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城市化與水文過程 版權信息
- ISBN：9787030728821
- 條形碼：9787030728821 ; 978-7-03-072882-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
城市化與水文過程 本書特色
本書采用多學科綜合分析方法全面剖析了城市化與水文過程的關系，注重規律與機理認識，能夠為城市防洪減災提供支持，科學價值顯著。
城市化與水文過程 內容簡介
本書針對城市化下水文特性變化所導致的洪澇災害與水污染頻發問題，采用多學科綜合分析方法，探尋了高強度人類活動下水文過程演變規律，闡明了不同下墊面下“四水轉化”規律以及河流水環境變化特征。同時，以我國高度城市化長江下游三角洲地區為典型，綜合考慮了城市區域陸-氣交互作用，將中尺度陸-氣耦合模型與城市冠層模塊相疊加，探討了城市化發展對產匯流過程的影響。基于此，進一步分析了特別暴雨洪水事件頻率變化，模擬并評估了城市化下洪澇風險動態變化，提出了水安全保障對策，以期協調改善城市化與區域洪澇風險的關系，為防洪減災決策提供支持，促進城市水文研究的深入發展。
城市化與水文過程 目錄
目錄
前言
**章 緒論 1
**節 城市化發展現狀 1
第二節 城市化與水文過程 2
一、城市化下降雨過程 2
二、城市化下洪水響應過程 3
三、城市化下洪澇風險 5
第三節 城市化與水環境 7
一、河流水質變化 7
二、城市化下水環境 7
第二章 城市化與河流水系演變 9
**節 長三角區域概況 9
一、自然特征 9
二、社會經濟 10
三、水利分區 11
第二節 長三角城市化進程 12
一、人口城市化進程 12
二、經濟城市化進程 13
三、土地城市化進程 13
第三節 長三角地區河流水系時空變化特征 15
一、水系數據與指標選取 15
二、城市化下水系格局演變特征 18
三、長三角地區城市化與水系演變的關系 30
第三章 城市化與降雨過程 33
**節 城市化下降雨格局演變特征 33
一、極端降雨時空變化特征 34
二、夏季降水日內變化特征 39
第二節 城市化對極端降水變化貢獻率 43
一、不同城市化級別站點劃分 43
二、城市化影響貢獻率識別 45
第三節 城市化對降雨變化影響的數值模擬 49
一、數值模擬模型 49
二、不同城市化情景設置 51
三、城市化對降雨影響 52
第四章 城市化地區水文觀測實驗 56
**節 城市化與水文觀測實驗 56
第二節 不同城市化水文觀測實驗區 58
一、高度城市化水文觀測實驗區 58
二、中度城市化水文觀測實驗區 62
三、自然流域及對比水文觀測實驗區 65
第三節 城市化下“四水轉化”規律 68
一、降水-徑流響應規律 68
二、降水-地下水響應規律 69
三、降水-土壤水響應規律 71
第四節 極端天氣事件下水文響應特征 81
一、實驗流域同場次洪水特征 81
二、典型暴雨事件下土壤水動態響應規律 82
三、典型暴雨事件下洪水響應規律 83
第五章 城市化地區水文變化特征與降雨徑流過程模擬 85
**節 城市化地區水文演變特征 85
一、洪水水位趨勢特征 86
二、洪水水位變化的影響因素 90
三、圩垸防洪對洪水水文的影響 94
第二節 城市化地區降雨徑流過程模擬 97
一、城市化下水文模型構建及精度評價 98
二、考慮陸氣耦合過程的水文模擬 113
第三節 城市化地區徑流變化 118
一、徑流變化特征 119
二、產流系數變化特征 120
三、城市化下流域尺度徑流響應 120
四、徑流變化歸因分析 123
第四節 城市化對暴雨洪水的影響 127
一、下墊面土地利用變化對洪澇過程的影響 127
二、河流水系變化對洪澇過程的影響 131
三、水利工程調度對洪澇過程的影響 132
四、未來城市化發展對極端水文事件的影響 134
第六章 城市化與洪澇風險 136
**節 城市化下暴雨洪水頻率變化 136
一、暴雨洪水頻率變化趨勢 136
二、暴雨、洪水多維聯合分布特征 142
第二節 洪澇風險動態模擬與評估 152
一、洪澇風險分析方法 153
二、典型地區洪澇過程 155
三、不同量級暴雨的洪澇淹沒 157
四、城市產流小區洪澇淹沒分析 159
五、基于動態模擬的洪澇風險 161
第三節 城市區域洪澇風險協調 162
一、不同重現期暴雨下城市圩垸內外洪澇變化 163
二、城市圩垸調度方案協調 164
第七章 城市化與水環境及河流健康 168
**節 城市化地區水環境特征 168
一、水環境的時間變化特征 168
二、水環境的空間變化特征 172
三、次降雨過程水質變化特征 174
第二節 城市化地區河流水環境變化的影響因素 178
一、土地利用及其格局對水環境的影響 178
二、水系格局對水環境的影響 185
三、經濟結構對水環境的影響 188
第三節 城市化地區水環境容量特征 190
一、長三角典型地區水環境容量 190
二、水環境容量變化的影響因素 196
三、提高水環境容量的對策措施 197
第四節 城市化地區河流健康評價 198
一、河流健康與評價 198
二、典型地區河流健康狀況 202
第八章 城市化水文效應研究趨勢與水安全保障 213
**節 城市化水文效應研究與展望 213
一、城市化地區下墊面與局地氣候變化 213
二、城市化對水循環與降雨徑流的影響 215
三、城市化下水生態環境演變 218
四、城市化水文效應研究趨勢 218
第二節 城市化下洪澇風險與水安全對策 220
一、城市化下洪澇風險研究趨勢 220
二、城市化下水安全保障對策 221
參考文獻 223
前言
**章 緒論 1
**節 城市化發展現狀 1
第二節 城市化與水文過程 2
一、城市化下降雨過程 2
二、城市化下洪水響應過程 3
三、城市化下洪澇風險 5
第三節 城市化與水環境 7
一、河流水質變化 7
二、城市化下水環境 7
第二章 城市化與河流水系演變 9
**節 長三角區域概況 9
一、自然特征 9
二、社會經濟 10
三、水利分區 11
第二節 長三角城市化進程 12
一、人口城市化進程 12
二、經濟城市化進程 13
三、土地城市化進程 13
第三節 長三角地區河流水系時空變化特征 15
一、水系數據與指標選取 15
二、城市化下水系格局演變特征 18
三、長三角地區城市化與水系演變的關系 30
第三章 城市化與降雨過程 33
**節 城市化下降雨格局演變特征 33
一、極端降雨時空變化特征 34
二、夏季降水日內變化特征 39
第二節 城市化對極端降水變化貢獻率 43
一、不同城市化級別站點劃分 43
二、城市化影響貢獻率識別 45
第三節 城市化對降雨變化影響的數值模擬 49
一、數值模擬模型 49
二、不同城市化情景設置 51
三、城市化對降雨影響 52
第四章 城市化地區水文觀測實驗 56
**節 城市化與水文觀測實驗 56
第二節 不同城市化水文觀測實驗區 58
一、高度城市化水文觀測實驗區 58
二、中度城市化水文觀測實驗區 62
三、自然流域及對比水文觀測實驗區 65
第三節 城市化下“四水轉化”規律 68
一、降水-徑流響應規律 68
二、降水-地下水響應規律 69
三、降水-土壤水響應規律 71
第四節 極端天氣事件下水文響應特征 81
一、實驗流域同場次洪水特征 81
二、典型暴雨事件下土壤水動態響應規律 82
三、典型暴雨事件下洪水響應規律 83
第五章 城市化地區水文變化特征與降雨徑流過程模擬 85
**節 城市化地區水文演變特征 85
一、洪水水位趨勢特征 86
二、洪水水位變化的影響因素 90
三、圩垸防洪對洪水水文的影響 94
第二節 城市化地區降雨徑流過程模擬 97
一、城市化下水文模型構建及精度評價 98
二、考慮陸氣耦合過程的水文模擬 113
第三節 城市化地區徑流變化 118
一、徑流變化特征 119
二、產流系數變化特征 120
三、城市化下流域尺度徑流響應 120
四、徑流變化歸因分析 123
第四節 城市化對暴雨洪水的影響 127
一、下墊面土地利用變化對洪澇過程的影響 127
二、河流水系變化對洪澇過程的影響 131
三、水利工程調度對洪澇過程的影響 132
四、未來城市化發展對極端水文事件的影響 134
第六章 城市化與洪澇風險 136
**節 城市化下暴雨洪水頻率變化 136
一、暴雨洪水頻率變化趨勢 136
二、暴雨、洪水多維聯合分布特征 142
第二節 洪澇風險動態模擬與評估 152
一、洪澇風險分析方法 153
二、典型地區洪澇過程 155
三、不同量級暴雨的洪澇淹沒 157
四、城市產流小區洪澇淹沒分析 159
五、基于動態模擬的洪澇風險 161
第三節 城市區域洪澇風險協調 162
一、不同重現期暴雨下城市圩垸內外洪澇變化 163
二、城市圩垸調度方案協調 164
第七章 城市化與水環境及河流健康 168
**節 城市化地區水環境特征 168
一、水環境的時間變化特征 168
二、水環境的空間變化特征 172
三、次降雨過程水質變化特征 174
第二節 城市化地區河流水環境變化的影響因素 178
一、土地利用及其格局對水環境的影響 178
二、水系格局對水環境的影響 185
三、經濟結構對水環境的影響 188
第三節 城市化地區水環境容量特征 190
一、長三角典型地區水環境容量 190
二、水環境容量變化的影響因素 196
三、提高水環境容量的對策措施 197
第四節 城市化地區河流健康評價 198
一、河流健康與評價 198
二、典型地區河流健康狀況 202
第八章 城市化水文效應研究趨勢與水安全保障 213
**節 城市化水文效應研究與展望 213
一、城市化地區下墊面與局地氣候變化 213
二、城市化對水循環與降雨徑流的影響 215
三、城市化下水生態環境演變 218
四、城市化水文效應研究趨勢 218
第二節 城市化下洪澇風險與水安全對策 220
一、城市化下洪澇風險研究趨勢 220
二、城市化下水安全保障對策 221
參考文獻 223
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城市化與水文過程 節選
**章緒論 流域水文過程是氣象要素與下墊面共同作用的結果，是流域內的降雨通過地表下墊面調節作用，*終形成流域出口斷面徑流的過程。近年來經濟快速發展，特別是城市群落迅速崛起，使得流域地表土地利用/地表覆被類型發生較大變化，不透水面積大幅增加，改變了地表產匯流變化規律，導致流域水文過程特性發生較大變化。 城市發展不只滿足于單個城市的擴張，而是從小城市逐步發展成中等城市、大城市，進而形成大都市區、城市群，*終形成大都市連綿帶。伴隨著城市化速度的加快，城市面積不斷擴大，地表下墊面屬性發生劇烈改變，天然河網水系受到較大沖擊，明顯改變了流域、區域、城市自然狀態下的水文過程及其特征規律。一方面，城市化直接改變了地表土地利用狀況，不透水面積增加、河道渠化，破壞了河流的自然演變規律。另一方面，自然地表變為不透水面、水域面積被侵占、水系結構的改變等造成區域產匯流特性改變，帶來地表徑流增加、匯流時間縮短、洪峰流量增大、徑流系數增加等一系列變化，造成區域河網調蓄能力下降、洪澇頻繁發生，并導致河流水質惡化等水環境、水安全問題。 **節城市化發展現狀 城市化（也稱為城鎮化）是國家經濟結構、社會結構、生活生產方式的根本轉變，也是長期積累和長期發展的漸進式過程（戴均良等，2010）。城鎮化不僅涉及產業轉型、城鄉結構調整、基礎設施建設，還需要資源、環境、政策、管理等方面的支撐（陸大道，2007）。新型城鎮化的建設與城鎮化質量的提升、中國經濟向高質量發展轉型、新時代“兩個階段”戰略目標實現息息相關（陳明星等，2019）。 隨著區域社會經濟發展，人口紛紛向城市集中，城市數量、規模迅速增加。改革開放40多年來，我國城鎮化水平翻了1.5番，超過了世界平均城鎮化水平3.7個百分點（方創琳，2018）。中國城鎮化進程前所未有的速度與規模，吸引了地理學、社會學等學科的眾多學者廣泛關注。眾多學者分別從全國、區域、城市這3個不同尺度對中國城市用地擴張特征與空間模式進行了總結（李加林等，2007；劉濤和曹廣忠，2010），也有學者從人口、經濟、社會和土地城鎮化等角度分別對中國、珠三角、江蘇的城鎮化進行綜合分析與評價（周春山等，2019）。此外，不少學者從國家政體與政策方面對城鎮化過程進行評價，認為城市發展和建設與城市政府的制度安排、政策選擇密切相關（許學強和葉嘉安，1986；寧越敏和楊傳開，2019）。 兩個或多個城市體系之間，由于引力加強會出現互為郊區的局面。隨著不斷擴大的大城市環帶日益接近，中間城市區域被吞并，出現了城市連綿帶或超大城市。近數十年來的快速發展，我國已初步形成28個不同規模、不同等級和不同發育程度的城市群（姚士謀等，2010），如珠江三角洲城市群、長江三角洲城市群、京津冀城市群等。同時，我國城鎮化過程中也出現了“冒進式”城鎮化的現象，造成許多負面影響（陸大道，2007）。一方面，“人口城鎮化”存在大量水分，出現一定程度的虛假城鎮化和貧困城鎮化（周一星，2006）；另一方面，“土地城鎮化”的速度過快，城市空間蔓延式大擴張（陸大道，2007；馬立呼等，2021），造成了資源、環境的巨大壓力。近年來，我國眾多的城鎮化地區資源、生態和環境狀況嚴重惡化，耕地、水資源等重要資源過度消耗，景觀、生態環境受到嚴重破壞（伍健雄等，2021）。 第二節城市化與水文過程 一、城市化下降雨過程 城市下墊面對降雨的影響較早就得到學者關注，Horton(1921）通過對多個城市的觀察發現城區暴雨頻率高于郊區，提出了城市“雨島效應”猜想。隨后眾多學者開始關注城市化對降雨的影響，并開展了城市氣象觀測實驗。其中美國城市氣象實驗(metropolitan meteorological experiment，METROMEX）發現城市中心和其下風向降雨明顯增加（Changnon，1968）。這些觀測實驗主要借助地面雨量站、探空氣球等，可能存在降雨空間代表性不足的問題。 氣象雷達和衛星遙感技術的發展，為城市化對降雨的影響研究提供了更高時空分辨率的觀測數據。借助氣象雷達發現，由于城市冠層中建筑物阻礙效應，降雨落區呈現分化，對流性降雨的中心極易出現在城市邊界和下風向地區，證實了城市下墊面在激發對流和增強對流活動中的作用（Bornstein and LeRoy，1990）。基于TRMM(tropical rainfall measuring mission）衛星降雨觀測資料發現，夏季降雨量在城市下風向30～60km范圍內增強28%，在城區增強約5.6%。 隨著計算機運算能力的提升以及數值氣象模式的不斷發展，學者開始借助氣象數值模擬技術定量分析城鎮化對降雨的影響及其物理機制。相關研究在全球許多城市和地區都有開展，如美國圣路易斯（Rozoff et al.，2003）、紐約（Ntelekos et al.，2009），歐洲(Trusilovaetal.，2009），新加坡（Lietal.，2016），中國上海（張贊程等，2017）、珠三角(張蘭等，2015）、京津冀(Wang et al.，2015）、長三角（Zhong et al.，2017）等。 相關研究均得出城鎮化發展會對降雨產生一定影響，但對于其對降雨的影響程度，尚存在一定分歧，甚至有一些相反結論。如有學者認為城市地表粗糙度增加對降雨有顯著影響，城區建筑增多可能促進云團分叉并增加強降雨比例（Wangetal.，2015）；而另外部分學者認為城市化導致的氣流分叉或破碎能否在城區或下風向地區增加降雨仍需驗證，如Rozoff等（2003）認為城市下風向地區產生的氣流輻合不足以引發暴雨，Zhang等（2009）認為北京城市擴張降低了地表自然植被覆蓋率，會減少地表蒸發以及距地大氣水分供應，不利于夏季降雨發生。 城鎮建設導致地表熱力性質和水熱平衡發生變化，改變了區域氣候環境，引發“雨島效應”等現象。當前，城鎮化對降雨的影響研究主要可歸納為兩種：①通過在時間上縱向對比城鎮不同發展階段某雨量站降雨特性變化特征，如降雨總量、降雨強度和降雨歷時等；②分別選取城區和郊區典型雨量站，利用橫向對比城郊站相同時期降雨特性。如METROMEX實驗發現，圣路易斯等城市中心和下風向地區降雨增加明顯（Changnon，1979）。丁瑾佳等（2010a）通過橫向對比蘇錫常典型城郊站點降雨資料，得出隨著城鎮化發展速度的加快，蘇州市和無錫市“雨島效應”越發明顯。陳秀洪等（2017）發現，廣州市快速城鎮化階段城區短歷時降水頻率和強度均有一定程度的增加。由于雨量站數量有限，該方法難以反映出降雨在流域上的分布情況，所得結果誤差較大。隨著氣象綜合觀測實驗和中尺度氣象模式的逐漸發展，利用氣候模式定量化分析城市發展對局地降雨影響研究逐漸成為主流。目前，國內對該領域的研究主要集中在東部發達地區。一般認為，城鎮化會引發熱島效應，結合全球變暖為主要特征的氣候變化，極可能加速區域水循環過程。且大氣顆粒物的增加和城市上空粗糙程度的上升，都將導致降雨量增加（張珊等，2015；Yu et al.，2017）。 但是，隨著城鎮化的快速推進，不透水面積增加，使得地表水面積減小，阻隔了淺層地下水對區域水資源蒸發的補給作用，導致局地空氣含水量下降，使得區域蒸發和降水有所下降。如Barron和Donn(2013）發現西澳大利亞南河流域，不透水面擴張造成地下水蒸發由入滲量的90%下降到不足30%；在中國秦淮河流域，當城市不透水率由4.2%上升到13.2%時，地表蒸發量減少了7.2%；陳瑩等（2011）將土地利用變化模型與水文模型相結合，模擬結果表明土地利用變化將使得太湖西苕溪流域地表年均蒸發量減少0.68%～3.15%。 二、城市化下洪水響應過程 在氣候變暖和人類活動影響日益加劇的環境下，降水變異強度增加，洪澇災害呈高頻態勢。學者們針對洪澇問題進行了諸多有益研究，主要從水位的長序列變化、暴雨洪澇響應以及洪澇水位演變的驅動機制等方面展開。研究發現，以城鎮化、水利工程建設及裁彎取直等工程措施為典型的人類活動對洪澇水位的影響存在明顯的階段性與突變性特征（王杰等，2019）。不同下墊面條件具有不同的植被特征，而植被根系效應對區域洪澇過程影響較大（Scholl and Schmidt，2014）。城鎮化地區極端暴雨事件增多、河網水系銳減和圩垸等水利工程的大規模修建給區域洪澇水位變化帶來深刻影響（Jiang et al.，2020）。 由于流域水文過程受氣象要素與下墊面共同影響，城市化下流域不透水面積增加、河流水系衰減必然影響到流域產匯流機制變化，而暴雨是引發洪水的*直接因素之一，厘清洪水對于暴雨特征的響應對防洪減災具有重要意義。降雨對洪水要素影響的主要研究方法包括:①基于實測降雨站點觀測資料提取降雨指標并探討其與洪水特征的關系(王杰等，2019）；②基于降雨隨機模擬模型或降雨強度分布公式，探討不同降雨類型對洪水要素的影響（Wang et al.，2019）；③基于降雨雷達或天氣預報模式（如weather research and forecasting model，WRF）并結合分布式水文模型，探討降雨時空分布對洪水特征的影響。Wang等（2019）基于水文模型探討了短歷時的降雨時間變異性對洪水過程的影響，結果發現，當降雨總量一定時，降雨集中度增加將會導致洪峰流量增加。Yang等（2019）基于實測洪峰資料發現，我國特大洪峰受到天氣系統的影響，其中北方地區及東南地區主要受到臺風的影響，而南方地區主要受到夏季風控制的極端暴雨影響。同時，相關研究表明，近幾十年來全球及區域尺度的極端降雨的頻率和強度均有所增加，導致洪水災害風險也在增加（Yin et al.，2018）。 同時，下墊面特征（如流域空間尺度、地形和下墊面土地利用特征等）直接影響了區域產匯流過程，從而會導致洪水特征發生變化（李倩，2012）。首先，空間規模反映了流域的匯水空間和集水能力。已有研究表明，流域面積越大，洪水匯集到流域出口的過程越長，產生的洪峰流量越大（Borga et al.，2008）。李倩（2012）通過模擬城市空間布局情景，探討了不透水面的空間分布差異對洪水的影響，結果發現當流域不透水面增量一定時，不透水面分布在流域上游時對洪水影響*大。 但由于各流域自然地理特征的差異，洪水特征對流域空間尺度的響應也存在一定的區別。有研究表明，洪峰滯時和洪峰流量隨流域面積增大而增大，且與流域面積呈現一定的指數關系（Creutin et al.，2013）。其次，流域地形特征也是影響洪水過程的重要因素。有研究通過室內試驗發現，相同重現期降雨過程下，洪峰流量與流域比降呈現單調遞增的線性關系（曾杉，2018）。快速城鎮化發展，不透水面（如混凝土、瀝青的路面、墻面）大幅擴張，取代了原來的自然下墊面（如植被、水面等），而不透水面通常具有弱透水率、低反射率以及大熱容量等物理屬性（楊龍，2014）。城市下墊面物理屬性的改變可能直接影響了水文循環的大氣和產匯流過程，引發了一系列生態環境問題，如城市熱島、雨島效應和暴雨洪水災害等，城鎮化水文效應研究愈加迫切（劉家宏等，2014）。 此外，流域前期條件（如起始流量、前期降雨和前期土壤濕度等）也是影響洪水特征的重要因素（Cea and Fraga，2018）。通過對不同城鎮化流域洪水響應特征對比分析發現，前期降雨在高度城鎮化流域對洪水影響較小，而在低度城鎮化流域影響較大（Zhou et al.，2017）。通過對比極端降雨和前期濕度對洪水的影響發現，極端降雨對洪水的影響相對前期濕度變化的影響較大（Garg and Mishra，2019）。由此可見，在不同城鎮化水平和不同氣候特征影響下，洪水特征對于流域初始條件的響應也有所差異。 目前對于城鎮化地區洪水響應規律的研究，相關學者開展了許多有益的嘗試，豐富了我們對于洪水變化規律的認識。但
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