基于GIS的子匯水區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，江蘇 南京 210046)

1 引 言

隨著城市建設的需要，城市化水平不斷提高，城區的不透水面積比逐年增大，使得洪澇災害的發生頻率不斷上升[1～2]。SWMM(Storm Water Management Model)是由美國環保署提出的，為研究和管理城市雨洪而研制的動態降水-徑流模擬模型。它已廣泛應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的規劃、分析和設計中。

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行計算，且能夠連續、完整地模擬降雨后徑流的產生和運移過程。在模擬時，模型將流域劃分成若干子匯水區進行處理，不同子匯水區劃分方法會對模型模擬的結果產生不可預測的影響。目前，已有部分學者對匯水區劃分方案進行了研究分析。張書亮等[5]基于GIS技術，通過建立雨水管網和地形數據庫來構建雨水管網數據模型，從而實現城市匯水區的自動劃分。宋瑞寧等[7]將雨水口和檢查井分別作為匯水區節點，研究在中小雨條件和暴雨條件下對模型模擬結果的影響，結果表明以雨水口作為節點的匯水區劃分方法，使研究區域的產匯流過程更接近實際情況。

2 研究內容

2.1 研究區概況

本次研究區域位于南京鼓樓區，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。研究區內建筑物較為密集。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研究區情況示意圖

2.2 積澇模擬模型構建

積澇模擬模型的構建建立在空間地理信息數據庫的基礎之上。本實驗利用了研究區域 1∶500比例尺地形及管網數據、1 m格網高精度DEM數據以及氣象部門提供的 10 min間隔實測降雨數據。模型構建方式的合理性將直接影響積澇模擬的準確性，本次研究首先對復雜管網數據進行概化，然后利用GIS的空間統計功能和圖層疊加方法對地表覆蓋數據進行提取計算獲得建模所需參數，接著利用DEM數據與地形數據結合分析對研究區子匯水區進行劃分，最后結合降雨數據在SWMM5.0軟件中進行建模并進行積澇模擬。

(1)研究區管網系統概化

原始的管網數據包含雨水管道、雨水節點、污水管道以及污水節點，因南京主城區已基本實現雨污分流體制，對于多余的污水管道和節點數據要予以刪除。同時對雨水管網數據進行一定程度的概化，只保留主干道的雨水管線并將管徑相同的管段進行合并，根據需要保留管線中的雨水節點，圖2為概化前后的雨水管網情況。

圖2研究區雨水管網分布圖

(2)模擬參數的設置

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入滲參數設定為：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；可滲透區的曼寧粗糙系數設為0.24，不可滲透區曼寧粗糙系數為0.015。研究區域地面起伏不平，坡度最大達18.72%，最小為0.75%。

(3)子匯水區劃分

子流域自動劃分的方法適用于高差起伏較大的山地、丘陵地區的自然流域，對于城市這樣坡度較小的區域，自動劃分方法提取出的河網不符合實際情況，難以得到理想的模擬效果。因此借鑒張書亮等[5]基于GIS技術的城市雨水出水口匯水區自動劃分方法，將城市的管網數據通過burn-in的方式疊加到城市DEM數據中，以排水管線作為河道劃分出的子流域單元基本符合需要。然而由于實驗區建筑物密集，且無小區內部管網數據，屋頂屬不透水材質，如果采取這種自動劃分生成的小流域為子匯水區，將會導致各小區被劃分到不同的子匯水區內，這與同一棟建筑物最終通過一個節點排出的事實不相符。根據研究提出兩種解決方案：方案1：將研究區以建筑物為單位，每幢小區劃分為一個子匯水區，共劃分83個子匯水區，如圖4(a)所示；方案2：進一步概化雨水管網，使得子匯水的劃分方法能應用于較大的研究區域，只保留不同管徑處的節點，共劃分出27個子匯水區，如圖4(b)所示。

圖4 兩種方法劃分的子匯水區結果

3 結果對比與分析

3.1 對排水口水量排放的影響

兩種子匯水區劃分方案中對應的排放節點是一致的，但是兩種劃分結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點負荷表。

排放口節點負荷統計表 表1

從表1中可以發現，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，排放的水流總容積也更少。方案2中3個排放口排放時間百分數均高于方案1，且幾乎都占據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，而其他匯水區水流需要經過坡面匯流，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，子匯水區劃分的較為精細，水流匯到對應節點后，需要經過管道才能最終匯集到相應的排放口，一開始從最近的節點到排水口有時間上的延遲，而后，水量通過各自的節點排入管道，水流在管道中的運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中每個子匯水區面積較大，雨水降落后，會同時發生蒸發和下滲，使得產流變少，而方案1中，水流直接匯入附近節點，下滲和蒸發時間縮短，而通過地下管線最終運移到排水口，在管線較為封閉的環境下，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。對于排放水量的總容積，原因與上述同理。這就表明，對于較小的研究區，當子匯水區劃分更為細致時要比適用于大區域的深度概化后模擬結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別。方案1最終溢流的節點有4個，方案2溢流節點有2個(具體如表2、表3所示)。其中唯有A112WSG50015號節點是兩種方案共同的溢流節點，但對于此節點，兩方案的洪流小時數、最大洪流速率和最大洪流發生時間都有一定的差異性。方案1中水流經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節點，因此相比方案1洪流時間短，最大洪量發生時間快且最大洪流速率較小。

方案1節點溢流情況 表2

方案2節點溢流情況 表3

如圖5所示，節點A112WSG50015總進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的子匯水區劃分方法下得到的總進流量與降雨量的趨勢更加接近，而在降雨中后期，則表現出方案1得到的總進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子匯水區中的產匯流狀況以及流量傳輸過程在降雨中后期響應更快，方案2則在降雨初期響應更好。

圖5節點A112WSG50015總進流量隨時間變化圖

圖6反映的是節點A112WSG50015的洪流隨時間變化趨勢。方案1洪流出現的時間比方案2早，并且發生的次數更多。因為方案2經過坡面匯流，相比管道徑流需要更長時間才能達到流量的最大值，且最大流量只出現一次，水量便隨時間逐漸排走減少，一般不會再出現洪流現象。而方案1通過管道運移的水量由于可以在較短的時間內匯集大量水，因此隨著降雨量的增加，會出現不止一次的洪流現象，正如圖6(a)中所示，這與實際大暴雨過程中，節點會不止一次發生溢流情況是相符的。

圖6節點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，節點A112WSG50015、A102YSG50003和A102YSG50049號有溢流現象。

圖7中，兩種方案的節點溢流情況均與實地考察有一定出入。對于研究區這樣的小區域而言，方案1在溢流點個數和時間點上比方案2更為符合實際情況。但如果對于較大區域的雨洪進行模擬時，精細劃分子匯水區往往要花費大量的人力和物力，而經過更高程度概化后模擬的結果有其可取之處，可以反映溢流的大致情況。

圖7實際節點溢流與模擬節點溢流比較

4 結 論

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

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

(2)對于小區域進行雨洪模擬，當匯水區劃分更為精細時，模擬結果與實際更加符合，但是要對大區域模擬雨水淹沒狀況時，則可以考慮在深度概化雨水管網的基礎上劃分子匯水區。