基于GIS和RS的水力模型構(gòu)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(guī)劃編制研究中心，廣東 東莞 523129； 2. 武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079)

一、引 言

SWMM模型是1971年美國(guó)環(huán)保局推出的城市暴雨管理模型，并經(jīng)多次升級(jí)完善，在世界各地得到廣泛有效的應(yīng)用[1-4]，為城市排洪防澇、雨水利用等提供了良好的技術(shù)支持。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)SWMM研究起步晚，但近幾年發(fā)展較快[5-9]，并與GIS和RS結(jié)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(yàn)區(qū)SWMM模型構(gòu)建，闡述了SWMM構(gòu)建過(guò)程，模擬了研究區(qū)排水管網(wǎng)對(duì)不同暴雨情景的響應(yīng)及承載力情況。

二、試驗(yàn)區(qū)簡(jiǎn)介

本文以東莞市莞城區(qū)和南城區(qū)為試點(diǎn)，概況見(jiàn)表1，土地利用類(lèi)型及排水管網(wǎng)空間分布如圖1所示。其中莞城是老城區(qū)，面積約11.3 km2，區(qū)內(nèi)城市化程度高，土地利用類(lèi)型以住宅用地為主，排水管網(wǎng)以合流制為主，管線總長(zhǎng)約234.1 km。南城為新城區(qū)，面積約58.4 km2，土地利用類(lèi)型空間差異大，靠近莞城區(qū)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(dǎo)(占98%)，管線總長(zhǎng)約789.7 km。

表1 東莞市莞城和南城區(qū)概況統(tǒng)計(jì)表

三、建模過(guò)程

建模過(guò)程包括3個(gè)核心環(huán)節(jié)：基于RS的解譯結(jié)果參與構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，并用于計(jì)算SWMM徑流參數(shù)；基于GIS的數(shù)據(jù)庫(kù)用于SWMM匯水區(qū)劃分及管道建模；建立后的SWMM模型通過(guò)參數(shù)設(shè)置，展開(kāi)情景分析(如圖2所示)。

圖1 莞城和南城區(qū)土地利用類(lèi)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(zhì)量較好的1月15日SPOT5和1月19日SPOT6，通過(guò)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(yù)處理，預(yù)處理后分辨率SPOT5為2.5 m、SPOT6為1.5 m。

2) 解譯標(biāo)志建立：影像目視解譯精度除了受解譯方法和解譯者專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)影響外，還與解譯標(biāo)準(zhǔn)的恰當(dāng)與否相關(guān)，本研究根據(jù)遙感解譯的8要素(形狀、大小、陰影、色調(diào)、紋理、圖案、位置及布局)，結(jié)合土地利用類(lèi)型國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立了耕地、林地、草地、水域、居民用地、交通運(yùn)輸用地、工業(yè)用地、園地、開(kāi)發(fā)用地和其他未利用地的解譯標(biāo)志。

3) 室內(nèi)判讀和野外補(bǔ)判：該過(guò)程是基于RS的核心工作，直接決定著結(jié)果精度。根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和解譯標(biāo)志，并綜合多種目視判讀方法及以往SPOT5解譯結(jié)果、Google Earth影像、快鳥(niǎo)影像等輔助判讀。室內(nèi)初判完成后對(duì)疑點(diǎn)和誤判圖斑進(jìn)行輔助判讀、比對(duì)分析和野外核實(shí)，并進(jìn)行拓?fù)錂z查和修正，最終得到2013年試驗(yàn)區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖(如圖1(a)所示)。

4) 不透水面積比統(tǒng)計(jì)：不透水面積比例是SWMM的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，利用遙感解譯結(jié)果(即土地利用現(xiàn)狀圖)將試驗(yàn)區(qū)分為透水區(qū)和不透水區(qū)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(qū)劃分

基于莞城和南城1 m分辨率DEM模型，結(jié)合管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)，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(qū)。在匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)，在SWMM中進(jìn)行匯水區(qū)調(diào)整，檢查連通性，排除逆坡及管網(wǎng)不通等問(wèn)題，輸入降雨驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)并添加雨量站，最終劃定南城和莞城的匯水區(qū)。

3. 暴雨情景設(shè)定

根據(jù)《東莞市暴雨公式及計(jì)算圖表編制—技術(shù)報(bào)告》(2012年版)，得到東莞市暴雨強(qiáng)度公式及一、二、三、五、十、二十年一遇降雨量(降雨歷時(shí)60 min)(見(jiàn)表2)。

表2 東莞市降雨量及降雨強(qiáng)度

4. 約束條件假設(shè)

假設(shè)全區(qū)經(jīng)歷相同的降雨量和降雨過(guò)程；假設(shè)河道的排水能力無(wú)限；忽略運(yùn)河潮汐水位的頂托影響；可滲水區(qū)采用HORTON下滲，管道水流采用擴(kuò)散波方法進(jìn)行演算。

四、情景分析

1. 暴雨多情景下內(nèi)澇點(diǎn)分布與積水時(shí)長(zhǎng)

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(nèi)澇點(diǎn)空間分布情況。表 3為多情景下的內(nèi)澇點(diǎn)和積水時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表。從整體來(lái)看，莞城內(nèi)澇情況較為嚴(yán)重，南城情況好于莞城。隨著暴雨情景的加重，內(nèi)澇點(diǎn)區(qū)域呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大和數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)。空間分布方面，南城內(nèi)澇點(diǎn)一般發(fā)生于南城北半部，東莞大道以北、環(huán)城西路以北區(qū)域內(nèi)：①一至五年一遇情景下主要發(fā)生在莞太大道沿線，莞太大道北段的建設(shè)路、體育路附近，莞太大道中南段的車(chē)站路、周溪大道附近，黃金路和宏二路之間的地區(qū)；②十年一遇和二十年一遇情景下，在一至五年一遇內(nèi)澇點(diǎn)外圍增加。莞城內(nèi)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(shì)方面，內(nèi)澇點(diǎn)多發(fā)生在海拔較低、地勢(shì)低洼地區(qū)。土地利用方面，內(nèi)澇主要發(fā)生在居民地，且多為老的居民點(diǎn)。排水體制方面，內(nèi)澇多發(fā)生于莞城合流制和排水管網(wǎng)設(shè)施滯后地區(qū)，而南城則發(fā)生在存在未改造的合流制點(diǎn)及排水管網(wǎng)規(guī)劃欠佳、敷設(shè)稀疏的地區(qū)。

2. 暴雨多情景下排水管道充滿(mǎn)度分析

選擇南城和莞城在多情景下附近都出現(xiàn)過(guò)內(nèi)澇點(diǎn)、且服務(wù)區(qū)較大的干管作為試點(diǎn)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(mǎn)度情況。該干管在多情景下并未出現(xiàn)過(guò)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(guò)結(jié)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(shí)設(shè)計(jì)有誤外)均與該管情況相似。說(shuō)明南城主干管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高，可相對(duì)輕松抵御二十年一遇暴雨，另一方面也說(shuō)明了南城區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)多因支管過(guò)細(xì)或數(shù)量不足導(dǎo)致。

圖4 莞城一、二、三、五、十、二十年一遇內(nèi)澇點(diǎn)空間分布圖

表3 南城和莞城在多情景下的內(nèi)澇點(diǎn)及積水時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)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(mǎn)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(mǎn)度情況。該管道自一年一遇開(kāi)始已出現(xiàn)不同程度的滿(mǎn)載，且管徑較小，其整體充滿(mǎn)度較高，隨著暴雨情景增加過(guò)載現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)通過(guò)結(jié)合其他干管和主要管道承載力分析知，莞城排水管網(wǎng)系統(tǒng)基本可應(yīng)對(duì)一年一遇暴雨，但總體主干管的充滿(mǎn)度較高，存在部分現(xiàn)滿(mǎn)載。隨暴雨情景增加干管和支管過(guò)載程度加劇。說(shuō)明在老城區(qū)，由于建設(shè)年代早、管道規(guī)劃不合理、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低以及地形等因素，管道系統(tǒng)的功能不能較好體現(xiàn)，內(nèi)澇情況較南城嚴(yán)重。

3. 模型結(jié)果可靠性分析

在缺乏模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)的情況下，本文通過(guò)搜索東莞市2013年暴雨新聞報(bào)道，其中在一涉及莞城的報(bào)道中發(fā)現(xiàn)，受2013年臺(tái)風(fēng)“尤特”的影響，莞城地王廣場(chǎng)和雍華庭積水嚴(yán)重，附近道路癱瘓，大量汽車(chē)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(chǎng)和雍華庭附近恰恰顯示為內(nèi)澇點(diǎn)。新聞中個(gè)別現(xiàn)象的報(bào)道也正驗(yàn)證了模型結(jié)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(lái)有詳盡的內(nèi)澇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)量化驗(yàn)證。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文基于GIS和RS對(duì)SWMM排水管網(wǎng)水力模型進(jìn)行了快速構(gòu)建，在東莞市新舊兩城區(qū)進(jìn)行了案例分析和應(yīng)用，給出了模型對(duì)暴雨的多情景響應(yīng)。結(jié)果表明，新舊城排水系統(tǒng)差異大，建設(shè)早的莞城排水系統(tǒng)功能較弱，有較大洪澇隱患；而新建區(qū)南城排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，抵御洪澇災(zāi)害能力明顯優(yōu)于莞城。這也說(shuō)明了基于GIS和RS構(gòu)建SWMM的方法可以簡(jiǎn)便快捷地建立復(fù)雜城區(qū)排水管網(wǎng)模型，提高了模型分析精度，為進(jìn)一步的深入應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖6 莞城一干管在一、二、三、五、十及二十年一遇情景下充滿(mǎn)度情況圖

圖7 2013年“尤特”臺(tái)風(fēng)影響下有關(guān)莞城地王廣場(chǎng)、雍華庭內(nèi)澇及大量汽車(chē)被淹報(bào)道

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