et o t a lv o l u m eo f ar a i n s t o r mw h e ni te n c o u n t e r ss u p e rd e s i g nr a i n s t o r m t a k et h en o r t h e r ns l o p ee c o l o g i c a lp a r ko f b a o j ia sa ne x a m p l e ，w i t hr e f e r c r l t ：et ot h ee i t y v i r e s c e n c eb e l tp r o b l e m si nd r o u g h ta r e a sp r o b l e m sa n dr a i n w a t e ru t i l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，t h i s p a p e rm a k e sa na c t u a lr a i n w a t e ru t i l i z a t i o np l a n n i n go f t h ec i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h ta r e a s ， w h i c hp u t sf o r w a r dt h em i i d i n gi d e o l o g y , m e t h o d sa n ds t e p s 嘣st h e s i si n d e n t i f i e sr a i n w a t e r u t i l i z a t i o nr e g i o n so ft h en o r t hs l o p ee c o l o g i c a lp a r ko fb a o j i ，t h e ya r cs o i la n dw a t e rk e e p i n g d i s t r i c t , w a t e rc o n s e r v a t i o nd i s t r i c t , e o m p r e b e n s i v eu t i l i z a t i o nd i s t r i c to fr a i n w a t e ra n d w a t e r s a v i n gt e c h n o l o g y t a k et h em o d e l so fi n f i l t r a t i o n , l o w - t r a n s f o r m a t i o no ft h eg r e e nl a n d ， s t o r a g ea n du s eo ft h ec a s c a d e ，s u p p l e m e n t e dw i t hm u l t i f u n c t i o n a lw a t e rl a n d s c a p ed e s i g n ；t h e p a p e ra l s od e v e l o p st h ep l a n n i n go f w a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t ，p r o j e c tm a n a g e m e n ta n dw a t e r u t i l i z a t i o nm a n a g e m e n t t h r o u g ha n a l y s i so fp o t e n t i a lw a t e rr e s o u r c e so ft h en o r t h e ms l o p e e c o l o g i c a lp a r k w es h e dl i g h tt oar e a s o n a b l ea l l o c a t i o no f w a t e rr e s o u r c e si nt h en o r t h e r ns l o p e e c o l o g i c a lp a r k ，b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t sw h i c hs h o w e dac l e a rr a t i o n a la l l o c a t i o no fw a t e r r e s o u r c e s t h ep a d e rp r e l i m i n a r i l ye s t a b l i s h e st h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mb a s e do n t h ec i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h ta r e a sa n dr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n w h i c hi n c l u d e st h ec i t y i i v i r c s c e l l e eb e l ti nd r o u g h ta r e a s ，s o c i a lr a t i o n a l i t y ，e c o n o m i c a lr a t i o n a l i t y ，f l o o dc o n t r o la n d m i t i g a t i o no fc i t y ，r e a s o n a b l ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，17t h r e e g r a d ei n d e x e s ，a n dd e t e r m i n e d t ou t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n , a n di n i t i a l l ye s t a b l i s h e st h ef u z z ye v a l u a t i o nm o d e l k e y w o r d s ：t h ec i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h ta r e a s ， p l a n n i n g ，r a t i o n a la l l o c a t i o n ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t h i sr e s e a r c h g e t st h ep e c u n i a r ya i do fn a t i o n a lr e s e a r c hp r o g r a m s “d e v e l o p m e n to ft h e w e s t e r n r e g i o n ” 1 1 1 主要符号袁 主要符号表 初始下渗率 稳定下渗率 自由穿透系数 雨率 自由水面蒸发率 林冠蓄水容量 坡面坡降 阻力坡降 旁侧入流 系统的截留量 储蓄设施的储蓄量 系统的下渗量 系统的洼蓄量 设计暴雨强度 城市雨水资源的理论潜力 绿化带可服务区域的面积 绿化带区域的面积 绿化带服务区域的降雨产流系数 绿化带区域的降雨调控系数 厶 正 芦 p 耳 s 乇 o ， 匕 匕 吃 ， 足 4 以 k 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下逐行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：睦! 鐾!川年；月柏 学位论文使用授权声明 本人垂! 缝!在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 p 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学据有学位论文的部分使用权，即：t ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位沦文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、测览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：琶i 垂： 导师签名：p 库；r 月 第一章绪论 1 绪论 1 1 课题背景 随着国家西部大开发战略的实施，西北地区城市发展迅猛，形成了以城市为中心，带 动周边地区的发展格局。从国外的经验来看，衡量一个地区的发展水平首先是看城市的发 展水平，因此，上述趋势符合经济发展的规律。从可持续发展的角度出发，城市的发展必 须与城市生态环境建设同步，以创造良好的人居环境和经济投资环境，保证资源利用和环 境的协调性，使城市建设步入良性发展的轨道。然而，由于自然环境条件的限制，西北地 区城市生态环境建设面临的困难远大于其它地区，虽然许多城市都提出了建设“绿色城市 “h 、“生态城市2 h 、“园林城市n h 的规划，但缺乏对规划的科学性论证，缺乏完整的技 术保障措施，很难保证达到预期的建设目标。 西北地区城市面临的一个共性问题就是气候干旱，蒸发量高，降水量不足且时空分布 不均，造成城市的资源性缺水。由于缺水，城市生态环境建设必须考虑环境用水的资源保 证，而大量的环境用水又会在一段时间内加剧城市有限水资源的供需矛盾。在这种条件下， 西北城市的生态环境建设不能照搬南方城市的模式，必须在充分论证资源和环境容量的前 提下制定与本地区自然条件相协调的生态环境建设规划，研究开发相应的水资源安全保障 关键技术，走出西北城市生态环境建设的新路子。 针对西北地区，尤其是黄土高原的水土保持与生态建设，我国从“八五”计划开始， 开展了大量的理论和技术研究工作，实施了黄土高原综合治理、退耕还林还草、天然林保 护、京津风沙源治理、黑河及塔里木河综合整治等大环境治理项目。但是，对于城市水土 保持，研究工作则相对较少。随着国家西部大开发战略的实施，西北地区城市化进程不断 加快，城市水土流失与生态环境恶化问题也日益突出。 西北地区城市生态环境恶化的主要原因是缺水，因此城市生态环境建设的前提之一是 提供足够的生态环境用水。我国城市水资源规划中通常主要考虑工业用水、生活与市政用 水、农业用水，而忽略了生态环境用水，这是造成城市水环境恶化的重要原因之一。近年 来，国内在城市水资源的规划中已经开始考虑生态环境用水保障的问题，将生态环境用水 作为城市用水的项目之一。然而，生态环境用水的保障必然加剧行业问争水的矛盾，尤其 对于缺水城市而言，这种矛盾更为尖锐。因此，推行城市生态环境建设中的综合节水技术 显得越来越重要。在这一方面，国外许多城市都有较为成熟的技术和成功的经验，但是在 我国，生态环境建设中的节水问题还缺乏系统深入的研究。 因为我国西北干旱城市生态水资源是相当短缺，我们需要在节水上做深入的研究，但 是有很大一部分城市还是有很可观的雨洪资源量的。所以加强对雨洪的有效利用是解决这 些地区水资源短缺的现实措旌之一。虽然这些地区城市的年降雨量大都在8 0 0 m m 以下， 西安理工大学硕士学位论文 但实践表明凡是有效降雨在2 5 0 r a m 以上的地区，都可开发雨水资源。不过，目前我国西 北旱区城市对雨洪利用往往不够重视，只有经济条件较好的西安等城市对雨洪采取y d , 规 模的利用，具体到将城市雨洪利用上升到城市生态水资源保障的高度，在本地区仍是空白。 1 2 城市绿化带的发展现状及面临的问题 1 2 1 城市绿化带的发展现状 随着人口的增长，工业化的迅速发展，城市环境问题日益暴露出来，并对人们的身心 健康构成了严重威胁，引起了人们的极大关注。人们逐渐认识到，发展城市绿化带是改善 城市生态环境的重要手段。充分利用城市绿化带来净化空气、保持水土、调节气候、减少 噪音、美化环境。 城市绿化带是“以服务城市为主旨的绿化带”，具有较强的生态环境功能，包括了城 市林地，草地，花木以及这些绿化形式结合在一起等多种绿化形式，城市绿化带集生态、 经济、社会效益于一体，同时，城市绿化带还包括了与此密不可分的城市水域、景观等。 目前我国对城市绿化带的研究主要体现在一下几个方面： ( 1 ) 城市绿化带的生态服务功能。生态服务功能和生态价值是当前城市生态系统研 究的热点之一。城市的扩展蔓延和强烈的人类活动明显影响着生态系统的服务功能，导致 城市自然生态系统的服务功能的不断降低。具有较大规模的城市绿化带的营建，可在很大 程度上增加对城市污染物的吸收和降解，改善城市小气候，减轻城市热岛效应“1 ，为人们 锻炼身心提供良好的场所。 ( 2 ) 城市绿化带的结构分析：城市绿化带是以木本植物和草本植物为主体，但也包 括了与之密不可分的城市水域、景观等，因而在研究城市绿化带的结构上就不能单纯的研 究城市绿化带植物配置以及它们之间的关系，还要研究它们与周边水域景观之间密不可分 的关系，因而对城市绿化带结构的研究是一个系统的研究“”。 ( 3 ) 城市绿化带生态规划与设计7 ：生态规划就是运用生态学的原理、方法和系 统科学的手段去辨识、模拟和设计人工生态系统内的各种生态关系，探讨改善系统生态功 能，促进入与环境关系可持续发展可行的调控对策。城市绿化带的规划一般要与多目标规 划和景观生态规划方法相结合，在具体规划时要实现局部主要功能的针对性和整体功能的 多样性，某一局部地域的森林应根据实际情况确定其主要的服务功能，并在森林结构和经 营管理方面得到具体的体现。 ( 4 ) 城市绿化带的维护和管理：城市绿化带的经营与管理n 是一个非常重要的研究 内容，因为城市绿化带能否充分的发挥其服务功能，与城市绿化带的生长和健康状况密切 相关。由于城市绿化带所受人为的干扰较大，因而做好城市绿化带的维护和管理工作是必 要的，尤其是在那些生态条件脆弱的干旱地区城市，维护和管理更是起到城市绿化带发挥 正常生态功能的关键。 第一章绪论 1 2 2 城市绿化带所面临的问题 从我国目前关于城市绿化带的研究现状来看，研究人员所侧重的是对共性条件下城市 绿化带的研究，通过掌握的资料来看，对不同地域城市绿化带的专题研究尤其是干旱城市 绿化带的研究不多，学科的渗透性上还不够广，尤其是要研究旱区城市绿化带必须与研究 可靠水资源保障的结合，这也是今后城市绿化带研究的主要方向之一。 早区城市绿化带就是营建在早区城市生态公园、城市河道两旁以改善旱区城市生态环 境为目的，并需要有可靠水资源作为保障的城市绿化带。近年来，我国西北、华北等不少 旱区城市为了改善城市投资环境，纷纷下大力气来建造生态公园、增加城市水体面积，但 是旱区城市绿化带不等同于一般的城市绿化带，它虽然具有与一般城市绿化带相同作用， 但其又是这些城市生态建设中极其脆弱的一环：它不能靠自身的生命力和天然的自然气候 条件来维系其基本的生态面貌。因此不少城市投巨资而建的城市绿化带难以发挥其应有的 生态、经济和社会效益，所以必要的保护和保障措施的开发与制定成为目前我国旱区城市 绿化带在发展过程中所面临的首要问题。 1 ，3 城市雨水利用技术的发展现状 1 3 1 雨水利用的发展历史 雨水资源的利用自古就有，早在古罗马时期，屋顶集流系统就已得到人们的重视，罗 马别墅甚至整个城市，都将雨水集流系统设计为饮用水和家庭用水的主要水源：公园前 2 0 0 0 年或者更早，在以色列的n e g e v 大沙漠，为生活农业用水而设计的山坡雨流蓄水池， 使得人们在年降雨量为1 0 0 m m 的地方得以居住和耕作；在威尼斯，屋顶雨水集流和储存 系统是直到1 6 世纪为止的1 3 0 0 年间的主要水源；在百慕大群岛，屋顶雨水积蓄系统可以 追溯到1 6 2 8 年，而且现在大绿上还一直要求建设蓄水罐。 在上世纪上半叶，由于机械动力开发河流与地下水的技术取得了飞速的发展，人们对 雨水利用的兴趣有所下降，但在近二十年来，随着资源、能源、环境、人口等问题的出现， 使得这一技术又迅速在世界各地复兴和发展起来。8 0 年代初期，国际雨水收集协会( i r c s a l 也应运面生；德国从8 0 年代后期开始，修建了大量的雨水调节池来处理和利用雨水；日 本从8 0 年代开始一直推广雨水贮留渗透技术，利用公园、绿地、庭院、建筑物、停车场、 运动场等大面积场所，将天然雨水贮留下来加以利用；我国在雨水利用方面也做了不少的 研究，如北京自1 9 9 8 年以来修建了5 0 多座橡胶坝拦截雨水；甘肃水利部门利用雨水集流 水窖来解决干旱地区人们的饮用水问题。 1 3 2 实施城市雨洪利用的必要性 入口向城市地区集中，致使城市区域不断扩张的过程称为城市化。城市化进程的加快， 西安理工大学硕士擘住论文 城市总人口的增长，伴随而来的工业化等等势必造成资源、能源、交通、住房的排污等全 面紧张，而对人类生存和社会生产不能缺水的水资源而言，其问题更为突出。我国现有城 市6 7 0 多座，城市化率接近4 0 ，而缺水的城市就有3 0 0 多座，其中严重缺水的就有1 0 0 多座，据有关方面预测，到2 0 1 0 年，我国的城镇人口将增至6 3 亿，城市化水平达到4 5 ， 这势必引起更加严重的水资源问题。 城市化的发展不仅带来了水资源短缺问题，而且由于城市地区的地形地貌变化快、建 筑物密度大、不透水面积所占比例增大而引起的雨水径流速度加快、洪峰流量增大、洪水 滞时和历时缩短等问题，致使洪水风险增加。因而，有必要对汛期雨洪采取必要的调控措 施，一方面解决城市水资源短缺的危机，另一方面又有效的控制了城市雨洪，避免城市雨 洪灾害的发生。 1 3 3 城市雨水利用技术的研究现状 近年来，随着人们对城市雨洪利用的重视，研究人员对城市雨水有关的理论及技术的 研究也有了长足的进展，不少专家对城市雨水利用的不同方面均开展了较为深入的研究， 取得了一定的成果，为今后城市雨洪资源的规划利用提供了较好的理论技术基础。这些研 究主要包括了城市雨水利用的规划和储存设施问题、城市雨水资源化的径流及集汇流和传 输模型、城市雨水资源化的渗透模型、城市雨水利用的水质问题等。 曩城市雨洪利用规划研究 城市雨洪利用是否合理，很大程度上与其规划的合理性有关，为此，不少专家学者 作了关于城市雨洪利用规划方面的研究。这方面包括了在制定城市捧水规划中充分考虑雨 水的资源化 i 0 1 变排水为城市用水；同样，河海大学的研究者针对济南市的排水状况作 了深入的研究，并提出了源头蓄滞与雨水资源利用的规划方法“，将城市雨洪利用规划 与城市防洪结合起来，对城市的供水和防洪均起到积极的作用。此外，特定区域n 订的雨 洪利用规划也是近年来研究的重点之一，因为大的雨洪利用规划较难立即实施，所以首先 实现小区域的雨洪利用，最后达到整体的利用也城市雨洪利用规划的必然选择。但是这方 面的研究仍然不够深入，很多规划方案也只是出于示范阶段，因而小区域雨洪利用规划的 研究仍然是今后城市雨洪利用的研究重点 b 城市雨水资源化集汇流及传输模型1 城市雨水资源化是一个集合集流、汇流、传输与调蓄利用为一体的复杂过程，在整个 雨水资源化过程中，既有就地利用和集中利用这两类调蓄设施，又有经过地面产流和汇流 进入雨水资源化雨水利用设施的地面传输过程，还有从地面传输直接或间接汇入地下雨水 利用设施的地下传输过程。 由于城市雨水资源化集汇流及传输过程计算的目的，一方面是要确定地下传输的过程 及其传输量，从而设计或校核管网的传输能力，另一方面，就是要确定雨水利用设施的集 流过程及设计尺寸，或是次降雨中雨水利用设旌的利用量，因此，与单纯以如何尽快排泄 4 第一章绪论 汛期雨水为目的城市雨水径流模型或是城市雨水道设计模型有很大的差别。 与城市雨水径流计算和城市雨水道设计模型相同的是，城市雨水资源化集汇流及传输 过程也有集流过程、汇流过程和传输过程三部分，但是在城市雨水资源化集汇流及传输模 型中还有一个很重要的调蓄过程，并且这四个过程之间不是简单的线性关系，而是形成了 一个复杂的集合体，这四个过程之间是相互依存、相互作用的。一个是另一个的结果，同 时又有可能是它的原因。 城市雨水资源化集汇流及传输过程虽可划分为地面上城市雨水资源化集汇流及传输 过程和地面下城市雨水资源化集汇流及传输过程两个子系统进行概化，并进行规划设计， 但作为一个整体，地面上城市雨水资源化集汇流及传输过程与地面下城市雨水资源化集汇 流及传输过程两个子系统是相互融合在一起的，是密不可分的，任何一个子系统都不能离 开另一个子系统而能够独立的进行规划、设计及量的计算，地面上城市雨水资源化集汇流 及传输过程是地面下城市雨水资源化集汇流及传输过程的基础，它控制着地面下城市雨水 资源化集汇流及传输过程的入口条件，而地面下城市雨水资源化集汇流及传输过程作为地 面上城市雨水资源化集汇流及传输过程的一个结果，也反作用于地面上城市雨水资源化集 汇流及传输过程，尤其在进行规划、设计以及量的计算过程中，二者更是密不可分。正是 地面上与地面下城市雨水资源化集汇流及传输过程的这种相互融汇贯通、相互作用的关系 形成了整个城市雨水资源化集汇流及传输过程。 城市雨水资源化集汇流及传输过程是地面上城市雨水资源化集汇流及传输过程与地 面下城市雨水资源化集汇流及传输过程统一构成的整体，因此，每一个子系统在满足自身 量的平衡的同时，必须要使整个城市雨水资源化集汇流及传输过程满足平衡。因此不论是 在某个集流小区还是整个流域，整个城市雨水资源化集汇流及传输过程都必须满足以下方 程组。 r s l ；1 ( t ) d t + 畎一- + 以+ 嗾一蹦- 皑+ 硝 r s i = l ( t ) d t + 畎一一+ 式中，s 为小区的汇流面积，砸) 为降雨强度，欧、略、畦、磁分别为整个小区内 地面上汇入的量、降雨损失量、总蓄水量以及总排出量，畈、嘣、碟、略分别为从 外子区汇入该子区整个地下系统的水量、总损失量、总的蓄水量以及由该子区向其它子区 排出量，畎、甄为整个小区的总入流量、总损失量、总蓄水量和总排水量。 城市雨水资源化集汇流及传输模型就是地面上城市雨水资源化集汇流及传输模型与 地面下城市雨水资源化集汇流及传输模型的综合，而不论是地面上城市雨水资源化集汇流 及传输模型还是地面下城市雨水资源化集汇流及传输模型又是一个个集流过程、汇流过 程、传输过程以及调蓄过程的综合体。整个城市雨水资源化集汇流及传输过程的实现过程 5 西安理工大学硕士学位论文 就是：首先实现一个个集流过程、汇流过程、传输过程以及调蓄过程，而后实现地面上城 市雨水资源化集汇流及传输过程和地面下城市雨水资源化集汇流及传输过程，最终实现城 市雨水资源化集汇流及传输过程。 c 城市雨水渗透模型研究“ 雨水渗透就是利用工程措施将自然降雨量按规划的目标渗入地下，以改善原有的渗透 状态或补偿城市建设所造成的影响，它包括集水、输水、渗水或辅渗结合、储渗结合等环 节。渗透设施往往和集蓄设施结合使用，如渗透设旖与屋顶集雨相结合，道路、广场集蓄 雨水与渗透设施相结合使用，在适当的人行道铺设透水砖，步道以下设置回填砂砾料的渗 沟、渗井等，可以延长暴雨径流时间、抬高地下水位、防止海水入侵等良好环境效应。在 适合的地点采用透水井和透水路面，采用多孔铺地材料铺筑路面等渗透设蘸，进行雨水渗 透，采用h o r t o n 下渗公式： ，- ( f 0 一正) e 一。+ f o 式中：，下渗能力 f 一时间 ，。一初始下渗率 正稳定下渗率 七一下渗指数 由于城市透水区的种类多，如碎石路面、混凝土路面、草地等，再加上土壤含水量等 不同，下渗能力差异较大。为了反映这种产流的不均匀性，引入下渗能力分配曲线，曲线 采用抛物线型： 口- 1 一( 1 一，厶) x 一 ， - i ：( 1 一口阿一厶( 1 + 力 式中，a 为小于等于某一下渗能力的累积面积与流域总面积之比；兀为流域内最大 下渗能力；甩为未知数。在此取2 。 流域平均下渗能力为：f 一厂x a t d 不同下垫面的产汇流特性研究 不同的下垫面在不同的降雨场次中径流系数都有差异，影响因素众多。如果每一个影 响因素都加以考虑则很难得到次降雨的径流系数，只考虑某个因素则误差较大，因此可以 采用一个综合性的参数来计算径流系数。降雨量是一个可以优先考虑的参数。首先，它综 合反映了降雨历时、雨强的影响，其次它也是计算径流系数的参数之一，相关性好，而且 水文资料中容易得到该参数值，能够为计算径流系数提供方便。西安理工大学的汪志荣教 授结合国家自然科学基金和陕西省重点试验室基金项目对水泥路面、不透水砖、s b s 、透 水砖、草地的降雨量一径流特性“”进行了较为详细的试验研究得出了不同的材料在不同 的降雨特性下的产汇流关系及径流系数，为不同下垫面的规划设计提供了必要的参考依 6 第一章绪论 据。 e 雨水资源化实旋的水质问题 在实施雨水资源化的过程中，不同下垫面及降雨条件下的水质问题也是一个不容忽视 的问题。北京工业大学的周玉文教授通过对北京市不同下垫面的降雨特性的分析发现t i t s ( 1 ) 随着降雨历时的增长，屋面雨水的溶解氧浓度逐渐升高，而电导率、高锰酸钾 指数、总硬度以及碱度则呈现明显的降低，最终均趋向于一个较稳定的值。总硬度、c i 卜、 m 矿+ 、s o p 、碱度、氨氮、总氮、总有机碳、总磷及重金属元素铁、锰、铜、锌等水质 观测数值随着降雨量的增加，也呈现减小的规律，且均符合标准的要求。总氮( t n ) 、重 金属以及无机盐类等污染物浓度则较低。径流雨水的p h 值、总硬度、硫酸盐等指标满足 生活杂用水甚至生活饮用水的规定，达到地表水环境质量标准的类。 ( 2 ) 降雨初期的路面雨水水质比较差，经过长历时的降雨后，末期路面雨水水质和 屋面雨水相差不多，差别较大的是浊度。 ( 3 ) 与其它下垫面相比，绿地的电导率、浊度、氨氮、高锰酸钾指数等水质指标随 时间的变化较小，另外，绿地径流水质的大部分污染指标都低于其它下垫面的情况，显示 绿地对降雨产生的径流有净化作用。 f 城市雨水径流数学模拟技术的发展 近年来随着计算机技术的快速发展，关于城市雨洪径流过程模拟的数学模型也在显著 增多，既丰富了城市雨洪利用的研究领域，也扩展了城市雨洪利用的理论基础。例如利用 s w m m 雨水管理模型应用在平原城市小区域地面径流过程的模拟| 1 7 1 9 可较为准确的模拟 出小区域径流洪峰的出现规律，有利于雨洪利用设施位置的选择。可以为城市排水系统规 划方案的调整与优化提供理论指导。 综上所述，城市雨洪利用技术的研究已经成为一个重要的城市建设研究领域，它是解 决未来城市发展中水资源短缺和城市防洪减灾的必然措施，随着技术的进步和城市的发展 的需要，有关于城市雨洪利用技术的研究已经渗入到各个领域，而且学科的渗透性也在逐 渐增强，城市雨洪利用逐渐成为一项各方面互相关联的系统工程，需要不同部门、不同专 业相互学习与借鉴，使之达到更好的利用。本文的研究就是将城市雨洪利用技术与旱区城 市绿化带系统相结合并推广应用，涉及到不同的研究领域，是一个好的示范。 1 4 本文主要研究的问题 1 4 1 旱区城市绿化带的概念与相关问题 随着经济的发展，社会的进步，城市绿化成为城市管理者和每一位城市居民共同的责 任，很多城市正在花大力气来创建全国园林城市，而且国家也于2 0 0 6 年1 0 月2 1 日颁布 关于国家森林城市的考核标准，规定南方城市的森林覆盖率在不低于3 0 ，北方城市的 森林覆盖率在不低于2 6 的条件下才有资格评选国家森林城市，目前沈阳、贵阳、长沙 西安理工大学硕士学位论文 是我国仅有的获得“国家森林城市”称号的城市，随着这一条例的颁布，城市绿化的问题 必将更大程度上引起每一个城市的重视，与之相关的城市绿化带在营建过程中所遇到的问 题也会越来越多，需要我们去认真地研究，其研究框图如图1 1 ： 图l - l 城市绿化带研究框架 f i g ! - ir e s e a r c hf i - m n e w o r ko f t h ec i t yv i r e s c e n c eb e l t 在城市绿化带问题的研究上，本文将着重从城市绿化带的类型和功能上来开展，即研 究城市绿化带的统一性问题，找出适合于不同城市的绿化带类型，明确其功能定义，为城 市绿化带的构建提供较好的理论指导。 作为城市绿化带重要组成部分的早区城市绿化带( 主要在北方地区) ，其面i 临将不仅 仅是绿化带的类型和功能的问题，国家有关部分之所以将北方森林城市的森林覆盖标准定 为2 6 ，正是在充分考虑了北方城市在城市绿化带的发展中要面临比南方城市大的多的 困难。有关旱区城市绿化带的研究框图如图1 2 ： 从该图中可以看出，要使旱区城市绿化带健康发展，需要有合理的早区城市绿化带的 规划及功能定位，还要有社会与经济效益的评价体系及其管理与运行机制，并解决旱区城 市绿化带存在着的地质灾害、生物灾害、水土流失、植被结构、水资源保障等一系列关键 技术问题。这其中困扰旱区城市绿化带发展的核心问题是旱区城市绿化带的水资源保障问 题，充分挖掘旱区城市绿化带的水资源潜力，实现旱区城市绿化带水资源的合理配置与节 8 第一章绪论 约利用将是旱区城市绿化带水资源保障体系的研究重点。 图l - 2 早区城市绿化带研究路线 f i g1 - 2r e s e a r c hl i n ew i t ht h ec i t yv i r e s c e n c eb e l ti nd r o u g h ta “m 1 4 2 旱区城市绿化带雨洪利用的蓄滞机理研究 在城市雨水资源化问题研究的基础上，进一步研究旱区城市绿化带雨洪利用问题和技 术发展特点，并针对一些既有城市雨洪产汇流模型在早区城市绿化带应用中的缺陷。结合 其它一些有关城市的产流理论开发出适应于早区城市绿化带的基于雨洪利用蓄滞机理的 计算方法，明确旱区城市绿化带系统在雨洪利用中的规划模型，并对旱区城市绿化带在雨 9 西安理工大学硕士学位论文 洪利用中的滞时情况作初步探讨。 1 4 3 旱区城市绿化带的雨洪利用规划及水资源合理配置 该雨洪利用规划主要以宝鸡市北坡生态公园为例，宝鸡市北坡生态公园雨洪利用规划 框图如 图l - 3 北坡生态公园雨洪利用规划路线 f i g1 - 3r a i n w a t c ru t i l i z a t i o np l a n n i n gr o u t e so f t l en o r t h e r ns l o p ee c o l o g i c a lp a r k 宝鸡市北坡生态公园的雨洪利用规划是既有的城市雨洪利用技术和本文所研究的旱 区城市绿化带雨洪利用蓄滞机理在旱区城市绿化带的应用，对指导今后旱区城市绿化带的 发展具有一定的实践和示范意义。 以宝鸡市北坡生态公园雨洪利用规划为例，综合分析旱区城市绿化带仍然存在的水资 源短缺的矛盾，明确早区城市绿化带的生态用水潜力及供需潜力，探讨旱区城市绿化带在 0 第一章绪论 水资源合理配置中可实现的工程措旌和非工程措施，并提出不同水平年下旱区城市绿化带 的水资源合理配置方案。 1 4 4 旱区城市绿化带雨洪利用评价指标体系的建立 在整个城市雨水资源化的体系中，前辈研究人员已经分别对有关城市雨水资源化的基 本信息系统，集汇流及传输模型做了较为细致的研究，本文将在已有研究的基础上，通过 对宝鸡市北坡生态公园的雨洪利用规划及水资源合理配置的实践，初步建立适用于旱区城 市绿化带雨洪利用技术的评价指标体系，该指标体系是经济效益、社会效益和生态效益的 统一。 西安理工大学硕士学位论文 2 旱区城市绿化带及合理规划 人类历史发展到今天，人们已经逐渐认识到，地球上的环境变化最重要的原因之一就 是地球上植被遭到了破坏，也就是地球上的森林和草原受到了人为不合理的开发利用，致 使生态失去了平衡，严重削弱了植被对地球环境的保护能力。城市环境是受人为影响最严 重的部分，如何改善城市生态环境，给人类创造一个适宜的居住环境，是摆在城市建设者 身上的重要责任。本章旨在讨论城市化所带来的城市生态环境变化，从而引发人们对理想 居住环境的关注，进而探讨城市绿化带尤其是旱区城市绿化带在城市环境改善中的重要作 用，并为旱区城市绿化带的合理规划提供一定的理论支持。 2 1 城市化带来的城市生态问题 进入新世纪，我国的经济发展持续加速，经济年增长率近年来始终保持在1 0 上下， 与此同时城市化的进程也在加快。到2 0 0 6 年，我国的城市化率已经超过4 0 ，而根据国 际经验，城市化率从3 0 到7 0 的阶段为城市化快速发展时期，因而目前是我国城市化 快速发展进程的前期，城市化所带来的城市生态问题已经显现，但这些城