基于多层元胞自动机的流域海绵效应评估研究

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近年来,为了应对气候变化、快速城市化和不适当的城市规划政策带来的雨洪灾害、水资源短缺等问题,我国实施了被称为“海绵城市”的城市水资源管理战略。流域海绵体对雨水具有吸细、蓄渗和传输的作用,能够有效控制雨水径流,以应对流域的雨洪和干旱。定量评估海绵城市规划前后的流域海绵效应能够更有效地指导海绵城市项目建设。目前已有的相关研究主要集中在城市街区尺度,通过雨水实验和水文模拟的方法评估海绵工程设施的海绵效应。在流域尺度上,则通过常规的水文模拟软件,输入未来的土地利用情景来研究变化环境下的水文效应,很少延伸讨论其海绵体的海绵效应。但是,对于城乡结合的小流域的开发设计,则需要兼顾上述两种情形。因此,针对这种情况,本文提出一种多层元胞自动机模型,以分层的形式,在水平和垂直方向上模拟流域生态水文过程,用于评估流域海绵水文效应。该模型将水循环结构分为植被层,地表层,土壤层,模拟了降水,冠层截留,土壤下渗,地表产流汇流,蒸散发等水文过程。集成水文模型与工程设计的经验公式作为元胞转换规则,根据DEM、土壤类型,土地利用类型、叶面积指数等为元胞设置基本属性,将流域海绵体抽象建模,分析其在各层中的作用,定位量化海绵工程设施的规模,并参数化修改元胞属性,模拟计算各层对应水文过程的水量传输,输出流域径流时空分布,冠层截留量时空分布,流域蒸散发时空分布和土壤含水量时空分布,据此计算径流控制率,评估流域海绵效应,使流域海绵系统的构建更加具有可度量性。基于上述方法,本文研究开发了一项基于地理设计理念的水文效应模拟与可视化工具,并使用GPU并行计算提高了模型运行效率。最后以福州市大学城“旗山湖规划”为例,通过2016年“鲇鱼”台风期间的降雨事件进行验证,分三组不同流域下垫面场景(历史情景,当前情景,规划情景)进行实验,评估该流域城市化前后及旗山湖建设前后的流域海绵水文效应。该系统可作为海绵流域规划验证和建设评估的辅助工具,为海绵流域规划设计与项目验收评估提供决策支持。
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