研究方向

城市水循环和海绵城市技术重点实验室面向首都水安全的国家重大战略需求,结合北京市海绵城市建设的科技需求,坚持全面性、系统性和前瞻性的原则,以城市水循环整体为研究对象,集合地表水和地下水、水量和水质、环境和生态的学科力量,力争在城市水循环模拟和海绵城市技术方面取得突破,为保障首都水安全,建设海绵城市提供理论依据和技术支撑。通过科研机构、高等院校和企业单位的协同和集成,凝聚科技精英,培养高端人才,形成代表北京市水平的、在国内具有重要地位的城市水文科学创新群体,成为本领域高级科技创新人才培养基地和自主创新平台。

实验室主要研究方向包括:

(1)城市暴雨洪水模拟与预报技术

构建城市暴雨洪水模型体系,实现对洪涝过程的模拟与预报。依据北京市产汇流特征,综合模拟不同下垫面的产流过程、地表漫流过程和河道汇流过程,研究基于复杂下垫面特征的城市分布式水文模型构建方法,深入分析下垫面的空间变异性,提高模型的耦合精度。在参数灵敏度分析的基础上,研究基于城市水文模型特点的多目标参数优化方法。采用介质界面之间连续性的假设进行城市行洪河网、城市陆面以及城市管网系统等不同介质的水流模型之间的耦合,实现将描述管网、泵站、街道和河道的水动力学模型与分布式水文模型耦合,构建全面模拟河网汇流、管网排水和地表漫流等过程的基于物理机制的城市低洼区洪水演进模型,完成对城市暴雨洪涝全过程的模拟。为北京市城市雨洪规划和管理、以及防洪减灾工作提供科技支撑。

(2)地表水地下水调蓄与海绵城市技术

构建雨洪资源调蓄与利用技术体系。研究地表水和地下水的水量转化计算方法、污染物质转化及集成数值模拟方法,从城市供水与地下水、地表水的关系建立地表水和地下水联合调蓄的耦合模型,重点考虑地表水和地下水的耦合方法、地下水模型数据同化和参数不确定性估计方法、地球重力卫星数据应用于地下水数值拟等科学问题,提高数值模拟的精度,进而分析不同来水和水资源利用模式下供水的可靠性。在所建模型基础上,根据不同调蓄设施的种类和功能特点,构建北京市雨洪调蓄系统的框架,分析调蓄系统与城市雨洪管理设施的衔接关系,对北京市地表水和地下水联合调蓄以及提高供水可靠性、减轻城市洪涝灾害提供科技支撑。

(3)海绵城市建设控污机理与模拟

研究海绵城市建设低影响开发技术—最佳管理措施(LID-BMPs)对城市径流污染净化机理,开展海绵城市建设区域径流总量控制量和径流污染削减效果模拟和优化,进行城市地表水环境水质改善模拟和费用效益分析。主要研究下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、氧化塘、雨水湿地、植草沟、植被缓冲带、人工土壤渗滤等LID-BMPs措施对初期雨水的拦截、过滤、吸收和降解等净化机理,研究提出适用于国内不同气候条件、不同降雨特征以及我国国情的LID-BMPs新方法和设计参数;开展节水控污和城市黑臭水体综合治理成套技术研发及工程示范;开发海绵城市建设水环境综合评估模拟系统,模拟评估和优化海绵城市建设对城市径流污染削减效率和城市地表水系水质改善效果,为海绵城市合理规划建设提供科学依据。

(4)海绵城市技术集成平台

实现多源数据融合共通,各学科模型之间的无缝联接,以系统分析的方法统筹集成研究海绵城市研究发展重要方向。将本实验室前述三个研究方向的数据与模型统一纳入集成平台,实现“监测-模拟-评价”三位一体的集成,为海绵城市建设的科学决策提供支持。与此同时,考虑多尺度城市水循环的衔接和耦合,选择典型区域与流域,构建不同尺度的海绵城市技术集成试验基地,一方面是各种监测手段的集成,通过地表水和地下水、水质和水量以及生态和环境全方位的监测,为探寻城市水循环演变机理,应用海绵城市技术奠定基础;另一方面是海绵城市技术的集成,通过对最小干预技术、生态防洪技术、人工湿地净化技术、绿色海绵技术、生态系统服务仿生修复技术等基础技术的集成,在实现各分支技术创新的同时,探讨各种情景下最优的海绵城市设计和解决方案。