第 1章 绪论
1.1 研究背景
城市化是一个地区乃至一个国家经济社会发展的必然趋势，同时也是工业化和现代化的重要标志（邵学强等，2012）。目前，世界上有 50%的人口集中居住在仅占陆地面积为 5%的城市土地（拜存有等，2009），这势必会加大对城市资源、能源、交通、住房和排污等的需求压力。然而随着城市化进程的进一步推进，将会有更多的人口继续向城市迈进，城市人口占总人口的规模比例逐年上升，预计到 2030年世界上将有 60%的人口居住在城市地区（UN，1997）。我国作为一个发展中国家，近年来城市化发展迅速，从 1949 年建国初期的 10.64%增加到 2012 年的 52.57%，年均增长率达到 2.6%，而随着我国社会经济的快速发展，预计在未来的发展过程中，我国的城市化水平仍将呈现出持续增长的趋势。
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1.2 研究目的及意义
水是人类生存与发展所必不可少的一种自然资源。地球上有 70%的面积被水所覆盖，但却仅有 2.5%的淡水可供人类所利用（王克六，2015）。习总书记指出，目前，我国仍是世界上最大的发展中国家。尽管我国淡水资源量占全球水资源总量的 6%，位居世界第四，但我国人口众多，人均水资源短缺形势严峻。据统计显示，截止到 2012年，我国人均水资源占有量为 2100 立方米，仅为世界平均水平的 28%（张宏仁，2001；孙权，2010），是全球水资源最为贫乏的国家之一（何昉等，2006；张亚梅等，2015）。随着近年来我国改革开放及经济结构的战略性调整，大量的人口流向城市，进一步加大了对水资源的需求压力。
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第 2章 实验模拟装置设计与方法
2.1 人工模拟降雨装置
实验所用人工模拟降雨装置采用由美国农业部（USDA）和美国土壤侵蚀研究所共同开发的 RS-4 振荡式人工模拟降雨机（如图 2-1），该降雨装置采用由美国进口的veejet80100 喷头。据资料显示，传统的人工降雨的雨滴是自由坠落的，所以高度要求达 20 m，否则无法保证降雨强度，而该降雨机所用的 veejet80100喷头可以控制雨滴的大小和强度，只需要在水压 41 N/m2﹑高度 2.5 m 的条件下所模拟的降雨情况与自然降雨条件下的状况基本保持一致。据现场预实验结果得知，本研究所采用的模拟降雨机的模拟降雨可覆盖范围为长 4.5 m﹑宽 1.5 m的长方形区域。
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2.2 下垫面模拟试验小区的设计
随着城市化、工业化及农业现代化的推进，城市人口增加、土地利用变化、建筑物增多及硬化路面增加等这些因素均在一定程度上改变了城市地区的水文条件。而城市下垫面作为一个经人工改造了的地面，沥青路面、砖瓦建筑、公园草地、裸露土地及河流湖面等使得城市下垫面情况较之以前变得更为复杂。根据地表渗水情况可将城市下垫面分为成两种，一种是可透水性下垫面，主要是以草地、裸露土地等透水性较好的城市下垫面为主；另一种是不透水性下垫面，主要以混凝土、沥青地面等代表的透水性能较差的下垫面为主（郝静，2012）。可透水性下垫面和不透水性下垫面概称为典型城市下垫面。本研究选用水泥混凝土面作为不透水型下垫面的代表，裸土、草皮及透水砖作为可透水下垫面代表。
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第 3章 下垫面类型对降雨产流过程的影响...............18
3.1 下垫面类型对产流时间的影响...............18
3.2 下垫面类型对产流量的影响................21
第 4章 不透水分布格局对降雨产流过程的影响................30
4.1 不透水分布格局对产流时间的影响................30
4.2 不透水分布格局对产流量的影响................32
第 5章 草地分布格局对降雨产流的削减效应...............39
5.1 草地分布格局对产流时间的影响................39
5.2 草地分布格局对产流量的影响...............41
第 5章 草地分布格局对降雨产流的削减效应
5.1 草地分布格局对产流时间的影响
图5-1结果显示，四种实验小区的产流时间均表现为随雨强的增加而减小，但是不同实验小区的减小幅度不同。对于无任何覆盖的裸地来说，雨强从0.29 mm/min增加到0.77 mm/min时，其初始产流时间变化为由2 min缩短到1 min，减小幅度为50%；对于完全由草地覆盖的实验小区而言，其初始产流时间减小幅度达75%以上；对于草地覆盖率为50%且裸-草聚集型分布的实验小区而言，其初始产流时间由低雨强条件下的48.5 min缩短至高雨强条件下的10.08 min，减少幅度为79%；对于草地覆盖率为50%且裸-草均匀分布条件下的实验小区来说，其初始产流时间由低雨强条件下的74 min缩短至高雨强条件下的17 min，缩短幅度接近77%。不同下垫面覆盖条件下的实验小区其初始产流时间的变化幅度不同，说明各种草地分布格局受雨强的影响不同。
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5.2 草地分布格局对产流量的影响
草地分布格局除影响初始产流时间，对地表产流量同样具有一定的影响。（1）草地分布格局对初始产流量的影响。同种雨强条件下，四种草地分布格局下的初始产流量表现为裸地及裸-草均匀分布较大，草地次之，裸-草聚集型分布最小。降雨开始后，裸地由于表面入渗性能较低，因此降雨转化为产流的量较多，而裸-草均匀分布的实验小区，在降雨过程中，降落到实验小区表面的积水在超过草地的拦截流量时，出水口才会有流量产生，因此其产流量较之裸地稍小，但仍大于草地及裸草聚集型分布的实验小区。然而，裸地及裸-草均匀分布的实验小区，其初始产流量在四种雨强下的初始产流量并不像第三章及第四章中结果，而是呈浮动的状况。分析其原因可能是由于同种下垫面在两种不同雨强下的降雨间隔较长的原因造成的。而完全由草地覆盖的实验小区，由于草地表面具有很好的入渗性，地表产流后，仍有部分的雨水继续进行入渗，且入渗量多于裸-草均匀分的实验小区。而对于裸-草聚集型分布的实验小区来说，由于上部裸地产生的流量在流经草地时被草地拦截，这使得上部产流大量聚集在裸地和草地的边界部位，对出水口产生的产流仅为下部草地部分产生的流量，因此，其初始产流量最少。
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结论
本文在系统分析城市水文变化的基础上，对城市化造成的降雨、产流等的影响进行深入分析；结合对城市土地利用的变化，设计出 4 种城市典型下垫面类型，同时为反映下垫面格局变化对降雨产流的影响分别设计了三种不透水分布格局及两种草地分布格局的实验小区，结合室外人工模拟降雨装置，进行了 100 多场次的室外模拟降雨实验，模拟了各种下垫面条件下的降雨产流情况，研究了不同降雨强度及下垫面条件下的产流变化过程，得到了不同条件下的产流特征值，在此基础之上，探讨各实验小区间的降雨产流差异。通过研究得出以下结论：（1）雨强及下垫面条件对降雨产流均有一定的影响。雨强越大，产流时间越短，产流量越大，产流削减率越小；下垫面透水性越好，产流时间越长。（2）同种雨强条件下，不同下垫面类型间的降雨产流过程差异显著。在产流时间上表现为：不透水面<裸地<透水砖<草地；在产流量上则表现为：不透水面>裸地>草地>透水砖。四种下垫面类型在单位时间内的产流量随降雨历时的变化趋势具有明显的差异，产流开始后，不透水面的产流变化较快，裸地和草地的变化趋势小于不透水面。而透水砖在雨强较小时，整个产流过程中的产流变化趋势及产流量均明显低于上述三种下垫面类型，具有很好的截流效应，而雨强较大时，这种效应明显减弱。
参考文献（略）
