基于城市高精度點云地形數據的排水分區動態劃定方法
【谷騰環保網訊】準確劃分(fen)不同降雨特征(zheng)下的(de)城(cheng)市排水分(fen)區(qu)，表(biao)征(zheng)徑流路(lu)徑，計(ji)(ji)算徑流量并(bing)反(fan)應(ying)真實(shi)工況是(shi)排水精細(xi)化運營、規劃設(she)計(ji)(ji)模擬分(fen)析的(de)關鍵環(huan)節。鑒于城(cheng)市降雨不平均、地形地勢與人(ren)工構筑物豎向復雜、洪澇災害后影響重大(da)等(deng)顯著特征(zheng)，結合(he)高(gao)精度(du)雷(lei)達點云地形數據，提出基于高(gao)精度(du)點云數據的(de)排水分(fen)區(qu)動態劃定方(fang)法。同時(shi)，闡(chan)述劃定方(fang)法中的(de)基本流程和技術要點，并(bing)以某下凹橋區(qu)排水分(fen)區(qu)為例進行介紹。
1 城市劃分排水分區存在的主要問題與影響
1.1 無法準確劃定排水分區范圍
城市排(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)決定了排(pai)水(shui)系統(tong)(tong)規劃(hua)(hua)、設(she)計，以及運(yun)維管理工(gong)作的(de)基本(ben)(ben)單元。實際(ji)劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)排(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)的(de)過程中，由于如下方(fang)面原(yuan)因(yin)，造成(cheng)排(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)很難準確反(fan)映真實降雨(yu)中的(de)匯流情(qing)況(kuang)。這些(xie)原(yuan)因(yin)包括(kuo)：①徑(jing)流匯流范(fan)圍與(yu)場次降雨(yu)雨(yu)量、區(qu)域地形和(he)滲透能(neng)力等特(te)征相關，特(te)定降雨(yu)條(tiao)件下，既可(ke)能(neng)出現(xian)匯水(shui)面疊(die)加的(de)情(qing)況(kuang)，也可(ke)能(neng)出現(xian)部分(fen)(fen)(fen)匯水(shui)面的(de)雨(yu)水(shui)徑(jing)流無法流入排(pai)水(shui)系統(tong)(tong)的(de)情(qing)況(kuang)；②劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)排(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)所采用的(de)基礎數據精度(du)低；③規劃(hua)(hua)與(yu)實際(ji)建設(she)后的(de)豎向、排(pai)水(shui)系統(tong)(tong)布局(ju)有差異(yi)；④手動劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)方(fang)法本(ben)(ben)身高(gao)度(du)依賴(lai)于現(xian)場踏勘、經驗等人為判(pan)斷。
通常(chang)(chang)(chang)，在(zai)非城(cheng)鄉建設(she)區域或者(zhe)面(mian)(mian)積小、總體豎向比較順暢(chang)的城(cheng)市(shi)(shi)排(pai)(pai)水分(fen)(fen)區中(zhong)，傳統(tong)的手動方(fang)法(fa)結合模型泰森多邊形(xing)方(fang)法(fa)劃分(fen)(fen)排(pai)(pai)水分(fen)(fen)區，已能夠支持基于(yu)最大流速為計(ji)算依據的規劃與設(she)計(ji)工作。而(er)(er)針(zhen)對(dui)人口(kou)密度(du)大、經濟集中(zhong)度(du)高(gao)(gao)的城(cheng)市(shi)(shi)中(zhong)心(xin)城(cheng)區，單位面(mian)(mian)積遭(zao)受洪澇災害(hai)所帶(dai)來的影響(xiang)遠高(gao)(gao)于(yu)其他區域，城(cheng)市(shi)(shi)地形(xing)的復雜程度(du)也更高(gao)(gao)，此時傳統(tong)方(fang)法(fa)劃分(fen)(fen)排(pai)(pai)水分(fen)(fen)區的結果常(chang)(chang)(chang)常(chang)(chang)(chang)存在(zai)不(bu)準(zhun)確的問題，進(jin)而(er)(er)影響(xiang)對(dui)洪澇災害(hai)進(jin)行準(zhun)確預測、預報與應(ying)急管理(li)。
1.2 無法反映不同暴雨重現期下排水分區的變化
近(jin)年(nian)來，隨著地(di)(di)形(xing)資料精度(du)的(de)提升(sheng)，以及大范圍劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)排水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)的(de)需(xu)求，國內開展(zhan)了(le)(le)相(xiang)關(guan)研(yan)究，主要通(tong)過實(shi)測的(de)地(di)(di)表(biao)地(di)(di)形(xing)數(shu)據，結合(he)GIS分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析工具劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)排水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)。王巖等(deng)針對(dui)現(xian)有(you)基于DEM流(liu)(liu)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析的(de)劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)方(fang)法(fa)存(cun)在(zai)的(de)無法(fa)正確反(fan)映實(shi)際城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)復雜地(di)(di)形(xing)和(he)流(liu)(liu)向(xiang)問題，提出(chu)了(le)(le)一種(zhong)顧及地(di)(di)類和(he)流(liu)(liu)向(xiang)，適(shi)用于大尺度(du)平原城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)的(de)精細(xi)匯水(shui)區(qu)(qu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)級劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)方(fang)法(fa)。朱治(zhi)州等(deng)提出(chu)了(le)(le)顧及多(duo)要素的(de)城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)地(di)(di)表(biao)匯水(shui)區(qu)(qu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)級劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)方(fang)法(fa)，將城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)地(di)(di)表(biao)劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)作三個等(deng)級，結果表(biao)明分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)級劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)法(fa)所(suo)得匯水(shui)區(qu)(qu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)別在(zai)SWMM模(mo)型與(yu)MOUSE模(mo)型中的(de)模(mo)擬結果均比泰森多(duo)邊形(xing)法(fa)的(de)更(geng)加(jia)準確，證實(shi)了(le)(le)地(di)(di)表(biao)匯水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析方(fang)法(fa)能夠應用于較復雜的(de)城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)匯水(shui)區(qu)(qu)劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，可(ke)為城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)防(fang)洪(hong)減災研(yan)究和(he)災后(hou)恢(hui)復工作提供指導。薛(xue)豐昌等(deng)提出(chu)了(le)(le)一種(zhong)面向(xiang)城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)平原地(di)(di)區(qu)(qu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)級劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)匯水(shui)區(qu)(qu)的(de)技術(shu)方(fang)法(fa)，既結合(he)了(le)(le)傳統(tong)DEM生成(cheng)子流(liu)(liu)域的(de)算法(fa)，又融(rong)入了(le)(le)城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)區(qu)(qu)域地(di)(di)物地(di)(di)貌特點，能更(geng)好地(di)(di)滿足城(cheng)(cheng)(cheng)市(shi)地(di)(di)區(qu)(qu)的(de)需(xu)要。
上述方法(fa)(fa)基本說明基于(yu)地(di)表(biao)(biao)實測數據的(de)排(pai)水分(fen)(fen)區劃分(fen)(fen)方法(fa)(fa)具有可(ke)行(xing)性。但基于(yu)GIS水文分(fen)(fen)析工具劃分(fen)(fen)的(de)排(pai)水分(fen)(fen)區是以填洼處理后的(de)地(di)形數據進行(xing)劃分(fen)(fen)，只能(neng)表(biao)(biao)達全部地(di)表(biao)(biao)低洼空(kong)間(jian)填滿后（即最不利情景(jing)）的(de)排(pai)水分(fen)(fen)區范圍，無法(fa)(fa)反(fan)(fan)映不同降(jiang)雨條(tiao)件下子(zi)排(pai)水分(fen)(fen)區之間(jian)先(xian)分(fen)(fen)散(san)并逐步(bu)疊加的(de)動(dong)態變(bian)化，也就不能(neng)反(fan)(fan)映城市下凹橋(qiao)等積水易澇點在不同降(jiang)雨條(tiao)件下由于(yu)排(pai)水分(fen)(fen)區變(bian)化帶來(lai)的(de)影響。
2 高精細雷達（Lidar）點云數據的地表徑流分析
綜上所述，在中心城區(qu)對超標暴(bao)(bao)雨(yu)所造成的真實風險進行預測，首先需要做好精確的排(pai)水(shui)分區(qu)的劃分工作(zuo)。該(gai)項工作(zuo)既包括(kuo)獲取和處理更高精度(du)數據，也包括(kuo)能夠通過模型方法(fa)基本(ben)表達不(bu)同程度(du)的超標暴(bao)(bao)雨(yu)條件(jian)下，匯水(shui)面(mian)變化的情況(kuang)。
近年來(lai)，隨著激光雷(lei)達技術（LIDAR-Light detection and ranging)以(yi)及GIS在測量領域(yu)的(de)應用和發展，可以(yi)獲取(qu)精度遠高(gao)于傳統(tong)測繪地(di)形數(shu)據的(de)數(shu)字(zi)高(gao)程模(mo)(mo)型(xing)（DEM）和數(shu)字(zi)地(di)表模(mo)(mo)型(xing)（DSM），見圖(tu)1。結合(he)HECRAS、TUFlow、Infoworks ICM、MIKE Flood等兼顧區域(yu)性洪(hong)澇分析功能的(de)模(mo)(mo)型(xing)軟件(jian)(jian)的(de)不斷升級，使(shi)得利用二維(wei)水(shui)(shui)力學模(mo)(mo)型(xing)快速模(mo)(mo)擬城市復雜(za)地(di)形條件(jian)(jian)下(xia)地(di)表洪(hong)水(shui)(shui)流動(dong)過程成為可能。
基于(yu)測(ce)繪(hui)(hui)數(shu)(shu)據和模擬軟件的(de)(de)(de)提(ti)升，新西蘭(lan)、美(mei)國等國家在(zai)雨洪(hong)管(guan)理上比較先(xian)進的(de)(de)(de)部分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)城(cheng)市，已經(jing)逐(zhu)步采用點云(yun)DEM數(shu)(shu)據開展(zhan)排(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)、地面徑流(liu)通(tong)道識別(bie)以及暴雨精(jing)(jing)細化模擬，并直接指導風險區域(yu)的(de)(de)(de)劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)、應急預案的(de)(de)(de)制定等城(cheng)市管(guan)理工作(zuo)。其中，新西蘭(lan)奧(ao)克(ke)蘭(lan)市自2012年(nian)(nian)開始，開展(zhan)了基于(yu)點云(yun)地形數(shu)(shu)據（4～10個(ge)/m²的(de)(de)(de)激光采集點測(ce)繪(hui)(hui)精(jing)(jing)度采集的(de)(de)(de)地表DEM數(shu)(shu)據）進行排(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)并繪(hui)(hui)制高(gao)精(jing)(jing)度的(de)(de)(de)洪(hong)澇風險圖的(de)(de)(de)工作(zuo)，當前已基本完成了奧(ao)克(ke)蘭(lan)全境超過4 000km²的(de)(de)(de)市域(yu)范(fan)圍(wei)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)工作(zuo)。休斯(si)頓在(zai)2001年(nian)(nian)的(de)(de)(de)熱帶(dai)風暴ALISON 造成的(de)(de)(de)嚴重洪(hong)水(shui)(shui)災害后，實施(shi)了熱帶(dai)風暴恢復工程（TSARP）。在(zai)對轄區內的(de)(de)(de)22個(ge)流(liu)域(yu)建立(li)了GIS和DEM基礎上的(de)(de)(de)全新的(de)(de)(de)HEC-HMS、HEC-RAS模型，編(bian)制了美(mei)國第一個(ge)數(shu)(shu)字化的(de)(de)(de)洪(hong)水(shui)(shui)風險圖，而排(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區的(de)(de)(de)劃(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，無疑是洪(hong)水(shui)(shui)風險圖的(de)(de)(de)核心問題。
相較(jiao)上述國家開展的(de)較(jiao)大規模的(de)高精度排水分(fen)區劃分(fen)和洪澇風險圖的(de)繪制(zhi)(zhi)工作，當前我(wo)國尚(shang)未(wei)確立城市洪澇風險圖的(de)繪制(zhi)(zhi)標準、方法(fa)及(ji)精度等(deng)要求。對于(yu)地表(biao)漫流系統(tong)以及(ji)基(ji)于(yu)點云(yun)數據(ju)的(de)高精度分(fen)析，尚(shang)缺(que)少長期的(de)積累和實(shi)踐(jian)，僅在(zai)北京、深(shen)圳(zhen)等(deng)地開展探索性的(de)相關工作。
3 基于點云數據劃分排水分區的目標和原則
綜合運用高(gao)精(jing)度的(de)(de)(de)(de)(de)點云地表(biao)數據和(he)模(mo)型軟件，能(neng)夠(gou)(gou)彌補傳統排(pai)水分(fen)區(qu)(qu)劃分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)諸多問(wen)題，包括更準(zhun)確地劃分(fen)地表(biao)排(pai)水分(fen)區(qu)(qu)、反映(ying)不(bu)同重現期(qi)之間的(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)水分(fen)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)變化以及表(biao)征區(qu)(qu)域(yu)主要的(de)(de)(de)(de)(de)徑流匯流線路。如(ru)果這些(xie)問(wen)題能(neng)夠(gou)(gou)得到比較全(quan)面的(de)(de)(de)(de)(de)改善，不(bu)僅能(neng)更好的(de)(de)(de)(de)(de)指導(dao)規劃和(he)設(she)計工作，而且能(neng)夠(gou)(gou)對超過常識經驗的(de)(de)(de)(de)(de)超大暴(bao)雨的(de)(de)(de)(de)(de)情景進行分(fen)析，為預(yu)警(jing)和(he)應急措施(shi)布置提供重要依據。
3.1 目標
對比(bi)傳統(tong)排水分(fen)(fen)區劃定(ding)方(fang)(fang)法與真實情況的(de)(de)(de)區別，結合(he)數(shu)據和(he)(he)模(mo)擬方(fang)(fang)法的(de)(de)(de)特征(zheng)，基(ji)于點云數(shu)據結合(he)模(mo)擬分(fen)(fen)析(xi)的(de)(de)(de)排水分(fen)(fen)區劃分(fen)(fen)方(fang)(fang)法應實現(xian)如下目(mu)標：①對超過管渠(qu)系統(tong)排放標準的(de)(de)(de)地表(biao)徑(jing)流(liu)匯(hui)流(liu)過程進行分(fen)(fen)析(xi)；②實現(xian)不超過2m網(wang)格的(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)精度，比(bi)較準確地表(biao)征(zheng)復雜城市(shi)地形條件下的(de)(de)(de)匯(hui)流(liu)過程；③在復雜地形和(he)(he)連續起伏(fu)區域，能夠(gou)表(biao)征(zheng)不同降雨條件下子排水分(fen)(fen)區相互疊加(jia)的(de)(de)(de)影(ying)響；④方(fang)(fang)法對模(mo)型和(he)(he)計算機處(chu)理能力要求適中，具有可操作性。
3.2 基本原則
3.2.1 精度優先原則，提高地形數據精度和模擬運算精度
鑒于該(gai)方法主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)(yao)應對城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)超(chao)標降(jiang)雨(yu)所造(zao)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)內澇事件(jian)，因(yin)(yin)此有必(bi)要(yao)(yao)(yao)簡要(yao)(yao)(yao)對該(gai)類型(xing)事件(jian)特點進(jin)行討論。通(tong)過(guo)全國多次典型(xing)暴雨(yu)事件(jian)的(de)(de)(de)分析(xi)(xi)，城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)超(chao)標降(jiang)雨(yu)造(zao)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)內澇事件(jian)與由于河道(dao)行洪能力不(bu)足(zu)造(zao)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)洪水(shui)災害有明(ming)顯不(bu)同。在超(chao)過(guo)排(pai)水(shui)管渠(qu)系(xi)統的(de)(de)(de)排(pai)放(fang)能力時，地(di)表徑(jing)流是徑(jing)流匯(hui)集的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)(yao)來源，同時城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)道(dao)路(lu)(lu)（既包括(kuo)市(shi)(shi)政道(dao)路(lu)(lu)也包括(kuo)小區內的(de)(de)(de)道(dao)路(lu)(lu)）成(cheng)(cheng)為(wei)了轉輸地(di)表徑(jing)流的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)(yao)途徑(jing)。在這(zhe)種條件(jian)下(xia)，如果地(di)表徑(jing)流分析(xi)(xi)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據精度(du)(du)和分析(xi)(xi)精度(du)(du)不(bu)足(zu)以(yi)描繪(hui)城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)道(dao)路(lu)(lu)徑(jing)流的(de)(de)(de)精確(que)走向，或不(bu)足(zu)以(yi)分辨城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)道(dao)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)詳細邊界(jie)和平面定(ding)位，都無法形成(cheng)(cheng)對積水(shui)內澇防(fang)治和預(yu)警工作的(de)(de)(de)有效的(de)(de)(de)分析(xi)(xi)成(cheng)(cheng)果。因(yin)(yin)此，獲取的(de)(de)(de)地(di)形數(shu)(shu)據的(de)(de)(de)精度(du)(du)需要(yao)(yao)(yao)至少(shao)滿足(zu)能夠清晰看(kan)(kan)出建筑物、城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)道(dao)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)要(yao)(yao)(yao)求。從各國的(de)(de)(de)實踐和點云數(shu)(shu)據測繪(hui)的(de)(de)(de)精度(du)(du)要(yao)(yao)(yao)求來看(kan)(kan)，一般測繪(hui)和成(cheng)(cheng)果精度(du)(du)不(bu)超(chao)過(guo)2m。
3.2.2 基于精度優先原則，兼顧運算能力
隨(sui)著數據(ju)(ju)精度的提升，計(ji)(ji)算機進行(xing)復雜模擬分(fen)析的運算時(shi)間(jian)往(wang)(wang)往(wang)(wang)成(cheng)倍增加，因此(ci)需要對(dui)數據(ju)(ju)按照匯流(liu)關系進行(xing)拆分(fen)，同時(shi)找到合適的水文計(ji)(ji)算精度。
涉及到較(jiao)大中(zhong)心城區(qu)(qu)(qu)，例如上千平方(fang)(fang)公里高(gao)精(jing)(jing)度(du)的(de)(de)(de)地(di)形數據分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析，通常將一(yi)個(ge)大的(de)(de)(de)流(liu)域或中(zhong)心城區(qu)(qu)(qu)，劃(hua)(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)為(wei)多(duo)(duo)個(ge)排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)(qu)進行運(yun)算。該方(fang)(fang)法(fa)針對(dui)(dui)地(di)表坡(po)度(du)順(shun)暢，排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)(qu)邊界清晰的(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域往往比較(jiao)容易劃(hua)(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)。對(dui)(dui)地(di)勢(shi)比較(jiao)平緩的(de)(de)(de)城區(qu)(qu)(qu)，往往以河道(dao)或主(zhu)干排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)系(xi)統為(wei)軸線，手動劃(hua)(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)(qu)。但對(dui)(dui)于排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)(qu)之間(jian)的(de)(de)(de)邊界區(qu)(qu)(qu)域，很難(nan)通過手動劃(hua)(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)描述準確(que)，需要多(duo)(duo)次試算和(he)計(ji)算機分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析，確(que)定(ding)比較(jiao)準確(que)的(de)(de)(de)流(liu)域層面的(de)(de)(de)排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)(qu)，以此為(wei)基礎進一(yi)步劃(hua)(hua)(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)區(qu)(qu)(qu)域。一(yi)般來說，流(liu)域拆分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)單元規模(mo)(mo)應按(an)照單次能夠進行二(er)維洪澇(lao)模(mo)(mo)擬的(de)(de)(de)運(yun)算規模(mo)(mo)確(que)定(ding)。另(ling)一(yi)方(fang)(fang)面，對(dui)(dui)于水(shui)(shui)文(wen)計(ji)算要求(qiu)的(de)(de)(de)地(di)形數據精(jing)(jing)度(du)，經過多(duo)(duo)個(ge)不(bu)同(tong)地(di)形特征(zheng)項目(mu)的(de)(de)(de)多(duo)(duo)次實驗，一(yi)般采(cai)用5m網格，能夠比較(jiao)好的(de)(de)(de)平衡運(yun)算時間(jian)和(he)精(jing)(jing)度(du)要求(qiu)。
3.2.3 模擬確定排水分區變化的臨界降雨
城市地(di)(di)形復(fu)雜，徑(jing)流(liu)在匯集的(de)(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中，起伏道路、洼(wa)地(di)(di)、立交橋等空間加劇了劃(hua)分(fen)(fen)(fen)排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)難度。假定僅為(wei)計算地(di)(di)表(biao)徑(jing)流(liu)峰值所造成的(de)(de)(de)(de)(de)災害影響考慮地(di)(di)表(biao)徑(jing)流(liu)排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)，不(bu)同降雨(yu)總量下(xia)，遭受內澇災害的(de)(de)(de)(de)(de)低(di)(di)洼(wa)點可能有(you)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)匯流(liu)范(fan)圍。如圖2所示(shi)，某排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)(di)表(biao)徑(jing)流(liu)匯流(liu)過程(cheng)中有(you)一處明顯低(di)(di)洼(wa)空間，那么(me)在不(bu)超過能夠填滿(man)低(di)(di)洼(wa)空間的(de)(de)(de)(de)(de)臨界(jie)降雨(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)末端(duan)出流(liu)點P點只收集排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)Aa1的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)(di)表(biao)徑(jing)流(liu)。但如果持(chi)續降雨(yu)，低(di)(di)洼(wa)空間被(bei)填滿(man)，則有(you)可能P點收集全(quan)部(bu)(bu)排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)，即(ji)Aa1+Aa2的(de)(de)(de)(de)(de)全(quan)部(bu)(bu)地(di)(di)表(biao)徑(jing)流(liu)。這種(zhong)情(qing)況(kuang)通(tong)常在連續下(xia)穿(chuan)橋區(qu)(qu)、城市中心低(di)(di)洼(wa)地(di)(di)比(bi)較常見(jian)。因此，為(wei)得到比(bi)較準確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)(qu)劃(hua)分(fen)(fen)(fen)結果，應選用多場降雨(yu)進(jin)行(xing)模(mo)擬分(fen)(fen)(fen)析，明確(que)不(bu)同匯水(shui)面之間的(de)(de)(de)(de)(de)銜接關系(xi)，并確(que)定臨界(jie)降雨(yu)量或降雨(yu)強度。
3.2.4 全流程逐級分步進行數據和成果校核
由于(yu)測繪數據精度和(he)分析精度都對(dui)比傳統(tong)方法提升(sheng)明顯，雖然理論上能夠比較準確的(de)定位地表徑流通道的(de)位置，但同時也需要數據的(de)真實性經過充分的(de)調研和(he)核(he)實，需要高質量完成且貫穿(chuan)整個工作(zuo)流程。
4 基于點云數據劃分排水分區的主要流程和技術要點
4.1 主要流程
為實(shi)現高(gao)精度和(he)表征動態變化(hua)的(de)兩個主(zhu)要(yao)目標(biao)，需要(yao)重新建立排水(shui)分區(qu)劃分的(de)基本流(liu)(liu)程(cheng)，同時(shi)兼(jian)顧(gu)模擬(ni)計算的(de)經濟性(xing)和(he)優(you)化(hua)調(diao)整過程(cheng)的(de)靈活性(xing)。初(chu)步可行的(de)技術處理流(liu)(liu)程(cheng)，包(bao)括地(di)形數據處理、確定(ding)流(liu)(liu)域排水(shui)分區(qu)、模型分析和(he)最終確定(ding)排水(shui)分區(qu)等主(zhu)要(yao)步驟（見圖3）。
圖3 排水分區邊界劃定方法流程
4.2 技術要點
4.2.1地形數據處理
（1）地(di)形(xing)(xing)(xing)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)技術要(yao)求。通過(guo)點云測繪，能(neng)(neng)夠得到每平方(fang)米4～10個(ge)點不等(deng)的Lidar高程(cheng)點數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)。通過(guo)該方(fang)法，能(neng)(neng)夠獲取精(jing)度高、能(neng)(neng)夠反映城(cheng)市漫流系統要(yao)素的高程(cheng)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)。通過(guo)對(dui)比對(dui)不同下(xia)墊(dian)面數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)形(xing)(xing)(xing)式(shi)表征地(di)形(xing)(xing)(xing)流向(xiang)準確度的分析結果，最終得出，以(yi)DEM數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)為基礎，疊加(jia)建筑、下(xia)凹橋區(qu)等(deng)重要(yao)地(di)形(xing)(xing)(xing)要(yao)素的地(di)形(xing)(xing)(xing)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)，能(neng)(neng)夠兼(jian)顧準確與(yu)表達城(cheng)市淹沒(mei)范圍的關(guan)系。該地(di)形(xing)(xing)(xing)需至少包括：①建筑外輪廓(kuo)與(yu)高程(cheng)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)；②地(di)面高程(cheng)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)；③城(cheng)市道路邊界(jie)和詳細高程(cheng)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)；④下(xia)凹橋區(qu)下(xia)層或易積(ji)水區(qu)域的高程(cheng)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)；⑤城(cheng)市河道邊界(jie)及堤頂高程(cheng)等(deng)。
（2）地(di)形(xing)修正。由于地(di)面地(di)形(xing)精(jing)細，但墻體、過橋(qiao)涵洞等影響徑(jing)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)向(xiang)的(de)關鍵要素(su)如果(guo)無(wu)法準(zhun)確(que)識別(bie)，很容易形(xing)成數據誤差(cha)，從而導致徑(jing)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)向(xiang)判斷不準(zhun)確(que)的(de)狀況(kuang)。因此(ci)，通常需要經(jing)歷(li)至少一個雨季的(de)現場踏勘(kan)和矯正，才能作為比較準(zhun)確(que)的(de)地(di)形(xing)數據使用。
主要地(di)(di)(di)形修正內容包(bao)括：①去除(chu)不合理的(de)圍(wei)擋構筑物(wu)及局部(bu)十(shi)字路口地(di)(di)(di)形高程(cheng)，保證路徑準(zhun)確。圖(tu)4為(wei)十(shi)字路口標高修正示例，其(qi)結果為(wei)路徑由東(dong)(dong)南流向(xiang)轉向(xiang)東(dong)(dong)北流向(xiang)，匯水(shui)(shui)面范圍(wei)也隨之改(gai)變(bian);②修正高架(jia)橋(qiao)、立交橋(qiao)、過街天橋(qiao)區(qu)不合理地(di)(di)(di)形，保留最(zui)底(di)層高程(cheng)信息；③調(diao)整地(di)(di)(di)形高程(cheng)以實(shi)現大型管(guan)涵的(de)排水(shui)(shui)效應。城市一些大型管(guan)涵可以視為(wei)永久性(xing)的(de)排水(shui)(shui)通道，需要充分考慮(lv)其(qi)排水(shui)(shui)作用。圖(tu)5為(wei)管(guan)涵地(di)(di)(di)形調(diao)整示例，降低了(le)管(guan)涵所在的(de)局部(bu)地(di)(di)(di)形高程(cheng)，其(qi)結果為(wei)低洼區(qu)內路徑變(bian)得真實(shi)準(zhun)確，從而可以準(zhun)確識別匯水(shui)(shui)面。
4.2.2 流域排水分區劃分
基于修正DEM的(de)流(liu)域劃(hua)分方(fang)法，主(zhu)要(yao)步驟(zou)(zou)為(wei)水流(liu)方(fang)向(xiang)分析(xi)和流(liu)量累計(ji)網格數計(ji)算，這(zhe)是(shi)一種通過(guo)地表高程(cheng)坡向(xiang)識別路徑和匯水面的(de)水文分析(xi)法，通過(guo)ArcGIS的(de)水文工(gong)具箱實現。處理流(liu)程(cheng)可以概括為(wei)：流(liu)域排水分區初步劃(hua)分、地形填(tian)洼、定義河道、確定流(liu)域范圍、排水分區組合修正這(zhe)四個主(zhu)要(yao)步驟(zou)(zou)。
（1）流(liu)域排水分區初步(bu)劃分。流(liu)域尺(chi)度往(wang)往(wang)較大(da)，除了高密(mi)度的(de)城區范(fan)圍，還(huan)包(bao)括上游(you)山(shan)區，切分出的(de)整體流(liu)域外邊界需至少包(bao)含完整的(de)研究范(fan)圍，在此基礎上，對(dui)山(shan)形，河流(liu)，橋梁(liang)等地(di)形要素進(jin)行初步(bu)判(pan)別劃分出一級子流(liu)域。
（2）地(di)形(xing)填(tian)洼(wa)。當“水流”流經(jing)地(di)形(xing)中下凹的(de)(de)低(di)(di)洼(wa)區域(yu)的(de)(de)最低(di)(di)點，由于四周網格地(di)形(xing)均高于最低(di)(di)點，此(ci)時(shi)所有計算(suan)(suan)的(de)(de)坡向(xiang)均為逆(ni)坡，計算(suan)(suan)機無法依據最大正向(xiang)坡向(xiang)的(de)(de)原則識(shi)別下一(yi)步(bu)路徑，為了(le)避免出現這種問(wen)題(ti)，流域(yu)劃(hua)分的(de)(de)第一(yi)步(bu)需要對地(di)表低(di)(di)洼(wa)區域(yu)進行填(tian)充洼(wa)地(di)的(de)(de)處理，處理的(de)(de)結果(guo)是抬升低(di)(di)洼(wa)區域(yu)的(de)(de)地(di)形(xing)標高，實現正向(xiang)坡度的(de)(de)計算(suan)(suan)（見圖5）。
（3）定(ding)義河道。通過提(ti)取(qu)累積(ji)流量(liang)(liang)數值大(da)于(yu)某一(yi)(yi)流量(liang)(liang)閾(yu)值的網(wang)格(ge)來定(ding)義河網(wang)。例(li)如提(ti)取(qu)匯水面大(da)于(yu)1 hm²的網(wang)格(ge)，則流量(liang)(liang)閾(yu)值為1 hm²除以單一(yi)(yi)網(wang)格(ge)面積(ji)。該結果也可(ke)以轉化為線矢(shi)量(liang)(liang)文件(jian)。下圖(tu)為提(ti)取(qu)的河網(wang)矢(shi)量(liang)(liang)數據。
（4）劃(hua)(hua)分(fen)并(bing)確(que)定子流域。通過(guo)計(ji)算水流方(fang)向和提取的(de)河網結果，采用Watershed工具(ju)可以從DEM中自(zi)動(dong)劃(hua)(hua)分(fen)流域邊界。上述流域劃(hua)(hua)分(fen)方(fang)法通常適(shi)用于大型自(zi)然流域，在城市流域范(fan)圍(wei)使用該方(fang)法需要特別注(zhu)意(yi)所采用的(de)地(di)形需要具(ju)備高精度的(de)特征(zheng)，否則(ze)無法準確(que)計(ji)算流向和累計(ji)流量數值。同時對錯誤地(di)形的(de)校正準確(que)與否也會影響模擬的(de)結果。
（5）排(pai)水分(fen)(fen)區組合(he)修正。初步劃分(fen)(fen)的(de)(de)一(yi)級(ji)子(zi)流域(yu)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)與實際流域(yu)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)并不(bu)(bu)完全吻合(he)，在劃分(fen)(fen)完二(er)級(ji)流域(yu)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)后(hou)，觀察一(yi)級(ji)子(zi)流域(yu)交界(jie)(jie)(jie)處的(de)(de)二(er)級(ji)流域(yu)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)，對不(bu)(bu)完整的(de)(de)二(er)級(ji)流域(yu)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)進行地(di)形(xing)重組修正。此外重新(xin)審(shen)核由于地(di)形(xing)偏(pian)差造成的(de)(de)錯誤流域(yu)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)劃分(fen)(fen)結果，例如跨河(he)橋，圍擋(dang)等不(bu)(bu)合(he)理(li)的(de)(de)構筑物阻(zu)礙，對地(di)形(xing)修正后(hou)重新(xin)劃分(fen)(fen)（修正對比結果見圖6）。
4.2.3 不同重現期降雨地面漫流過程模擬
（1）模(mo)(mo)型模(mo)(mo)擬。采用(yong)美國水(shui)文中心發布的(de)最新版HEC-RAS模(mo)(mo)型軟件，模(mo)(mo)擬獲得不同降雨情景下，地表積水(shui)的(de)區域范圍(wei)、水(shui)深、流速和積/退水(shui)情況等重要水(shui)力(li)要素信(xin)息。選用(yong)北京市2h歷時的(de)芝加(jia)哥雨型作為降雨邊界，地形網格精(jing)度(du)為5m，時間步長(chang)為1min，該網格尺寸兼顧了模(mo)(mo)擬運算精(jing)度(du)和運行時間。
（2）確定臨界重(zhong)現(xian)期(qi)。綜(zong)合比對降雨(yu)重(zhong)現(xian)期(qi)從小(xiao)(xiao)到(dao)大(da)（降雨(yu)量從小(xiao)(xiao)到(dao)大(da)）的(de)不同(tong)降雨(yu)工況下(xia)的(de)地表徑(jing)(jing)流(liu)流(liu)態和水(shui)深(shen)變化情(qing)況，統計重(zhong)要低(di)洼區域(yu)的(de)積(ji)(ji)水(shui)量和水(shui)深(shen)，重(zhong)點觀察其滿水(shui)后的(de)徑(jing)(jing)流(liu)流(liu)向變化過程，最終確定不同(tong)低(di)洼區風險區積(ji)(ji)滿水(shui)后開始轉輸徑(jing)(jing)流(liu)至(zhi)下(xia)游的(de)臨界降雨(yu)工況。
5 某下凹橋區排水分區劃分案例
5.1 下凹橋區排水系統概況
該下凹橋(qiao)(qiao)為(wei)城(cheng)市(shi)主(zhu)(zhu)(zhu)干道路下穿鐵(tie)路形(xing)成(cheng)的，橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)范(fan)(fan)圍內雨(yu)水(shui)管線總長度約(yue)14.3km，管徑在(zai)400~1 350mm其中(zhong)，橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)主(zhu)(zhu)(zhu)干管網（管徑1 350mm）接入下游城(cheng)市(shi)道路雨(yu)水(shui)主(zhu)(zhu)(zhu)干管（管徑2 600mm），最終(zhong)排(pai)入末端河(he)道。橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)主(zhu)(zhu)(zhu)干管網（管徑1 350mm）主(zhu)(zhu)(zhu)要(yao)收集橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)道路及周邊部(bu)分地塊(kuai)的雨(yu)水(shui)，對應的排(pai)水(shui)分區(qu)(qu)范(fan)(fan)圍約(yue)為(wei)12 hm²，如圖7所示(shi)。2021年8月16日晚發生暴(bao)雨(yu)事(shi)件，該橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)積水(shui)嚴(yan)重，最大積水(shui)深度達到2m，積水(shui)時(shi)間約(yue)為(wei)40min。
5.2 下凹橋周邊區域地表徑流路徑與低洼區分析
通過獲取橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)周邊區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域2m網格的(de)(de)雷達(da)點云數據，分(fen)(fen)(fen)析(xi)橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)上游(you)地(di)(di)(di)表徑(jing)(jing)(jing)流(liu)路徑(jing)(jing)(jing)與低(di)(di)洼(wa)(wa)(wa)(wa)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)分(fen)(fen)(fen)布，進(jin)而分(fen)(fen)(fen)析(xi)橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)地(di)(di)(di)表徑(jing)(jing)(jing)流(liu)匯流(liu)范圍(wei)可能產生的(de)(de)變化(hua)(hua)和影響，地(di)(di)(di)表徑(jing)(jing)(jing)流(liu)路徑(jing)(jing)(jing)和低(di)(di)洼(wa)(wa)(wa)(wa)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)分(fen)(fen)(fen)析(xi)結果如圖8所示。暴雨(yu)(yu)(yu)(yu)發(fa)生時，在(zai)地(di)(di)(di)下(xia)(xia)管網滿(man)(man)負荷運行的(de)(de)情況下(xia)(xia)，雨(yu)(yu)(yu)(yu)水(shui)徑(jing)(jing)(jing)流(liu)延(yan)地(di)(di)(di)表逐級(ji)匯流(liu)排放，途徑(jing)(jing)(jing)低(di)(di)洼(wa)(wa)(wa)(wa)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)需要先填(tian)滿(man)(man)后(hou)才(cai)能繼(ji)續(xu)流(liu)至下(xia)(xia)游(you)，從圖8中可以看出，該下(xia)(xia)凹橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)北側(ce)與南側(ce)各有一(yi)條主干地(di)(di)(di)表徑(jing)(jing)(jing)流(liu)通道，當降雨(yu)(yu)(yu)(yu)超(chao)過一(yi)定(ding)的(de)(de)臨界降雨(yu)(yu)(yu)(yu)量即上游(you)低(di)(di)洼(wa)(wa)(wa)(wa)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)被填(tian)滿(man)(man)后(hou)，地(di)(di)(di)表徑(jing)(jing)(jing)流(liu)可能分(fen)(fen)(fen)別從橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)南側(ce)和北側(ce)道路匯入橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，進(jin)而加劇橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)積水(shui)內澇問題。因此，對(dui)臨界雨(yu)(yu)(yu)(yu)量的(de)(de)模擬分(fen)(fen)(fen)析(xi)對(dui)于研判橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)匯水(shui)范圍(wei)可能產生的(de)(de)變化(hua)(hua)及影響至關(guan)重要，從而進(jin)一(yi)步(bu)支撐對(dui)不(bu)同降雨(yu)(yu)(yu)(yu)條件下(xia)(xia)橋(qiao)(qiao)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)可能產生的(de)(de)積水(shui)風險進(jin)行提前預警(jing)并(bing)制定(ding)有針(zhen)對(dui)性的(de)(de)應急預案。
5.3 下凹橋區排水分區范圍的動態變化分析
利用HEC-RAS對(dui)(dui)該橋(qiao)區(qu)(qu)在不同降(jiang)(jiang)(jiang)雨情(qing)景下(xia)的(de)地(di)表(biao)(biao)漫(man)流(liu)動態過(guo)程進行(xing)模擬(ni)分(fen)析，模擬(ni)結(jie)果顯示，當(dang)降(jiang)(jiang)(jiang)雨量小于80mm時，該下(xia)凹橋(qiao)區(qu)(qu)的(de)地(di)表(biao)(biao)匯(hui)流(liu)范(fan)圍與(yu)(yu)排(pai)水(shui)(shui)管(guan)網的(de)收水(shui)(shui)范(fan)圍基本對(dui)(dui)應(ying)，面(mian)積約為12 hm²；當(dang)2h降(jiang)(jiang)(jiang)雨量超(chao)過(guo)120mm時，地(di)表(biao)(biao)徑流(liu)開(kai)始(shi)延南(nan)側道路(lu)(lu)匯(hui)入(ru)(ru)橋(qiao)區(qu)(qu)，匯(hui)水(shui)(shui)面(mian)積迅速(su)擴大(da)(da)(da)至(zhi)120 hm²；當(dang)2h降(jiang)(jiang)(jiang)雨量超(chao)過(guo)200mm時，地(di)表(biao)(biao)徑流(liu)延北(bei)側與(yu)(yu)南(nan)側道路(lu)(lu)分(fen)別匯(hui)入(ru)(ru)橋(qiao)區(qu)(qu)，匯(hui)水(shui)(shui)面(mian)積又擴大(da)(da)(da)至(zhi)150 hm²；當(dang)2h降(jiang)(jiang)(jiang)雨量超(chao)過(guo)300mm時，上游更大(da)(da)(da)范(fan)圍區(qu)(qu)域的(de)來(lai)水(shui)(shui)延北(bei)側與(yu)(yu)南(nan)側道路(lu)(lu)分(fen)別匯(hui)入(ru)(ru)橋(qiao)區(qu)(qu)，匯(hui)水(shui)(shui)面(mian)積擴大(da)(da)(da)至(zhi)300 hm²，如圖9所示。
6 總結與展望
城(cheng)市建(jian)成區對(dui)比非城(cheng)市區域，單位面積所(suo)對(dui)應(ying)的災害(hai)損失(shi)呈數倍增(zeng)加，因此傳統排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)區的劃分(fen)(fen)方法已經難以(yi)描繪暴(bao)雨條(tiao)件下(xia)排(pai)(pai)水(shui)系統與地(di)面系統所(suo)受(shou)到的影響。對(dui)于(yu)下(xia)穿(chuan)橋區、隧道或者其他地(di)形(xing)復雜的區域，排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)區的劃分(fen)(fen)對(dui)于(yu)汛期防澇工(gong)作(zuo)至關重要。尤其“高水(shui)”排(pai)(pai)水(shui)分(fen)(fen)區劃分(fen)(fen)的不準確，會對(dui)模型模擬(ni)、方案設計的結(jie)果與現實(shi)條(tiao)件產生極大誤差，最終導致無法應(ying)對(dui)汛期暴(bao)雨。
而基于雷達測繪(hui)的點云數據(ju)進(jin)行排水分(fen)區(qu)(qu)(qu)分(fen)析，雖(sui)然相(xiang)比傳統方法(fa)更(geng)為精確，但也同時對(dui)(dui)數據(ju)質量、現場校核、模型模擬提出了(le)更(geng)高的質量要求。相(xiang)對(dui)(dui)而言，劃定排水分(fen)區(qu)(qu)(qu)的經濟(ji)性缺(que)少優勢。因此，至少對(dui)(dui)于待(dai)開發城區(qu)(qu)(qu)、重要地區(qu)(qu)(qu)和(he)具有較高風險的區(qu)(qu)(qu)域(yu)，應優先采用該方法(fa)劃定。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
