基于GIS和RS的水力模型構建與多情景分析

陳明輝，黃培培，吳 非，黎海波

(1. 東莞市地理信息與規劃編制研究中心，廣東 東莞 523129； 2. 武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079)

一、引 言

SWMM模型是1971年美國環保局推出的城市暴雨管理模型，并經多次升級完善，在世界各地得到廣泛有效的應用[1-4]，為城市排洪防澇、雨水利用等提供了良好的技術支持。雖然國內對SWMM研究起步晚，但近幾年發展較快[5-9]，并與GIS和RS結合在許多城市取得較好的效果[10-12]。本文基于GIS和RS的試驗區SWMM模型構建，闡述了SWMM構建過程，模擬了研究區排水管網對不同暴雨情景的響應及承載力情況。

二、試驗區簡介

本文以東莞市莞城區和南城區為試點，概況見表1，土地利用類型及排水管網空間分布如圖1所示。其中莞城是老城區，面積約11.3 km2，區內城市化程度高，土地利用類型以住宅用地為主，排水管網以合流制為主，管線總長約234.1 km。南城為新城區，面積約58.4 km2，土地利用類型空間差異大，靠近莞城區主要為住宅用地，南部多為果園、林地，排水體制為分流制占主導(占98%)，管線總長約789.7 km。

表1 東莞市莞城和南城區概況統計表

三、建模過程

建模過程包括3個核心環節：基于RS的解譯結果參與構建GIS數據庫，并用于計算SWMM徑流參數；基于GIS的數據庫用于SWMM匯水區劃分及管道建模；建立后的SWMM模型通過參數設置，展開情景分析(如圖2所示)。

圖1 莞城和南城區土地利用類型及排水管線空間分布圖

1. 基于RS的不透水面積比例核算

1) SPOT影像處理：選擇2013年初影像質量較好的1月15日SPOT5和1月19日SPOT6，通過輻射糾正、正射糾正、幾何糾正、圖像融合及圖像拼接等影像預處理，預處理后分辨率SPOT5為2.5 m、SPOT6為1.5 m。

2) 解譯標志建立：影像目視解譯精度除了受解譯方法和解譯者專業經驗影響外，還與解譯標準的恰當與否相關，本研究根據遙感解譯的8要素(形狀、大小、陰影、色調、紋理、圖案、位置及布局)，結合土地利用類型國家標準，建立了耕地、林地、草地、水域、居民用地、交通運輸用地、工業用地、園地、開發用地和其他未利用地的解譯標志。

3) 室內判讀和野外補判：該過程是基于RS的核心工作，直接決定著結果精度。根據分類標準和解譯標志，并綜合多種目視判讀方法及以往SPOT5解譯結果、Google Earth影像、快鳥影像等輔助判讀。室內初判完成后對疑點和誤判圖斑進行輔助判讀、比對分析和野外核實，并進行拓撲檢查和修正，最終得到2013年試驗區土地利用現狀圖(如圖1(a)所示)。

4) 不透水面積比統計：不透水面積比例是SWMM的一個關鍵參數，利用遙感解譯結果(即土地利用現狀圖)將試驗區分為透水區和不透水區，經統計，南城不透水面積約占51.1%，莞城約為77.2%。

2. 基于GIS的SWMM集水區劃分

基于莞城和南城1 m分辨率DEM模型，結合管網普查數據，利用ArcGIS空間分析中的水文模塊分別劃分南城和南城的匯水區。在匯水區劃分的基礎上，根據管網普查數據，在SWMM中進行匯水區調整，檢查連通性，排除逆坡及管網不通等問題，輸入降雨驅動數據并添加雨量站，最終劃定南城和莞城的匯水區。

3. 暴雨情景設定

根據《東莞市暴雨公式及計算圖表編制—技術報告》(2012年版)，得到東莞市暴雨強度公式及一、二、三、五、十、二十年一遇降雨量(降雨歷時60 min)(見表2)。

表2 東莞市降雨量及降雨強度

4. 約束條件假設

假設全區經歷相同的降雨量和降雨過程；假設河道的排水能力無限；忽略運河潮汐水位的頂托影響；可滲水區采用HORTON下滲，管道水流采用擴散波方法進行演算。

四、情景分析

1. 暴雨多情景下內澇點分布與積水時長

圖3和圖4分別顯示了南城和莞城在一、二、三、五、十、二十年一遇情形下的內澇點空間分布情況。表 3為多情景下的內澇點和積水時長統計表。從整體來看，莞城內澇情況較為嚴重，南城情況好于莞城。隨著暴雨情景的加重，內澇點區域呈現不斷擴大和數量增長趨勢。空間分布方面，南城內澇點一般發生于南城北半部，東莞大道以北、環城西路以北區域內：①一至五年一遇情景下主要發生在莞太大道沿線，莞太大道北段的建設路、體育路附近，莞太大道中南段的車站路、周溪大道附近，黃金路和宏二路之間的地區；②十年一遇和二十年一遇情景下，在一至五年一遇內澇點外圍增加。莞城內澇主要位于西北東莞水道以東，以及莞城中東部，二十年一遇情景下已基本癱瘓。地勢方面，內澇點多發生在海拔較低、地勢低洼地區。土地利用方面，內澇主要發生在居民地，且多為老的居民點。排水體制方面，內澇多發生于莞城合流制和排水管網設施滯后地區，而南城則發生在存在未改造的合流制點及排水管網規劃欠佳、敷設稀疏的地區。

2. 暴雨多情景下排水管道充滿度分析

選擇南城和莞城在多情景下附近都出現過內澇點、且服務區較大的干管作為試點分析。圖5給出了南城一干管在一、二、三、五、十、二十年一遇情景下管道充滿度情況。該干管在多情景下并未出現過載情況，且管道剩余空間非常充足，僅是隨暴雨情景增加管道水深增加。通過結合其他干管和主要管道承載力分析知，其他主干管情況(除一干管被水力核實設計有誤外)均與該管情況相似。說明南城主干管設計標準相對較高，可相對輕松抵御二十年一遇暴雨，另一方面也說明了南城區內澇點多因支管過細或數量不足導致。

圖4 莞城一、二、三、五、十、二十年一遇內澇點空間分布圖

表3 南城和莞城在多情景下的內澇點及積水時長統計表

圖5 南城一干管在一、二、三、五、十及二十年一遇情景下充滿度情況

圖6給出了莞城一干管在一、二、三、五、十、二十年一遇情景下管道充滿度情況。該管道自一年一遇開始已出現不同程度的滿載，且管徑較小，其整體充滿度較高，隨著暴雨情景增加過載現象嚴重。同時通過結合其他干管和主要管道承載力分析知，莞城排水管網系統基本可應對一年一遇暴雨，但總體主干管的充滿度較高，存在部分現滿載。隨暴雨情景增加干管和支管過載程度加劇。說明在老城區，由于建設年代早、管道規劃不合理、設計標準偏低以及地形等因素，管道系統的功能不能較好體現，內澇情況較南城嚴重。

3. 模型結果可靠性分析

在缺乏模型驗證數據的情況下，本文通過搜索東莞市2013年暴雨新聞報道，其中在一涉及莞城的報道中發現，受2013年臺風“尤特”的影響，莞城地王廣場和雍華庭積水嚴重，附近道路癱瘓，大量汽車被淹(如圖7所示)。而本文中模型在一年一遇情景下地王廣場和雍華庭附近恰恰顯示為內澇點。新聞中個別現象的報道也正驗證了模型結果存在一定可信度和可靠性。然而模型具體的可靠程度還需未來有詳盡的內澇監測數據來量化驗證。

五、結束語

本文基于GIS和RS對SWMM排水管網水力模型進行了快速構建，在東莞市新舊兩城區進行了案例分析和應用，給出了模型對暴雨的多情景響應。結果表明，新舊城排水系統差異大，建設早的莞城排水系統功能較弱，有較大洪澇隱患；而新建區南城排水系統設計標準高，抵御洪澇災害能力明顯優于莞城。這也說明了基于GIS和RS構建SWMM的方法可以簡便快捷地建立復雜城區排水管網模型，提高了模型分析精度，為進一步的深入應用奠定了基礎。

圖6 莞城一干管在一、二、三、五、十及二十年一遇情景下充滿度情況圖

圖7 2013年“尤特”臺風影響下有關莞城地王廣場、雍華庭內澇及大量汽車被淹報道

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