局部土地利用類型變化對城市水文過程的影響研究

關鍵詞：耦合模型；動態規劃；地表積澇；管網流量；徑流控制率

中圖分類號：ＴＶ１２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．００５

引用格式：李欣怡，侯精明，潘占鵬，等．局部土地利用類型變化對城市水文過程的影響研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：２６－３３．

０引言

近年來城市化迅速發展，城市擴張、郊區化、士紳化、舊城改造等物理空間轉型成為學者們探討中國城鎮化的重要對象［１］ 。隨著互聯網、物聯網和計算機技術的快速發展，大數據逐漸開始為城市發展規劃、空間評價和資源配置提供科學支撐［２］ 。然而，我國大部分城市的規劃評估依然以“靜態藍圖評估”為主，這種評估方式缺乏對城市復雜系統的變化過程進行實時監測、動態評估和調控反饋機制，導致規劃靈活性、適用性不足，無法及時為城市的發展提供理論依據。城市規劃主要涉及土地利用規劃的制定和管理，城市的土地利用結構即各類用地之間相互依存、結合和轉化的關系，包括各類用地數量、時間上的空間布局結構［３］ 。因此，通過研究局部土地利用類型變化對整體區域的影響并進行動態規劃，在理論上是可行的。

我國城市化發展加快，更容易產生城市內澇災害，城市內澇已經成為必須面對和解決的“城市病”［４］ 。根據聯合國（ＵＮ） 的報告，在過去２１ ａ（１９９５—２０１５年），有１５．７萬人死于洪水，受影響的人數達２３ 億，占所有受天氣相關災害影響人數的５６％［５］ 。因此，城市洪澇災害的防治越來越值得深入研究并受到許多學者關注。城市化效應使得土地不透水面積增加，徑流峰值增大，匯流時間縮短，如何更準確地模擬城市內澇過程成為學者關注的問題。

城市內澇研究中常用的商業／ 非商業模型包括Ｉｎ?ｆｏＷｏｒｋｓ 模型、ＳＷＭＭ 模型、ＧＡＳＴ 模型和ＭＩＫＥ 模型等［６－９］ 。在管網和地表二維水動力模擬中，檢查井和雨水網格之間進行流量交換的條件下，通常需要分別耦合管網和地表二維模型。在早期階段，Ｈｓｕ 等［１０］ 將ＳＷＭＭ 模型與地表二維模型耦合，這些模型之間的流動交換被定義為單向交換。管網容量過載時，水從檢查井溢出到地表，但即使管網容量足夠，地表水也無法再通過檢查井返回管網。隨著研究的深入和技術手段的不斷創新，在城市水模擬研究中逐漸出現了一些能夠實現地下水與地表水雙向交換的耦合模型。Ａｂｅｂｅ等［１１］ 將ＳＷＭＭ 模型與自行開發的二維地表模型耦合，克服了地表和地下管網之間水流交換的困難，實現了一維和二維水流交換過程。然而，這些耦合模型對高精度地形的地表徑流過程模擬均有一定的缺陷，降低了管網排水過程的精度，且ＩｎｆｏＷｏｒｋｓ 和ＭＩＫＥ 等軟件因其商業化性質而限制了其推廣以及二次開發。

針對以上問題，筆者采用自主研發的高效高精度數值模型ＧＡＳＴ 模型［１２］ 耦合ＳＷＭＭ 模型［１３］ ，該耦合模型具有地表水與地下水交換過程合理、地表徑流過程計算準確、管網排水過程精度高、運行速度快的優點，通過比較不同降雨重現期下改變局部土地利用類型前后的城市地表和管網水動力過程，從城市內澇角度分析動態規劃可行性，以期為未來老城更新和新城擴建提供指導。

１數據來源與研究方法

１．１研究區域概況

１．１．１研究區域

西安是古代絲綢之路的起點，在“一帶一路”建設中處于十分重要的位置［１４］ 。其多年平均降雨天數為９８．９ｄ，年平均降雨量為５７１ｍｍ，降雨年內分布不均勻，夏季降雨最多，占比３９％［１５］ 。本文以西安市第二大商圈小寨街區為研究對象。

動態規劃在規劃層面主要涉及土地利用類型的改變。因此，在本研究區域通過改變局部區域土地利用類型來探討動態規劃可行性。在研究區域隨機選取改造區域Ｒ_１和Ｒ_２，改造區域在改造前土地利用類型由建筑、道路、綠地等組成。改造后分別為無下滲土地Ｃ_１、裸土地Ｃ_３、草地Ｃ_４和林地Ｃ_５，以及無下滲組合Ｃ_２。

用Ｂ_１表示未進行動態規劃的原始土地利用類型，Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４和Ｃ_５分別表示進行動態改造后不同土地利用類型，其地表坡度均為０。具體土地利用類型和參數見表１。由于Ｂ_１原始土地由建筑、道路、綠地等組成，不同區域曼寧系數和下滲速率不同，因此未在表中展示。

１．１．２降雨條件

根據研究區域降雨特征和水文特性，選擇芝加哥雨型作為短歷時降雨適用雨型（降雨峰值系數ｒ為０．３８）。根據相關資料［１６］ ，西安市降雨強度公式如下：

式中：ｉ為降雨強度；ｔ為降雨歷時，取２ ｈ；Ｐ為降雨重現期，分別取２、１０、５０、１００ａ。

不同重現期的降雨過程如圖１所示。

１．２研究方法

１．２．１地表產匯流控制方程

采用具有守恒格式的平面二維淺水方程（簡稱ＳＷＥｓ）模擬二維計算區域的水流運動過程。二維非線性淺水方程的守恒格式［１７］ 如下：

３）降雨量越大，土地利用類型改變對城市帶來的影響越大，尤其是無下滲土地類型，采取海綿城市建設等一系列舉措增加下墊面下滲能力會降低城市積水量且減小管網排水負荷。而在降雨量過大情況下，工程措施改善效果有限，需考慮非工程措施對極端暴雨的應對模式。

動態規劃通過評估新項目對局部和整體區域排水能力以及災害風險變化的影響，定量分析新項目的可行性。但是，具體的實施必須考慮其他因素，如資金和政策的影響。此外，本文還存在以下不足：規劃土地類型相對單一，規劃用地僅代表西安典型的商業街道。因此，在后續研究中，各規劃區域之間的連通效應和典型性需要進一步增強。