基于地理信息系統(tǒng)的城市雨洪預(yù)測預(yù)報

趙連柱 孫亞軍

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院， 北京 100038； 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 江蘇 徐州 221008)

0 引言

城市地區(qū)雨洪觀測資料表明,城市洪峰流量比天然流域高幾倍乃至數(shù)十倍。雨洪是城市較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,影響城市的交通、通訊、建筑以及一些公共設(shè)施,給城市居民的生活帶來不便甚至威脅生命和財產(chǎn)安全。排水管網(wǎng)的布設(shè)、城市雨洪受許多方面的因素控制,而這些因素大部分同地理位置相關(guān)。利用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)對排水歷史管網(wǎng)紙質(zhì)資料進(jìn)行數(shù)字化和空間化,利用面向?qū)ο蠛蛿?shù)據(jù)庫技術(shù),建立排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫,利用GIS的空間管理、空間分析、三維可視化技術(shù)[1-2],結(jié)合專業(yè)城市雨洪災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報模型[3-5],對城市雨洪預(yù)測預(yù)報進(jìn)行技術(shù)研究和探索,建立預(yù)測預(yù)報系統(tǒng),為城市排水管網(wǎng)管理、設(shè)計改造、城市雨洪預(yù)測預(yù)報提供技術(shù)平臺,具有重要意義。

1 研究區(qū)域選擇

在城市排水管網(wǎng)的設(shè)計和管理過程中,除了要考慮居民生活用水和工業(yè)用水的排放需求,很重要的一個方面就是要考慮雨季城市防洪的需求,也就是說,管網(wǎng)的排水能力要滿足雨季暴雨來臨時,能在較短的時間內(nèi)將降雨形成的地面徑流通過排水管網(wǎng)排出,以避免產(chǎn)生積水或洪水。在建立城市排水管網(wǎng)管理系統(tǒng)時,將管網(wǎng)排水能力的評價作為其中一個重要的內(nèi)容進(jìn)行研究,并建立評價模型。管網(wǎng)的排水能力是否能滿足城市防洪的要求,取決于本地區(qū)的降雨特點(diǎn)、地形特點(diǎn)、管網(wǎng)的布置和類型等多方面的因素。

在建立評價模型時,受資料、時間等多方面因素的限制,無法對整個城市的管網(wǎng)排水能力建立評價模型,選取典型試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行研究。經(jīng)過調(diào)查研究,我們選擇了經(jīng)常在雨季形成積水的酒廠后排水溝附近作為研究區(qū)域。

該系統(tǒng)主要排除云龍山以東,奎河以西,六中、黨校以南,溢洪道以北的雨污水,面積約0.4 km2。 該系統(tǒng)由一條干溝、兩條大的支管和一些小的溝管組成。干溝從奎山派出所起,沿泰山路南側(cè)向東流,穿過淮塔路,銅山供電局、黨校、酒廠等,在酒廠東、奎河閘北45.0 m處入奎河。

2 城市排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)及地形三維可視化

2.1 城市排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)

我們在排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫建立過程中,根據(jù)GIS空間要素數(shù)據(jù)的分類特點(diǎn)及排水管網(wǎng)的特殊性,把排水管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)庫分為兩層,一層為管線層,數(shù)據(jù)類型為直線、折線和弧線,對應(yīng)于排水管網(wǎng)中的管線、石明溝、石暗溝或土明溝;另一層為井點(diǎn)層,數(shù)據(jù)類型為點(diǎn),對應(yīng)于排水管網(wǎng)中的檢查井或收水井。

2.2 地形三維可視化分析

數(shù)字地面模型是描述地面特征的空間分布的有序數(shù)值陣列。在一般情況下,地面特征是高程Z,它的空間分布由X、Y水平坐標(biāo)系統(tǒng)來描述,也可以用經(jīng)度X、維度Y來描述海拔的分布,這種地面特征為高程或海拔高程的數(shù)字地面模型(Digital Terrain Models，DTM)也稱為數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。應(yīng)用數(shù)字高程模型建立城市三維地形圖可用于城市雨洪問題的研究。根據(jù)城市的地形狀況,利用GIS的空間分析能力,疊加其他圖層信息來劃分集水小區(qū)和匯水面積。建立的城市的三維地形圖為城市防洪和管網(wǎng)設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù),如圖1所示。

圖1 三維地形圖[1]

利用GIS技術(shù)進(jìn)行城市排水管網(wǎng)空間化和地形三維可視化研究,可以直觀地反映排水管網(wǎng)分布區(qū)域的地形起伏狀況,與其他圖層疊加,不僅可以看到單個方面的要素,也可以看到綜合要素以及它們之間的關(guān)系,可以輔助于匯水面積劃分及雨洪預(yù)測預(yù)報研究。

3 雨洪預(yù)測預(yù)報模型

3.1 匯水面積劃分

降雨面積是指降雨所籠罩的面積,匯水面積是指雨水管渠匯集雨水的面積,一般用F表示,以公頃(ha)或平方公里(km2)為單位。匯水面積劃分的通用原則是:(1)依據(jù)地形并結(jié)合街坊布置或小區(qū)規(guī)劃進(jìn)行劃分;(2)面積不宜過大;(3)形狀盡可能比較規(guī)則;(4)與毗鄰系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮,做到均勻合理。我們在選定的奎河研究區(qū)范圍內(nèi),利用DEM模型所建立的平面地形分布圖和三維地形分布圖與水系和道路疊加分布圖,研究區(qū)域云龍山地區(qū)起伏很大,匯水面積較大,容易產(chǎn)生雨洪,如圖2所示。

圖2 三維地形圖與水系、道路疊加分布圖[1]

在初步確定匯水面積以后,需要根據(jù)徐州市地形圖和地形等高線圖和管網(wǎng)分布圖細(xì)分匯水面積,從而確定干管的匯水面積,如圖3～4所示。圖3箭頭表示水流方向，根據(jù)地面高程數(shù)值由高到低用不同顏色渲染可視化表示。圖4為疊加等高線后的管網(wǎng)分布，等高線高程值用數(shù)字表示(單位為m)。

圖4 疊加地形等高線劃分匯水面積圖

3.2 徑流系數(shù)的確定

流域的下墊面因素、包括地形、土壤、地質(zhì)、植被和流域形態(tài)等。它們一方面直接影響徑流的大小和過程,另一方面是通過氣象氣候因素而間接影響徑流。

由于影響因素很多,要精確地求定徑流系數(shù)值是很困難的。目前在雨水道的設(shè)計中,徑流系數(shù)通常采用按地面覆蓋種類確定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值(表1)。

表1 各種地面的徑流系數(shù)[6]

在城市和工業(yè)區(qū)的設(shè)計中,由于匯水面積較大,且建筑物分布的差異也較大,這時宜分成不同種類的小區(qū),如商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、文教區(qū)等,分別進(jìn)行徑流系數(shù)ψ的計算。各區(qū)的匯水面積是由各種性質(zhì)的覆蓋地面所組成,隨著它們占有面積的比例變化,徑流系數(shù)也改變。因此,整個匯水面積上的平均徑流系數(shù)ψp是按各類地面面積加權(quán)平均法計算而求得。即

(1)

式(1)中,fi為匯水面積上各類地面的面積;ψi為與各類地面相對應(yīng)的徑流系數(shù);F為全部匯水面積。

表2是城市綜合徑流系數(shù)表,表3是正常降雨或暴雨地表徑流系數(shù)表,根據(jù)以上各表所提供的徑流系數(shù)值可計算該研究區(qū)域的綜合徑流系數(shù)。

表2 城市綜合徑流系數(shù)[7]

據(jù)統(tǒng)計,研究區(qū)的情況如下:云龍山與建筑居民區(qū)的面積劃分,云龍山所占面積的比例為22%,建筑居民區(qū)面積所占全部面積的比例為78%,其中建筑居民區(qū)屬于建筑較密居住區(qū)。查表2,建筑居民區(qū)屬于建筑較密的居住區(qū),取徑流系數(shù)0.6;查表3,云龍山在巖土類別中屬于第三類,并且云龍山地區(qū)的植被覆蓋較好,可取徑流系數(shù)0.5。根據(jù)式(1),研究區(qū)徑流系數(shù)為

表3 正常降雨或暴雨地表徑流系數(shù)[8]

ψ=0.22×0.5+0.78×0.6=0.534≈0.53

(2)

3.3 積水時間及最大排水量確定

根據(jù)極限強(qiáng)度法,只有當(dāng)降雨歷時等于集水時間時,雨水流量最大。因此,計算雨水設(shè)計流量時,通常用匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水流量達(dá)設(shè)計斷面的時間τ作為設(shè)計降雨歷時t。對于管道的某一設(shè)計斷面來說,集水時間t由地面集水時間t1和管內(nèi)雨水流行時間t2兩部分組成。可用公式表述如式(3)

t=t1+mt2

(3)

式(3)中,m為折減系數(shù)(m取值：管道采用2，明渠采用1.2，陡坡地區(qū)管道采用1.2～2)。

地面集水時間的數(shù)值受地形、地面鋪砌、地面種植情況和街區(qū)面積大小等因素的影響。

由于本研究區(qū)的資料為干管資料,所以地面集水時間應(yīng)采用較長的時間。研究區(qū)匯水面積為0.32 km2,參照表4取地面集水時間為30 min。

3.4 管內(nèi)流行時間t2及最大排量的確定

根據(jù)城市管網(wǎng)管理部門提供的資料,查詢研究區(qū)域的檢查井J15左右流水線標(biāo)高為29.53 m,檢查井J13左右流水線標(biāo)高為29.30 m,暗溝長度為139.50 m。水力坡度i=(29.53-29.3)/139.5=0.001 69≈0.001 7。該暗溝的尺寸為溝寬123 cm,溝深為140 cm,材質(zhì)為石頭。查表5,該排水渠道的粗糙系數(shù)為0.017。

查表6～7,溝寬為120 cm,溝深為140 cm的暗溝的排水量為2 285.17 L/s,流速為1.36 m/s;溝寬為140 cm,溝深為140 cm的暗溝的排水量為2 860.02 L/s,流速為1.46 m/s。利用內(nèi)插法計算溝寬為123 cm,溝深為140 cm的暗溝的排水量Q和流速V為

表6 寬度為1 200 mm的暗溝水利計算表[10]

表7 寬度為1 400 mm的暗溝水利計算表[10]

Q=2 285.17+(2 860.02-2 285.17)*
(123-120)/(140-120)=2 371.4/(L/s)

(4)

V=1.36+(1.46-1.36)*
(123-120)/(140-120)= 1.375/(m/s)

(5)

t2=(109+44+87+65)/1.375=
305/1.375=222=222/60=3.7/(min)

(6)

集水時間:t=t1+2×t2=30+2×3.7=37.4。

3.5 小區(qū)暴雨量計算

根據(jù)在調(diào)研和查閱相關(guān)的城市給排水設(shè)計規(guī)范,我們建議采用推理公式方法來進(jìn)行暴雨量的計算。因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式法雖然也能初步計算出暴雨量,但是它沒有根據(jù)研究區(qū)域的特殊性方面給予充分的考慮,只分幾個大的區(qū)域來進(jìn)行統(tǒng)計和推求公式。徑流的影響因素很多并且城市化對徑流的影響很大,與天然流域相比較,城市化對徑流系數(shù)有增大的影響,而且暴雨量的計算在不同城市都有不同的暴雨強(qiáng)度公式(表8)。綜合考慮以上方面我們還是選擇城市給排水設(shè)計規(guī)范所推薦的推理公式法來進(jìn)行暴雨量的計算和進(jìn)行管網(wǎng)排水能力的評價。

表8 徐州市暴雨強(qiáng)度公式[8]

暴雨量的計算采用如下形式：

Q=ψqF

(7)

式(7)中，Q表示雨水道設(shè)計流量(L/s)；ψ為徑流系數(shù)；q為暴雨強(qiáng)度(L/s/ha)；F為匯水面積。

根據(jù)污水排量與暴雨量總和與管網(wǎng)最大排量進(jìn)行平衡分析,建立模型,對暴雨量進(jìn)行計算,如圖5所示。

圖5 暴雨量計算

從該研究區(qū)的暴雨量(表9)與管網(wǎng)排水量差額(表10)的計算結(jié)果來看,在設(shè)計暴雨的重現(xiàn)期為P=1時,排水管網(wǎng)在現(xiàn)有能力下能夠適應(yīng);當(dāng)設(shè)計暴雨重現(xiàn)期P>1時,排水管網(wǎng)在現(xiàn)有能力下將不能適應(yīng),很容易產(chǎn)生城市雨洪問題,如圖6～7所示。

表9 暴雨量(L/s)計算結(jié)果匯總 單位：L/S

表10 管網(wǎng)排水量差額計算結(jié)果匯總 單位：L/S

圖6 暴雨量柱狀圖

圖7 管網(wǎng)排水量差額柱狀圖

4 結(jié)束語

本文主要對基于GIS技術(shù)建立城市排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫、地形三維可視化,綜合確定匯水區(qū)域,選擇城市典型試驗(yàn)小區(qū),建立雨洪預(yù)測預(yù)報模型,通過徑流系數(shù)的計算、集水時間的確定、暴雨量的計算,對試驗(yàn)小區(qū)的雨洪預(yù)測預(yù)報模型技術(shù)路線進(jìn)行了驗(yàn)證研究。在實(shí)際應(yīng)用中,城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)布設(shè)及城市排水管網(wǎng)最大排水量需要綜合考慮城市雨水和城市生活污水的排放。利用GIS技術(shù)建立城市雨洪預(yù)測預(yù)報模型,可為城市雨洪預(yù)測預(yù)報及排水管網(wǎng)的設(shè)計和優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)。