CN113449983A - 一种新型城市湿地规划设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型城市湿地规划设计方法，包括S1、确定城区湿地建设范围、环城水系位置、上游来水导通通道和城市湿地补水水源；S2、根据水文、下垫面及城市规划，结合产汇流特征，确定城市湿地水系平面结构参数；S3、确定城市湿地水系垂向结构参数，基于水动力模型识别积水风险区，初步确定调蓄设施位置和规模；S4、构建水动力水环境耦合模型，识别城市湿地水环境风险区，确定城市湖泊湿地位置、容积及各污染物消减措施；S5、计算城市湿地生态需水量，制定城市湿地水量调度规则。本发明有利于统筹水安全、水资源、水环境等目标，保障城市安全的同时，建设水资源高效利用、水质良好和水环境风险小的高质量城市水系，可有效支撑生态城市建设。
Description
技术领域
本发明属于城市湿地规划的技术领域，具体涉及一种新型城市湿地规划设计方法。
背景技术
城市湿地将城市融入生态系统中，让大自然恩赐继续滋养城市生机城市湿地不是孤立的水体或水域，而是湿地生态系统的重要组成部分，因此，在设计和规划城市湿地时，必须考虑到其在湿地生态系统中的功能与作用，如流经城市的河流湿地，必须考虑到其调节径流、物种迁徙停歇地、河流泥沙动态、航运、旅游等功能而城中湖、沼泽地或人工湿地的恢复，必须考虑到水文因素和与河流湿地的江湖联系，包括其吸纳洪水、提供水源的功能。
河流水系及城市湿地由自然因素和人类活动共同影响形成，有着自然和经济双重属性。在进行城市建设时，城市水网的形成和发展规划普遍是依托河流、湖泊或湿地建设。随着对湿地研究的深入了解，在现在的城市建设过程中，人们越来越追求城市设施与湿地的融合，城市湿地的建设成为研究的一大热点。速城镇化(高质量)发展条件下的城市湿地建设，伴随着人口和产业必将发生跨越式增长，用水格局将发生巨大改变，需要充足的水量、优良的水质和高保证率的水资源安全保障，同时，随着我国生态文明建设的深入发展，对城市生态环境提出了打造优美生态环境，水城共荣的生态城市要求。为此，城市湿地水网规划和优化显得尤为重要。
现有的城市湿地一般是基于自然条件，以自然水系为基础，补充建设。而雄安新区、新农村建设、康养小镇等新型城市化进程中，往往自然水网不发达甚至没有自然水系，而现有技术对于自然水网不发达甚至没有自然水系的城市湿地构建，其对水资源利用效率低、水质差且水环境隐患较大，不能支撑生态良好城市建设。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种新型城市湿地规划设计方法，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种新型城市湿地规划设计方法，其包括以下步骤：
S1、根据城市规划确定城区湿地建设和控制范围，并结合地形因素确定环城水系建设位置，确定上游来水导通通道和城市湿地补水水源；
S2、根据水文、下垫面类型、地形地貌以及城市规划，分析城市产汇流特征，并结合相似城市确定城市湿地水系的平面结构参数；
S3、根据城市防洪排涝标准确定城市湿地水系的垂向结构参数，基于地形和水动力模型，识别积水风险区，初步确定调蓄设施位置和规模，并识别湖泊、调蓄池和水库面状调蓄设施设置区域；
S4、构建水动力水环境耦合模型，识别城市湿地水环境风险区，基于步骤S3中的调蓄设施确定城市湖泊湿地位置面积和容积的控制性参数，并确定城市湿地不同区域污染物的消减措施；
S5、计算城市湿地生态需水量，并制定城市湿地的水量调度规则。
进一步地，步骤S2根据水文、下垫面类型、地形地貌以及城市规划，分析城市产汇流特征，并结合相似城市确定城市湿地平面结构参数，包括：
S2.1、采用降雨频率分布曲线分析研究区的场次降雨，获取不同降雨频率下的场次降雨；
S2.2、根据研究区域规划后的土地利用情景，计算研究区的径流系数；
S2.3、根据研究区的地理位置、降雨情景和城市定位选取与研究区环境相似的城市作为相似城市；
S2.4、提取相似城市水系的遥感影像数据，并采用归一化差异水体指数法进行数据提取；
S2.5、对提取的完整水系进行分级，并采用不同的水系特征参数分析水系结构。
进一步地，步骤S2.4中采用归一化差异水体指数法进行数据提取，包括：
其中，MNDWI为归一化差异水体指数，b1为绿色波段，b2为中红外波段。
进一步地，步骤S2.5中水系特征参数包括河网密度、水面率、河网发育系数和面积长度，并将河网密度、水面率、河网发育系数和面积长度作为控制性参数，规划水系平面结构。
进一步地，步骤S3中基于地形和水动力模型，并根据城市防洪排涝标准确定城市湿地垂向结构参数，包括：
S3.1、根据各级河流的功能确定各断面，将断面设置为深槽+浅滩的结构模式，其中，深槽常年有水，用于满足日常景观与需求，浅滩用于收集降雨径流，且各级河段均设置水位控制堰，用于确保水系水文满足生态景观需求；
S3.2、根据规划的水系构建研究区的水动力模型：
S3.3、采用水动力模型模拟不同降雨情景下的河流水动力情况，并分析各节点的水位，其中，水位随时间的变化过程为：
其中，f(t)为水深，m1、m2、m3、n1、n2、n3、o1、o2、o3为浓度随时间变化的常数参数；当节点水位超过管段允许水位时，则所述节点发生溢流，并判断所述节点所在的河段为风险河段，需对河段的水位进行提前调控；
在河流溢流严重区域，沿河段建设湖泊、调蓄池、水库调蓄设施，调蓄设施的库容量根据河段溢流量及城市无内涝防洪标准确定：
V＝hj×Aj+Vy
其中，V为湖泊蓄存变化体积；Aj为起步区面积；hj为湖泊需储存的雨水深度；Vy为河道溢流体积。
进一步地，步骤S3.2中根据规划的水系构建研究区的水动力模型，并采用动态波模拟水动力演算，包括：
动量方程为：
连续方程为：
其中，
为压力和重力项；
为对流加速；
为进出控制单元体的流量变化项；
为控制单元中的水体体积变化项，g为重力加速度，A为过水断面面积，h为过水断面的水深，x为距水道某固定断面沿流程的距离，Q为断面流量，t为时间，Sf为由于摩阻损失而引起的能量比降。
进一步地，步骤S4还包括河流污染物的模拟：
其中，C为河道中及排除河道中的污染物浓度；V为管道中水体体积；Qi为管道的入流量；Ci为入流的污染物浓度；Q为河道的出流量；K为一级衰减系数；L为管道中污染物的源汇项。
进一步地，S4中识别城市湿地水环境风险区，并确定城市湿地不同区域污染物的消减措施，包括：
S4.1、确定分析的污染物种类COD、TN和TP；
S4.2、定义产生COD、TN和TP污染物的土地利用类型；
S4.3、设置径流水质的增长和冲刷函数的参数：
污染物指数增长函数为：
其中，B为污染物增长累计量，C1为最大增长可能；C2为增长速率常数；
污染物指数冲刷函数：
其中，W为冲刷负荷，C3为冲刷系数；C4为冲刷指数；q为单位面积的径流速率；
S4.4、通过土地利用赋值对话框，对不同汇水面积上的土地利用类型比例进行赋值，并保证各汇水面积上的不同土地利用类型比例之和为1；
S4.5、识别水质风险区，选定消减措施，具体包括：
其中，y(t)为污染物浓度，a1、a2、b1、b2、c1、c2为浓度随时间变化的常数参数；
当y′(t)＝0时，得到浓度的极值即为污染物浓度的极值和污染物浓度极值出现的是时间，根据水体中污染物浓度标准判断河段是否为水质风险区，若污染物浓度极值超出水体污染物浓度标准，则判断河段为水质风险河段，河段上游的陆地区域为水质风险区；
对COD超标的河段，采用增氧推流的方法改善水质，通过砾间接触氧化方法，降低河流中的COD浓度；
对TP、TN超标的河段，采用植物立体化配置方法，在子汇水区进行植物优化配置，选取本土优势水生植物进行种植；
根据污染物浓度超标时长确定污染物消减措施的主建设区域，当污染物浓度超标小于30分钟时，以建设陆面消减措施为主，选择透水基面+草坡护岸组合方法降低径流中的污染物浓度；
当污染物浓度超标超过30分钟时，以建设陆面+湖泊+湿地类消减措施为主，选择砾间接触氧化方法和湿地植物优化配置方法降低径流中的污染物浓度；
当区域即存在积水风险，又存在水质风险时，则在对应区域建立兼具调蓄储存水量和缓解水质的湿地措施。
进一步地，步骤S5中计算城市湿地生态需水量，并制定城市湿地的水量调度规则，包括：
S5.1、确定河流生态需水量的组成，包括河段生态需水量以及与河段连接的湿地生态需水量：
Qt＝max(Qat，Qbt，Qct)+Qdt+Qet
其中，Qt为第t时段上的河流生态需水总量，Qat为第t时段河流生态基流量、Qbt为第t时段河道为维持水质所需的生态换水量、Qct为第t时段河流其他功能需水量、Qdt为第t时段河流渗透消耗量、Qet为第t时段河流蒸散消耗量；
S5.2、根据区域居民的生活作息以及除去每年的年平均降雨天数和冬季冰冻时长，保证河流水系在剩余80％的时间内有80％的河道可以保持在流速所需要的流量；
S5.3、计算河流渗透消耗量：
Qdt＝K×Adt
其中，Qdt为河流渗透消耗量，K为渗透系数；Adt为水面面积；
S5.4、计算河流蒸散消耗量：
Qet＝AwtEt+AptEp
其中，ETt＝ET0KcKs为河流蒸散发需水量，Awt、Apt为水面和植被面积；Et为河流蒸散发量，Eo为植被蒸散发量；
计算植被蒸散需水量：
QE＝Apt*EP
其中，QE为植被蒸散需水量，Ep为植被蒸散量；
采用基于Penman-Monteith公式的能量平衡-空气动力学阻抗联合法计算植被蒸散量Ep：
EP＝ET0*Kc*Ks
其中，ET0为参考植物蒸散速率，Kc为植物系数，Ks为土壤水分限制系数；
计算河流水量耗损中的水面蒸发：
QE＝(Et-P)×Awt Et>P
QE＝0 Et<P
其中，QE为水面蒸发需水量，E为各月平均蒸发量，P为各月平均降水量；
S5.5、计算河道为维持水质所需的生态换水量：
当湖泊、景观河流自身不能净化输入的污染物，采用人工换水，换水的年需水量为：
Qbt＝AbtHUh
其中，Qbt为河流在t时间维持自净需水量，Abt为河流面积，H为河流的基本水深，Uh为换水系数；
当换水系数Uh为4/3～2时，河流水质达到最佳状态；当换水系数Uh为4/5～4/3时，水质中等；当换水系数Uh小于4/5时，水质得不到保证；
S5.6、生态需水调控，具体包括：
根据不同情景进行生态需水调控；
根据不同季节，包括冬季河流需补水量和非冬季河流需补水量进行生态需水调控；
根据丰平枯降雨水平年，包括丰、平、枯水年河流需补水量进行生态需水调控。
本发明提供的新型城市湿地规划设计方法，具有以下有益效果：
本发明有利于统筹实现水安全、水资源、水环境等综合目标，保障城市安全的同时，建设水资源利用效率高、水质良好和水环境风险小的高质量城市水系，可有效支撑生态良好城市的建设。
附图说明
图1为新型城市湿地规划设计方法的流程图。
图2为溢流河段图。
图3为COD风险区示意图。
图4为TN风险区示意图。
图5为水质风险区示意图。
图6为雄安新区起步区水系湖泊分布图。
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。
根据本申请的实施例一，参考图1，本方案的新型城市湿地规划设计方法，其包括：
步骤S1、根据城市规划确定城区湿地建设和控制范围，并结合地形因素确定环城水系建设位置，确定上游来水导通通道和城市湿地补水水源；
步骤S2、根据水文、下垫面类型、地形地貌以及城市规划，分析城市产汇流特征，并结合相似城市确定城市湿地水系的平面结构参数的取值范围；
步骤S3、根据城市防洪排涝标准确定城市湿地水系的垂向结构参数，基于地形和水动力模型，识别积水风险区，初步确定调蓄设施位置和规模，并识别湖泊、调蓄池和水库面状调蓄设施设置区域；
步骤S4、构建水动力水环境耦合模型，识别城市湿地水环境风险区，基于步骤S3中的调蓄设施确定城市湖泊湿地位置面积和容积的控制性参数，并确定城市湿地不同区域污染物的消减措施；
步骤S5、计算城市湿地生态需水量，并制定城市湿地的水量调度规则
根据本申请的实施例二，本方案将对实施例一进行详细描述，其具体包括：
步骤S1、上游导水水系和城区水系水源设计，其具体包括：
根据城市规划确定城区湿地建设和控制范围，结合地形等因素确定环城水系建设位置，选定上游来水导通通道和城市湿地补水水源。
如根据雄安新区的规划，雄安新区起步区位于华北平原的河北省境内，在容城、安新两县交界区域，三面临水。起步区东依白沟引河，西靠萍河，南边通过大庄渠与白洋淀接壤。三条河流相互连接，形成起步区的环城水系。环城水系外分洪水，阻断外界洪水进入起步区，将起步区与外界隔开。起步区内部没有天然河流，修建水系后，主要通过环城水系进行补水。城区补水位置结合当地河流流向，设置在环城水系上游。换成水系的防洪措施参考《城市河道防洪排涝规划》和《雄安新区控详规》，选为百年一遇。
步骤S2、确定城市湿地平面结构参数，根据水文、下垫面类型、地形地貌以及城市规划，分析城市产汇流特征，并结合相似城市确定城市湿地平面结构参数，并分析水系河流的结构参数，其具体包括：
步骤S2.1、采用降雨频率分布曲线对研究区的场次降雨进行分析，获取不同降雨频率下的场次降雨。
步骤S2.2、通过分析区域规划后的土地利用情景，对研究区的径流系数进行计算。
步骤S2.3、根据研究区的地理位置、降雨情景和城市定位选取与研究区环境相似的城市作为相似城市用于确定研究区的水系结构参数。
步骤S2.4、确定相似城市后，采用遥感影像对相似城市的水系进行提取，并利用归一化差异水体指数(MNDWI)法进行提取：
其中，b1为绿色波段，b2为中红外波段。
步骤S2.5、对提取的完整水系进行分级，根据平原地区河流划分标准进行分级，选取河流宽度为参考指标，将水系分成3级，一级河流，河宽大于40m；二级河流，宽度大于20m；三级河流，河宽为0m-20m。在此基础上，选用不同的水系特征参数分析水系结构，并采用不同的水系特征参数分析水系结构。
本实施例从水系的一般特征和结构特征两方面选用河网密度、水面率、河网发育系数和面积长度比4个结构参数进行水系结构的分析，并将河网密度、水面率、河网发育系数和面积长度作为控制性参数，规划水系平面结构。4个特征参数的意义和公式见下表1；
表1
由此对研究区的水系结构进行规划，确定研究区的水系结构及分布。
步骤S3、确定城市湿地垂向结构参数；结合地形和水动力模型，根据城市防洪排涝标准，确定排水城市湿地一级、二级、三级水网排水能力和断面参数。识别排水水系风险区，增设湿地公园等调蓄设施。水网兼顾排水和水生态需求，采取深槽+水位控制堰+浅滩的组合模式设计。
步骤S3.1、确定各级河流的主要功能确定各断面；
断面设置为深槽+浅滩的模式，深槽常年有水，满足日常景观与需求，浅滩用于收集降雨径流，各级河段均设置水位控制堰，以确保水系水文满足生态景观需求。
步骤S3.2、根据规划的水系对研究区进行水动力建模：
水动力演算选用动态波模拟：
动量方程为：
连续方程为：
其中，
为压力和重力项；
为对流加速；
为进出控制单元体的流量变化项；
为控制单元中的水体体积变化项，g为重力加速度，A为过水断面面积，h为过水断面的水深，x为距水道某固定断面沿流程的距离，Q为断面流量，t为时间，Sf为由于摩阻损失而引起的能量比降。
其中，水动力建模的步骤，包括：
(1)研究区子汇水区划分:选用人工划分的方法对研究区进行子汇水区划分。
(2)河道数据处理：以开口明渠模拟河流，在河流弯曲处设置节点加以连接。将整个水系概化为“节点”与“管段”组成的网络系统。
(3)降雨时间序列：采用暴雨强度公式计算降雨，芝加哥雨型进行2小时典型降雨过程分配，时间步长1min，雨峰r＝0.4。
式中：q为设计暴雨强度[L/(s·hm2]；t为降雨历时(min)；P为设计重现期(a)；A1、C、n和b为参数，取值参考同济大学解析法分析的结果。A1＝14.973、c＝0.686、b＝13.877、n＝0.776
(4)模型验证率定：以径流系数为验证指标，采用综合径流系数法进行验证。
步骤S3.3、采用模型模拟不同降雨情景下的河流水动力情况，分析各节点的水位；
其中，水位随时间的变化过程为：
其中，f(t)为水深，m1、m2、m3、n1、n2、n3、o1、o2、o3为浓度随时间变化的常数参数；当节点水位超过管段允许水位时，则认为该节点发生溢流，该节点所在的河段为风险河段，需要对该河段的水位进行提前调控。
在河流溢流严重区域，沿河段建设湖泊、调蓄池、水库调蓄设施，调蓄设施的库容量根据河段溢流量及城市无内涝防洪标准确定：
V＝hj×Aj+Vy
其中，V为湖泊蓄存变化体积；Aj为起步区面积；hj为湖泊需储存的雨水深度，由无内涝城市防洪规范及城市的径流控制率所共同决定；Vy为河道溢流体积。
参考图6，新型城市的径流控制率一般要求控制在80-85％之上，针对城市排涝河道(内河)、湖泊等排涝标准的重现期相对较高，一般包括5年、10年、30年、50年等。雄安新区属于高质量高发展的新型城市，因此年径流控制率控制在95％，排涝标准的重现期选为50年。95％年径流控制流对应的降雨为45.52mm，50年一遇的日降雨为56.96mm，因此雄安新区湖泊需储存的雨水深度为两者差值，11.44mm。新区起步区面积为193.27km2，湖泊蓄存变化体积为232.12万立方米。
参考图2，溢流河段如图所示，需要在这些河段设置调蓄设施。
步骤S4、识别湿地系统的水环境风险区，确定城市湿地水质消减能力，水环境风险区包括积水风险区和水质风险区。
首先，模拟河流污染物：
其中，C为河道中及排除河道中的污染物浓度(kg/m3)，V为管道中水体体积(m3)，Qi为管道的入流量(m3/s)，Ci为入流的污染物浓度(kg/m3)，Q为河道的出流量(m3/s)，K为一级衰减系数(S-1)，L为管道中污染物的源汇项(kg/s)。
其中，对水质风险区的识别和消减措施确定的步骤，包括：
步骤S4.1、确定需要分析的污染物；
根据城市周边易产生的污染物和城市水体中易超标的污染物，本实施例确定需要分析的三种污染物是COD、TN和TP。
步骤S4.2、定义产生COD、TN和TP污染物的土地利用类型；
不同的用地类型产生的污染物种类以及污染物增长速率不一样，每一种用地性质对应的特色污染物和增长速度都不一样，所以土地类型应该查询相应的当地的规划，查询用地属性。常用的土地利用类型有三种：居住用地、建筑用地和城市绿地，也可根据实际情况做调整。
步骤S4.3、设置径流水质的增长和冲刷函数的参数；
对不同土地利用类型的增长属性和冲刷属性进行编辑(冲刷即可大致认为在这块土地上污染物质收到径流冲刷时，污染物质的浓度会发生变化)。
本实施例的增长函数和冲刷函数均采用指数函数：
污染物指数增长函数，增长遵从指数增长曲线，渐近达到最大限值：
其中，B为污染物增长累计量，C1为最大增长可能，C2为增长速率常数(1/日)。
污染物指数冲刷函数：冲刷负荷(W)单位为质量每小时，正比于径流的C2次幂，与增长剩余量的乘积。
其中，W为冲刷负荷，C3为冲刷系数，C4为冲刷指数，q为单位面积的径流速率(mm/小时或英寸/小时)，B为污染物增长，质量单位。
关于公式中参数的选取可查阅相关文献，本实施例中的参数选取见表2：
表2
关于街道清扫设置，针对不同的土地利用类型分别设置，一般建筑用地为一日一清扫，清扫效率为50-80％，本次研究实例选为70％；居民用地为一日一清扫，清扫效率为40％-70％，本次研究实例选为50％，城市绿地不设清扫。
步骤S4.4、将土地利用赋值到每一汇水面积上：
通过土地利用赋值对话框，对不同汇水面积上的土地利用类型比例进行赋值，并保证各汇水面积上的不同土地利用类型比例之和为1。
步骤S4.5、识别水质污染风险区，并建立相应措施进行改善，其具体包括：
运行搭建好的模型，确定不同河流中的污染物浓度；
浓度随时间的变化过程公式为：
其中，y(t)为污染物浓度，a1、a2、b1、b2、c1、c2为浓度随时间变化的常数参数；y′(t)＝0时，得到浓度的极值，即为污染物浓度的极值和污染物浓度极值出现的是时间，根据水体中污染物浓度标准判断河段是否为水质风险区，若污染物浓度极值超出水体污染物浓度标准，则判断河段为水质风险河段，河段上游的陆地区域认定为水质风险区。
本实例中TP整体稳定，没有超标，COD和TN的超标区域如图3和图4所示：两者都超标的区域如图5所示。
针对超标污染物类型的不同，在河道附近设置不同的生态措施改善其水质。
针对COD超标的河段，采用增氧推流的方法进行改善，通过砾间接触氧化方法，降低河流中的COD浓度。
针对TP、TN超标的河段，实施植物立体化配置技术，在子汇水区进行植物优化配置，选取本土优势水生植物进行种植，以此降低水体富营养化、增强河道的自净能力。同时也起到美化河岸、提升生态功能和生态服务功能的作用。
根据污染物浓度超标时长确定污染物消减措施的主要建设区域，当污染物浓度超标小于30分钟时，主要以建设陆面消减措施为主，选择透水基面+草坡护岸组合技术来降低径流中的污染物浓度。
当污染物浓度超标超过30分钟时，以建设陆面+湖泊+湿地类消减措施为主，选择砾间接触氧化方法和湿地植物优化配置方法降低径流中的污染物浓度。
当区域即存在积水风险，又存在水质风险时，需要在该区域建立兼具调蓄储存水量和缓解水质的湿地措施。
步骤S5、确定城市湿地生态需水量和调度规则，具体为综合考虑湿地蒸发、渗漏，景观流速，水质保障的换水和稀释等耗水量，结合不同降雨水平年，计算生态需补水量，确定不同情景下的需补水量。
分别确定日常、降雨期间等典型条件下的湿地水量调度规则，如日常补水量、景观水体宽深、水体流动时间和位置、换水时间、降雨预测与水量调度等，其具体包括：
步骤S5.1、确定河流生态需水量组成，其具体包括：
主要由河段生态需水量以及与河段连接的湿地生态需水量组合构成，包括河流蒸散通量、渗漏通量、如生物消耗、河流生态系统基流、河流维持自净流量、河流景观流量等，具体为：
Qt＝max(Qat，Qbt，Qct)+Qdt+Qet
其中，Qt为第t时段上的河流生态需水总量，Qat为第t时段河流生态基流量、Qbt为第t时段河道为维持水质所需的生态换水量、Qct为第t时段河流其他功能需水量、Qdt为第t时段河流渗透消耗量、Qet为第t时段河流蒸散消耗量。
步骤S5.2、计算生态基流量，其具体包括：
对于人工修建的河流，流速和河道断面受人工调控的可操作性较大。对于河流流速的选择，查阅文献和生态城市建设标准，选取适合该区域的流速，结合该区域居民的生活作息，除去每年的年平均降雨天数和冬季冰冻时长，保证河流水系在剩余80％的时间内有80％的河道可以保持该流速所需要的流量。
步骤S5.3、计算河流渗透消耗量：
Qdt＝K×Adt
其中，Qdt为河流渗透需水量，K为为渗透系数，K的取值要综合考虑河流所处的位置，及河流的防渗漏情况；Adt为水面面积
步骤S5.4、计算河流蒸散消耗量：
Qet＝AwtEt+AptEp
其中，ETt＝ET0KcKs为河流蒸散发需水量，Awt、Apt为水面和植被面积；Et为河流蒸散发量，Ep为植被蒸散发量。
植被蒸散需水量是指植物在生长过程中蒸发所消耗的水资源量：
QE＝Apt*EP
其中，QE为植被蒸散需水量；Ep为植被蒸散量，mm/d。
采用基于Penman-Monteith公式的能量平衡-空气动力学阻抗联合法计算植被蒸散量Ep：
EP＝ET0*Kc*Ks
其中，ET0为参考植物蒸散速率，Kc为植物系数，Ks为土壤水分限制系数，由于本例中只计算河道和湖泊的城市湿地类型，通常取值为1。
河流水量耗损的重要途径之一为水面蒸发：
QE＝(Et-P)×Awt Et>P
QE＝0 Et<P
其中，QE为水面蒸发需水量(m3)；Et为各月平均蒸发量(m)；P为各月平均降水量(m)；其中，A＝B*L，其中，B为平均水面宽(m)；L为河长(m)。
步骤S5.5、计算河道为维持水质所需的生态换水量，其具体包括：
当湖泊、景观河流自身不能净化输入的污染物，人工换水成为一种解决办法，实质是促进水体流动起来，换水量和次数由相关部门规划而来，模拟河湖自身换水周期将达到最佳效果，换水的年需水量为：
Qbt＝AbtHUh
其中，Qbt为河流在t时间维持自净需水量；Abt为河流面积；H为河流的基本水深；Uh为换水系数，通常根据换水周期、换水频率或换水量比率推算。
当换水系数Uh为4/3～2时，河流水质达到最佳状态；当换水系数Uh在4/5～4/3时，水质中等；当换水系数Uh小于4/5时，水质得不到保证。
步骤S5.6、生态需水调控，其具体包括：
根据不同情景进行城市生态需水的补充调控。
根据季节不同，可以分为冬季河流需补水量和非冬季河流需补水量；河流冬季的消耗量主要为蒸发和渗漏耗水量；非冬季的消耗量还包括维持河道流速的消耗量；根据水流流速的需求的不同，可以分为有流速要求时的河流需补水量和无流速要求的河流需补水量。
根据丰平枯降雨水平年，可分为丰、平、枯水年河流需补水量。
根据起步区的不同情景，对起步区的水量进行调控。根据不同时间段对水量进行调控时，主要分为两种情况。
冬季补水量：
消耗为蒸发和渗漏，计算平均每日的蒸发和渗漏，如表3所示，起步区在冬季冰期，只有蒸发和渗透消耗，查阅相关文献，起步区去的冰期为每年的1、2和12月(共92天)。
表3冬季补水量计算表
非冬季补水量(按引水口的引水流量)：
非冬季的补水量可分为两个时段计算，一个时段时是早8点到晚8点，另一个时段是晚8点到次日早8点。
早8点到晚8点：
起步区在早上8点到晚上8点，除了蒸发和渗透消耗，还有维持河流流速的水量消耗，如表4所示。
表4非冬季补水-白天
晚8点到次日早8点：消耗是蒸发和渗漏
起步区在每天晚上8点到次日早上八点，只有蒸发和渗透消耗，如表5所示。
表5非冬季补水-白天
不同水平年补水排水量(按年算)：
丰水年补水量就是计算的生态需水总量。
根据不同水平面对水量进行调控时，主要分为丰平枯水年3种情况。
丰水年的生态需补水量为9889.30万立方米，平水年的为10016.41万立方米，枯水年的生态需水总量为10422.99万立方米。
本发明有利于统筹实现水安全、水资源、水环境等综合目标，保障城市安全的同时，建设水资源利用效率高、水质良好和水环境风险小的高质量城市水系，可有效支撑生态良好城市的建设。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据城市规划确定城区湿地建设和控制范围，并结合地形因素确定环城水系建设位置，确定上游来水导通通道和城市湿地补水水源；
S2、根据水文、下垫面类型、地形地貌以及城市规划，分析城市产汇流特征，并结合相似城市确定城市湿地水系的平面结构参数；
S3、根据城市防洪排涝标准确定城市湿地水系的垂向结构参数，基于地形和水动力模型，识别积水风险区，初步确定调蓄设施位置和规模，并识别湖泊、调蓄池和水库面状调蓄设施设置区域；
S4、构建水动力水环境耦合模型，识别城市湿地水环境风险区，基于步骤S3中的调蓄设施确定城市湖泊湿地位置面积和容积的控制性参数，并确定城市湿地不同区域污染物的消减措施；
S5、计算城市湿地生态需水量，并制定城市湿地的水量调度规则。
2.根据权利要求1所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述步骤S2根据水文、下垫面类型、地形地貌以及城市规划，分析城市产汇流特征，并结合相似城市确定城市湿地平面结构参数，包括：
S2.1、采用降雨频率分布曲线分析研究区的场次降雨，获取不同降雨频率下的场次降雨；
S2.2、根据研究区域规划后的土地利用情景，计算研究区的径流系数；
S2.3、根据研究区的地理位置、降雨情景和城市定位选取与研究区环境相似的城市作为相似城市；
S2.4、提取相似城市水系的遥感影像数据，并采用归一化差异水体指数法进行数据提取；
S2.5、对提取的完整水系进行分级，并采用不同的水系特征参数分析水系结构。
3.根据权利要求2所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述步骤S2.4中采用归一化差异水体指数法进行数据提取，包括：
其中，MNDWI为归一化差异水体指数，b1为绿色波段，b2为中红外波段。
4.根据权利要求2所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述步骤S2.5中水系特征参数包括河网密度、水面率、河网发育系数和面积长度，并将河网密度、水面率、河网发育系数和面积长度作为控制性参数，规划水系平面结构。
5.根据权利要求1所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述步骤S3中基于地形和水动力模型，并根据城市防洪排涝标准确定城市湿地垂向结构参数，包括：
S3.1、根据各级河流的功能确定各断面，将断面设置为深槽+浅滩的结构模式，其中，深槽常年有水，用于满足日常景观与需求，浅滩用于收集降雨径流，且各级河段均设置水位控制堰，用于确保水系水文满足生态景观需求；
S3.2、根据规划的水系构建研究区的水动力模型：
S3.3、采用水动力模型模拟不同降雨情景下的河流水动力情况，并分析各节点的水位，其中，水位随时间的变化过程为：
其中，f(t)为水深，m1、m2、m3、n1、n2、n3、o1、o2、o3为浓度随时间变化的常数参数；当节点水位超过管段允许水位时，则所述节点发生溢流，并判断所述节点所在的河段为风险河段，需对河段的水位进行提前调控；
在河流溢流严重区域，沿河段建设湖泊、调蓄池、水库调蓄设施，调蓄设施的库容量根据河段溢流量及城市无内涝防洪标准确定：
V＝hj×Aj+Vy
其中，V为湖泊蓄存变化体积；Aj为起步区面积；hj为湖泊需储存的雨水深度；Vy为河道溢流体积。
6.根据权利要求5所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述步骤S3.2中根据规划的水系构建研究区的水动力模型，并采用动态波模拟水动力演算，包括：
动量方程为：
连续方程为：
其中，
为压力和重力项；
为对流加速；
为进出控制单元体的流量变化项；
为控制单元中的水体体积变化项，g为重力加速度，A为过水断面面积，h为过水断面的水深，x为距水道某固定断面沿流程的距离，Q为断面流量，t为时间，Sf为由于摩阻损失而引起的能量比降。
7.根据权利要求1所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述步骤S4还包括河流污染物的模拟：
其中，C为河道中及排除河道中的污染物浓度；V为管道中水体体积；Qi为管道的入流量；Ci为入流的污染物浓度；Q为河道的出流量；K为一级衰减系数；L为管道中污染物的源汇项。
8.根据权利要求7所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述S4中识别城市湿地水环境风险区，并确定城市湿地不同区域污染物的消减措施，包括：
S4.1、确定分析的污染物种类COD、TN和TP；
S4.2、定义产生COD、TN和TP污染物的土地利用类型；
S4.3、设置径流水质的增长和冲刷函数的参数：
污染物指数增长函数为：
其中，B为污染物增长累计量，C1为最大增长可能；C2为增长速率常数；
污染物指数冲刷函数：
其中，W为冲刷负荷，C3为冲刷系数；C47为冲刷指数；q为单位面积的径流速率；
S4.4、通过土地利用赋值对话框，对不同汇水面积上的土地利用类型比例进行赋值，并保证各汇水面积上的不同土地利用类型比例之和为1；
S4.5、识别水质风险区，选定消减措施，具体包括：
其中，y(t)为污染物浓度，a1、a2、b1、b2、c1、c2为浓度随时间变化的常数参数；
当y′(t)＝0时，得到浓度的极值即为污染物浓度的极值和污染物浓度极值出现的是时间，根据水体中污染物浓度标准判断河段是否为水质风险区，若污染物浓度极值超出水体污染物浓度标准，则判断河段为水质风险河段，河段上游的陆地区域为水质风险区；
对COD超标的河段，采用增氧推流的方法改善水质，通过砾间接触氧化方法，降低河流中的COD浓度；
对TP、TN超标的河段，采用植物立体化配置方法，在子汇水区进行植物优化配置，选取本土优势水生植物进行种植；
根据污染物浓度超标时长确定污染物消减措施的主建设区域，当污染物浓度超标小于30分钟时，以建设陆面消减措施为主，选择透水基面+草坡护岸组合方法降低径流中的污染物浓度；
当污染物浓度超标超过30分钟时，以建设陆面+湖泊+湿地类消减措施为主，选择砾间接触氧化方法和湿地植物优化配置方法降低径流中的污染物浓度；
当区域即存在积水风险，又存在水质风险时，则在对应区域建立兼具调蓄储存水量和缓解水质的湿地措施。
9.根据权利要求1所述的新型城市湿地规划设计方法，其特征在于，所述步骤S5中计算城市湿地生态需水量，并制定城市湿地的水量调度规则，包括：
S5.1、确定河流生态需水量的组成，包括河段生态需水量以及与河段连接的湿地生态需水量：
Qt＝max(Qat，Qbt，Qct)+Qdt+Qet
其中，Qt为第t时段上的河流生态需水总量，Qat为第t时段河流生态基流量、Qbt为第t时段河道为维持水质所需的生态换水量、Qct为第t时段河流其他功能需水量、Qdt为第t时段河流渗透消耗量、Qet为第t时段河流蒸散消耗量；
S5.2、根据区域居民的生活作息以及除去每年的年平均降雨天数和冬季冰冻时长，保证河流水系在剩余80％的时间内有80％的河道可以保持在流速所需要的流量；
S5.3、计算河流渗透消耗量：
Qdt＝K×Adt
其中，Qdt为河流渗透消耗量，K为渗透系数；Adt为水面面积；
S5.4、计算河流蒸散消耗量：
Qet＝AwtEt+AptEp
其中，ETt＝ET0KcKs为河流蒸散发需水量，Awt、Apt为水面和植被面积；Et为河流蒸散发量，Eo为植被蒸散发量；
计算植被蒸散需水量：
QE＝Apt*EP
其中，QE为植被蒸散需水量，Ep为植被蒸散量；
采用基于Penman-Monteith公式的能量平衡-空气动力学阻抗联合法计算植被蒸散量Ep：
EP＝ET0*Kc*Ks
其中，ET0为参考植物蒸散速率，Kc为植物系数，Ks为土壤水分限制系数；
计算河流水量耗损中的水面蒸发：
QE＝(Et-P)×Awt Et>P
QE＝0 Et<P
其中，QE为水面蒸发需水量，E为各月平均蒸发量，P为各月平均降水量；
S5.5、计算河道为维持水质所需的生态换水量：
当湖泊、景观河流自身不能净化输入的污染物，采用人工换水，换水的年需水量为：
Qbt＝AbtHUh
其中，Qbt为河流在t时间维持自净需水量，Abt为河流面积，H为河流的基本水深，Uh为换水系数；
当换水系数Uh为4/3～2时，河流水质达到最佳状态；当换水系数Uh为4/5～4/3时，水质中等；当换水系数Uh小于4/5时，水质得不到保证；
S5.6、生态需水调控，具体包括：
根据不同情景进行生态需水调控；
根据不同季节，包括冬季河流需补水量和非冬季河流需补水量进行生态需水调控；
根据丰平枯降雨水平年，包括丰、平、枯水年河流需补水量进行生态需水调控。
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|---|---|
| CN113449983B (zh) | 2024-01-05 |
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