基于GIS水文建模的易澇區識別優化方法

蘇炯恒 曹海濤

（廣東省城鄉規劃設計研究院有限責任公司，廣東廣州 510290）

城市內澇一直是城市發展和管理的重大問題，對經濟、社會和環境的可持續發展形成巨大挑戰[1]。在氣候化和城市化的雙重影響下，城市水文特征和降雨模式不斷發生改變，極端暴雨天氣的不確定性越來越強[2-3]。城市不透水面積增多，綠地建設進程緩慢，城市整體滲蓄能力與管網排水能力相對不足，導致內澇頻發[4-5]。根據水利部公布的《2019年中國水旱災害公報》，2019年的洪澇造成我國4 766.6萬人受災，658人死亡或失蹤，263.2萬人緊急轉移，直接經濟損失為1922.7億元。2021年7月，河南特大暴雨來襲，全省將近302人受災，50人失蹤，直接經濟損失高達千億元[6]。國務院辦公廳發布“關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知”和住房和城鄉建設部辦公廳出臺“關于做好2021年城市排水防澇工作的通知”，均強調了排水設施建設和響應方案的重要性。暴雨洪澇模擬是防洪排澇規劃和應急管理的重要抓手，可為決策者提供科學有效的內澇治理依據[7-8]。我國構建洪澇模型的輸入數據較為缺乏，在數據有限的情況下實現大尺度、高效且精細化的洪澇模擬尤為重要[9-10]。本文借助DEM（數字高程模型）和GIS（地理信息系統）水文建模技術，在傳統空域建模法、水文分析法和TWI（地形濕度指數）提取法的基礎上，通過閾值組合優化將空域、水網和TWI進行優勢融合，以期為洪澇模型構建方法提供新思路。

1 方法論

借助GIS空域建模、水文分析和TWI提取技術，完成空域（數量、分布、尺寸）、蓄水空間（數量、分布、尺寸）、水網及徑流通路（結構、連通性、流向和匯流累積量）的特征提取。選取面積、匯流累積量、TWI值和融合距離作為閾值，設定閾值邊界及數量，通過閾值組合優化的方式，融合空域、水網和TWI的有效信息。構建評價指標體系，以實測結果作為評價依據，通過與傳統空域優化法和TWI優化法進行二維空間的對比分析，驗證所提出方法的合理性。通過關鍵易澇區的空間表征（易澇范圍、易澇點分布、水流連通性），實現洪澇模擬的精細化表征，為洪澇應急分析及管理提供決策支持。

技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程

1.1 空域建模

空域主要存在于城市地表凹陷區域，降雨時容易受到雨水匯集而發生淹沒和溢流。依據GIS填挖分析、柵格點化、矢量計算、疊置分析和空間聚合等工具，可實現空域面積、體積、深度等尺寸信息以及具體位置、分布及高程的提取，構建空域數據庫。

1.2 水文分析

基于地表信息，借助GIS水文分析工具獲取流域水文特征描述。通過GIS偽洼地填充、流向分析、匯流累計分析、水網提取計算及矢量分析等工具，獲取水網特征信息（流向、匯流累積量及連通性），實現危險徑流路徑的數值與空間表征。

1.3 TWI提取

TWI分析可通過考慮上游水流匯集的貢獻程度及地形，估算地表的干濕情況。通過GIS偽洼地填充、流向分析、匯流分析、矢量計算、坡度分析等工具，獲取TWI的空間分布及數值特征，完成蓄水空間及徑流通路的表征。

1.4 閾值組合優化

依托上述特征信息，選取面積、匯流累積量、TWI值和融合距離作為閾值組合，通過確定每種閾值的邊界條件和提取數量，建立閾值組合優化模型。聯動四種閾值，描述不同閾值組合與模型精度關系，完成優化方案的二維空間展示。

1.5 水文特征優勢融合

城市易澇區域常見于地表空域、蓄水空間中，溢流水量根據地形由地勢較高的地方向地勢較低的地方流動，形成徑流通路。在關鍵易澇區識別中，將城市地表空域、蓄水空間及徑流通路等進行優勢融合，獲取關鍵易澇區域。在設定模型參數的基礎上，通過閾值篩選、空間合并、融合計算等方式，達到水文特征優勢融合的目的。

1.6 評價體系構建

評價體系構建主要包括評價依據和評價方式，采用實測淹沒范圍作為評價依據，依據GIS二維空間分析，直觀顯示模型與實測結果的淹沒特征，評價模型構建的質量。

2 案例分析

2.1 研究區域

本研究區域主要用地類型為居住區，兼有少量工業區、商業區和綠地，地勢西高東低，內有凹凸不平。該區域屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年降雨量為1100mm左右，隨著降雨不確定性的增強及城市化進程的不斷推進，內澇問題日益嚴重。該區域通過監測記錄不同降雨情景的淹沒范圍、水深、時間變化等，建立實測內澇數據庫，為區域洪澇模型構建、應急管理提供科學依據。

2.2 數據輸入

DEM為柵格數據，其柵格長度代表DEM的精細化程度。DEM中的每個柵格均存有高程數據，依據DEM數據，可通過GIS分析、處理、提取等工具，實現地表特征信息的數字化模擬（如復雜地形地貌、低洼區域、徑流通路、坡度等）。研究以DEM作為輸入數據，該數據通過激光雷達技術獲得，柵格精度2.5m×2.5m，高程精度0.01m，平均誤差<0.05m。

2.3 結果分析

傳統空域優化法可識別較大范圍的易澇區域，但對徑流通路的捕捉能力較弱。傳統TWI優化法捕捉徑流通路的能力較強，但較難獲取大范圍的易澇區域，且預測的易澇點較為分散，無效信息增多。提出的方法可以準確識別更多的關鍵易澇區，能夠實現關鍵易澇區的拓展分析，精細化模擬程度有較大提升。該方法僅采用DEM作為輸入數據，可完成大尺度、大規模的洪澇危險性分析，在保證準確度的同時，大幅度降低數據量及模擬時間。

傳統空域優化法和傳統TWI優化法的二維空間顯示對比如圖2所示。

圖2 傳統空域優化法和TWI優化法的二維空間顯示對比

3 結語

本文提出一種所需數據量少、高效且較為精細化的易澇區識別優化方法，該方法通過有效融合空域、水網和TWI的水文特征，能夠提升淹沒分析的準確度，可為大尺度、大規模的暴雨洪澇危險性評估和應急管理提供決策支持。該方法忽略地下管網，未來可通過考慮地下管網的作用，進一步提高模型構建的適應性。