基于GIS的子匯水區(qū)劃分對(duì)城市積澇模擬的影響研究

邱帥，孫瑋妍，喬雪，陳昕，劉凱

(1.南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019； 2.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的需要，城市化水平不斷提高，城區(qū)的不透水面積比逐年增大，使得洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率不斷上升[1～2]。SWMM(Storm Water Management Model)是由美國(guó)環(huán)保署提出的，為研究和管理城市雨洪而研制的動(dòng)態(tài)降水-徑流模擬模型。它已廣泛應(yīng)用于城市的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計(jì)中。

SWMM模型是一個(gè)分布式水文模型，可對(duì)地表徑流以及管道輸移量進(jìn)行計(jì)算，且能夠連續(xù)、完整地模擬降雨后徑流的產(chǎn)生和運(yùn)移過(guò)程。在模擬時(shí)，模型將流域劃分成若干子匯水區(qū)進(jìn)行處理，不同子匯水區(qū)劃分方法會(huì)對(duì)模型模擬的結(jié)果產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的影響。目前，已有部分學(xué)者對(duì)匯水區(qū)劃分方案進(jìn)行了研究分析。張書亮等[5]基于GIS技術(shù)，通過(guò)建立雨水管網(wǎng)和地形數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)構(gòu)建雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)城市匯水區(qū)的自動(dòng)劃分。宋瑞寧等[7]將雨水口和檢查井分別作為匯水區(qū)節(jié)點(diǎn)，研究在中小雨條件和暴雨條件下對(duì)模型模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明以雨水口作為節(jié)點(diǎn)的匯水區(qū)劃分方法，使研究區(qū)域的產(chǎn)匯流過(guò)程更接近實(shí)際情況。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)域位于南京鼓樓區(qū)，是云南路、中山北路與北京西路的交叉地帶，面積約為25.96公頃。研究區(qū)內(nèi)建筑物較為密集。其中，建筑物、道路等不透水面積占整個(gè)研究區(qū)域88.43%，草地、花圃等透水面積占11.57%，如圖1所示。

圖1研究區(qū)情況示意圖

2.2 積澇模擬模型構(gòu)建

積澇模擬模型的構(gòu)建建立在空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)之上。本實(shí)驗(yàn)利用了研究區(qū)域 1∶500比例尺地形及管網(wǎng)數(shù)據(jù)、1 m格網(wǎng)高精度DEM數(shù)據(jù)以及氣象部門提供的 10 min間隔實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)。模型構(gòu)建方式的合理性將直接影響積澇模擬的準(zhǔn)確性，本次研究首先對(duì)復(fù)雜管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行概化，然后利用GIS的空間統(tǒng)計(jì)功能和圖層疊加方法對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行提取計(jì)算獲得建模所需參數(shù)，接著利用DEM數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)結(jié)合分析對(duì)研究區(qū)子匯水區(qū)進(jìn)行劃分，最后結(jié)合降雨數(shù)據(jù)在SWMM5.0軟件中進(jìn)行建模并進(jìn)行積澇模擬。

(1)研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)概化

原始的管網(wǎng)數(shù)據(jù)包含雨水管道、雨水節(jié)點(diǎn)、污水管道以及污水節(jié)點(diǎn)，因南京主城區(qū)已基本實(shí)現(xiàn)雨污分流體制，對(duì)于多余的污水管道和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)要予以刪除。同時(shí)對(duì)雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的概化，只保留主干道的雨水管線并將管徑相同的管段進(jìn)行合并，根據(jù)需要保留管線中的雨水節(jié)點(diǎn)，圖2為概化前后的雨水管網(wǎng)情況。

圖2研究區(qū)雨水管網(wǎng)分布圖

(2)模擬參數(shù)的設(shè)置

本次模擬過(guò)程采用2015年6月25日～27日歷時(shí) 56 h 50 min、總降雨量 246 mm的大暴雨。降雨曲線圖如圖3所示。本研究將Horton入滲參數(shù)設(shè)定為：最大入滲率為 75.25 mm/h，最小入滲率為 3.5 mm/h，入滲遞減率為3；可滲透區(qū)的曼寧粗糙系數(shù)設(shè)為0.24，不可滲透區(qū)曼寧粗糙系數(shù)為0.015。研究區(qū)域地面起伏不平，坡度最大達(dá)18.72%，最小為0.75%。

(3)子匯水區(qū)劃分

子流域自動(dòng)劃分的方法適用于高差起伏較大的山地、丘陵地區(qū)的自然流域，對(duì)于城市這樣坡度較小的區(qū)域，自動(dòng)劃分方法提取出的河網(wǎng)不符合實(shí)際情況，難以得到理想的模擬效果。因此借鑒張書亮等[5]基于GIS技術(shù)的城市雨水出水口匯水區(qū)自動(dòng)劃分方法，將城市的管網(wǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)burn-in的方式疊加到城市DEM數(shù)據(jù)中，以排水管線作為河道劃分出的子流域單元基本符合需要。然而由于實(shí)驗(yàn)區(qū)建筑物密集，且無(wú)小區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)數(shù)據(jù)，屋頂屬不透水材質(zhì)，如果采取這種自動(dòng)劃分生成的小流域?yàn)樽訁R水區(qū)，將會(huì)導(dǎo)致各小區(qū)被劃分到不同的子匯水區(qū)內(nèi)，這與同一棟建筑物最終通過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)排出的事實(shí)不相符。根據(jù)研究提出兩種解決方案：方案1：將研究區(qū)以建筑物為單位，每幢小區(qū)劃分為一個(gè)子匯水區(qū)，共劃分83個(gè)子匯水區(qū)，如圖4(a)所示；方案2：進(jìn)一步概化雨水管網(wǎng)，使得子匯水的劃分方法能應(yīng)用于較大的研究區(qū)域，只保留不同管徑處的節(jié)點(diǎn)，共劃分出27個(gè)子匯水區(qū)，如圖4(b)所示。

圖4 兩種方法劃分的子匯水區(qū)結(jié)果

3 結(jié)果對(duì)比與分析

3.1 對(duì)排水口水量排放的影響

兩種子匯水區(qū)劃分方案中對(duì)應(yīng)的排放節(jié)點(diǎn)是一致的，但是兩種劃分結(jié)果中對(duì)排放口水量的影響卻不一樣，表1是兩種不同方案下排放口節(jié)點(diǎn)負(fù)荷表。

排放口節(jié)點(diǎn)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表 表1

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)方案1來(lái)說(shuō)，方案2中4個(gè)排水口水流排放時(shí)間更長(zhǎng)，平均排放流量更小，排放的水流總?cè)莘e也更少。方案2中3個(gè)排放口排放時(shí)間百分?jǐn)?shù)均高于方案1，且?guī)缀醵颊紦?jù)100%的時(shí)間，原因是對(duì)于A102YSG98，A201YSG50017和C401YSG168號(hào)排放口，靠近排放口的匯水區(qū)中水流很快就匯入至出水口，使得排入出水口的時(shí)間更早，而其他匯水區(qū)水流需要經(jīng)過(guò)坡面匯流，逐漸將水匯入到排放口，使得匯入總時(shí)間拉長(zhǎng)。對(duì)于方案1而言，子匯水區(qū)劃分的較為精細(xì)，水流匯到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)后，需要經(jīng)過(guò)管道才能最終匯集到相應(yīng)的排放口，一開(kāi)始從最近的節(jié)點(diǎn)到排水口有時(shí)間上的延遲，而后，水量通過(guò)各自的節(jié)點(diǎn)排入管道，水流在管道中的運(yùn)移速度與坡面匯流相比要快很多，因此，在總體時(shí)間上方案1比方案2的排放時(shí)間相對(duì)縮短。就平均排放流量而言，方案1中的4個(gè)排放口的平均排放流量均大于方案2。方案2中每個(gè)子匯水區(qū)面積較大，雨水降落后，會(huì)同時(shí)發(fā)生蒸發(fā)和下滲，使得產(chǎn)流變少，而方案1中，水流直接匯入附近節(jié)點(diǎn)，下滲和蒸發(fā)時(shí)間縮短，而通過(guò)地下管線最終運(yùn)移到排水口，在管線較為封閉的環(huán)境下，水量損失少，并且方案2的排放時(shí)間更長(zhǎng)，因此對(duì)于平均排放流量來(lái)說(shuō)比方案1要小。對(duì)于排放水量的總?cè)莘e，原因與上述同理。這就表明，對(duì)于較小的研究區(qū)，當(dāng)子匯水區(qū)劃分更為細(xì)致時(shí)要比適用于大區(qū)域的深度概化后模擬結(jié)果更能反映出實(shí)際雨洪過(guò)程。

3.2 對(duì)溢流點(diǎn)的影響

兩種不同方案得到的溢流情況也有所區(qū)別。方案1最終溢流的節(jié)點(diǎn)有4個(gè)，方案2溢流節(jié)點(diǎn)有2個(gè)(具體如表2、表3所示)。其中唯有A112WSG50015號(hào)節(jié)點(diǎn)是兩種方案共同的溢流節(jié)點(diǎn)，但對(duì)于此節(jié)點(diǎn)，兩方案的洪流小時(shí)數(shù)、最大洪流速率和最大洪流發(fā)生時(shí)間都有一定的差異性。方案1中水流經(jīng)由管道匯入最終的出水口，而方案2的水流通過(guò)坡面匯流以及管道慢慢匯入A112WSG50015節(jié)點(diǎn)，因此相比方案1洪流時(shí)間短，最大洪量發(fā)生時(shí)間快且最大洪流速率較小。

方案1節(jié)點(diǎn)溢流情況 表2

方案2節(jié)點(diǎn)溢流情況 表3

如圖5所示，節(jié)點(diǎn)A112WSG50015總進(jìn)流量隨時(shí)間變化曲線與圖2所示的降雨曲線圖在趨勢(shì)上有很高的相似性。其中可以看出，在降雨初期，方案2的子匯水區(qū)劃分方法下得到的總進(jìn)流量與降雨量的趨勢(shì)更加接近，而在降雨中后期，則表現(xiàn)出方案1得到的總進(jìn)流量與降雨量的趨勢(shì)特征更加相似。這說(shuō)明對(duì)于一場(chǎng)暴雨，方案1子匯水區(qū)中的產(chǎn)匯流狀況以及流量傳輸過(guò)程在降雨中后期響應(yīng)更快，方案2則在降雨初期響應(yīng)更好。

圖5節(jié)點(diǎn)A112WSG50015總進(jìn)流量隨時(shí)間變化圖

圖6反映的是節(jié)點(diǎn)A112WSG50015的洪流隨時(shí)間變化趨勢(shì)。方案1洪流出現(xiàn)的時(shí)間比方案2早，并且發(fā)生的次數(shù)更多。因?yàn)榉桨?經(jīng)過(guò)坡面匯流，相比管道徑流需要更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到流量的最大值，且最大流量只出現(xiàn)一次，水量便隨時(shí)間逐漸排走減少，一般不會(huì)再出現(xiàn)洪流現(xiàn)象。而方案1通過(guò)管道運(yùn)移的水量由于可以在較短的時(shí)間內(nèi)匯集大量水，因此隨著降雨量的增加，會(huì)出現(xiàn)不止一次的洪流現(xiàn)象，正如圖6(a)中所示，這與實(shí)際大暴雨過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)會(huì)不止一次發(fā)生溢流情況是相符的。

圖6節(jié)點(diǎn)A112WSG50015洪流隨時(shí)間變化圖

3.3 與實(shí)地勘察情況對(duì)比

實(shí)際考察中，節(jié)點(diǎn)A112WSG50015、A102YSG50003和A102YSG50049號(hào)有溢流現(xiàn)象。

圖7中，兩種方案的節(jié)點(diǎn)溢流情況均與實(shí)地考察有一定出入。對(duì)于研究區(qū)這樣的小區(qū)域而言，方案1在溢流點(diǎn)個(gè)數(shù)和時(shí)間點(diǎn)上比方案2更為符合實(shí)際情況。但如果對(duì)于較大區(qū)域的雨洪進(jìn)行模擬時(shí)，精細(xì)劃分子匯水區(qū)往往要花費(fèi)大量的人力和物力，而經(jīng)過(guò)更高程度概化后模擬的結(jié)果有其可取之處，可以反映溢流的大致情況。

圖7實(shí)際節(jié)點(diǎn)溢流與模擬節(jié)點(diǎn)溢流比較

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)城市小范圍實(shí)驗(yàn)區(qū)采用兩種不同尺度的子匯水區(qū)劃分方式對(duì)雨洪過(guò)程進(jìn)行模擬，分析表明：

(1)對(duì)于有密集建筑群的城區(qū)環(huán)境進(jìn)行雨洪模擬時(shí)，自動(dòng)劃分子匯水區(qū)的方法不能智能地區(qū)分出透水區(qū)和不透水區(qū)，而人工手動(dòng)劃分的方法可以靈活地避開(kāi)建筑物，劃分結(jié)果更加合理。

(2)對(duì)于小區(qū)域進(jìn)行雨洪模擬，當(dāng)匯水區(qū)劃分更為精細(xì)時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)際更加符合，但是要對(duì)大區(qū)域模擬雨水淹沒(méi)狀況時(shí)，則可以考慮在深度概化雨水管網(wǎng)的基礎(chǔ)上劃分子匯水區(qū)。