Abstract
城市水系统理论是流域水系统科学在城市尺度的拓展, 为解决城市化引起的人水关系失衡和突出水问题(内涝、黑臭和水污染、生态退化等)提供了新的系统化解决方案. 现有城市水系统相关研究大多关注水循环单一过程, 对水循环及其伴生的物质循环、水生态以及人文等过程互馈机制仍需进一步探索. 本文以流域水系统科学和水循环理论为基础, 发展了城市水系统的概念、理论和技术体系; 以城市多种下垫面条件下时变增益降雨-径流模型为核心, 耦合自然-社会水循环及其伴生的水环境、水生态等过程和多尺度海绵措施的影响, 研发了城市水系统5.0模型, 实现了源头降雨-径流-面源污染负荷、排水管网系统水量水质转输、末端调蓄和净化、社会经济水循环、水系统评估和调控等五大关键模拟功能, 成果已在武汉市开展示范应用. 结果表明: 城市水系统应以城市及其联系的河湖为研究对象, 探索城市自然-人工侧支水循环和外江调蓄等耦合, 以及社会经济发展、海绵措施对水量-水质-水生态等过程的调控机制. 研发的城市水系统5.0模型很好地模拟了城区降雨-径流过程、水体总氮和总磷浓度、社会经济发展特征指标等. 与实测数据对比, 所有降雨-径流场次的相关系数和纳什效率系数分别处于优秀和良好等级; 78.1%的实测点位中总氮和总磷浓度模拟偏差均在良好等级, 且相关系数均在0.90以上; 在18个社会经济发展特征指标中, 100%、83.3%和69.4%的指标偏差、相关系数和纳什效率系数均在优秀等级. 在此基础上, 优选源头海绵措施、人工强化措施和源头削减-路径拦截-末端治理等分别明显改善了内涝、水体黑臭和湖泊富营养化. 其中10年一遇降雨条件下最大内涝淹没面积削减达32.6%, 黑臭水体去除率为65%, 水体综合营养指数降低了37%, 武汉市2020年绿色发展水平也由现状条件下的0.56提升到了0.67, 在城市绿色发展评估体系的五个维度(资源利用、环境质量、生态保护、经济增长和绿色生活)中, 生态保护维度改善最明显. 本研究将进一步推动城市水文学、环境科学和生态学等多学科领域的交叉和发展, 也为我国城市复杂水问题的解决和绿色发展等提供重要的理论和技术基础.
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