基于应对极端降雨事件的绿色规划策略分析

极端降雨事件威胁着城市的正常运转。基于城市应对极端降雨事件角度,对城市的绿色规划策略从理念和实施两个层面进行分析。从理念层面分析韧性城市的概念,并提出绿色基础设施的韧性内涵,总结分析当前国内外的绿色规划理念;从实施层面总结国内外绿色规划理念在实施过程中遇到的诸多挑战,并归纳出国内外应对挑战的诸多措施。通过研究,为我国应对极端降雨事件的城市建设策略提供理论参考和依据。

地铁沿线地下水壅高规律及其对极端降雨事件的响应

地下水保护是济南市地铁规划建设的关键环节之一,由于地铁工程构筑物对地下水渗流的阻挡作用可能引发地下水壅高,因此亟需定性、定量地探究地铁工程建设目标区域的地下水壅高风险,并针对愈加频发的极端降雨事件,关注其对壅水现象的影响。对此,主要针对济南地铁4号线典型区段所处研究区,基于传统网格剖分方法优化建模流程,构建包含地铁工程构筑物的三维地质体结构,以建立地下水非稳定流数值模型,分析地铁沿线地下水壅高规律及成因,并设计极端降雨事件以模拟地下水壅高的响应。结果表明:济南西部平原区地铁工程引发的地下水壅高现象具有空间分布规律,其规律性主要受控于地铁走向-地下水流向夹角、含水层厚度,地铁-地下水流向夹角为关键主控因素;极端降雨情景下地铁沿线各区域间的壅高幅度差异有所增大,而壅高现象的空间规律与正常降雨情况下保持一致。越接近研究南侧山区地下水补给带,极端降雨事件影响越大,整体上短期极端降雨事件对地下水壅高并无较大影响。研究成果可为济南市地下水保护提供切实可靠资料,也将为地下工程扰动地下水流场这一过程对极端降雨事件的响应形成突破性认识。

1961—2021年广西红树林生态区极端降雨事件时空变化特征

基于1961—2021年大气环流指数及广西沿海地区3个城市10个国家气象观测站日降水数据,研究广西红树林生态区极端降雨事件时空变化特征。结果表明:(1)近61a,广西红树林生态区降水强度、湿日总降水量、大雨和暴雨日数显著上升,说明极端降雨的强度及频率明显增加。(2)降水强度、大雨和暴雨日数突变年依次在1979—1980年、1971—1972年、1972—1978年之间,突变时间段相差不大。(3)防城港南部降雨的强度及频率较大,持续时间较长,防城港市北部相反,北海市降雨强度显著上升,防城港市东南部连续干日数减少趋势较明显,与红树林生态区整体增加趋势不同。(4)连续干日数、降雨强度均与亚洲极涡面积指数显著负偏相关。

长江流域极端降雨事件时空分布特征

近年来,许多学者对中国的极端降水进行了研究,但对长江流域极端降水的研究多集中在日时间尺度强降水事件,从不同子流域极端降水事件入手的研究较少。利用1961~2017年长江流域各子流域面雨量资料,根据面雨量的分布曲线确定长江流域各子流域极端降雨事件判断的阈值,得到各子流域极端降雨年份,分析极端降雨事件的时间变化特征,以及不同子流域间极端事件的相关关系。研究表明:①20世纪60年代长江上游极端多雨事件频发,70年代以全流域极端少雨为主,80年代极端多雨事件中心转移至长江中下游,90年代长江上游变为极端少雨事件中心,2000年以来,长江流域处在由少雨向多雨转变的年代际背景中。②当子流域发生极端少雨事件时,流域其他流域大部也是以降雨偏少为主,空间的一致性较好。但是子流域发生极端多雨事件时,存在大部分地区少雨的情况,会出现旱涝并存的情况。

极端降雨事件对雨水年径流总量控制率和24h降雨场次控制率的影响规律探析

雨水年径流总量控制率是海绵城市建设中最重要的指标之一。通过对降雨资料的统计分析得出雨水年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系，由设计降雨量确定雨水源头控制设施规模。合理规范地选择分析降雨统计参数是科学制定雨水年径流总量控制目标的前提和保障。采用《海绵城市建设技术指南》的统计方法，分析极端降雨事件（极端小降雨事件和极端大暴雨事件）对雨水年径流总量控制率与24h降雨场次控制率的统计结果带来的影响，对统计中极端降雨事件的取舍做出判断，同时采用箱形图识别极端大暴雨事件，从而确定其最佳扣除比例。

极端降雨事件下生物结皮-土壤呼吸对温度的响应

以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮和藻-地衣结皮-土壤为研究对象,利用开顶式生长室,采用Li-8150系统连续测定一次极端降雨事件下生物结皮-土壤呼吸的变化,分析温度对生物结皮-土壤呼吸的影响.结果表明:两种类型生物结皮-土壤呼吸的日变化均呈现为单峰曲线,生物结皮-土壤呼吸速率的最大值出现在12:00-14:00,最小值出现在00:00-2:00.增温对两种类型生物结皮-土壤呼吸具有抑制作用.极端降雨事件下,采用日平均值拟合土壤温度与生物结皮-土壤呼吸间的关系不能正确反映二者间的关系,采用小时平均值拟合土壤温度与生物结皮-土壤呼吸间的关系更为恰当,二者呈显著的线性正相关关系.

极端降雨事件对不同类型生物土壤结皮覆盖土壤碳释放的影响

于2011年5—8月,选择腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区藻类、藓类和混生结皮覆盖的土壤为对象,研究了极端降雨量(降雨量44.7mm、强度0.04mm.min-1)、极端降雨强度(降雨量8.3mm、强度0.55mm.min-1)及普通降雨(降雨量16.3mm、强度0.02mm.min-1)条件下的碳释放过程。碳释放量的测定采用Li-6400-09土壤呼吸室,降雨结束后立即开始观测,直到呼吸速率恢复到降雨前水平时停止观测。结果表明:极端降雨(降雨量和降雨强度)结束初期藻类和混生结皮覆盖土壤的呼吸速率受到明显抑制,藻类结皮覆盖土壤呼吸速率分别为0.12μmol.m-2.s-1和0.41μmol.m-2.s-1,混生结皮覆盖土壤呼吸速率分别为0.10μmol.m-2.s-1和0.45μmol.m-2.s-1;而极端降雨对藓类结皮覆盖土壤的影响不明显,呼吸速率分别为0.83μmol.m-2.s-1和1.69μmol.m-2.s-1。这说明处于演替高级阶段的藓类结皮能够很好地应对短期的极端降雨事件。

山区流域高盖度斜坡对极端降雨事件的地下水响应

受到日益加剧的全球变暖趋势的强力驱动,极端降雨及与之相伴的山区流域植被发育斜坡的群发性失稳事件在包括中国在内的多山国家的发生频率越来越高,因此对这一问题的深入研究具有重大的现实意义。到目前为止,降雨—滑坡领域的现有研究成果主要集中在并无成因联系的降雨事件与滑坡事件之间的相互关系及斜坡岩土体水岩相互作用方面,而降雨→滑坡过程链的基础环节———降雨向地下水转化方面的研究成果无论对渗透介质还是渗透过程的刻画精度都还不高。天然斜坡对强降雨的地下水响应大多都是有植物、动物及其生命活动产物共同参与的复杂水文学—水文地质学过程,相关领域的积累还不能覆盖这一过程的核心机理。深入调查山区流域植被发育斜坡对强降雨事件的地下水响应机制不仅可以为斜坡灾害的预报—预警提供更为明晰的理论支撑,而且对于地下水诱发滑坡理论的深化与发展也是重要的。

基于改进的三层机器学习搜索法极端降雨区域频率估计

根据极端降雨形成的物理机制,结合机器学习技术如等距特征映射和影响区域,在基于三层搜索法的区域频率分析法基础上提出改进算法,降低了降雨强度-历时-频率(IDF)模型分位点值的不确定性。根据目标站点的气候和地形特征,现有的三层搜索方法运用特征选择法,选取最具代表性的地理或气象要素作为组建同质化群体的相似因子,进而得到具有较低不确定性的降雨强度分位点数值。考虑特征要素之间的非线性相关性,在现有的三层搜索法基础上加入特征抽取法和监督聚类法,减少同质群体聚类受特征要素间非线性相关性的影响,以及其对输入站点数据的依赖性。该方法在加拿大不列颠哥伦比亚省的降雨站点进行了试验,试验结果表明,该方法能进一步降低IDF估计结果的不确定性。

极端次降雨事件下的土壤侵蚀调查研究

黄土高原是我国乃至世界上土壤侵蚀状况最严重的地区之一,其中细沟侵蚀是该地区最主要的土壤侵蚀方式之一,往往一次极端降雨事件造成的细沟侵蚀量可占全年土壤侵蚀量的50%以上。2013年延安市遭受了自有气象记录以来最强的一次极端降雨事件,本文选取延河流域此次降雨相对集中的4个县区(安塞,志丹,延川,延安宝塔区)进行了系统的土壤侵蚀调查,结果发现:在不同土地利用类型中,自然恢复的草地和人工林地,土壤侵蚀现象较少,而侵蚀现象比较严重的是坡耕地和果园地;土壤侵蚀量并不是随坡度的增大一直增加,均存在一个临界坡度;随草本植被盖度的增加,土壤侵蚀量逐渐减小。植被的垂直结构越完整,侵蚀量越小。此次调查结果对于在黄土高原地区开展土壤侵蚀相关研究具有一定的现实意义。

南方高度城市化地区极端降雨特征分析及阈值确定——以深圳市为例

研究南方高度城市化地区极端气候变化规律,定义极端降雨事件的阈值并对地域风险进行评估,对于完善区域"三防"指挥系统的预报预警方案,应对气候变化和快速城市化过程中的极端暴雨内涝灾害风险,具有重要的现实意义。以深圳市为例,在收集统计2000-2015年暴雨灾害事件和相应的多个站点降雨数据基础上,采用模糊识别、PCI等方法分析了该区域的降雨雨型、集中度特征,并采用百分位法对深圳市极端降雨阈值进行了分析和计算。结果表明:造成深圳市内涝的大部分降雨主要是单峰型;均匀大量降雨是内涝主要产生原因;大鹏新区的降雨阈值最高,降雨阈值空间分布图从东往西呈逐渐减少趋势;深圳市极端降雨阈值为降雨频率P=1%的降雨值。

城市流域极端降雨条件下的产汇流规律——以北京市凉水河流域为例

以凉水河流域为研究区,对比2012年7月21日(短历时双峰型)和2016年7月20日(长历时双峰型降雨)两场典型暴雨洪水过程,分析其降雨-径流关系。结果表明:凉水河流域上游较高的不透水面积比例,加快了区域产汇流速度,使得径流对暴雨的响应更为敏感,洪水过程随暴雨过程陡涨陡落;流域下游不透水面积比较低,汇流面积增加和河道行洪过程中的坦化综合作用削弱了降雨-径流序列的一致性。两场暴雨洪水过程上游和下游径流系数对比发现,在流域上游由于不透水面积比较高,重现期为10~20年一遇场次暴雨径流系数为0.35~0.5;而在流域下游由于降雨入渗补给条件较好,流域下游径流系数仅为上游径流系数的1/3,全流域径流系数减小为上游径流系数的1/2。

延河流域极端暴雨下侵蚀产沙特征野外观测分析

针对黄土高原目前侵蚀环境明显改善条件下能否经受得住极端暴雨事件的考验及可能出现的问题,该文依据在延河6个典型小流域的植被调查及土壤侵蚀监测结果,分析了2013年极端暴雨条件下延河流域不同尺度的侵蚀产沙特征。结果表明,天然乔木(辽东栎和三角槭)植被的平均侵蚀强度<1 000 t/km^2,自然灌木植被在1 118.1~1 161.2 t/km^2之间,演替中后期的草本植被在1 245.2~1 827.8 t/km^2之间,而演替中前期的草本植被在3 087.6~4 408.4 t/km^2之间;人工灌木林(2 119.7~2 183.9 t/km^2)比人工乔木林(2 625.7~5 149.6 t/km^2)具有较强的减蚀能力。坡面良好的植被覆盖能有效抵御暴雨侵蚀,小流域坡面平均侵蚀强度基本<2 500 t/km^2;但滑坡侵蚀占主导地位,占各小流域侵蚀总量的49.0%~88.5%,特别是距暴雨中心较近流域的南部2个小流域的滑坡侵蚀可达7 290.3和7 424.9 t/km^2左右。不同小流域内有6.4%~18.3%的侵蚀量淤积在沟道里;延河甘谷驿以上不同河段的淤积量为13.2~145.2万t,平均占总侵蚀产沙量的15%。延河甘谷驿控制区的侵蚀产沙强度变化在2 326.7~7 774.4 t/km^2之间,其中强度为5 000~8 000 t/km^2的面积占59.3%。因此,加强沟间地径流蓄排措施,减轻坡面径流下沟对沟坡重力侵蚀的影响,是土壤侵蚀研究与防治中值得重视的问题。

岔巴沟流域暴雨山洪水沙特征

受极端降雨事件影响,黄土丘陵沟壑区易发生暴雨山洪,造成重大灾害损失。为进一步了解工程与非工程措施导致的下垫面变化下的产流产沙特征,探究暴雨山洪的形成及致灾机理,基于"7·26"暴雨事件,以岔巴沟流域为研究区域,采用现场调查结合实测资料分析的研究手段,分析岔巴沟流域暴雨山洪特征。分析表明,在历时短、强度大、雨量多的极端暴雨事件条件下,岔巴沟流域形成流量较大、输沙量较低的陡涨陡落型山洪。径流量大的原因在于降雨量高、降雨强度大;输沙量较低的原因在于多年的退耕还林、封山禁牧等政策措施及水土保持工程措施。虽然岔巴沟的植被覆盖度较高,下垫面显著改善,但自然恢复的植被相对较少,坡面上仍存在大量坡耕地,在极端降雨事件下,仍会产生携带一定泥沙的山洪。

专栏导言

随着城市化进程加速改变产汇流关系和气候变化导致的极端降雨事件增多,城市洪涝问题带来越来越多的社会经济影响。城市洪涝具有分布广、影响大、历时短、产生机理不清晰以及外部洪水、风暴潮和局地降雨相互影响等特点。这一复杂的科学技术问题也是国内外研究的热点和难点。

“双碳”战略下构建面向未来气候适应型城镇排水系统

城市水安全是城市安全的基石和生命健康维系的基础,排水系统是链接人类生命健康与水环境、清洁供水和生活排泄物最终去向的纽带。在梳理排水系统发展历史基础上,分析了古代(基于水利用)、近代(卫生驱动型)、现代(水质与水量驱动型)三个不同历史时期排水系统的特点,总结了污水生物处理阶段性总体技术特征;针对全球气候变暖导致的极端降雨日趋增多、“双碳”战略等外部环境的约束,分析了传统城镇排水系统面临的挑战,在此基础上提出了构建面向未来气候适应型可持续城市排水系统,以实现现代排水系统从水质与水量型向气候适应型的转变。同时分析了流域视角下气候适应型排水系统的“Safe&SuRe”准则,介绍了以气候变化模型模拟及预测为基础的“降尺度”总体技术路线及理念,以及实现流域不同尺度上的技术及管控协同、资源源头转向能源化和资源化、智慧流域视角下实时控制系统等应对策略及路径。