Die Theorie des städtischen Wassersystems ist die Anwendung und Erweiterung der hydrologischen Wissenschaft der Wassereinzugsgebiete auf städtischer Ebene. In einem Artikel veröffentlicht In Wissenschaft China Geowissenschafteneine Forschungsgruppe unter der Leitung des chinesischen Akademikers Xia Jun, stellte die Theorie des urbanen Wassersystems 5.0 und das dazugehörige Modell vor. Diese Studie zielt darauf ab, die interdisziplinäre Forschung in den urbanen Wasserwissenschaften voranzutreiben und eine systematische Lösung für komplexe urbane Wasserprobleme anzubieten.
Bisherige Forschungen zu urbanen Wassersystemen konzentrierten sich vor allem auf einzelne Prozesse innerhalb des Wasserkreislaufs, wie sie etwa in Zusammenhang mit der Wasserversorgung und Kläranlagen stehen, was zu einem deutlichen Verständnis der Theorie urbaner Wassersysteme geführt hat.
Mit dem Aufkommen des Schwammstadtbaus in China hat sich der Schwerpunkt der Studien zu städtischen Wassersystemen jedoch von traditionellen Überlegungen zu Niederschlagsabfluss, Wasserversorgung und Entwässerungsprozessen zu einer umfassenderen Untersuchung mehrerer Wassersystemprozesse verlagert. Dennoch sind weitere Untersuchungen erforderlich, um das Zusammenspiel zwischen Wasserkreislauf, Materialtransport, Wasserökologie und menschlichen Aktivitäten zu verstehen.
Professor Xia erweiterte das Konzept der städtischen Wassersysteme, indem er den natürlichen Wasserkreislauf auf eine städtische Ebene überführte, und begründete damit die Theorie des städtischen Wassersystems 5.0. Diese Theorie betont Mechanismen, Systemtheorien und technologische Integrationen städtischer Wasserkreisläufe, die auf unterschiedliche Klimazonen und geografische Unterteilungen in China zugeschnitten sind.
Der Hauptschwerpunkt der Forschung liegt auf der Nutzung des Wasserkreislaufs als Bindeglied, um die bebauten Gebiete und die damit verbundenen Flüsse und Seen mit ihren zahlreichen Prozessen umfassend zu erforschen. Diese Prozesse umfassen den natürlichen Wasserkreislauf aus Niederschlag, Evapotranspiration, Speicherung und Abfluss, den künstlichen Wasserkreislauf aus Versorgung, Nutzung, Verbrauch und Ableitung, die Wechselwirkung zwischen Flüssen und Städten, den biogeochemischen Kreislauf, die Schadstoffmigration und -umwandlung sowie die sozioökonomische Entwicklung.
Das Modell Urban Water System 5.0 integriert ein zeitvariantes Regen-Abfluss-Modell mit unterschiedlichen Oberflächenbedingungen für städtische Wassersysteme. Das zeitvariante Regen-Abfluss-Modell dient als Kern und erweitert seine Simulationsmöglichkeiten auf diffuse Verschmutzung, Wasser- und Schadstofftransport in Entwässerungsnetzen, Staunässe, sozioökonomische Wasserkreisläufe, Abwasserbehandlung sowie Wasserregulierung und -reinigung.
Diese Integration erleichtert die nahtlose Interaktion zwischen natürlichen und sozialen Wasserkreisläufen, indem sie mehrskalige Schwammmessungen einbezieht und Wassermenge, -qualität und ökologische Prozesse berücksichtigt. Das Modell umfasst fünf primäre Simulationsfunktionen: Niederschlagsabfluss und diffuse Schadstoffbelastung, Wasser- und Schadstofftransport der Entwässerungsnetze, Endregulierung und -reinigung, sozioökonomische Wasserkreisläufe sowie Bewertung und Regulierung des Wassersystems.
Die erfolgreiche Anwendung des Modells Urban Water System 5.0 in Wuhan, einer Kernstadt im städtischen Ballungsraum des Mittellaufs des Jangtse, zeigt die Durchführbarkeit des Modells bei der Simulation wichtiger Prozesse des städtischen Wasserkreislaufs. Das Modell zeigte gute Ergebnisse bei der Simulation urbaner Niederschlags-Abfluss-Prozesse, der Gesamtstickstoff- (TN) und Gesamtphosphorkonzentrationen (TP) in Gewässern sowie der kritischen sozioökonomischen Entwicklungsindikatoren.
Es wurden einige Kontrollmaßnahmen für Staunässe, den Schwarz- und Geruchspegel von Gewässern, den Eutrophierungsgrad von Seen und die Grünentwicklung vorgeschlagen. Diese Maßnahmen reduzierten die maximale Überschwemmungsfläche bei einem Niederschlag, der nur einmal in einem Jahrzehnt auftritt, um 32,6 %, die Schwarz- und Geruchspegel von Gewässern um 65 % und den umfassenden Trophiezustandsindex der Gewässer um 37 %. Sie trugen auch zu einer Steigerung der Grünentwicklung um 21 % bei.
Die Theorie des urbanen Wassersystems 5.0 und das dazugehörige Modell stellen einen bedeutenden Fortschritt bei der Modellierung der Wassersysteme moderner Städte dar. Dieser Ansatz erleichtert die Integration verschiedener Disziplinen im Zusammenhang mit städtischen Umgebungen und Wassermanagement.
In Zukunft ist es unerlässlich, das konzeptionelle und theoretisch-technische System urbaner Wassersysteme zu verbessern. Dazu gehört die Verfeinerung der Modellstruktur, die Erweiterung ihrer Funktionalitäten und die Stärkung der Beobachtung und Datenerfassung im Zusammenhang mit Wassersystemprozessen. Diese Anstrengungen sind unerlässlich, um die Leistung von Modellsimulationen zu validieren und ihre Genauigkeit sicherzustellen.
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Jun Xia et al., Theorie städtischer Wassersysteme und ihre Modellentwicklung und Anwendung, Wissenschaft China Geowissenschaften (2024). DOI: 10.1007/s11430-023-1226-9