一种多生境城市生态水系构建系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种多生境城市生态水系构建系统及方法，属于城市生态水系技术领域，包括构建多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；对选址的河湖进行规模评价；对河湖近自然形态进行设计；根据设计结果对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。本发明专利技术首次提出了生态河湖工程构建的技术体系框架，在经过水系网络构建及河湖选址和规模决策后，对河湖进行近自然设计，主要考虑城市总体规划布局、河湖水系连通、水系生态安全格局的建立、海绵城市建设等控制因素，进行河湖水系连通和水系改造，解决城市河湖生境单调、功能单一的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多生境城市生态水系构建系统及方法
本专利技术属于城市生态水系
，尤其涉及一种多生境城市生态水系构建系统及方法。
技术介绍
城市河流、湖泊和湿地是城市水系的重要组成部分，它们不仅仅发挥提供水资源的作用，更重要的是具有生态服务功能。修复和改善城市水系，不但对于保障城市居民生命财产安全具有重要意义，而且对美化城市面貌、提升城市魅力、增强城市综合竞争力也具有支撑作用，其作用主要体现在以下方面：泄洪排涝、拦洪蓄水、消解污染、调节气候、全面提升城市面貌、提高城市品位和生活质量等方面。当前城市水系构建中存在的一些误区，也是需要解决的问题有：①填水造陆由于片面追求土地的商业价值，这些错误的做法致使在城市化进程中，流动的天然水系变成了破碎的枯水池、污水沟，城市水系丧失了自我净化的功能。②单纯的土木工程建设模式单纯防洪：机械地执行防洪设计标准，简单地拦截河道裁弯取直的不合理性，无论从眼前还是长远来看，都造成了巨大的经济损失。城市内部防洪堤坝，影响了原有的城市水循环和交通系统。由于堤线日益加长、堤身越来越高，形成了城市的洪水位逐年提高的恶性循环，破坏了整个生态系统。岸底硬化：城市水系改造过程中，单纯的土木工程建设模式把原有的自然河堤变成了钢筋混凝土类护岸，城市河道河岸建设千篇一律，单调固化为同一种模式，水系生态和自然景观被严重破坏，城市水系综合性功能逐渐失去。另外，在清除淤积上更增加了工作量，常常发生因泄洪不畅导致夏秋季暴雨就到处积水的灾害。③污水不合理处理污水集中处理：目前城市过度集中式的污水处理系统，存在着巨额的输水费用和无法进行中水的就地利用的弊端。另外，由于一些城市污水处理厂的地理位置距离城区较远，把污水集中起来通过污水管送到十几公里以外集中处理，处理后再运回来，运输成本较高，形成了很大的资源浪费。不合理冲污：按照国际生态组织的统计，当把一条河流30％的径流量调出的话，产生的生态破坏将难以恢复。因此，实施优质水资源冲污，尤其采用远距离调水冲污，首先将使调水区的生态受到灾难性影响。不能只顾及经济成本，而不考虑生态成本，违背了资源节约型和环境友好型的社会主义绿色可持续发展道路要求。这些问题的解决策略，可以通过构建多生境河道进行解决，同时在工程建设模式上，结合人工湿地研究；在污水处理上，添加海绵城市的理念，并引入高效原位水质净化技术研究。目前已有的城市水系构建方法有：系统规划、加强综合的治理；一纵一横、两个面加一环的水系网络结构等等。这些方略大致上可以加强对水系和环境质量的保护，但这些方法的主要缺点仍然十分突出：不能凸显河湖的生态价值，在河湖的选址和规模论证上仍有诸如水系未能良好连通等不合理之处，河湖形态设计上也不符合自然界河流形态变迁规律，特别是未能应用模拟推演实时后的演进，很难发现生态系统演进层面的潜在不良因素。这使得城市河湖生境单调，功能单一，河湖工程构建成果可信度较低。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种多生境城市生态水系构建系统及方法，提升城市水系生态系统质量和稳定性，凸显河湖的生态价值，解决城市河湖生境单调、功能单一的问题。为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：本方案提供一种多生境城市生态水系构建系统，包括河湖选址模块、规模评价模块、近自然形态设计模块以及验证模块；所述河湖选址模块，用于构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；所述规模评价模块，用于利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；所述近自然形态设计模块，用于利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；所述验证模块，用于对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。基于上述系统，本专利技术提供了一种多生境城市生态水系的构建方法，包括以下步骤：S1、构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；S2、利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；S3、利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；S4、对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。进一步地，所述步骤S2中对河湖规模进行评价的内容包括：水面面积、正常蓄水量、控制水位以及水深。再进一步地，所述步骤S3中对河湖近自然形态进行设计包括：水域的平面形态的设计以及底部形态的设计。再进一步地，所述步骤S4中对河流数模进行验证包括以下步骤：A1、根据演进状态，建立一维水动力学模型：其中，x表示距离坐标，t表示时间坐标，A表示过水断面面积，Q表示流量，h表示水位，q表示侧入流量，C表示河床糙率系数，R表示水力半径，g表示重力加速度；A2、根据所述一维水动学模型，利用数值解法计算得到在两个水工建筑物点的流量点和水位点；A3、判断所述流量点和水位点是否稳定，若是，则进入步骤A4，否则，返回步骤A2；A4、构建对流扩散模型：其中，C1表示浓度，D表示离散系数，K表示线性衰减系数，C2表示源/汇浓度；A5、利用数值解法所述对流扩散模型对水质进行耦合计算；A6、根据耦合结果对水域的环境水质进行分析；A7、根据所述分析结果，利用水质生态模型模拟目标水域水动力及水质的变化趋势，完成对河流数模的验证。再进一步地，所述步骤A5包括以下步骤：A501、利用所述对流扩散模型计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；A502、根据所述步骤A501得到的浓度，计算得到由对流扩散引起的浓度梯度；A503、利用所述对流扩散模型中水质模块计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；A504、根据所述步骤A502得到的浓度，计算得到由水质过程引起的浓度梯度；A505、根据所述步骤A502和A504得到的浓度梯度，计算得到总的浓度梯度；A506、利用5阶龙格-库塔方法对所述总的浓度梯度积分求解，得到第n+1时间步的物质浓度，完成对水质的耦合计算。再进一步地，所述步骤A7中的水质生态模型包括富营养化模块以及水质模块。再进一步地，所述富营养化模块的模拟结果包括：浮游植物的氮磷含量、浮游植物的生长、浮游植物摄取的营养盐以及水体中无机氮和无机磷；所述浮游植物的氮磷含量的表达式如下：dpc/dt＝prpc-grpc-depc-sepcdpN/dt＝unpn-grpn-depn-sepndpp/dt＝uppp-grpp-depp-seppdCH/dt＝prch-dech-sech其中，prpc表示浮游植物的产碳量，prch为浮游植物光合作用生产的叶绿素量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多生境城市生态水系构建系统，其特征在于，包括河湖选址模块、规模评价模块、近自然形态设计模块以及验证模块；/n所述河湖选址模块，用于构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；/n所述规模评价模块，用于利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；/n所述近自然形态设计模块，用于利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；/n所述验证模块，用于对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。/n

【技术特征摘要】
1.一种多生境城市生态水系构建系统，其特征在于，包括河湖选址模块、规模评价模块、近自然形态设计模块以及验证模块；
所述河湖选址模块，用于构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；
所述规模评价模块，用于利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；
所述近自然形态设计模块，用于利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；
所述验证模块，用于对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。


2.一种多生境城市生态水系的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建多生境城市生态水系网络，并根据所述多生境城市生态水系网络，利用生态增长极选址法对河湖进行选址；
S2、利用多维平衡法对选址的河湖进行规模评价；
S3、利用生物栖息地法，对选址的河湖进行近自然形态设计；
S4、对河湖的选址、规模的评价以及近自然形态的设计进行仿真模拟，推演工程的演进状态，并根据所述演进状态对河流数模和湖泊数模进行验证，完成对多生境城市生态水系的构建。


3.根据权利要求2所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤S2中对河湖规模进行评价的内容包括：水面面积、正常蓄水量、控制水位以及水深。


4.根据权利要求2所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤S3中对河湖近自然形态进行设计包括：水域的平面形态的设计以及底部形态的设计。


5.根据权利要求2所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤S4中对河流数模进行验证包括以下步骤：
A1、根据演进状态，建立一维水动力学模型：



其中，x表示距离坐标，t表示时间坐标，A表示过水断面面积，Q表示流量，h表示水位，q表示侧入流量，C表示河床糙率系数，R表示水力半径，g表示重力加速度；
A2、根据所述一维水动学模型，利用数值解法计算得到在两个水工建筑物点的流量点和水位点；
A3、判断所述流量点和水位点是否稳定，若是，则进入步骤A4，否则，返回步骤A2；
A4、构建对流扩散模型：



其中，C1表示浓度，D表示离散系数，K表示线性衰减系数，C2表示源/汇浓度；
A5、利用数值解法所述对流扩散模型对水质进行耦合计算；
A6、根据耦合结果对水域的环境水质进行分析；
A7、根据所述分析结果，利用水质生态模型模拟目标水域水动力及水质的变化趋势，完成对河流数模的验证。


6.根据权利要求5所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤A5包括以下步骤：
A501、利用所述对流扩散模型计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A502、根据所述步骤A501得到的浓度，计算得到由对流扩散引起的浓度梯度；
A503、利用所述对流扩散模型中水质模块计算第n+1时间步的某水质组分的浓度；
A504、根据所述步骤A502得到的浓度，计算得到由水质过程引起的浓度梯度；
A505、根据所述步骤A502和A504得到的浓度梯度，计算得到总的浓度梯度；
A506、利用5阶龙格-库塔方法对所述总的浓度梯度积分求解，得到第n+1时间步的物质浓度，完成对水质的耦合计算。


7.根据权利要求5所述的多生境城市生态水系构建方法，其特征在于，所述步骤A7中的水质生态模型包括富营养化模块以及水质模块。


8.根据权利要求7...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚毅梓，尚领，李晓飞，冶运涛，龚家国，刘志武，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11