景观格局汇水单元法与城区水量水质模拟研究.pdf

第 卷第 期 年 月中国水利水电科学研究院学报（中英文），收稿日期：；网络首发时间：网络首发地址：?基金项目：国家自然科学基金项目（）；国家重点研发计划项目（）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费项目（，）作者简介：李木子（），硕士生，主要从事流域水环境过程模拟研究。：通信作者：刘晓波（），博士生导师，正高级工程师，主要从事水环境数值模拟和水利工程环境影响研究。：文章编号：（）景观格局汇水单元法与城区水量水质模拟研究李木子，陈学凯，刘晓波，董飞，任俊旭，张玉林（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 ；水利部京津冀水安全保障重点实验室，北京 ；重庆三峡学院 环境与化学工程学院，重庆 ；中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 ）摘要：景观多样性有助于提高城市韧性，但其可能带来的透水斑块破碎化和廊道连通度的改变，会影响城区非点源污染的产生输移特性。传统对非点源污染的定量评估忽略了汇水单元内部景观格局（形状、比例和空间配置）对物质输移的影响，是导致模拟精度偏低的主要原因。针对这一问题，本研究结合遥感影像和城市景观格局分布特征，构建了基于景观格局的汇水单元划分方法（景观格局法）。采用 模型，以巢湖一级支流十五里河为对象展开研究，结果表明：（）基于实测数据进行验证，采用景观格局法模拟各项指标（水量、和 ）的纳什效率系数（）均大于 ，结果可靠；（）与传统方法（泰森多边形划分汇水单元）相比，水量模拟精度（以 计）提高 ，水质模拟精度提高 ；（）与泰森多边形法相比，景观格局法计算的入河总水量和污染总负荷较低，且污染物浓度峰值滞后；（）景观格局法通过改变汇水单元之间的水力联系，模拟出污染物冲刷减弱，初期雨水冲刷效应降低，且随着重现期的加大，降低初期雨水冲刷强度的效果越明显，表明一定程度上景观类型多样化有助于缓解瞬时高强度污染影响。本研究构建的方法充分考虑了城市斑块内部的景观格局分布特征和水力联系，可为城区面源污染输出控制提供新的评估手段。关键词：城镇建成区；景观格局；模拟；水量；水质；中图分类号：文献标识码：?研究背景城市面源污染是影响城区河湖水质波动的主要原因 ，随着城市发展的需求，城区景观格局呈现出多样化、破碎化的特征，影响了城区地表产汇流过程和面源污染冲刷过程 。为了精准刻画复杂城区景观格局下的城区面源污染输出过程，刘家宏等 采用城市内涝数值模型，建立了 种不同城市下垫面的空间格局模型，并模拟 种降雨条件下的城市内涝过程，结果表明城市下垫面的空间格局对内涝淹没特征值等均有明显影响作用；王孟文等 基于实地监测和 技术，以栖霞市为研究区域，对不同尺度下的景观格局和面源污染浓度进行相关性分析，得出部分污染负荷与景观空间分布的相关系数可达 ，呈显著正相关关系；郑宇等 为定量研究韩江区域的面源污染情况，建立了城区水文水质模型，并采用线性回归等方法分析了景观格局指数与污染物质量浓度变化量之间的关系，最终发现景观指标能解释 的面源污染变化；徐茹洁等 基于“源 汇”理论，选定了丹江口库区内胡家山小流域展开研究，在卫星遥感影像的基础上，结合景观格局的空间配置，确定出风险区主要位于流域中南部，且面积为 ；等 基于数值模拟讨论分析了小尺度城区空间下，透水面和不透水面之间的连通性对于降雨径流变化过程的影响；等 考察了伊朗德黑兰流域的景观格局变化对于五种重金属污染负荷的影响，分析得到土地利用类型以工业用地为主时，输出的污染负荷最大；等 利用里海盆地西南部 个集水区的空间数据，通过多元线性回归模型研究了景观格局变化对水质的影响，得出二者的相关系数最高为 ，且景观分布的不连通性会导致污染负荷增加；等 通过分类讨论美国南部不同景观格局中污染物的积累和分布特征，确定出铅污染负荷对于景观格局变化的敏感性最高。众多学者认为，城区景观格局的复杂性主要体现在汇水单元之间的水量衔接和污染物冲刷路径上 ，因此，汇水单元划分的合理性是影响城区面源污染输出负荷模拟精度的重要原因。针对上述问题，本研究首先基于遥感影像和城区景观分布特征，建立了基于景观格局的汇水单元划分方法；其次以巢湖一级支流十五里河为研究对象，构建了基于景观格局分布的十五里河全流域面源污染模型，并选取天鹅湖坝下排口和广福花园排口，采用场次降水水量水质监测数据验证模型的合理性；然后利用不同重现期的设计降水，在天鹅湖坝下排口对应区域分析了水量水质对于汇水单元划分的敏感性；最后对两种不同汇水单元划分方法的模型进行分类讨论，考查其在不同重现期下的初期雨水冲刷强度。资料与方法 研究区域概况十五里河流域位于合肥市西南部，发源于大蜀山东南麓，地形以平原和丘陵为主，地势西北高东南低，最后汇入巢湖，如图 所示。其中 到 是根据 合肥市十五里河流域城市排水（雨水）分区规划总图 划分的 个排水区。十五里河是巢湖的一级支流，其水量水质变化对合肥市城市景观和巢湖生态环境有重要影响。汇水面积（包括塘西河上游）约 ，其中建筑用地为 ，占总面积的 ；交通用地为 ，占总面积的 ；绿地和其他用地为 ，占总面积的 ；水域面积为 ，占总面积的 。十五里河流域的入河水系包括：上游的匡河和天鹅湖、干流许小河和圩西河、入河沟渠幸福渠和王年沟。通过塘西河站降雨监测数据，确定十五里河多年平均降水量为 。选取天鹅湖坝下排口和广福花园排口为研究点位，污染物选择 、和 。图 十五里河流域地理位置 数据来源 模型需要在大量数据的基础上进行构建。利用流域雨量站资料、分辨率数字高程地图、土地覆盖遥感监测数据等，构建十五里河流域空间和属性数据库，如表 所示。表 模型主要输入数据 数据类型年份来源及说明 数据（分辨率）中科院资源环境科学数据中心（）遥感影像数据 中科院资源环境科学数据中心（）地理空间数据 流域内河流水系、监测站点及工程地理位置分布图降水数据 塘西河站降水监测数据雨水管网数据 合肥市城市排水管渠规划图水量水质监测数据 关键直排口水量水质 模型介绍本研究采用 模型进行城区水量水质模拟。在水量层面包括地表径流过程和管网汇流过程；在水质层面包括汇水单元的累积冲刷过程和管网输移过程。（）地表径流模拟假设将汇水单元表面的径流概化为，在宽度为，高度为 ，坡度为 的矩形河道内流动的均匀流量，则可以使用曼宁公式将径流量 表示为：（）（）式中：为表面粗糙系数；为汇水单元的平均坡度；为蓄水深度，；为洼蓄深度，。（）管网汇流模拟 模型在管网汇流方面有三种计算模式：恒定流演算、运动波演算和动力波演算。这三种模式都是通过求解圣维南方程组实现管网质量与动量守恒，方程组由连续方程和动量方程构成：连续方程：（）动量方程：（?）（）式中：为水流断面面积，；为时间，；为流速，?；为距离，；为管道水头，；为管道内底标高，；为管道水深，；为摩擦比降；为重力加速度，?。（）水质模拟城市面源污染的产生包括累积和冲刷两个过程。模型对于各水质指标的模拟与土地利用类型中的累积和冲刷参数有关。对于累积模块，汇水单元的污染物累积量为：（）（）式中：为单位面积的最大累积量，?；为半饱和常数，?；为时间，；为汇水单元面积，；为相应土地利用类型所占比例，?。对于冲刷模块，汇水单元的污染物冲刷量 为：（）式中：为冲刷系数；为冲刷指数；为径流流速，?；为污染物累积量，。面源污染产生后通过管网进行传输的过程可以用质量守恒方程描述：（）()（）（）式中：为污染物浓度，?；为流速，?；为扩散系数；（）为反应速率项，?（）；为距离，；为时间，。基于景观格局的城区汇水单元划分方法根据李新虎等 提出的基于高分辨率遥感影像的城市功能区识别方法，常见的功能区有十类。结合十五里河流域的下垫面特征，本研究主要考虑居住区、商业区、工业区、文教区、商务区和开发区六种功能区及农业用地和未利用地。利用精度为 的卫星遥感影像，结合街道地图和 合肥市主体功能区规划，可以得到十五里河流域城市功能区的空间分布，如图 所示，其分布特征为：居住区多位于中游，呈集中式分布，彼此之间聚合度较大，占地面积 ；工业区和开发区多位于下游，分布密度大但连通性较差，占地面积 ；商业区、文教区和商务区通常位于流域中上游且毗邻居住区，呈分散式分布，破碎化程度大，彼此之间基本不连通，占地面积 ；农业用地和未利用地多位于中下游，呈大面积连通式片状分布，占地面积 。图 十五里河流域城市功能区分布 斑块、廊道和基质是景观格局的重要组成单元。在城市景观格局中，斑块主要是建筑用地和绿地两种，廊道主要是交通用地。基于景观格局的汇水单元划分方法是结合卫星遥感影像，以斑块和廊道的空间分布为依据：利用廊道边界分割汇水区域，在内部根据各斑块的下垫面透水性不同进行进一步细分，对每个区域的景观布局特征按照不同城市功能区进行分类总结，从而确定不同城市功能区具有代表性的划分方式，其中每个斑块为一个汇水单元，即细化到斑块尺度。具体划分流程如图 所示。以城区不同斑块下垫面的透水性为划分依据，对城市功能区内的景观进行概化，从而得到不同功能区具有代表性的景观格局空间配置。居住区内部为环状分布，水流方向从内部居住建筑群不透水面流至外部绿化透水面；工业区和开发区内部为双侧分布，水流方向从两侧工业厂房不透水面流至中间草地透水面；商业区内部为单侧分布，水流方向从一侧商业建筑群不透水面流至另一侧绿化透水面；文教区和商务区内部为四角分布，水流方向从四角文教和商务建筑群不透水面流至其他绿化透水面；农业用地和未利用地内部无建筑物，水流方向从单元内部流至最邻近汇水节点。对应的汇水单元概化方式如表 所示。图 景观格局法划分汇水单元流程图 表 城市功能区对应的汇水单元概化 功能区类型水力联系遥感影像模型概化居住区环状型内部居住建筑群不透水面外部绿化透水面工业区和开发区双侧型两侧工业厂房不透水面中间草地透水面商业区单侧型一侧商业建筑群不透水面另一侧绿化透水面文教区和商务区四角型四角文教和商务建筑群不透水面其他绿化透水面农业和未利用地汇水单元最邻近汇水节点 降水情景的选取本研究对于降水情景的选取有两种：一是场次降水，包括两次场次降水事件，在研究区域开展两次降雨监测，用于模型的率定验证以保证其合理性；二是设计降水，用于分析水量水质对于景观格局划分方法的敏感度。其中场次降水的历时和总量如表 所示。表 场次降水相关信息 降水事件降水历时?降水总量?降水强度?（?）场次降水事件 场次降水事件 设计降水过程采用芝加哥雨型生成，合肥市的暴雨强度公式为：（）（）（）式中：为重现期；为降雨历时。图 不同重现期设计降水强度变化曲线 本研究选用重现期 分别为 年、年、年、年和 年的 设计降水过程。当雨峰系数取 时，合肥市五种重现期下的设计降水变化过程如图 所示。评价指标选用纳什效率系数 来评价模型的合理性，计算公式为：（）（）（）式中：为观测值；为模拟值；为第 时刻的某个值；为观测值的总平均。选用径流总量，污染负荷总量，径流峰值出现时间和污染浓度峰值出现时间来评价水量水质对于汇水单元划分的敏感性。其中径流总量计算公式为：（）式中：为径流总量，；为第 时刻的径流量，；为模拟时间。径流峰值计算公式为：（）（）式中：为径流峰值，?；为第 时刻的径流率，?。结果与讨论 方法合理性分析本研究分别构建传统的泰森多边形法和景观格局法的 模型，如图 所示。其中雨水管网和汇水节点的分布依据 年合肥市城市排水管渠规划图。选定天鹅湖坝下排口和广福花园排口为率定验证区域，两个排口均位于十五里河中上游，对应汇水范围内多为城市建筑用地，下垫面不透水面积占比较大。泰森多边形法是根据管道节点之间的相对位置和权重进行的划分，汇水单元受到节点数量影响，整体较少，共划分了 个单元；而景观格局法是根据斑块和廊道的空间分布进行的划分，精细程度高，汇水单元受到斑块数量影响，整体较多，共划分了 个单元。主要原因是：泰森多边形法中出流方向均是由汇水单元直接排到最邻近节点，水流路径模糊，故彼此之间水力联系相对较弱；而景观格局法中部分区域是由建筑群等不透水面，先汇入草地等透水面，再合并进入节点，所以透水面积和不透水面积之间存在物质交换，产生水力联系的汇水单元有 个。图 不同划分方法的 模型 分别对基于泰森多边形法和基于景观格局法的十五里河流域水量水质模型进行率定验证，采用场次降水事件 对天鹅湖坝下排口和广福花园排口进行率定验证，考虑到天鹅湖坝下排口汇水单元景观类型较为复杂，进一步采用场次降水事件 进行参数确认。在符合参数取值范围的前提下，本研究已将两类模型调整到最好状态。两类模型的共用参数取值见表 和表 ，纳什效率系数评价结果见表 。此时泰森多边形法模型水量模拟的纳什效率系数为 ，水质模拟的纳什效率系数为 ；景观格局法模型水量模拟的纳什效率系数为 ，水质模拟的纳什效率系数为 ，均满足精度要求。表 模型水量模拟相关参数 参数名称物理意义取值范围率定结果 无洼蓄不透水区占比?不透水区曼宁系数 透水区曼宁系数 不透水区填洼量?透水区填洼量?最大入渗率?（）最小入渗率?（）渗透衰减系数 干燥时间?管道曼宁系数 表 模型水质模拟相关参数 用地类型参数 绿地最大累积量 速率常数 半饱和常数 冲刷系数 冲刷指数 建筑用地最大累积量 速率常数 半饱和常数 冲刷系数 冲刷指数 交通用地最大累积量 速率常数 半饱和常数 冲刷系数 冲刷指数 降解系数 表 两类模型模拟的纳什效率系数 划分方法模拟日期排口名称流量 泰森多边形法场次降水事件 场次降水事件 天鹅湖坝下 广福花园 天鹅湖坝下 景观格局法场次降水事件 场次降水事件 天鹅湖坝下 广福花园 天鹅湖坝下 对比分析不同年份不同排口各指标的纳什效率系数，对水量水质模拟精度较高的均为景观格局法。与传统泰森多边形法相比，水量模拟精度提高了 ，水质模拟精度提高了 ：其中 提升了 ；提升了 ；提升了 。水量和水质的模拟值与实测值对比曲线如图 和图 所示。景观格局法的计算结果优于泰森多边形法是由于方法本身改变了地表产汇流过程和污染物冲刷过程，与汇水单元划分精度无关。景观格局法在水量层面，通过准确刻画透水面积与不透水面积之间的水力联系，进而改变径流量控制方程中的洼蓄深度，使得地表产流总量受到影响；在部分概化方式下的汇水单元出流方向发生变化后，径流量受到原始单元和排入单元下垫面透水性的共同作用，地表汇流过程也受到影响。景观格局法在水质层面，通过精细化汇水单元的出流方向，进而改变污染物冲刷方程中的不同土地利用类型所占比例，此时污染物冲刷量不仅受到原始汇水单元内土地利用类型影响，还会受到排入单元的影响。图 水量模拟值与实测值对比 图 水质模拟值与实测值对比 敏感性分析分别采用重现期为 年、年、年、年和 年设计降水，对泰森多边形法和景观格局法模型进行模拟，研究区域选定为天鹅湖坝下排口对应流域。从水量水质两个方面进行汇水单元划分的敏感性分析。（）水量层面，如表 所示，当重现期从 年增加至 年时，景观格局法与泰森多边形法相比入河水量分别减少 、和 。说明重现期越大，即降雨强度越大，景观格局法和泰森多边形法相比造成的水量差异越大，对于水量的削弱作用越明显。不同重现期两个模型模拟的水量对比如图 所示。当重现期从 年增加至 年时，泰森多边形法和景观格局法的径流峰值分别同时出现在 、和 。说明景观格局法与泰森多边形法相比，基本不改变径流峰值的出现时间，但是会削弱峰值。并且随着重现期增加，径流峰值出现的时间逐渐提前。表 不同重现期天鹅湖坝下排口入河水量（单位：）（：）重现期泰森多边形法景观格局法 图 不同重现期模拟水量对比 （）水质层面，如表 所示，当重现期从 年增加至 年时，景观格局法的入河污染负荷与泰森多边形法相比：分别减少 、和 ；分别减少 、和 ；分别减少 、和 。说明重现期越大，即降雨强度越大，景观格局法和泰森多边形法相比输出的污染负荷差异越大，对于各污染负荷的削弱作用越明显，且对于 的平均削减率最大。不同重现期两个模型模拟的各污染负荷对比如图 所示。景观格局法与泰森多边形法相比，当重现期从 年增加至 年时，对于污染负荷 ：径流峰值平表 不同重现期天鹅湖坝下排口入河污染负荷（单位：）（：）划分方法重现期 泰森多边形法 景观格局法 均滞后 ，峰值浓度平均削减 ；对于污染负荷 ：径流峰值平均滞后 ，峰值浓度平均削减 ；对于污染负荷 ：径流峰值平均滞后 ，峰值浓度平均削减 。说明景观格局法与泰森多边形法相比，整体推迟了污染物浓度峰值的出现时间，同时对峰值也有一定程度的削减作用。图 不同重现期模拟污染负荷对比 初期冲刷强度分析随着城市化进程的不断加快，城区面源污染仍是影响河流湖泊水质的重要因素，尤其是初期雨水冲刷效应，其对于汛期污染物的产生起着关键作用。依据李琪等 基于质量初期冲刷比（）提出的判断初期冲刷强弱的分类标准，对两种不同汇水单元划分方法的模型进行计算分析，不同重现期下各污染负荷的质量初期冲刷比如下表 所示，初期冲刷曲线如下图 所示。表 不同重现期的质量初期冲刷比 划分方法污染负荷 泰森多边形法 景观格局法 图 不同重现期的初期冲刷曲线 泰森多边形法在重现期为 年、年和 年时各污染负荷均产生很强初期冲刷效应；重现期为 年时，和 污染负荷产生中等初期冲刷效应，污染负荷产生强初期冲刷效应；重现期为 年时各污染负荷均产生中等初期冲刷效应。景观格局法在重现期为 年时，和 污染负荷产生弱初期冲刷效应，污染负荷产生中等初期冲刷效应；重现期为 年、年、年和 年时各污染负荷均产生弱初期冲刷效应。结果表明，同一重现期，景观格局法模型的初期冲刷强度整体小于泰森多边形法模型，说明景观格局多样化有利于降低污染物的初期冲刷强度；同一划分方法，随着重现期的增加，污染负荷的初期冲刷强度是逐渐减弱的，说明降水强度增大有利于降低污染物的初期冲刷强度。结论（）为进一步提升城市暴雨径流过程中水量水质的模拟精度，本研究提出了基于城市景观格局的汇水单元划分方法，该方法根据城市功能区类型，能够较为准确的刻画汇水单元内部不透水面与透水面之间的水力联系，进而准确表征地表产汇流和面源污染冲刷过程，在一定程度上克服了目前汇水单元内部水力关系定义模糊的不足。（）以巢湖一级支流十五里河为例，分别构建了景观格局划分方法和泰森多边形划分方法的流域暴雨径流模型。相比于泰森多边形划分方法，景观格局划分方法将流域产水量模拟精度提升了 ，将面源污染输出负荷模拟精度提升了 ，更好地反映了景观格局多样性对城镇区域面源产生、迁移特征的影响，可为海绵城市建设和区域环境治理等工作提供定量依据。（）基于城市景观格局进行汇水单元的划分是提高城市暴雨径流模型精度的主要手段之一，后续研究中如何平衡划分汇水单元数量与模拟精度之间的关系，是未来的研究重点。参考文献：刘芳，赵进勇，路明，等基于 的城市初雨净化设施布局优化研究 中国水利水电科学研究院学报，（）：（，（）：（）马巍，苏建广，杨洋，等洱海水质演变特征及主要影响因子分析 中国水利水电科学研究院学报（中英文），（）：，（，（）：，（）刘昌军，周剑，文磊，等中小流域时空变源混合产流模型及参数区域化方法研究 中国水利水电科学研究院学报，（）：（，（）：（）陈学凯，刘晓波，董飞，等基于 与 耦合的城区雨水泵站多目标优化调控 水利学报，（）：（，（）：（），（），（）：柏平，臧文斌，张红萍等城市构筑物暴雨内涝分层模拟技术及应用 中国水利水电科学研究院学报（中英文），（）：，（，（）：，（）陈学凯，刘晓波，彭文启，等程海流域非点源污染负荷估算及其控制对策 环境科学，（）：（，（）：（），（）：刘家宏，石虹远，梅超，等城市下垫面空间格局对社区尺度内涝过程的影响模拟 水科学进展，（）：（，（）：（）王孟文，齐伟，王鹏涛，等鲁东山区流域景观格局与面源污染关联关系 自然资源学报，（）：（，（）：（）郑宇，程香菊，王兆礼，等韩江流域面源污染及与景观格局的关系 水资源保护，（）：（，（）：（）徐茹洁基于“源 汇”景观格局的流域面源污染关键源区识别及养分迁移规律 武汉：华中农业大学，（：，（），：，（）：，?，（）：，（）：徐宗学，李鹏城市化水文效应研究进展：机理、方法与应对措施 水资源保护，（）：（，：，（）：（），：，（）：，：李新虎，宋金超，叶红，等一种基于高分辨率遥感影像的城市功能区识别方法：中国，（，：，（）李琪，张娜，罗英杰，等基于 方法的城市降雨径流初期冲刷效应 中国科学院大学学报，（）：（，（）：（），（，；，；，；，）：，（，），（），：（），（，），；（）（），（），；（），；（），：；（责任编辑：祁伟）