基于GIS的子匯水區(qū)劃分對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)是由美國環(huán)保署提出的，為研究和管理城市雨洪而研制的動態(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)計中。

SWMM模型是一個分布式水文模型，可對地表徑流以及管道輸移量進(jìn)行計算，且能夠連續(xù)、完整地模擬降雨后徑流的產(chǎn)生和運(yùn)移過程。在模擬時，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)劃分方法會對模型模擬的結(jié)果產(chǎn)生不可預(yù)測的影響。目前，已有部分學(xué)者對匯水區(qū)劃分方案進(jìn)行了研究分析。張書亮等[5]基于GIS技術(shù)，通過建立雨水管網(wǎng)和地形數(shù)據(jù)庫來構(gòu)建雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)城市匯水區(qū)的自動劃分。宋瑞寧等[7]將雨水口和檢查井分別作為匯水區(qū)節(jié)點，研究在中小雨條件和暴雨條件下對模型模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明以雨水口作為節(jié)點的匯水區(qū)劃分方法，使研究區(qū)域的產(chǎn)匯流過程更接近實際情況。

2 研究內(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)庫的基礎(chǔ)之上。本實驗利用了研究區(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間隔實測降雨數(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)計功能和圖層疊加方法對地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行提取計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、污水管道以及污水節(jié)點，因南京主城區(qū)已基本實現(xiàn)雨污分流體制，對于多余的污水管道和節(jié)點數(shù)據(jù)要予以刪除。同時對雨水管網(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，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

本次模擬過程采用2015年6月25日～27日歷時 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，對于城市這樣坡度較小的區(qū)域，自動劃分方法提取出的河網(wǎng)不符合實際情況，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)自動劃分方法，將城市的管網(wǎng)數(shù)據(jù)通過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。然而由于實驗區(qū)建筑物密集，且無小區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)數(shù)據(jù)，屋頂屬不透水材質(zhì)，如果采取這種自動劃分生成的小流域為子匯水區(qū)，將會導(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一個節(jié)點排出的事實不相符。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)劃分為一個子匯水區(qū)，共劃分83個子匯水區(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，共劃分出27個子匯水區(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)果對比與分析

3.1 對排水口水量排放的影響

兩種子匯水區(qū)劃分方案中對應(yīng)的排放節(jié)點是一致的，但是兩種劃分結(jié)果中對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)點負(fù)荷表。

排放口節(jié)點負(fù)荷統(tǒng)計表 表1

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，相對方案1來說，方案2中4個排水口水流排放時間更長，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個排放口排放時間百分?jǐn)?shù)均高于方案1，且?guī)缀醵颊紦?jù)100%的時間，原因是對于A102YSG98，A201YSG50017和C401YSG168號排放口，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間更早，而其他匯水區(qū)水流需要經(jīng)過坡面匯流，逐漸將水匯入到排放口，使得匯入總時間拉長。對于方案1而言，子匯水區(qū)劃分的較為精細(xì)，水流匯到對應(yīng)節(jié)點后，需要經(jīng)過管道才能最終匯集到相應(yīng)的排放口，一開始從最近的節(jié)點到排水口有時間上的延遲，而后，水量通過各自的節(jié)點排入管道，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，在總體時間上方案1比方案2的排放時間相對縮短。就平均排放流量而言，方案1中的4個排放口的平均排放流量均大于方案2。方案2中每個子匯水區(qū)面積較大，雨水降落后，會同時發(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，下滲和蒸發(fā)時間縮短，而通過地下管線最終運(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的排放時間更長，因此對于平均排放流量來說比方案1要小。對于排放水量的總?cè)莘e，原因與上述同理。這就表明，對于較小的研究區(qū)，當(dāng)子匯水區(qū)劃分更為細(xì)致時要比適用于大區(qū)域的深度概化后模擬結(jié)果更能反映出實際雨洪過程。

3.2 對溢流點的影響

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)點有4個，方案2溢流節(jié)點有2個(具體如表2、表3所示)。其中唯有A112WSG50015號節(jié)點是兩種方案共同的溢流節(jié)點，但對于此節(jié)點，兩方案的洪流小時數(shù)、最大洪流速率和最大洪流發(fā)生時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的水流通過坡面匯流以及管道慢慢匯入A112WSG50015節(jié)點，因此相比方案1洪流時間短，最大洪量發(fā)生時間快且最大洪流速率較小。

方案1節(jié)點溢流情況 表2

方案2節(jié)點溢流情況 表3

如圖5所示，節(jié)點A112WSG50015總進(jìn)流量隨時間變化曲線與圖2所示的降雨曲線圖在趨勢上有很高的相似性。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特征更加相似。這說明對于一場暴雨，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A112WSG50015總進(jìn)流量隨時間變化圖

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

圖6節(jié)點A112WSG50015洪流隨時間變化圖

3.3 與實地勘察情況對比

實際考察中，節(jié)點A112WSG50015、A102YSG50003和A102YSG50049號有溢流現(xiàn)象。

圖7中，兩種方案的節(jié)點溢流情況均與實地考察有一定出入。對于研究區(qū)這樣的小區(qū)域而言，方案1在溢流點個數(shù)和時間點上比方案2更為符合實際情況。但如果對于較大區(qū)域的雨洪進(jìn)行模擬時，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實際節(jié)點溢流與模擬節(jié)點溢流比較

4 結(jié) 論

本文通過對城市小范圍實驗區(qū)采用兩種不同尺度的子匯水區(qū)劃分方式對雨洪過程進(jìn)行模擬，分析表明：

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

(2)對于小區(qū)域進(jìn)行雨洪模擬，當(dāng)匯水區(qū)劃分更為精細(xì)時，模擬結(jié)果與實際更加符合，但是要對大區(qū)域模擬雨水淹沒狀況時，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)。