城市劃分排水分區存在的主要問題與影響
【重慶水處理設備網http://xqccscq.com/】不同降雨特征下城市排水區域的準確劃分、徑流路徑的表征、徑流量的計算和真實工況的反映是精細排水運行和規劃設計模擬分析的關鍵環節。針對城市降雨不均勻、地形和人工構筑物垂向復雜、洪澇災害后影響顯著等顯著特點，結合高精度雷達點云地形數據，提出了一種基于高精度點云數據的排水區劃動態劃定方法。同時闡述了該劃界方法的基本流程和技術要點，并以某沉橋區排水分區為例進行了介紹。 1城市排水分區的主要問題和影響 1.1無法準確劃定排水分區范圍。 城市排水分區決定了排水系統規劃、設計和運行維護管理的基本單元。在實際劃分排水帶的過程中，由于以下原因，排水帶很難準確反映真實降雨的匯流情況。這些原因包括:①徑流匯流范圍與降雨量、區域地形和入滲能力有關。在特定的降雨條件下，集水表面可能會有重疊，或者集水表面的一些雨水徑流可能不會流入排水系統；②用于流域區劃的基礎數據精度低；③規劃和實際施工后的豎向和排水系統布置不同；④人工劃分方法本身高度依賴現場勘測、經驗等人工判斷。成都純水設備 通常，在非城鄉建設地區或面積小、豎向平順的城市排水區，傳統的手工方法結合模型泰森多邊形法已經可以支持基于最大流量的規劃設計工作。而對于人口密度大、經濟集中度高的城市中心區，單位面積的洪澇災害影響要遠遠高于其他地區，城市地形的復雜程度也更高。此時，傳統方法劃分流域的結果往往存在不準確的問題，這將影響洪水災害的準確預測、預報和應急管理。 1.2不能反映不同暴雨重現期的排水分區變化。 近年來，隨著地形數據精度的提高和大比例尺流域區劃的需求，國內開展了相關研究，主要通過實測地表地形數據和GIS分析工具。針對現有基于DEM流向分析的分類方法不能正確反映實際城市復雜地形和流向的問題，王艷提出了一種兼顧土地類型和流向的適用于大規模平原城市的細匯水區分類方法。朱洲等人提出了一種考慮多種因素的城市地表匯水分類方法，將城市地表分為三個等級。結果表明，采用該分類方法得到的SWMM模型和MOUSE模型的模擬結果比泰森多邊形法的模擬結果更準確，證明了面源分析方法可以應用于復雜的城市流域劃分，可以為城市防洪減災研究和災后恢復提供指導。薛鳳昌等提出了一種針對城市平原區的集水區分類技術方法，該方法既結合了傳統的DEM生成子集水區的算法，重慶實驗室純水設備又融合了城市區域的特征，能夠更好地滿足城市區域的需求。 以上方法基本說明基于地表實測數據的排水分區方法是可行的。然而，基于GIS水文分析工具的排水分區是基于洼地填充過程后的地形數據，只能表達地表所有低洼空間被填充后的排水分區范圍(即最不利情景)，不能反映不同降雨條件下分散并逐漸疊加的子排水分區的動態變化，也不能反映不同降雨條件下排水分區變化對城市下沉式橋梁等易澇點的影響。 2高精度雷達(Lidar)點云數據的地表徑流分析 綜上所述，要想預測中心城區暴雨超標帶來的真實風險，首先要做好精準的排水分區。這項工作不僅包括獲取和處理較高精度的數據，還可以通過模型方法基本表達不同程度超標暴雨條件下匯水面的變化。 近年來，隨著LIDAR(LIDAR-Light detection and ranging)和GIS在測量領域的應用和發展，可以獲得比傳統地形數據精度高得多的數字高程模型(DEM)和數字表面模型(DSM)，如圖1所示。隨著HEC RAS、TUFlow、Infoworks ICM、MIKE Flood等模型軟件的不斷升級。考慮了區域洪水分析功能，使得利用二維水力模型快速模擬城市復雜地形下的地表洪水過程成為可能。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 基于測繪數據和模擬軟件的完善，新西蘭、美國等一些先進城市已逐步采用點云DEM數據進行排水分區、地表徑流通道識別和精細暴雨模擬，直接指導風險區域的劃分、應急預案的制定等城市管理工作。新西蘭奧克蘭市從2012年開始開展了基于點云地形數據(4 ~ 10個激光采集點/m2采集的地表DEM數據)的流域劃分和高精度洪水風險圖繪制工作。目前已經基本完成了奧克蘭4000多km2的分析。2001年熱帶風暴艾莉森在休斯敦造成嚴重洪災后，實施了熱帶風暴恢復項目(TSARP)。為轄區22個流域建立了全新的基于GIS和DEM的HEC-HMS和HEC-RAS模型，編制了美國第一張數字化洪水風險圖。流域的劃分無疑是洪水風險圖的核心問題。 與上述國家的大比例尺高精度排水區劃和洪水風險圖繪制相比，我國目前尚未建立城市洪水風險圖繪制的標準、方法和精度。對于基于點云數據的面溢出系統和高精度分析，目前還缺乏長期的積累和實踐，僅在北京、深圳等地開展探索性的相關工作。 基于3點云數據的流域區劃目標和原則 綜合應用高精度的點云地表數據和模型軟件，可以彌補傳統流域區劃的諸多問題，包括更精確的地表流域區劃，反映不同重現期之間流域區劃的變化，表征區域內主要徑流匯流線等。如果這些問題能夠得到綜合改善，不僅可以更好地指導規劃設計工作，還可以分析出超出常識和經驗的特大暴雨情況，為預警和安排應急措施提供重要依據。 3.1目標 對比傳統的排水分區方法與真實情況的差異，結合數據和模擬方法的特點，基于點云數據結合模擬分析的排水分區方法應達到以下目的:①分析超過管渠系統排放標準的地表徑流匯流過程；(2)實現不超過2m網格的分析精度，準確表示復雜城市地形條件下的匯流過程；③在復雜地形和連續起伏地區，能代表不同降雨條件下重疊子流域帶的影響；④該方法對模型和計算機處理能力要求適中，可操作性強。 3.2基本原則 3.2.1精度優先的原則將提高地形數據和模擬運算的精度。 由于這種方法主要處理由城市過量降雨引起的內澇事件，因此有必要簡要討論此類事件的特征。通過對我國幾次典型暴雨事件的分析，城市因降雨過多而引發的內澇事件與河流泄洪能力不足而引發的洪澇災害有明顯區別。當超過排水系統的排放能力時，地表徑流是徑流收集的主要來源，城市道路(包括市政道路和居住區道路)成為轉移地表徑流的主要途徑。在這種條件下，如果地表徑流分析的數據精度和分析精度不足以描述城市道路徑流的精確趨勢，或者無法區分城市道路的詳細邊界和平面定位，就無法形成有效的分析結果用于內澇的預防和預警。因此，得到的地形數據的精度至少要滿足能看清建筑物和城市道路的要求。從各國的實踐和點云數據測繪的精度要求來看，一般測繪和成果的精度都在2m以內。成都純水設備 3.2.2基于精度優先的原則，兼顧計算能力。 隨著數據精度的提高，計算機進行復雜模擬分析的計算時間往往成倍增加，需要根據匯流關系對數據進行拆分，找到合適的水文計算精度。 它涉及到一個大型的中心城市，比如幾千平方公里的高精度地形數據分析。通常將一個大的流域或中心城市劃分為若干個流域區進行計算。這種方法很容易劃分出表面坡度平緩、排水邊界清晰的區域。對于地形相對平坦的城區，往往以河道或主干排水系統為軸，人工劃分排水區域。但對于流域帶之間的邊界區域，人工劃分很難準確描述，需要多次試算和計算機分析，才能確定流域級別更準確的流域帶，并在此基礎上進一步劃分流域帶。一般來說，流域劃分的單元尺度應根據能進行一次二維洪水模擬的運行尺度來確定。另一方面，對于水文計算要求的地形數據精度，經過多次不同地形特征的試驗，一般采用5m網格，可以更好地平衡運算時間和精度要求。 3.2.3模擬確定排水分區變化的臨界降雨量。 城市地形復雜，在徑流收集過程中，起伏的道路、洼地、立交橋等空間加劇了劃分排水區的難度。假設只計算地表徑流峰值造成的災害影響，則考慮地表徑流的排水分區。在不同的降雨量下，遭受澇災的低洼點可能有不同的匯流范圍。如圖2所示，在一個流域的地表徑流匯流過程中存在明顯的低洼空間，因此在不超過能充滿低洼空間的臨界降雨量的情況下，只有流域Aa1的地表徑流會在流域末端的P點被收集。但如果低洼空間充滿連續降雨，則有可能在p點匯集所有排水帶的全部地表徑流，即Aa1+Aa2，這種情況通常常見于連續的地下通道和市中心的低洼地區。因此，為了得到更準確的流域分區結果，應選取多場降雨進行模擬分析，明確不同匯水面之間的連接關系，確定臨界降雨量或降雨強度。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 3.2.4全程逐級核對數據和結果。 由于測繪數據精度和分析精度較傳統方法有明顯提高，雖然理論上可以更準確地定位地表徑流通道的位置，但同時數據的真實性需要充分調查核實，需要高質量完成，并貫穿整個工作流程。 重慶實驗室純水設備基于4點云數據的流域區劃主要流程和技術要點 4.1主要流程 為了實現高精度和動態變化兩個主要目標，需要重新建立流域區劃的基本流程，同時兼顧模擬計算的經濟性和優化調整過程的靈活性。初步技術處理流程包括地形數據處理、確定水系分區、模型分析、最終確定水系分區等主要步驟(見圖3)。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 圖3流域邊界劃分方法流程圖 4.2技術要點 4.2.1地形數據處理 (1)地形數據的技術要求。通過點云測繪，可以獲得每平方米4 ~ 10個點的激光雷達高程點數據。該方法可以獲得高精度的高程數據，反映城市溢出系統的要素。通過比較不同下墊面數據形式表示地形流向的精度分析結果，最終得出結論:基于DEM數據，疊加建筑物、下沉橋梁等重要地形要素的地形數據，可以兼顧精度與表達城市淹沒范圍的關系。地形至少應包括:①建筑物輪廓和標高數據；②地面高程數據；③城市道路邊界及詳細高程數據；④凹橋區或易積水區的下層標高數據；⑤城市河流邊界和河頂高程等。 (2)地形修正。由于地形精細，如果不能準確識別墻、橋、涵等影響徑流流向的關鍵因素，就容易形成數據誤差，導致徑流流向判斷不準確。因此，通常至少要經過一個雨季的現場測量和校正，才能作為比較準確的地形數據。 地形校正的主要內容包括:①去除不合理的圍擋結構和局部路口的地形標高，保證路徑的準確。圖4示出了交叉路口高程校正的示例。因此，路線從東南向東北變化，匯水面的范圍也相應變化。②修改高架橋、立交橋、天橋區過街不合理地形，保留底部高程信息；③調整地形標高，實現大型管涵排水效果。一些大型城市管涵可視為永久性排水通道，應充分考慮其排水功能。圖5是一個管涵地形調整的例子，降低了管涵所在的局部地形標高。結果，低洼區域中的路徑變得真實和準確，從而可以準確地識別集水表面。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 4.2.2流域排水分區 對基于DEM的流域劃分方法進行了改進，主要步驟是流向分析和流量的累積網格數計算。它是一種通過地表高程和坡度方向識別路徑和匯水面的水文分析方法，由ArcGIS的水文工具箱實現。處理過程可概括為四個主要步驟:流域初步劃分、地形填充、河道界定、流域面積確定、流域面積組合修正。 (1)流域排水區域的初步劃分。流域的規模通常很大，除了高密度的城市地區，還包括上游的山區。整個流域切割出來的外邊界至少應包括完整的研究范圍。在此基礎上，初步判別山形、河流、橋梁等地形因素，劃分一級子流域。 (2)地形填充。當“水流”流經地形中凹型低洼區的最低點時，由于周圍網格地形高于最低點，此時所有計算的坡度都是反坡，計算機無法根據最大正坡原理識別下一條路徑。重慶實驗室純水設備為了避免這個問題，分水嶺劃分的第一步需要對低洼區域進行填充，處理的結果是抬高低洼區域的地形高程，實現正斜率的計算(見圖5)。 (3)界定河道。通過提取累積流量值大于某個流量閾值的網格來定義河網。例如，如果提取了集水區面積大于1 hm2的格網，則流量閾值為1 hm2除以單個格網面積。結果也可以轉換成線矢量文件。下圖為提取的河網矢量數據。 (4)劃分和確定子流域。通過計算流向和提取的河網結果，利用分水嶺工具可以自動從DEM中分割出流域邊界。上述流域劃分方法通常適用于大范圍的自然流域。在城市流域使用該方法時，需要特別注意所采用地形的特征，精度要高，否則無法準確計算流向和累積流量值。同時，糾正錯誤地形的準確性也會影響模擬結果。 (5)水系的聯合校正。主要子流域邊界與實際流域邊界不完全一致。劃分二級流域邊界后，在一級子流域交界處觀測二級流域邊界，通過地形重組糾正不完整的二級流域邊界。此外，重新審視地形偏差導致的錯誤流域邊界劃分結果，如河橋、圍擋等不合理結構障礙物，修正后重新劃分地形(修正對比結果見圖6)。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 4.2.3不同重現期的雨面溢流過程模擬 (1)模型模擬。利用美國水文中心最新發布的HEC-RAS模型軟件，模擬了不同降雨情景下地表水的區域范圍、水深、流速、積水/退水等重要水力要素信息。降雨邊界選取北京持續2小時的芝加哥雨型，地形網格精度為5m，時間步長為1min。成都純水設備網格大小考慮了模擬精度和運行時間。 (2)確定臨界回報期。將不同降雨條件下的地表徑流流態和水深變化與由小到大(降雨量由小到大)的綜合降雨重現期進行比較，統計重要低洼地區的累積水量和水深，重點觀察其充滿水后徑流方向的變化過程，最終確定不同低洼地區的風險區在充滿水后開始向下游轉移徑流的臨界降雨條件。 5沉橋區排水分區實例 5.1下凹橋區排水系統概述 這座下沉的橋是由穿過鐵路的城市主干道形成的。橋區雨水管道總長約14.3km，直徑400~1 350mm，其中橋區主干管網(直徑1 350mm)接入下游城市道路雨水干管(直徑2 600mm)，最終排入碼頭河道。橋區主干管網(直徑1 350mm)主要收集橋區道路及周邊部分地塊的雨水，相應的排水面積約為12 hm2，如圖7所示。2021年8月16日晚，一場暴雨，橋區積水嚴重，最大深度達2m，積水時間約40min。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 5.2下凹大橋周圍地表徑流路徑及低洼地區分析 通過獲取橋區周圍2m網格的雷達點云數據，分析橋區上游地表徑流路徑和低洼地區的分布，進而分析橋區地表徑流匯流范圍可能發生的變化和影響。地表徑流路徑和低洼地區的分析結果如圖8所示。一場暴雨，地下管網滿負荷運行時，雨水徑流沿橋面排出，低洼處需要填平后才能繼續向下游流動。從圖8可以看出，凹橋區的南北兩側有一條主要的地表徑流通道。當降雨量超過某一臨界降雨量，即上部低洼地區被填滿時，地表徑流可能從橋區南、北路流入橋區，從而加劇橋區內澇問題。因此，臨界降雨量的模擬分析對判斷橋區匯水面積可能發生的變化和影響非常重要，從而進一步支持不同降雨條件下橋區可能出現的積水風險預警，制定有針對性的應急預案。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 5.3下凹橋區排水分區動態變化分析 采用HEC-RAS軟件模擬分析了不同降雨情景下該橋區地表漫流的動態過程。模擬結果表明，當降雨量小于80mm時，該凹橋區的地表匯流范圍基本對應排水管網的集水范圍，面積約為12hm2。2h降雨量超過120mm時，地表徑流開始沿南路流入橋區，匯水面積迅速擴大到120hm2。2h降雨量超過200mm時，地表徑流分別沿南北道路流入橋區，匯水面積擴大到150hm2。當2h降雨量超過300mm時，上游較大區域的南北兩側道路將分別流入橋區，匯水面積擴大到300 hm2，如圖9所示。 基于城市高精度點云地形數據的水系分區動態圈定方法 6總結與展望 與非城市地區相比，城市建成區單位面積的災害損失增加數倍。重慶實驗室純水設備因此，傳統的排水分區方法難以描述暴雨下排水系統和地面系統的影響。對于橋下地區、隧道或其他地形復雜的地區，排水區的劃分對于汛期的防洪非常重要。特別是“高水位”排水區劃分不準確，會導致模型模擬和方案設計結果與實際情況產生較大誤差，最終導致無法應對汛期暴雨。 基于雷達測繪點云數據的水系分區分析雖然比傳統方法更加精確，但也對數據質量、外業檢查和模型模擬提出了更高的質量要求。相對而言，排水分區的經濟性缺乏優勢。所以，至少對于待開發的城區、重要區域、風險高的區域，應該優先采用這種方法。
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