CN113065689B - 一种多生境城市生态水系构建系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多生境城市生态水系构建系统及方法，属于城市生态水系技术领域，包括构建多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；对选址的河湖进行规模评价；对河湖近自然形态进行设计；根据设计结果对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。本发明首次提出了生态河湖工程构建的技术体系框架，在经过水系网络构建及河湖选址和规模决策后，对河湖进行近自然设计，主要考虑城市总体规划布局、河湖水系连通、水系生态安全格局的建立、海绵城市建设等控制因素，进行河湖水系连通和水系改造，解决城市河湖生境单调、功能单一的问题。
Description
技术领域
本发明属于城市生态水系技术领域，尤其涉及一种多生境城市生态水系构建系统及方法。
背景技术
城市河流、湖泊和湿地是城市水系的重要组成部分，它们不仅仅发挥提供水资源的作用，更重要的是具有生态服务功能。修复和改善城市水系，不但对于保障城市居民生命财产安全具有重要意义，而且对美化城市面貌、提升城市魅力、增强城市综合竞争力也具有支撑作用，其作用主要体现在以下方面：泄洪排涝、拦洪蓄水、消解污染、调节气候、全面提升城市面貌、提高城市品位和生活质量等方面。当前城市水系构建中存在的一些误区，也是需要解决的问题有：
①填水造陆
由于片面追求土地的商业价值，这些错误的做法致使在城市化进程中，流动的天然水系变成了破碎的枯水池、污水沟，城市水系丧失了自我净化的功能。
②单纯的土木工程建设模式
单纯防洪：机械地执行防洪设计标准，简单地拦截河道裁弯取直的不合理性，无论从眼前还是长远来看，都造成了巨大的经济损失。城市内部防洪堤坝，影响了原有的城市水循环和交通系统。由于堤线日益加长、堤身越来越高，形成了城市的洪水位逐年提高的恶性循环，破坏了整个生态系统。岸底硬化：城市水系改造过程中，单纯的土木工程建设模式把原有的自然河堤变成了钢筋混凝土类护岸，城市河道河岸建设千篇一律，单调固化为同一种模式，水系生态和自然景观被严重破坏，城市水系综合性功能逐渐失去。另外，在清除淤积上更增加了工作量，常常发生因泄洪不畅导致夏秋季暴雨就到处积水的灾害。
③污水不合理处理
污水集中处理：目前城市过度集中式的污水处理系统，存在着巨额的输水费用和无法进行中水的就地利用的弊端。另外，由于一些城市污水处理厂的地理位置距离城区较远，把污水集中起来通过污水管送到十几公里以外集中处理，处理后再运回来，运输成本较高，形成了很大的资源浪费。不合理冲污：按照国际生态组织的统计，当把一条河流30％的径流量调出的话，产生的生态破坏将难以恢复。因此，实施优质水资源冲污，尤其采用远距离调水冲污，首先将使调水区的生态受到灾难性影响。不能只顾及经济成本，而不考虑生态成本，违背了资源节约型和环境友好型的社会主义绿色可持续发展道路要求。
这些问题的解决策略，可以通过构建多生境河道进行解决，同时在工程建设模式上，结合人工湿地研究；在污水处理上，添加海绵城市的理念，并引入高效原位水质净化技术研究。
目前已有的城市水系构建方法有：系统规划、加强综合的治理；一纵一横、两个面加一环的水系网络结构等等。这些方略大致上可以加强对水系和环境质量的保护，但这些方法的主要缺点仍然十分突出：不能凸显河湖的生态价值，在河湖的选址和规模论证上仍有诸如水系未能良好连通等不合理之处，河湖形态设计上也不符合自然界河流形态变迁规律，特别是未能应用模拟推演实时后的演进，很难发现生态系统演进层面的潜在不良因素。这使得城市河湖生境单调，功能单一，河湖工程构建成果可信度较低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种多生境城市生态水系构建系统及方法，提升城市水系生态系统质量和稳定性，凸显河湖的生态价值，解决城市河湖生境单调、功能单一的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种多生境城市生态水系构建系统，包括河湖选址模块、规模评价模块、近自然形态设计模块以及验证模块；
所述河湖选址模块，用于构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；
所述规模评价模块，用于利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；
所述近自然形态设计模块，用于利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；
所述验证模块，用于对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。
基于上述系统，本发明提供了一种多生境城市生态水系的构建方法，包括以下步骤：
S1、构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；
S2、利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；
S3、利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；
S4、对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。
进一步地，所述步骤S2中对河湖规模进行评价的内容包括：水面面积、正常蓄水量、控制水位以及水深。
再进一步地，所述步骤S3中对河湖近自然形态进行设计包括：水域的平面形态的设计以及底部形态的设计。
再进一步地，所述步骤S4中对河流数模进行验证包括以下步骤：
A1、根据演进状态，建立一维水动力学模型：
其中，x表示距离坐标，t表示时间坐标，A表示过水断面面积，Q表示流量，h表示水位，q表示侧入流量，C表示河床糙率系数，R表示水力半径，g表示重力加速度；
A2、根据所述一维水动学模型，利用数值解法计算得到在两个水工建筑物点的流量点和水位点；
A3、判断所述流量点和水位点是否稳定，若是，则进入步骤A4，否则，返回步骤A2；
A4、构建对流扩散模型：
其中，C1表示浓度，D表示离散系数，K表示线性衰减系数，C2表示源/汇浓度；
A5、利用数值解法所述对流扩散模型对水质进行耦合计算；
A6、根据耦合结果对水域的环境水质进行分析；
A7、根据所述分析结果，利用水质生态模型模拟目标水域水动力及水质的变化趋势，完成对河流数模的验证。
再进一步地，所述步骤A5包括以下步骤：
A501、利用所述对流扩散模型计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A502、根据所述步骤A501得到的浓度，计算得到由对流扩散引起的浓度梯度；
A503、利用所述对流扩散模型中水质模块计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A504、根据所述步骤A502得到的浓度，计算得到由水质过程引起的浓度梯度；
A505、根据所述步骤A502和A504得到的浓度梯度，计算得到总的浓度梯度；
A506、利用5阶龙格-库塔方法对所述总的浓度梯度积分求解，得到第n+1时间步的物质浓度，完成对水质的耦合计算。
再进一步地，所述步骤A7中的水质生态模型包括富营养化模块以及水质模块。
再进一步地，所述富营养化模块的模拟结果包括：浮游植物的氮磷含量、浮游植物的生长、浮游植物摄取的营养盐以及水体中无机氮和无机磷；
所述浮游植物的氮磷含量的表达式如下：
dpc/dt＝prpc-grpc-depc-sepc
dpN/dt＝unpn-grpn-depn-sepn
dpp/dt＝uppp-grpp-depp-sepp
dCH/dt＝prch-dech-sech
其中，prpc表示浮游植物的产碳量，prch为浮游植物光合作用生产的叶绿素量，unpn和uppp分别表示浮游植物摄取氮和磷的量，grpc、grpn、grpp分别表示浮游植物被浮游动物牧食后损失的碳、氮、磷的量，depc、depn、depp、dech分别表示因浮游植物死亡损失的碳、氮、磷和叶绿素的量，sepc、sepn、sepp、sech分别表示随浮游植物下沉损失的碳、氮、磷和叶绿素的量；
所述浮游植物生长的表达式如下：
PRPC＝μ.F(I).F(T).F(N，P).FAC.RD
其中，IK表示光饱和量，I表示实际光辐射量，a表示20摄氏度下藻类的光饱和等级，θ表示温度系数，T表示水温，θg表示浮游植物生长的温度系数，PNmin，PNmax分别表示藻类内部氮含量的最小和最大值，PPmin，PPmax分别表示藻类磷含量的最小和最大值，KC表示浮游植物磷的半饱和含量；
所述浮游植物摄取营养盐的表达式如下：
针对浮游植物细胞内的无机氮含量不能满足浮游植物的基本需求时：
针对浮游植物细胞内的无机氮含量达到浮游植物的基本需求时：
其中，Vkn表示氮的摄取率，KPN表示氮摄取的半饱和浓度，d表示无机营养盐迁移转化过程，UNPN表示水中浮游植物摄取无机氮的量，IN表示实际已有的无机氮量，PC表示碳元素的损失，PRPC表示浮游植物的产碳量，PNmax表示藻类内部氮含量的最大值；
所述水体中无机氮的表达式为：
dIN/dt＝redn+rezn-unpn+depn2in-unbn+rebn
所述无机磷的表达式为：
dIP/dt＝redp+rezp-uppp+depp2ip-upbp+rebp
其中，redn和redp分别表示水体中的碎屑矿化分解形成的无机氮和无机磷量，rezn和rezp分别表示水体中的浮游动物在呼吸作用的同时释放出的无机氮和无机磷量，unpn和uppp分别表示水中浮游植物摄取无机氮和无机磷的量，depn2in和depp2ip分别表示浮游植物死亡后释放的无机氮和无机磷量，unbn和upbp分别表示底栖植物摄取无机氮和无机磷的量，rebn和rebp分别表示水底栖植物呼吸作用释放的无机氮和无机磷的量。
再进一步地，所述步骤S4中对湖泊数模进行验证包括以下步骤：
B1、根据演进状态，建立包含动量方程、连续方程以及状态方程的水动力模型；
B2、根据所述水动力模型，利用对流扩散模型构建二维曲线正交坐标系的质量运输对流扩散方程，并利用所述质量运输对流扩散方程模拟污染物在水体中的运动轨迹，完成对湖泊数模的验证。
再进一步地，所述步骤B2中质量运输对流扩散方程的表达式如下：
其中，t表示时间，(x，y)表示颗粒的坐标，c表示浓度，V表示流体运动的速度，DH水平扩散系数。
本发明的有益效果：
(1)本发明二次开发了ECOLab水生态系统模型，可以有效模拟方案实施后目标水域水动力及水质的变化趋势，从生态系统演进的角度完善了工程目标可达性分析的技术手段，提供了更加科学和合理的进退双调补水技术成果，如果能通过仿真模拟，推演工程建成后的演进状态，尽可能消除潜在的不良影响因素，就可以对初步设计成果进行反馈和修正，从而增强成果的可信度，有利于项目的及早决策和顺利实施，解决了城市河湖生境单调、功能单一的问题。
(2)本发明提出以河湖生态优先为原则，凸显河湖生态价值，并综合廊道、斑块、水系连通、文化景观和城市用地布局规划等多项关键控制条件河湖生态增长极选址法。
(3)本发明提出以生态河湖构建为目标、追求生态效益最大化，并综合水面面积率、非传统水资源、以供定需、城市防洪排涝系统衔接等多项控制条件的多维平衡规模论证法。
(4)本发明提出一种湖体形态近自然设计方法，通过栖息地-生境模拟反馈设计营造多样化的生境，并根据闭口型和吞吐型湖泊补水、退水口门的位置、数量、形式、流量规模、引退水次数及持续时间的科学论证，结合水动力模拟技术，提出一种基于数值模拟验证的湖泊补水方式优化方法。
(5)本发明中河流和湖泊的数值验证，尤其是水质模拟部分，模拟各状态变量包括水体中营养物质过剩程度、氧的条件、细菌存活率、在二维或二维空间上的浓度变化过程，支持对流扩散，生物、物理和化学转化，沉降等不同的生态机理，并实现耦合计算，还可以按实际需求自定义多种污染物质，并定义相应的降解速率进行模拟，对河流和湿地、湖泊和水库等水域的环境水质和污水排放引起的水质问题进行全面的研究。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
一种多生境城市生态水系构建系统，包括河湖选址模块、规模评价模块、近自然形态设计模块以及验证模块；河湖选址模块，用于构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；规模评价模块，用于利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；近自然形态设计模块，用于利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；验证模块，用于对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。
本实施例中，河湖选址模块，用于考虑到城市总体规划布局、河湖水系连通、水系生态安全格局的建立、海绵城市建设等控制因素，采用低影响开发，进行河湖水系连通和水系改造，通过打造生态廊道和生态斑块营造新的增长极，促进周边区域水土经济发展，建设生态文明城市。规模评价模块，用于从适宜的水面面积率、水资源以供定需、控制河湖运行水位符合综合利用的要求等方面进行考虑，采用多维平衡法，论证水面面积、正常蓄水量、控制水位及水深。近自然形态设计模块，用于根据影响河湖形态的主要因素，结合水功能区划、两岸用地性质规划等因素，从生物多样性保护的角度出发，以“生物栖息地法”设计，构建近自然形态的河流生态廊道和湖泊生态斑块，保证河湖生物种群在不同栖息地之间自由迁徙。验证模块，用于对初步确定的河湖选址、规模及近自然形态，通过仿真模拟，推演工程建成之后的演进状态，尽可能消除潜在的不良影响，对初步的设计进行反馈和修正，达到优化设计的目的。
本实施例中，本发明从解决城市河湖生境单调、功能单一的问题出发，首次提出了生态河湖工程构建的技术体系框架，在经过科学合理的水系网络构建及河湖选址和规模决策后，对河湖进行近自然设计，特别是在城市总体规划布局的基础上，主要考虑城市总体规划布局、河湖水系连通、水系生态安全格局的建立、海绵城市建设等控制因素。进行河湖水系连通和水系改造，低影响开发建设海绵城市，通过河湖生态保护与修复，构建健康的河湖水系生态安全格局，通过打造生态廊道和生态斑块营造新的增长极，促进周边区域水土经济的发展，建设生态文明城市。从生态系统演进的角度完善了工程目标可达性分析的技术手段，并且对初步设计结果进行反馈和修正，提升了可信度，有助于项目及早决策和顺利实施。
实施例2
如图2所示，本发明提供了一种多生境城市生态水系的构建方法，其实现方法如下：
S1、构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；
本实施例中，城市水系是以保护和修复生态系统维持水系健康生命为中心，以保障防洪排涝水资源、水环境、水生态的安全和营造自然、生态、和谐的滨水景观为基本点的水联网系统，是城市建设中基础性、综合性、协调性较强的公共设施系统。相应的，其规划以城市生态水系为对象，综合考虑城市人口密度、经济发展水平、下垫面条件、土地资源和水资源等因素，利用和保护城市生态水系资源，对水系空间布局、水面面积、功能定位、水安全保障、水质目标、水景观建设、水文化保护、水系与城市建设关系以及水系规划用地等进行协调和具体安排，提出城市生态水系保护和整理方案。
本实施例中，构建水系网络总体布局。在现有河湖水系的基础上，不减少原水面面积，经过充分论证进行现状水系改造和规划，包括吸纳已有的河道治理、水环境治理工程、水库湖泊湿地工程建设规划等成果，并通过河道贯通、疏拓、拆除功能不强的闸坝，形成以主干河道为主、分支河道为辅，连接湖泊、水库、湿地的水流畅通的水系格局，达成蓄泄自如、引排通畅的目标。
本实施例中，形成沟通的水系格局。基于城市水系不同功能、分布特征及综合利用要求，各功能水系布局之间应统筹协调。并以城市自然水系为主干，通过节制工程措施与新开挖的人工河湖贯通，形成水体交换频繁的水系沟通格局。
本实施例中，城市水系格局的功能规划。从水面形态、水系网络、文化景观三个角度进行归纳、总结、提炼、升华，依据流域、区域综合规划和城市总体规划关于防洪排涝、供水、水资源保护等专项规划，以及经济社会发展和旅游开发等规划对水系的需求，确保城市水系主体功能。规划过程中，应注重恢复水系的自然形态和自然景观，减少人工干扰。
最终期望建成具有综合性、协调性、规范性、协调性的水系规划体系，为城市的水利发展提供强有力的支持。
S2、利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；
本实施例中，河湖生态增长极法选址，就是在城市总体规划布局的基础上，主要考虑城市总体规划布局、河湖水系连通、水系生态安全格局的建立、海绵城市建设等控制因素，对河湖进行选址。
本实施例中，根据城市总体布局，对河湖进行选址。首先必须符合城市发展总体目标，尊重水系自然条件，正确处理水系保护与综合利用的关系，体现城市规划对水系功能的引导和控制，实现社会、环境与经济并重的综合效益；随后充分协调城市与河湖水系的关系，兼顾水体、岸线、滨水空间功能协调，尊重、保护自然生态环境，结合城市水文、地质、地貌、气候、生态特征，因地制宜确保河湖水系水资源可持续发展，从而体现出生态优先的理念、共享性和公共性以及地方特色；还应体现规划对水系空间景观体系的引导和控制，塑造出优美、高品质的城市空间形象。
本实施例中，从水系连通角度，对河湖进行选址。构建格局合理、功能完备、水流通畅、环境优美的江河湖库连通体系；以水资源紧缺、水生态脆弱和水环境恶化等地区为重点，逐步构建国家、区域、城市层面布局合理、功能完备、工程优化、保障有力的河湖水系连通格局，水资源统筹调配能力、供水安全保障能力、防洪除涝减灾能力、水生态环境保护能力和应急保障能力得到明显提高。
本实施例中，统筹河湖选址与城市用水关系。河湖选址及水系连通要根据水资源合理配置与高效利用体系建设的总体要求，充分考虑区域水系格局、水资源禀赋条件和生态环境状况，统筹区域之间、行业之间、城乡之间的用水关系，综合考虑流域洪水蓄泄关系和洪水出路安排以及洪水资源利用与生态功能，注重多水源的互通互济和联合调度，结合水资源配置体系，保障生态环境用水，修复河湖和区域的生态环境，重点提高供水保障能力和应急抗旱能力、江河蓄泄洪水的能力以及水资源和水环境承载能力。
本实施例中，明确不同区域对应的问题，通过河湖选址加以改造。例如：东部地区以巩固优化水系格局和连通状况以及合理恢复历史连通为重点，维系河网水流畅通，率先构建现代水网络体系；中部地区以恢复、维系、增强河湖水系连通性为重点，积极实施清淤疏浚、打通阻隔、新建必要的人工通道，提高水旱灾害防御能力和水资源调配能力；西部地区以修复保护生态环境和保障能源基地、重要城市用水为重点，针对西部地区如西安、延安等地缺水严重、生态脆弱、人水矛盾尖锐等问题，在科学论证、充分比选的基础上，合理兴建必要的调水工程，缓解水资源短缺和生态恶化的状况；东北地区以保障老工业基地、城市群和粮食生产用水为重点，尽可能的加快河湖水系连通工程建设，恢复湖泊湿地，提高城乡供水保障能力。
本实施例中，河湖规模论证主要包括：水面面积、正常蓄水量、控制水位及水深(最高蓄水位、正常蓄水位、最低水位、湖底或者河底高程等)。规模论证采用多维平衡法，以生态河湖构建为目标、追求生态效益最大化，并综合水面面积率、非传统水资源、以供定需、城市防洪排涝系统衔接等多项控制条件。这一方法重点从适宜的水面面积率、水资源以供定需、控制河湖运行水位符合综合利用的要求等方面进行考虑。
本实施例中，论证水面面积率。本实施例中，由于水面的大小直接影响城市的防洪排涝标准、水环境容量、水面健康保健功能，美化景观功能，城市水面生态功能，所以首先需要考虑水面面积率。城市水面规划应根据城市的自然环境、地理位置、水资源条件、社会经济发展水平、历史水面比例、城市等级、人们生活习惯和城市发展目标等方面的实际情况，并考虑国际先进经验和国内研究成果，确定符合城市现状水平和发展需求的适宜水面面积和水面组合形式，提出城市范围内河流、湖泊、水库、湿地以及其他水面的保持、恢复、扩展或新建的要求。在确定水面的过程中，应遵循严格保护和适当恢复、统筹考虑和合理布置、因地制宜和量力而行、与经济社会发展相协调以及有利于景观生态建设等原则，确保以适宜的水面面积来提高城市防洪排涝标准，能够美化城市、调节气候、提升城市品位、改善人居环境，统筹考虑现状城市水面比例，达成符合城市地形地貌条件、符合区域水资源可供水量的原则、符合城市总体规划和景观环境、并有助于水面修复与补偿可行性的原则。确定城市适宜的水面面积率和水面组合形式，合理安排城市水系格局。
本实施例中，对城市生态环境需水量进行论证。考虑水资源以供定需，主要包括：维持河湖生态系统的最小需水量、维持河湖水质的最小稀释净化水量、维持河湖景观功能要求适宜水深的需水量、维持适宜水面面积的需水量等部分。特别是，生态环境需水的结果由河流生态系统理论需水，转向考虑利益相关方的层次化需水，确定河流生态系统不同等级修复目标下的层次化需水方案，有助于实现经济社会和河流生态系统的协调可持续发展。
本实施例中，控制水位及水深。然后根据先前规划确定的城市水面面积，结合生态需水量，推算各种水面的相应水位。需要注意的是，对受城市控制的和不受城市控制的水体，需分别做出规划。受城市人为控制的水体如湖泊、渠道等，必须根据其功能的需要确定控制常水位和控制最高水位，例如：以调蓄功能为主的水体，其调蓄水深一般不应低于0.5米，最高控制水位不得高于其汇水范围内城市建设地面高程下1.5米；以景观功能为主的水体，其水位变化不宜大于0.5米；有航运功能的水体水位不应低于其设计航道等级的要求，养殖水体常水位时水深一般应大于1.5米。不受城市人为控制的水体水位应根据资料明确历史最高水位、历史最低水位和多年平均水位。有防洪要求的水体必须明确设防水位、警戒水位和确保水位。同时，严格控制调蓄水体的水位，保证满足一般的调蓄需求。特别是，江、河等流动性较强的水体，以及规模较大的湖泊、水库等水体，其水位就比较难以控制，其水位变化较大，往往具有防洪要求，需要根据水文监测站常年监测的水位变化情况，明确水体的历史最高水位、历史最低水位和多年平均水位三种水位情况，以利于周边建设用地的建设标高等指标的确定。
S3、利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计，包括水域的平面形态的设计以及底部形态的设计；
S4、对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。
本实施例中，对河流数模进行验证包括以下步骤：
A1、根据演进状态，建立一维水动力学模型：
其中，x表示距离坐标，t表示时间坐标，A表示过水断面面积，Q表示流量，h表示水位，q表示侧入流量，C表示河床糙率系数，R表示水力半径，g表示重力加速度；
A2、根据所述一维水动学模型，利用数值解法计算得到在两个水工建筑物点的流量点和水位点；
A3、判断所述流量点和水位点是否稳定，若是，则进入步骤A4，否则，返回步骤A2；
A4、构建对流扩散模型：
其中，C表示浓度，D表示离散系数，K表示线性衰减系数，C2表示源/汇浓度；
A5、利用数值解法所述对流扩散模型对水质进行耦合计算，其实现方法如下：
A501、利用所述对流扩散模型计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A502、根据所述步骤A501得到的浓度，计算得到由对流扩散引起的浓度梯度；
A503、利用所述对流扩散模型中水质模块计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A504、根据所述步骤A502得到的浓度，计算得到由水质过程引起的浓度梯度；
A505、根据所述步骤A502和A504得到的浓度梯度，计算得到总的浓度梯度；
A506、利用5阶龙格-库塔方法对所述总的浓度梯度积分求解，得到第n+1时间步的物质浓度，完成对水质的耦合计算；
A6、根据耦合结果对水域的环境水质进行分析；
A7、根据所述分析结果，利用水质生态模型模拟目标水域水动力及水质的变化趋势，完成对河流数模的验证。
本实施例中，水质生态模型包括富营养化模块以及水质模块。
本实施例中，富营养化模块的模拟结果包括：浮游植物的氮磷含量、浮游植物的生长、浮游植物摄取的营养盐以及水体中无机氮和无机磷；
所述浮游植物的氮磷含量的表达式如下：
dpc/dt＝prpc-grpc-depc-sepc
dpN/dt＝unpn-grpn-depn-sepn
dpp/dt＝uppp-grpp-depp-sepp
dCH/dt＝prch-dech-sech
其中，prpc表示浮游植物的产碳量，prch为浮游植物光合作用生产的叶绿素量，unpn和uppp分别表示浮游植物摄取氮和磷的量，grpc、grpn、grpp分别表示浮游植物被浮游动物牧食后损失的碳、氮、磷的量，depc、depn、depp、dech分别表示因浮游植物死亡损失的碳、氮、磷和叶绿素的量，sepc、sepn、sepp、sech分别表示随浮游植物下沉损失的碳、氮、磷和叶绿素的量；
所述浮游植物生长的表达式如下：
PRPC＝μ.F(I).F(T).F(N，P).FAC.RD
其中，IK表示光饱和量，I表示实际光辐射量，a表示20摄氏度下藻类的光饱和等级，θ表示温度系数，T表示水温，θg表示浮游植物生长的温度系数，PNmin，PNmax分别表示藻类内部氮含量的最小和最大值，PPmin，PPmax分别表示藻类磷含量的最小和最大值，KC表示浮游植物磷的半饱和含量；
所述浮游植物摄取营养盐的表达式如下：
针对浮游植物细胞内的无机氮含量不能满足浮游植物的基本需求时：
针对浮游植物细胞内的无机氮含量达到浮游植物的基本需求时：
其中，Vkn表示氮的摄取率，KPN表示氮摄取的半饱和浓度，d表示无机营养盐迁移转化过程，UNPN表示水中浮游植物摄取无机氮的量，IN表示实际已有的无机氮量，PC表示碳元素的损失，PRPC表示浮游植物的产碳量，PNmax表示藻类内部氮含量的最大值；
所述水体中无机氮的表达式为：
dIN/dt＝redn+rezn-unpn+depn2in-unbn+rebn
所述无机磷的表达式为：
dIP/dt＝redp+rezp-uppp+depp2ip-upbp+rebp
其中，redn和redp分别表示水体中的碎屑矿化分解形成的无机氮和无机磷量，rezn和rezp分别表示水体中的浮游动物在呼吸作用的同时释放出的无机氮和无机磷量，unpn和uppp分别表示水中浮游植物摄取无机氮和无机磷的量，depn2in和depp2ip分别表示浮游植物死亡后释放的无机氮和无机磷量，unbn和upbp分别表示底栖植物摄取无机氮和无机磷的量，rebn和rebp分别表示水底栖植物呼吸作用释放的无机氮和无机磷的量。
本实施例中，对湖泊数模进行验证包括以下步骤：
B1、根据演进状态，建立包含动量方程、连续方程以及状态方程的水动力模型；
B2、根据所述水动力模型，利用对流扩散模型构建二维曲线正交坐标系的质量运输对流扩散方程，并利用所述质量运输对流扩散方程模拟污染物在水体中的运动轨迹，完成对湖泊数模的验证。
本实施例中，质量运输对流扩散方程的表达式如下：
其中，t表示时间，(x，y)表示颗粒的坐标，c表示浓度，V表示流体运动的速度，DH水平扩散系数。
本实施例中，结合水功能区划、两岸用地性质规划等因素，综合确定河湖形态，满足各种生物对生境的需求。将鱼类、鸟类、两栖类、爬行类和小型哺乳类作为主要保护目标生物种群的河流生态廊道和湖泊生态斑块，保证了其在不同栖息地之间自由迁徙的同时，根据影响河湖形态的主要因素，从生物多样性保护的角度提出了生物栖息地法这一河湖形态近自然设计方法，用以营造多样化的生境。根据湖体形态影响因素，如水域平面形态、水域底部形态、深水区、浅水区、过渡区等，提出形态近自然设计。包括了多自然河流和近自然湖泊的设计，结合水功能区划、两岸用地性质规划等因素，综合确定河湖形态，以满足各种生物对生境的需求，从生物多样性保护的角度提出生物栖息地法作为河湖形态近自然设计方法，营造多样化的生境。
本实施例中，在多自然河流的形态设计上，需建设符合自然界河流形态变迁规律的工程，如浅滩和深潭、蜿蜒的岸线、瀑布跌水、河心洲、洄水区和洼地、水生植物以及生态堤防护岸等要素的设置。将水体设计为蜿蜒曲折、变化多端的形态，不仅能保证河道的连续性、水的线条美、景观的通透性，而且这也符合自然界河流形态变迁的规律，对物种的生存繁衍有重要的作用，还有利于边滩、浅滩和深潭相交互的河床形态相对比较稳定，并且确保护岸工程的布设进而保障防洪安全。河流堤防和护岸是水系的重要措施，传统的单一断面不符合城市景观的美化与协调，本次发明推荐采用多自然型堤防、护岸，对于堤防要根据堤线的走向，充分考虑土方的挖填平衡，建设成适合景观布置要求、断面形态多变、随地形起伏的自然型堤防，在满足防洪功能的前提下，充分与城市周边的景观相融合。随后修建自然河岸或具有自然河岸“可渗透性”的人工护岸，可以充分保证河岸与河流水体之间的水交换和调节功能，同时具有防御洪水的基础功能。最终，建成符合城市景观美化与协调的亲水景观和设施。
对近自然湖泊的形态设计，包括水域的平面形态和底部形态。水域的平面形态从宏观上以形态意象寓意的构成角度来定义和表现湖区形态，微观上根据水面功能分区和要求，采用自然优美的形态，增加蜿蜒度，极高岸线的多样性。同时考虑深潭、浅滩、湖心岛、湿地等地貌单元的大小与数量，增加地貌单元的丰富度，营造多样化的生境。水域的底部形态考虑地形条件约束和进出口条件的影响，以流线型的接近圆或椭圆为主，保证水体整体流向平顺，减少水流之间的干扰顶托。深水区可以满足旅游船只通航需要一定的吃水深度，同时为保证人工湖成湖后建立自身生态系统、具有较好的自净能力，也需要设置深水区；在亲水景观区，考虑到亲水功能需要及安全需要，此部分水深要略浅，例如滨水景观区水深0.2m至0.5m，湿地区水深0.2m至1m，垂钓区水深0.8m至1.5m，码头及通航区域水深应大于1.5m，水体自净要求深水区大于2m。同时考虑种植、通航、亲水、自净等方面设计，分别在深水区、浅水区、过渡区维持水域生态的不同功能及种植生境要求。
本发明从解决城市河湖生境单调、功能单一的问题出发，首次提出了生态河湖工程构建的技术体系框架，在经过科学合理的水系网络构建及河湖选址和规模决策后，对河湖进行近自然设计，特别是在城市总体规划布局的基础上，主要考虑城市总体规划布局、河湖水系连通、水系生态安全格局的建立、海绵城市建设等控制因素。进行河湖水系连通和水系改造，低影响开发建设海绵城市，通过河湖生态保护与修复，构建健康的河湖水系生态安全格局，通过打造生态廊道和生态斑块营造新的增长极，促进周边区域水土经济的发展，建设生态文明城市。从生态系统演进的角度完善了工程目标可达性分析的技术手段，并且对初步设计结果进行反馈和修正，提升了可信度，有助于项目及早决策和顺利实施。
Claims (10)
1.一种多生境城市生态水系构建系统，其特征在于，包括河湖选址模块、规模评价模块、近自然形态设计模块以及验证模块；
所述河湖选址模块，用于构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；
所述规模评价模块，用于利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；
对河湖规模进行规模评价的内容包括：水面面积、正常蓄水量、控制水位以及水深；
所述近自然形态设计模块，用于利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；
对选址的河湖进行近自然形态设计包括：水域的平面形态的设计以及底部形态的设计；
所述验证模块，用于对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建；
对河流数模进行验证包括以下步骤：
A1、根据演进状态，建立一维水动力学模型：
其中，表示距离坐标，/>表示时间，/>表示过水断面面积，/>表示流量，/>表示水位，/>表示侧入流量，/>表示河床糙率系数，/>表示水力半径，/>表示重力加速度；
A2、根据所述一维水动学模型，利用数值解法计算得到在两个水工建筑物点的流量点和水位点；
A3、判断所述流量点和水位点是否稳定，若是，则进入步骤A4，否则，返回步骤A2；
A4、构建对流扩散模型：
其中， C 1表示浓度，D表示离散系数，K表示线性衰减系数，C 2表示源/汇浓度；
A5、利用数值解法所述对流扩散模型对水质进行耦合计算，其具体为：
A501、利用所述对流扩散模型计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A502、根据所述步骤A501得到的浓度，计算得到由对流扩散引起的浓度梯度；
A503、利用所述对流扩散模型中水质模块计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A504、根据所述步骤A502得到的浓度，计算得到由水质过程引起的浓度梯度；
A505、根据所述步骤A502和A504得到的浓度梯度，计算得到总的浓度梯度；
A506、利用5阶龙格-库塔方法对所述总的浓度梯度积分求解，得到第n+1时间步的物质浓度，完成对水质的耦合计算；
A6、根据耦合结果对水域的环境水质进行分析；
A7、根据所述分析结果，利用水质生态模型模拟目标水域水动力及水质的变化趋势，完成对河流数模的验证；
对湖泊数模进行验证包括以下步骤：
B1、根据演进状态，建立包含动量方程、连续方程以及状态方程的水动力模型；
B2、根据所述水动力模型，利用对流扩散模型构建二维曲线正交坐标系的质量运输对流扩散方程，并利用所述质量运输对流扩散方程模拟污染物在水体中的运动轨迹，完成对湖泊数模的验证；
质量运输对流扩散方程的表达式如下：
其中，表示时间，/>表示颗粒的坐标，/>表示浓度，/>表示流体运动的速度，/>水平扩散系数。
2.一种如权利要求1所述的多生境城市生态水系构建系统所执行的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；
S2、利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；
S3、利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；
S4、对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。
3.根据权利要求2所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤S2中对河湖规模进行规模评价的内容包括：水面面积、正常蓄水量、控制水位以及水深。
4.根据权利要求2所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤S3中选址的河湖进行近自然形态设计包括：水域的平面形态的设计以及底部形态的设计。
5.根据权利要求2所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤S4中对河流数模进行验证包括以下步骤：
A1、根据演进状态，建立一维水动力学模型：
其中，表示距离坐标，/>表示时间，/>表示过水断面面积，/>表示流量，/>表示水位，/>表示侧入流量，/>表示河床糙率系数，/>表示水力半径，/>表示重力加速度；
A2、根据所述一维水动学模型，利用数值解法计算得到在两个水工建筑物点的流量点和水位点；
A3、判断所述流量点和水位点是否稳定，若是，则进入步骤A4，否则，返回步骤A2；
A4、构建对流扩散模型：
其中， C 1表示浓度，D表示离散系数，K表示线性衰减系数，C 2表示源/汇浓度；
A5、利用数值解法所述对流扩散模型对水质进行耦合计算；
A6、根据耦合结果对水域的环境水质进行分析；
A7、根据所述分析结果，利用水质生态模型模拟目标水域水动力及水质的变化趋势，完成对河流数模的验证。
6.根据权利要求5所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤A5包括以下步骤：
A501、利用所述对流扩散模型计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A502、根据所述步骤A501得到的浓度，计算得到由对流扩散引起的浓度梯度；
A503、利用所述对流扩散模型中水质模块计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A504、根据所述步骤A502得到的浓度，计算得到由水质过程引起的浓度梯度；
A505、根据所述步骤A502和A504得到的浓度梯度，计算得到总的浓度梯度；
A506、利用5阶龙格-库塔方法对所述总的浓度梯度积分求解，得到第n+1时间步的物质浓度，完成对水质的耦合计算。
7.根据权利要求5所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤A7中的水质生态模型包括富营养化模块以及水质模块。
8.根据权利要求7所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述富营养化模块的模拟结果包括：浮游植物的氮磷含量、浮游植物的生长、浮游植物摄取的营养盐以及水体中无机氮和无机磷；
所述富营养化模块的状态变量的表达式如下：
其中，表示浮游植物的产碳量，/>为浮游植物光合作用生产的叶绿素量，分别表示浮游植物摄取氮和磷的量，/>分别表示浮游植物被浮游动物牧食后损失的碳、氮、磷的量，/>分别表示因浮游植物死亡损失的碳、氮、磷和叶绿素的量，/> 分别表示随浮游植物下沉损失的碳、氮、磷和叶绿素的量；
所述浮游植物生长的表达式如下：
其中，表示浮游植物的产碳量，/>表示光饱和量，/>表示实际光辐射量， />表示温度系数，/>表示水温，/>表示浮游植物生长的温度系数，/>分别表示藻类内部氮含量的最小和最大值，/> ，/>分别表示藻类磷含量的最小和最大值，/> 表示浮游植物磷的半饱和含量；
所述浮游植物摄取营养盐的表达式如下：
针对浮游植物细胞内的无机氮含量不能满足浮游植物的基本需求时：
针对浮游植物细胞内的无机氮含量达到浮游植物的基本需求时：
其中，表示氮的摄取率，/>表示氮摄取的半饱和浓度，/>表示无机营养盐迁移转化过程，/>表示水中浮游植物摄取无机氮的量，/>表示实际已有的无机氮量，/>表示碳元素的损失，/>表示浮游植物的产碳量，/>表示藻类内部氮含量的最大值；所述水体中无机氮的表达式为：
所述无机磷的表达式为：
其中，分别表示水体中的碎屑矿化分解形成的无机氮和无机磷量，/>分别表示水体中的浮游动物在呼吸作用的同时释放出的无机氮和无机磷量，/>分别表示水中浮游植物摄取无机氮和无机磷的量，/>分别表示浮游植物死亡后释放的无机氮和无机磷量，/> 分别表示底栖植物摄取无机氮和无机磷的量，/>分别表示水底栖植物呼吸作用释放的无机氮和无机磷的量。
9.根据权利要求2所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤S4中对湖泊数模进行验证包括以下步骤：
B1、根据演进状态，建立包含动量方程、连续方程以及状态方程的水动力模型；
B2、根据所述水动力模型，利用对流扩散模型构建二维曲线正交坐标系的质量运输对流扩散方程，并利用所述质量运输对流扩散方程模拟污染物在水体中的运动轨迹，完成对湖泊数模的验证。
10.根据权利要求9所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤B2中质量运输对流扩散方程的表达式如下：
其中，表示时间，/>表示颗粒的坐标，/>表示浓度，/>表示流体运动的速度，/>水平扩散系数。
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