基于SWMM的重庆主城区山地公园地表径流特征及低影响设计方法研究

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在重庆城市高速发展建设的大环境下,显著的山地特征与相对集中的雨季为城区雨洪管理带来严峻挑战,在大力建设山地海绵城市的背景下,明确地表径流特征,基于低影响开发理念控制区域雨水径流,成为营建健康、可持续山地水环境的重要手段。作为重庆主城区绿色开放空间的重要组成部分,山地公园虽面临一定暴雨径流管理问题,但其良好的下垫面基底有利于依托自然水文过程实现雨水径流控制。基于地形地势复杂、生态环境脆弱、建设条件敏感等地域特征,通过对山地公园水文过程的分析研究,提出雨洪控制目标与低影响设计方法,对丰富山地小流域雨水径流过程的基础研究与指导山地海绵体构建的具体实践具有重要参考意义。本文依据重庆主城区山地公园所在的山位条件差异,选择具有代表性山位特征的山顶型、山坡型、山麓型与山谷型公园作为研究对象,通过资料查询、实地踏勘与现场取样,对重庆主城区气候特征与各山地公园中包括下垫面构成、植被覆盖、土壤入渗、坡度与排水情况在内的立地条件进行综合分析,深入了解山地公园雨水环境实际情况。通过调研发现,公园大面积绿色基底为基于自然水文过程的雨洪管理提供了良好基础,但由于受立地条件与建设情况制约,公园雨洪管理在下渗能力提升、径流冲刷抑制、水土保持和排水系统优化等方面亟待改善。通过径流特征基本研究单元(子汇水区)的划分与分析,实现了对山顶型、山坡型、山麓与型山谷型公园基于自然水文过程的拆解。根据径流过程的阶段性特征,将已划分的子汇水区分为无外围流型、径流过境型与汇流出口型三类;根据各子汇水区下垫面条件的不同,将子汇水区划分为场地型、混合型、绿地型与水体型四类。基于对调研结果的统计整理,获得各子汇水区关键参数,并依托暴雨洪水管理模型(SWMM)建立山地公园地表径流分析模型,模拟中雨(25mm)、大雨(50mm)、四年一遇暴雨(127mm)与二十年一遇暴雨(166mm)四种降雨事件下雨量集中的前2h的产流情况,从量化研究角度加深对山地公园水文过程的认知。结果显示:1)场地型、水体型、混合型与绿地型子汇水区产汇流特征呈现递减趋势;2)绿地作为可渗透表面,可有效延缓径流峰值到来时间。此外,山地公园综合下垫面条件是影响区域产流与汇流差异的关键因素之一,其中,不透水率与平均坡度对水文过程影响显著。通过对产流结果与不透水率、平均坡度的相关性分析,在得出不透水率与径流模拟结果简化公式的基础上,明确以下三点结论:1)在频发的小强度降雨事件下(小于50mm),不透水率对山地公园各子汇水区的产流起到关键性控制作用,且随着降雨强度增加,这种作用逐渐减弱;2)同一降雨事件下,径流系数随着坡度增加而增加,但在综合下垫面条件作用下,这种影响力远小于不透水率对产流的影响;3)伴随降雨强度的增加,下垫面因素对产汇流过程的作用力逐步减弱;4)修订四种降雨事件下重庆主城区山地公园综合径流系数分别为0.313、0.343、0.526与0.614。最后,基于山地公园子汇水区下垫面条件与雨水径流模拟结果,明确其雨水径流控制目标,并提出基于适地性、系统性、生态性、安全性与美学性原则构建山地低影响开发系统的方法。针对径流过程的阶段性特征,归纳出无外围流型、径流过境型与汇流出口型子汇水区低影响开发控制重点,并结合山地公园水文特点,提出实现径流控制、冲刷抑制、雨水的资源化利用与调蓄空间拓展的景观实践策略。此外,依托产流模拟结果,进一步探讨单一低影响开发设施在山地布置的一般规模,以期为山地海绵体的构建实践提供参考。
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