一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法与流程

本发明属于水利规划与景观生态领域，具体涉及一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法。
背景技术：
：水系是城市径流雨水排放的重要通道、受纳及调蓄空间，在防洪除涝以及维护区域生态环境稳定中发挥着重要作用。近年来随着城市化建设的推进，天然水系受人类活动的影响越来越大，与水争地、填埋河湖等现象频发，破坏了原有水系的整体性和连通性，缩小了蓄水排洪的水域与通道，打破了原有水系的生态平衡。低影响开发理论是一种全新的雨洪管理、面源污染控制处理的理念和工程技术，最初用于降雨的分散式控制，达到减少雨水径流、削减径流总量、延缓洪峰出现时间。随着低影响开发理论的发展，在我国的应用已延伸至雨水的源头控制、中途输送和末端调蓄等不同尺度、不同阶段措施的组合。近年来，低影响开发理论在城市雨水利用、土地开发、海绵城市建设等方面均有所体现。技术实现要素：发明目的：本发明的目的在于提供一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法，科学合理地规划布置特定区域水系，提高水资源统筹调配和抵御水旱灾害能力，保护原生景观与生态，改善区域生态环境。技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法，包括如下步骤：a1：利用地表径流漫流模型提取目标区域的数字化河网水系，之后通过实地考察对数字化河网水系进行核对、修改，最终绘制得到水系现状图；a2：根据水系现状图，遵循尊重天然水系，河路相随，挖大填小，大直小弯，随弯就弯，增加河网水系的维数的原则对水系进行优化布局，并校核规划后河网加权平均曲度；a3：保证防洪除涝流量；计算河道防洪除涝流量，根据河道功能选取断面形状，设计断面要素；a4：保证水面率；合理布置调蓄湖，形成景观水面，计算并校核规划后水面率，保证目标区域的水面率在合理区间内。进一步的，所述的步骤a1包括如下步骤：b1：在地理空间数据云下载目标区域行政范围的shp文件和包含目标区域的dem高程数据文件，并导入arcgis中；使用arcgis软件中的spatialanalys工具中的提取分析-按掩膜提取工具，对所下载的dem高程数据进行裁切，获得目标区域准确的dem高程数据文件；b2：采用spatialanalys工具中的水文分析工具对目标区域准确的dem高程数据进行分析，操作包括：利用最大坡降法获取水流方向、洼地填充、计算汇流累积量、栅格河网矢量化、河网分级，进而提取数字化河网水系；对照实地考察结果，对数字化河网水系进行校核和修改，最终绘制得到目标区域水系现状图。进一步的，所述的步骤a2包括以下步骤：c1：尊重天然水系；尊重水系的自然条件和生态功能，立足研究区的水系现状及地形地貌特点，结合城市建设对水系调整的需求，合理布置骨次干河道，加强重点区域的保护和治理，尽量维持水系原有形态，保持水系的自然、生态与景观效应；c2：河路相随；水系与路网统筹规划，可将新开的主次干道路沿骨干、次干河道布设，或骨干、次干河道跟随路网布设；河道的绿化与护岸就是道路的绿化带，河道的滨水空间又可作为道路的景观带；充分发挥水系与路网的坐标功能，水系布局与路网、绿化带等规划充分衔接，以实现有限空间的综合利用，生态、经济和社会效益的统一；c3：挖大填小；在规划时，可将现状“小”的凌乱细碎的河流分支和水面填埋，以便整理出完整的可利用的地块；而一些“大”的需要保留的骨干河道、水面则可将其拓浚挖深；以保证足够的水域用地，并提高土地利用率；c4：大直小弯，随弯就弯；对于宽大的河流，在规划时，需要满足一定的河流曲度，切忌一马平川，一直到底；在保持河道整体形态是直线型的同时，结合建设需求，可在一些小的节点处增加弯曲，形成“大直小弯”的水系格局；在水系规划后，需要校核河流曲度，保证规划后水系河流曲度在合理区间内；同时，不可大幅度的裁弯取直，要巧妙利用地形和原有水系的特点，随着区域地势、原生河道的弯曲走向规划弯曲，即“随弯就弯”；河流曲度s是指河流实际长度与河流起迄断面的直线距离的比值，其计算公式为：式(1)中，s为河流曲度；la为河流实际长度，km；ls为河流起迄断面直线距离，km；c5：增加河网水系的维数；若研究区现状水系走向较为单一，可根据当地地势条件，新开与整体河流走向相垂直的“横向河道”以增加目标区域水系的维度，实现水系在空间上的连通，形成纵横交替的水系格局，从而构建“联防联排联调”的防洪除涝体系。进一步的，所述的步骤a3中包括以下步骤：d1：确定设计标准，选取控制断面，根据研究区现有的水文资料，采用实测设计暴雨发或等值线图法推求设计暴雨；d2：根据d1所获得的设计暴雨，应用图解法、试算法推求设计洪水，进而获取各断面洪峰流量；采用推理公式如下：式(2)-(4)中qmp为洪峰流量，m3/s；f为流域面积，km2；l为河道长度，km；j为河道平均比降；n、sp为暴雨参数；τ为汇流时间，s；μ为流域损失参数，mm/h；m为汇流参数；tc为产流时间，h；d3：根据各断面所在地理位置、河道功能，选取合适的断面形状，可采用的断面形状为梯形断面、矩形断面、复式断面和弧形断面等；d4：根据所选断面形状和d2中计算的各断面洪峰流量，列能量方程，采用试算法或图解法计算水面曲线，之后应用明渠均匀流公式设计断面要素，保证防洪除涝断面；计算公式如下：a＝(b+mh)h(6)；r＝a/χ(8)；式(5)-(9)中，q为河道设计流量，m3/s；a为过水断面面积，m2；r为谢才系数，m0.5/s；χ为湿周，m；c为水力半径，m；n为糙率；m为边坡系数；h为水深，m；b为底宽，m。进一步的，所述的步骤a4包括下步骤：合理布置调蓄湖、湿地，制造城市水景观，并计算、校核水面率，保证规划后水面率在合理区间内；水面率是指河道和湖泊等水体多年平均水位下的水面积占区域总面积的比例，计算公式为：式(10)中wp为水面率，％；tw为区域内河流和湖泊的总面积，km2；t为区域面积，km2。有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法，利用地表径流漫流模型提取目标区域的河网数字水系图，并通过实地考察对数字水系图进行核实、修改，最终绘制得到水系现状图；遵循“尊重天然水系，河路相随，挖大填小，大直小弯，随弯就弯，增加河网水系的维数”的原则对现状水系进行优化布局，并校核规划后河流曲度；计算河道防洪除涝流量，选取断面形状，设计断面要素，保证防洪除涝流量；合理布置调蓄湖，校核水面率，保证水面率在合理区间。本发明引入低影响开发理论，可较为科学地对长江中下游地区水系进行优化布局，能有效缓解近年来城市建设进程中出现的与水争地、河湖连通不畅等现象，从而提高城市的防洪除涝能力，为城市水系规划提供参考。附图说明图1是本发明一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法的流程图；图2是本发明选取的实施案例研究区现状水系图；图3是本发明选取的实施案例研究区规划后水系图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。如图1-3所示，一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法，包括如下步骤：a1：利用地表径流漫流模型提取目标区域的数字化河网水系，之后通过实地考察对数字化河网水系进行核对、修改，最终绘制得到水系现状图；a2：根据水系现状图，遵循“尊重天然水系，河路相随，挖大填小，大直小弯，随弯就弯，增加河网水系的维数”的原则对水系进行优化布局，并校核规划后河网加权平均曲度；a3：保证防洪除涝流量。计算河道防洪除涝流量，根据河道功能选取断面形状，设计断面要素；a4：保证水面率。合理布置调蓄湖，形成景观水面，计算并校核规划后水面率，保证目标区域的水面率在合理区间内。步骤a1包括以下步骤：b1：在地理空间数据云下载目标区域行政范围的shp文件和包含目标区域的dem高程数据文件，并导入arcgis中。使用arcgis软件中的spatialanalys工具中的提取分析-按掩膜提取工具，对所下载的dem高程数据进行裁切，获得目标区域准确的dem高程数据文件。b2：采用spatialanalys工具中的水文分析工具对目标区域准确的dem高程数据进行分析，操作包括：利用最大坡降法获取水流方向、洼地填充、计算汇流累积量、栅格河网矢量化、河网分级，进而提取数字化河网水系。对照实地考察结果，对数字化河网水系进行校核和修改，最终绘制得到目标区域水系现状图。步骤a2包括以下步骤：c1：尊重天然水系。尊重水系的自然条件和生态功能，立足研究区的水系现状及地形地貌特点，结合城市建设对水系调整的需求，合理布置骨次干河道，加强重点区域的保护和治理，尽量维持水系原有形态，保持水系的自然、生态与景观效应。c2：河路相随。水系与路网统筹规划，可将新开的主次干道路沿骨干、次干河道布设，或骨干、次干河道跟随路网布设。河道的绿化与护岸就是道路的绿化带，河道的滨水空间又可作为道路的景观带。充分发挥水系与路网的坐标功能，水系布局与路网、绿化带等规划充分衔接，以实现有限空间的综合利用，生态、经济和社会效益的统一。c3：挖大填小。在规划时，可将现状“小”的凌乱细碎的河流分支和水面填埋，以便整理出完整的可利用的地块。而一些“大”的需要保留的骨干河道、水面则可将其拓浚挖深。以保证足够的水域用地，并提高土地利用率。c4：大直小弯，随弯就弯。对于宽大的河流，在规划时，需要满足一定的河流曲度，切忌一马平川，一直到底。在保持河道整体形态是直线型的同时，结合建设需求，可在一些小的节点处增加弯曲，形成“大直小弯”的水系格局。在水系规划后，需要校核河流曲度，保证规划后水系河流曲度在合理区间内。同时，不可大幅度的裁弯取直，要巧妙利用地形和原有水系的特点，随着区域地势、原生河道的弯曲走向规划弯曲，即“随弯就弯”。河流曲度s是指河流实际长度与河流起迄断面的直线距离的比值，其计算公式为：式(1)中，s为河流曲度；la为河流实际长度，km；ls为河流起迄断面直线距离，km。c5：增加河网水系的维数。若研究区现状水系走向较为单一，可根据当地地势条件，新开与整体河流走向相垂直的“横向河道”以增加目标区域水系的维度，实现水系在空间上的连通，形成纵横交替的水系格局，从而构建“联防联排联调”的防洪除涝体系。步骤a3中包括以下步骤：d1：确定设计标准，选取控制断面，根据研究区现有的水文资料，采用实测设计暴雨发或等值线图法推求设计暴雨；d2：根据d1所获得的设计暴雨，应用图解法、试算法推求设计洪水，进而获取各断面洪峰流量。采用推理公式如下：式(2)-(4)中qmp为洪峰流量，m3/s；f为流域面积，km2；l为河道长度，km；j为河道平均比降；n、sp为暴雨参数；τ为汇流时间，s；μ为流域损失参数，mm/h；m为汇流参数；tc为产流时间，h；d3：根据各断面所在地理位置、河道功能，选取合适的断面形状，可采用的断面形状为梯形断面、矩形断面、复式断面和弧形断面等；d4：根据所选断面形状和d2中计算的各断面洪峰流量，列能量方程，采用试算法或图解法计算水面曲线，之后应用明渠均匀流公式设计断面要素，保证防洪除涝断面；计算公式如下：a＝(b+mh)h(16)；r＝a/χ(18)；式(5)-(9)中，q为河道设计流量，m3/s；a为过水断面面积，m2；r为谢才系数，m0.5/s；χ为湿周，m；c为水力半径，m；n为糙率；m为边坡系数；h为水深，m；b为底宽，m。步骤a4包括下步骤：合理布置调蓄湖、湿地，制造城市水景观，并计算、校核水面率，保证规划后水面率在合理区间内；水面率是指河道和湖泊等水体多年平均水位下的水面积占区域总面积的比例，计算公式为：式(10)中wp为水面率，％；tw为区域内河流和湖泊的总面积，km2；t为区域面积，km2。下面结合附图和研究区南昌市望城新区为例，对具体技术的实施步骤进行详细说明。研究区位于长江中游的江西省南昌市，面积为141.17km2。下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。如图1所示，一种基于低影响开发理论的长江中下游地区水系规划方法，包括以下步骤：a1：利用地表径流漫流模型提取目标区域的数字化河网水系，之后通过实地考察对数字化河网水系进行核对、修改，最终绘制得到水系现状图。a2：根据水系现状图，遵循“尊重天然水系，河路相随，挖大填小，大直小弯，随弯就弯，增加河网水系的维数”的原则对水系进行优化布局，并校核规划后河网加权平均曲度。a3：保证防洪除涝流量。计算河道防洪除涝流量，根据河道功能选取断面形状，设计断面要素。a4：保证水面率。合理布置调蓄湖，形成景观水面，计算并校核规划后水面率，保证目标区域的水面率在合理区间内。步骤a1具体包括：下载研究区的dem数据和行政区划shp文件，导入arcgis中。使用spatialanalys工具中的提取分析-按掩膜提取工具，对所下载的dem高程数据进行裁切，获得望城新区准确的dem高程数据文件。采用spatialanalys工具中的水文分析工具对目标区域准确的dem高程数据进行分析，操作包括：利用最大坡降法获取水流方向、洼地填充、计算汇流累积量、栅格河网矢量化、河网分级，进而提取数字化河网水系。对照实地考察结果，对数字化河网水系进行校核和修改，最终绘制得到望城新区水系现状图，如图2所示。步骤a2具体包括：根据步骤a1绘制的水系现状图，遵循“尊重天然水系，河路相随，挖大填小，大直小弯，随弯就弯，增加河网水系的维数”的原则对水系进行优化布局，优化后水系见图3。在水系规划后，校核河流曲度，保证规划后水系河流曲度在合理区间内。河流曲度是指河流实际长度与河流起迄断面的直线距离的比值，其计算公式为：式(1)中，s为河流曲度；la为河流实际长度，km；ls为河流起迄断面直线距离，km。一般来讲，河流曲度越高，河流形态越好。但在实际工程中，河流的弯曲度不断受到人类活动的干扰和损害，部分城市为追求更高的土地利用率，将自然弯曲的河流裁弯取直。为保护天然水系的形态，在水系规划时应将河流曲度作为重要指标进行考虑，规划后应校核研究区的河流曲度。如表1所示，河流曲度一般不建议在1.0-1.05区间，若规划后河流曲度在1.0-1.05区间，可根据河流现状和当地地形地貌增加河流弯曲。平原顺直型河网地区和低丘山区部分细碎的渠道曲度可取为低曲度的1.05-1.4。平原河网少数河道、低丘山区比降较缓的河道的河流曲度可取为中曲度的1.4-1.5。低丘山区比降较大的河道，为释放高差，河流曲度可相对高一些，取为高曲度的>1.5。表1河流曲度适宜区间经计算，研究区规划后水系河流曲度最小为1.2，最大为1.8，加权平均河流曲度为1.51。研究区位于低丘山区，比降范围是0.8‰～3.0‰，比降起伏较大，经校核，规划后河流曲度满足本发明相关要求。步骤a3包括以下步骤：确定设计标准，选取控制断面，根据研究区现有的水文资料，采用实测设计暴雨发或等值线图法推求设计暴雨。由于区域内河道过多，下面以两条防洪河道为例，进行“保证防洪除涝流量”的计算示范。根据我国现行《防洪标准》(gb20201-2014)及等相关文件，确定防洪标准为抵御20年一遇洪水。结合研究区水系规划需求，将研究区划分为11个计算区域，共11个断面。具体如表2。表2防洪除涝分区表采用等值线图推求设计暴雨，包括：计算20年一遇24h点暴雨量，设计面暴雨量，设计暴雨时程分配和24h净雨过程。设计暴雨各频率设计值见表3。表3设计暴雨及参数成果表根据获得的设计暴雨，采用推理公式，推求设计洪水，进而获取各断面洪峰流量见表4。采用推理公式如下：式(2)-(4)中qmp为洪峰流量，m3/s；f为流域面积，km2；l为河道长度，km；j为河道平均比降；n、sp为暴雨参数；τ为汇流时间，s；μ为流域损失参数，mm/h；m为汇流参数；tc为产流时间，h。表4各分区洪峰流量成果表计算断面洪峰流量(m3/s)计算断面洪峰流量(m3/s)ms133.2xf165.7ms289.12xf2144.635ms3163.902xf3205.276ms4233.422xf4247.366ms5271.469xf5274.765xf6290.763结合上述步骤所求的各断面洪峰流量，综合考虑河道位置、功能、两侧土地规划，选取梯形断面和矩形复式断面。根据所选断面形状和计算的各断面洪峰流量，列能量方程，采用试算法或图解法计算水面曲线，之后应用明渠均匀流公式设计断面要素，保证防洪除涝断面。计算公式如下：a＝(b+mh)h(26)r＝a/χ(28)式(5)～(9)中，q为河道设计流量，m3/s；a为过水断面面积，m2；r为谢才系数，m0.5/s；χ为湿周，m；c为水力半径，m；n为糙率；m为边坡系数；h为水深，m；b为底宽，m。设计断面要素如下表5。表5研究区断面要素表步骤a4包括以下步骤：合理布置调蓄湖、湿地，制造城市水景观，并计算、校核水面率，保证规划后水面率在合理区间内。水面率是指河道和湖泊等水体多年平均水位下的水面积占区域总面积的比例，计算公式为：式(10)中wp为水面率，％；tw为区域内河流和湖泊的总面积，km2；t为区域面积，km2。如表6所示，由于长江中下游地区雨量充沛，水资源总量较大，根据《城市水系规划导则(sl431-2008)》和相关地区经验，水面率一般都要大于5％。若规划后水面率未达到5％，需要根据目标区域实际情况布置调蓄湖、湿地或新开河道以保证充足水面率。水面面积较少、海拔相对较高的山区，水面率可为5％-7％。水面面积适中的低丘山区，水面率可为7％-8％。平原城镇河网地区地势平坦，社会经济发展水平较高，水面率可为8.0％-10％。河网密布、经济发达的平原地区水面率可大于10％。表6水面率适宜区间根据步骤a2优化的水系和步骤a3所设计的河道断面要素，计算研究区水面率见表7。表7规划区控制水面率计算表研究区属于水面面积适中的低丘山区，规划区域内水面率在合理区间内，符合
发明内容要求。当前第1页12