復(fù)雜下墊面城市暴雨內(nèi)澇匯水區(qū)劃分方法研究

沈黎達(dá)， 李 瑤， 李東臣， 范津津， 胡潭高

(1.杭州師范大學(xué) 遙感與地球科學(xué)研究院， 浙江 杭州 311121； 2.浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121； 3.石河子大學(xué) 理學(xué)院地理系， 新疆 石河子 832003)

1 研究背景

匯水區(qū)劃分(catchment delineation)是分布式水文模型中匯水區(qū)數(shù)據(jù)輸入的基礎(chǔ)和前提[1]。匯水區(qū)劃分的尺度、準(zhǔn)確性及流向真實(shí)性等會對模擬精度和效率產(chǎn)生重要影響[2]。通過城市雨洪模型來研究城市暴雨積澇問題時，由于龐大的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜的輸入?yún)?shù)，匯水區(qū)劃分的準(zhǔn)確性對模型結(jié)果尤為重要。同時，由于城市下墊面具有高度復(fù)雜、破碎、起伏微小卻突兀等特征，諸如道路隔斷、河道堤壩、地下空間、建筑結(jié)構(gòu)等城市微地形會顯著改變水流方向，對地表徑流以及積水?dāng)U散過程產(chǎn)生明顯影響，進(jìn)而增加了匯水區(qū)劃分的難度。因此，在建模前如何科學(xué)合理地劃分子匯水區(qū)成為相關(guān)研究中的重要前提工作。

目前，子匯水區(qū)劃分方法可大致歸納為以下類型：(1)人工勾畫法。以遙感影像圖為背景，通過人工勾繪得到，但是人工勾畫難以考慮到地形以及管網(wǎng)對于徑流的影響，對于面積較大的城市平原地區(qū)，勾畫結(jié)果存在較大的誤差[3]。(2)基于排水管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分方法。該方法主要根據(jù)雨水井的空間位置采用泰森多邊形的方法進(jìn)行匯水區(qū)劃分，使得每個雨水井處于匯水區(qū)的中心。張書亮等[4]、張家立等[5]在雨水管網(wǎng)的基礎(chǔ)上劃分外接多邊形，自動分配雨水管網(wǎng)所服務(wù)匯水區(qū)域，最后綜合生成出水口匯水區(qū)。該方法雖然考慮了排水管網(wǎng)的影響，但是未充分考慮地形對徑流的影響，難以準(zhǔn)確模擬城市地表徑流的真實(shí)情況。(3)基于地形數(shù)據(jù)的匯水區(qū)劃分方法。該方法借助DEM數(shù)據(jù)，通過D8算法計算水流方向，進(jìn)一步通過水文分析完成匯水區(qū)邊界的劃分[1]。Callow等[6]發(fā)現(xiàn)在平坦的平原河網(wǎng)地區(qū)，D8算法提取出的匯水區(qū)邊界與真實(shí)情況差異較大，先后出現(xiàn)了多流向算法、Burn in算法[7]、DRLN算法、DEMOM算法[8]等改進(jìn)算法[9]。這些算法和模型適用于自然地形，但在復(fù)雜的城市下墊面地區(qū)，道路、建筑物、地下管網(wǎng)等都會改變原有的徑流方向和途徑[10]。Duke等[11]和左俊杰等[12]將道路、水系、水渠等影響徑流途徑的地物要素融合進(jìn)DEM，達(dá)到細(xì)化DEM的目的，提高了匯水區(qū)劃分的準(zhǔn)確性。但是在城市區(qū)域，匯水區(qū)的劃分除了與地面高程有關(guān)，還受到地下管網(wǎng)的影響。因此，需要綜合考慮城市復(fù)雜地表信息和管網(wǎng)排水系統(tǒng)對降水徑流的影響，從而使模型運(yùn)行結(jié)果更加貼近真實(shí)情況。(4)綜合地形和管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分方法。該方法主要利用GIS水文分析、泰森多邊形法和人工手動修正法進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，是對前面3種方法的改進(jìn)并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的劃分效果。趙冬泉等[13]首先基于DEM數(shù)據(jù)提取自然匯水區(qū)；然后利用泰森多邊形方法，將獲得的自然匯水區(qū)進(jìn)一步劃分，使得每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個匯水區(qū)；最后手動調(diào)整二次劃分后的子匯水區(qū)。薛豐昌等[14]首先依據(jù)城市排水主干水系進(jìn)行匯水區(qū)一級劃分，然后將影響中心城區(qū)和郊區(qū)的不同徑流因子分別融入DEM，利用細(xì)化的DEM進(jìn)行二級匯水區(qū)劃分；最后根據(jù)實(shí)際匯流情況，對中心城區(qū)進(jìn)行三級劃分。王偉[15]結(jié)合城市地區(qū)地表徑流特點(diǎn)，將土地利用類型數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)融合到原始數(shù)據(jù)中，得到高精度DEM數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過D8算法計算得到匯水區(qū)邊界。綜合地形和管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分方法既結(jié)合了傳統(tǒng)的基于DEM數(shù)據(jù)生成匯水區(qū)的算法，又考慮了城市排水管網(wǎng)分布特征，較好地滿足了城市地區(qū)的需要。上述研究表明，單純依靠單一的排水管網(wǎng)或者地形數(shù)據(jù)來進(jìn)行匯水區(qū)劃分方法，在地表高程差異較小且建有完整排水管網(wǎng)的城市地區(qū)，其在應(yīng)用上具有局限性。而綜合地形和管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分方法，根據(jù)劃分組合方式的不同以及DEM數(shù)據(jù)的精細(xì)化程度等因素都會對子匯水區(qū)劃分結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

因此，本研究利用高精度DEM數(shù)據(jù)、城市排水管網(wǎng)和研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)，結(jié)合城市地區(qū)地貌地形和排水管網(wǎng)分布特點(diǎn)，充分考慮城市地區(qū)實(shí)際地表徑流特點(diǎn)和DEM分辨率對于匯水區(qū)劃分結(jié)果的影響，探索一種適用于復(fù)雜城市下墊面的匯水區(qū)劃分新方法，并將該方法與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證適用性以及合理性。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

海寧隸屬于浙江省嘉興市，位于中國長江三角洲南翼，是杭嘉湖平原的重要組成部分，境內(nèi)地勢平坦，地表高程介于4～8 m之間，河網(wǎng)稠密，河道總長1 865.4 km，河網(wǎng)率為5.1%。海寧屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量為1 187 mm，降水充沛且雨熱同季，容易受到季風(fēng)和臺風(fēng)天氣的影響，持續(xù)性降雨和短時強(qiáng)降雨天氣時有發(fā)生。同時，伴隨著海寧城鎮(zhèn)化水平的快速提升，道路、建筑用地等不透水面持續(xù)增加，加之部分城區(qū)的地下排水管網(wǎng)建設(shè)不完善，排水能力不足，導(dǎo)致城市暴雨積澇現(xiàn)象嚴(yán)重。2018年8月，受臺風(fēng)影響，海寧市24 h降水量142.3 mm，居全國第四，市區(qū)多處積水嚴(yán)重，海昌路、文宗路、海寧大道等主干道積水嚴(yán)重，桐溪景苑、東苑小區(qū)等小區(qū)發(fā)生內(nèi)澇，多處河道超危急水位，并出現(xiàn)河水倒灌情況，給人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展造成巨大損失。

研究區(qū)位于海寧主城區(qū)(30°30′57″N～30°32′33″N和120°39′50″E～120°41′35″E)，北面是主干道，東西南三面為自然河流，相對封閉，形成一個相對獨(dú)立的匯水單元。研究區(qū)東面是舊城區(qū)域，排水設(shè)施相對落后，加上相對封閉的地形以及城市區(qū)域大面積的不透水面，導(dǎo)致在短時強(qiáng)降雨的情況下，內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

(1)數(shù)字高程模型。本研究案例采用政府部門提供的分辨率為2 m的DEM數(shù)據(jù)，由數(shù)字表面模型(digital surface model, DSM)處理后得到。其中DSM是由點(diǎn)密度為0.2 m的激光雷達(dá)(LiDAR)點(diǎn)數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，經(jīng)過噪聲去除、系統(tǒng)誤差校正、表面激光光斑分類和平滑后，重采樣獲得2 m網(wǎng)格的DEM[16]。

(2)高分辨率遙感影像和土地利用分類圖。研究區(qū)高分辨率遙感影像通過無人機(jī)航拍得到，空間分辨率為0.5 m。在此基礎(chǔ)上，通過人工目視解譯，獲取研究區(qū)土地利用分類圖(包括：運(yùn)河和池塘、公園綠地、建設(shè)用地、道路、林地、建筑物以及人工溝渠)。同時，對分類結(jié)果進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，確保分類精度符合要求。

(3)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)。研究區(qū)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)來自海寧市住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，顯示為基于GIS的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包含大約4 133個雨污合流管道、8 731個污水管道和30 767個雨水管道，其中包含詳細(xì)的地理和幾何信息。通過在線地圖(https://www.amap.com/)中的手動目視解譯進(jìn)一步糾正并與DEM相匹配。

2.3 研究方法

主要技術(shù)流程如下：(1)城市地形和排水管網(wǎng)的DEM修正。將地表徑流主要影響因子的高程值融合進(jìn)原始DEM，并利用排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)對DEM進(jìn)一步修正，從而在反映出城市真實(shí)地表形態(tài)的基礎(chǔ)上，充分考慮排水管網(wǎng)對徑流的影響；(2)DEM最優(yōu)空間分辨率確定。不同空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)對子匯水區(qū)劃分會產(chǎn)生重要影響，通過設(shè)計多組實(shí)驗(yàn)，確定符合研究區(qū)尺度的最佳分辨率；(3)利用D8算法，模擬積水在地表的徑流過程，從而提取研究區(qū)的匯水區(qū)劃分結(jié)果。(4)將改進(jìn)后的匯水區(qū)劃分方法與傳統(tǒng)的劃分方法(地形數(shù)據(jù)為主的匯水區(qū)劃分方法；排水管網(wǎng)為主的匯水區(qū)劃分方法)進(jìn)行對比分析。流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的匯水區(qū)劃分流程圖

2.3.1 綜合城市地表覆蓋和排水管網(wǎng)的DEM精細(xì)化修正 原始DEM數(shù)據(jù)精度為2 m，在地勢較為平坦的城市河網(wǎng)地區(qū)，地表真實(shí)的高程信息無法在DEM數(shù)據(jù)上顯示出來，從而在水文分析提取匯水區(qū)邊界的過程中出現(xiàn)較大的偏差。如果能將地物高程值融入原始DEM，對于精確劃分匯水區(qū)具有重要作用。因此，DEM修正處理的基本思路是：將影響地表匯流路徑的不同地物信息融入DEM后，人為地修正高程值，模擬出真實(shí)的城市地表形態(tài)和地表徑流方向。

針對不同的地物類型，進(jìn)行以下疊加操作：

(1)道路：道路高于周邊環(huán)境且作為城市典型的不透水面，對地表徑流起到一定的引導(dǎo)作用，道路的凸起容易阻止水系的生成，兩側(cè)低洼地勢會將降雨引入周邊河流或者排水口。因此，對道路圖層所占柵格處的高程值增加相應(yīng)的值h1；

(2)建筑物：城市地區(qū)建筑物呈密集分布的格局。密集分布的建筑物常常阻隔自然徑流，使之沿建筑物邊界流動[17]。因此，對建筑物所占柵格高程值增加相應(yīng)的值h2；

(3)綠地：綠地作為城市地表的透水面，可以吸收部分水分，使得降雨到達(dá)地表后部分水量耗損于植被截留，并且綠地的粗糙系數(shù)較大，對地表徑流有較大的阻礙作用。在短時強(qiáng)降雨時，降雨量遠(yuǎn)大于綠地可以吸收的最大水量，因此會影響地表徑流的方向，對地表徑流產(chǎn)生收集作用。對綠地所占柵格高程值減少相應(yīng)的值h3[18]；

(4)溝渠：溝渠的地勢較低，對于地表徑流起到分流作用。因此，對溝渠圖層的高程值減去一個值h4；具體的修正值依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查獲取。

通過上述方法，完成初步的DEM數(shù)據(jù)的細(xì)化。然而，在地下管網(wǎng)分布密集城市區(qū)域，除了地表高程以外，地下管網(wǎng)也會對真實(shí)地表徑流產(chǎn)生很大影響。在宏觀上，主干河網(wǎng)對較大區(qū)域的降水起匯集作用，被河網(wǎng)分割的區(qū)域形成若干個獨(dú)立的自然匯水區(qū)塊；在匯水區(qū)塊內(nèi)部，降水的聚集方向主要由城市地形所決定，城市地下管網(wǎng)也會對匯流產(chǎn)生次要影響，從而改變徑流方向和排水點(diǎn)位置[19]。排水設(shè)施在建設(shè)時往往考慮到了匯水特征，在較小區(qū)域內(nèi)，雨水在沿著自然地形匯集時，不再流入自然河網(wǎng)，而是流入就近的地下排水管網(wǎng)。因此在進(jìn)行城市地區(qū)匯水區(qū)劃分時，需考慮到地下管網(wǎng)對于城市匯流的影響作用。

以研究區(qū)的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)主干道路交叉點(diǎn)和建筑物的分布，對排水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概化。排水點(diǎn)會增加其附近積澇的風(fēng)險，因此對其附近區(qū)域的高程進(jìn)行降低處理，以每1個排水點(diǎn)為中心建立三級緩沖區(qū)，相鄰兩級之間的距離根據(jù)DEM精度設(shè)置。緩沖區(qū)減少的具體高程值由公式(1)確定：

(1)

式中：h為減少的高程值m；d為排水點(diǎn)雨水井的深度，m；S截面為排水管網(wǎng)的橫截面積，m2；n為緩沖區(qū)分級數(shù)量；S范圍為受排水點(diǎn)影響的面積，m2。

2.3.2 DEM最優(yōu)空間分辨率確定 DEM數(shù)據(jù)是匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)，除了DEM數(shù)據(jù)本身的地形起伏模擬精度以外，其空間分辨率也會直接影響研究區(qū)水文特征信息的準(zhǔn)確性和可靠性。魏林宏等[19]對DEM分辨率研究后發(fā)現(xiàn)低的DEM分辨率能產(chǎn)生坡度平坦化，并導(dǎo)致模型響應(yīng)不敏感。劉金濤等[20]分析了在不同DEM分辨率下通過水文分析所提取流域的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著分辨率的降低，徑流長度減小，流域的地形也會變得逐漸平坦。理論上，DEM柵格單元分辨率越高，越能反映真實(shí)地形特征，提取出的水系越準(zhǔn)確，得到的匯水區(qū)劃分結(jié)果也越合理[21]。但是在實(shí)際操作中卻發(fā)現(xiàn)，分辨率過高，例如空間分辨率為2 m的DEM數(shù)據(jù)，在劃分匯水區(qū)時會對地物過度劃分，產(chǎn)生過多不合理的破碎化的匯水區(qū)，不能準(zhǔn)確反映真實(shí)的地表匯水情況。因此，需要根據(jù)特定的研究區(qū)，確定最優(yōu)空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)。本研究首先對DEM數(shù)據(jù)重采樣，將得到的不同分辨率的高程數(shù)據(jù)分別提取子匯水區(qū)；然后將提取結(jié)果和以遙感影像圖為背景人工勾畫得到的結(jié)果進(jìn)行比較；最終，綜合確定DEM分辨率為6 m時，得到的匯水區(qū)邊界和真實(shí)地物邊界的重合性較好，且匯水區(qū)數(shù)量和面積符合實(shí)際情況，可以比較準(zhǔn)確地反映真實(shí)情況下的地表匯水情況。

2.3.3 基于D8算法的匯水區(qū)劃分 在精細(xì)化DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件的水文分析模塊，基于D8算法對匯水區(qū)進(jìn)行劃分，主要過程包括：

(1)無洼地DEM生成。DEM能較為準(zhǔn)確地模擬出地表形態(tài)，但是由于DEM數(shù)據(jù)的誤差和真實(shí)地形中的凹陷區(qū)域，使得直接通過原始DEM得到的水流方向往往存在較大誤差。因此在計算前應(yīng)先對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，得到無洼地DEM。

(2)提取水流方向。提取水流方向即計算柵格數(shù)據(jù)中每個單元上最陡的下降方向。在3×3的DEM柵格上，計算中心柵格和各相鄰柵格的距離權(quán)落差，計算值最大的柵格中心即為水流的流出方向。

(3)匯流累積量計算。以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字高程模型每點(diǎn)處有一個單位的水量，通過水流方向數(shù)據(jù)計算每一點(diǎn)處所流過的水量數(shù)值，得到了該區(qū)域的匯流累積量[22-23]。

(4)河網(wǎng)提取。提取出的水系的準(zhǔn)確性直接影響匯水區(qū)的準(zhǔn)確性[21]。在匯流積累量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定合適的閾值范圍，從而提取出準(zhǔn)確的河網(wǎng)柵格圖層，不同區(qū)域?qū)?yīng)的閾值不同，所以應(yīng)根據(jù)研究區(qū)實(shí)際的地物狀況，通過實(shí)地調(diào)查、試驗(yàn)和其他輔助資料來確定最佳閾值，提取出較為準(zhǔn)確的水系[24]。本文中，利用海寧市的地形數(shù)據(jù)，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，將最佳閾值設(shè)定為450。

(5)流域分割。流域，即所需的匯水區(qū)，是指流向同一個出水口的徑流所流經(jīng)的地表區(qū)域。集水流域先確定每個出水口，通過水流方向數(shù)據(jù)計算得到所有上游流入各個出水口的柵格單元，形成相應(yīng)的子匯水區(qū)。

2.3.4 模型評價 本文選取3種常見的匯水區(qū)劃分方法(地形數(shù)據(jù)為主的匯水區(qū)劃分方法、基于排水管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分方法和分級疊加匯水區(qū)劃分方法)為參照，對改進(jìn)后的方法進(jìn)行模型評價。將4種模型得到的匯水區(qū)劃分結(jié)果與高分辨率遙感影像進(jìn)行疊加，比較其劃分子匯水區(qū)的面積和數(shù)量，分析匯水區(qū)邊界和真實(shí)地物的貼合情況以及是否符合真實(shí)地形條件下的匯流特點(diǎn)，以此判斷不同模型匯水區(qū)劃分結(jié)果的合理性。

(1) 基于地形數(shù)據(jù)的匯水區(qū)劃分方法。DEM的坡面流累計方法(D8算法)是目前應(yīng)用最廣泛的水流路徑匯水區(qū)算法，該方法借助DEM數(shù)據(jù)提取水文要素信息，利用ArcGIS 10.2軟件的水文分析模塊，通過流向分析、匯流累積量計算、河網(wǎng)提取、流域分割等步驟劃分匯水區(qū)邊界。這種方法適用于高程差較大的自然區(qū)域，但城市區(qū)域地形較為平坦，直接利用D8算法提取出的徑流方向誤差較大[9]，與實(shí)際情況有較大差異。

(2) 基于排水管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分方法。該方法主要根據(jù)雨水井的空間位置采用泰森多邊形的方法進(jìn)行匯水區(qū)劃分，使得每個雨水井在理論上處于匯水區(qū)的中心。城市區(qū)域地下管網(wǎng)分布密集，降水大部分會流入排水管網(wǎng)，因此，排水點(diǎn)的位置會成為影響城市區(qū)域匯水區(qū)劃分的重要因素[25]。但是該方法雖然考慮了排水管網(wǎng)的影響，但是未充分考慮地形對徑流的影響，難以準(zhǔn)確模擬城市地表徑流的真實(shí)情況。

(3) 分級疊加匯水區(qū)劃分方法。該方法主要利用GIS水文分析功能、泰森多邊形法和人工手動修正法進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，是對前面2種方法的改進(jìn)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的劃分效果。薛豐昌等[14]依據(jù)城市排水主干水系進(jìn)行匯水區(qū)一級劃分，然后將影響徑流的因子融入DEM，進(jìn)行二級匯水區(qū)劃分，最后通過排水點(diǎn)位置按照最鄰近原則劃分平面，并結(jié)合實(shí)際匯流情況，對中心城區(qū)匯水區(qū)進(jìn)行三級分級。該方法較好地滿足了城市地區(qū)子匯水區(qū)劃分的需要，然而不同的劃分組合方式和DEM精細(xì)化程度會對子匯水區(qū)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 改進(jìn)的匯水區(qū)劃分方法

利用本文提出的改進(jìn)后的劃分方法分別對研究區(qū)進(jìn)行DEM精細(xì)化、最優(yōu)分辨率確定、D8算法匯水區(qū)劃分，最終得到匯水區(qū)劃分結(jié)果。

3.1.1 融合典型地物的DEM修正結(jié)果 由于研究區(qū)地勢較為平坦，原始DEM數(shù)據(jù)(如圖3(a)所示)高程值變化幅度很小，地表起伏形態(tài)不明顯，無法顯示地物的高程信息。因此通過海寧市土地利用類型圖，將研究區(qū)內(nèi)影響地表徑流方向的因子：建筑物、道路、水渠等的高程信息融合進(jìn)原始DEM。圖3(b)為融合地物要素的DEM，融合后圖中的線性地物更加明顯，高程值變化幅度較大，城市建筑物、道路等地物信息均能在圖中較好體現(xiàn)。

3.1.2 融合排水管網(wǎng)的DEM修正結(jié)果 以研究區(qū)的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對排水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概化后得到研究區(qū)內(nèi)355個排水點(diǎn)。排水點(diǎn)會增加其附近積澇的風(fēng)險，因此對其附近區(qū)域的高程作降低處理，以每1個排水點(diǎn)為中心建立三級緩沖區(qū)，相鄰兩級之間的距離根據(jù)DEM精度設(shè)置為6 m。各排水節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)減少的高程值由公式(1)確定。得到利用排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)修正后的DEM示意圖如圖3(c)所示。

通過上述步驟將研究區(qū)典型地物高程值和城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)融合進(jìn)原始DEM數(shù)據(jù)，得到新的高精度DEM數(shù)據(jù)。

3.1.3 DEM最優(yōu)空間分辨率確定結(jié)果 對精細(xì)化的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，分別得到分辨率為2、4、6、8 m的DEM數(shù)據(jù)，并利用D8算法對不同分辨率的DEM進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，得到對應(yīng)的劃分結(jié)果(圖4)。對不同分辨率下的劃分結(jié)果進(jìn)行局部放大比較，可以發(fā)現(xiàn)：2和4 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)所劃分的匯水區(qū)較為細(xì)碎，遙感圖像上的建筑物區(qū)塊被分為獨(dú)立的子匯水區(qū)數(shù)量過多，不符合實(shí)際匯流情況，且過高分辨率DEM劃分產(chǎn)生了一些錯誤的平形狀匯水區(qū)。8 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)所劃分的匯水區(qū)數(shù)量過少，6 m分辨率DEM得到的結(jié)果沿主干道將建筑物區(qū)塊劃分為4個主要的子匯水區(qū)，且成功將4個相對獨(dú)立的社區(qū)區(qū)塊進(jìn)行獨(dú)立劃分，匯水區(qū)邊界也較為貼合建筑物和道路，更加符合實(shí)際的匯流情況。

因此，綜合確定針對本研究區(qū)，DEM的最優(yōu)空間分辨率為6m，得到的匯水區(qū)邊界和真實(shí)地物邊界的重合性較好，且匯水區(qū)數(shù)量和面積符合實(shí)際情況，可以比較準(zhǔn)確地反映真實(shí)情況下的地表匯水情況。

圖3 融合地物和排水管網(wǎng)前后DEM變化圖

圖4 不同DEM分辨率的匯水區(qū)提取結(jié)果

3.2 模型評價結(jié)果

利用3種傳統(tǒng)的匯水區(qū)劃分方法和本文提出的改進(jìn)型匯水區(qū)劃分方法，分別對研究區(qū)進(jìn)行匯水區(qū)提取。

3.2.1 基于水文模型的匯水區(qū)劃分結(jié)果 傳統(tǒng)的利用水文模型的匯水區(qū)劃分方法借助原始DEM數(shù)據(jù)，通過D8算法提取水文要素信息，通過水流方向計算等水文分析的步驟完成匯水區(qū)邊界的劃分，得到研究區(qū)的數(shù)字化水系，由此方法得到研究區(qū)共220個獨(dú)立的匯水區(qū)(圖5(a))。

3.2.2 基于排水管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分結(jié)果 通過海寧市的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)得到研究區(qū)共1 112個雨水井，根據(jù)雨水井的空間位置，采用外接泰森多邊形的方法，按照最鄰近原則劃分平面，得到排水點(diǎn)的Voronoi圖，使得每個雨水井位于匯水區(qū)的中心位置，每一個泰森多邊形理論上即為1個獨(dú)立的集水區(qū)域，由此方法得到研究區(qū)共劃分為345個匯水區(qū)(圖5(b))。

3.2.3 分級疊加的匯水區(qū)劃分結(jié)果 首先，將研究區(qū)影響匯流途徑的建筑物、溝渠、道路等地物高程信息疊加進(jìn)原始DEM。再通過ArcGIS水文分析對精細(xì)化的DEM經(jīng)過D8算法得到數(shù)字化水系，并由此提取出一級匯水區(qū)。在研究區(qū)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對排水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概化，分析得到450個雨水井，并建立每一個雨水井的泰森多邊形，得到二級匯水區(qū)劃分結(jié)果。再將一、二級的匯水區(qū)劃分結(jié)果進(jìn)行疊加，參照高分辨率遙感圖像，利用GIS修改工具對疊加結(jié)果進(jìn)行修正，最終形成第三級匯水區(qū)劃分結(jié)果圖(圖5(c))。

3.2.4 基于本文方法的匯水區(qū)劃分結(jié)果 首先，對研究區(qū)的DEM進(jìn)行典型地物高程正修正和排水管網(wǎng)高程負(fù)修正；然后，確定研究區(qū)的最優(yōu)分辨率；最后，利用D8算法對精細(xì)化DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行匯水區(qū)劃分，最終得到匯水區(qū)劃分結(jié)果(圖5(d))。

圖5 不同匯水區(qū)劃分方法的結(jié)果

3.3 討 論

對4種方法得到的匯水區(qū)劃分結(jié)果與高分辨率遙感影像進(jìn)行疊加(圖6)，并進(jìn)行局部放大比較其劃分的合理性。

基于水文模型的匯水區(qū)劃分結(jié)果(圖6(a))考慮到了地形對于匯水區(qū)邊界的影響，借助融合地物信息的DEM，使得劃分結(jié)果可以反映地物的差異，體現(xiàn)出建筑物對地表徑流的阻礙作用。但是分辨率為2 m的DEM數(shù)據(jù)在劃分匯水區(qū)時產(chǎn)生了過多不合理的小區(qū)塊匯水區(qū)，例如左上方的海寧大道和下方的水月亭西路道路區(qū)域出現(xiàn)一些多余的不規(guī)則匯水區(qū)邊界。

基于排水管網(wǎng)的匯水區(qū)劃分結(jié)果(圖6(b))根據(jù)雨水井的空間位置，采用外接泰森多邊形的方法，使得每個匯水區(qū)內(nèi)都有1個雨水井且每個雨水井位于匯水區(qū)的中心位置，但該方法只根據(jù)雨水管網(wǎng)的服務(wù)范圍來確定匯水區(qū)域，沒有考慮城市區(qū)域的地形狀況，匯水區(qū)邊界由直線段組成，徑直穿過建筑物、林地等地物，無法體現(xiàn)出地表徑流的真實(shí)情況。

分級疊加的匯水區(qū)劃分結(jié)果(圖6(c))是將基于地形的劃分結(jié)果與泰森多邊形進(jìn)行疊加，但是二次劃分后的子匯水區(qū)數(shù)量過多，兩者的邊界吻合度較低，需要利用GIS修改工具對二次劃分后的子匯水區(qū)進(jìn)行調(diào)整，并且不同的劃分組合方式和人工勾畫的精細(xì)化程度會對結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

基于本文方法的匯水區(qū)劃分結(jié)果(圖6(d))綜合了地形和管網(wǎng)對于匯流的影響。重分類后6 m分辨率的DEM得到的匯水區(qū)面積較為均勻且符合實(shí)際匯水情況。左下方的海寧第一中學(xué)操場作為一個相對獨(dú)立的子匯水區(qū)，匯水區(qū)邊界貼合操場邊界，劃分結(jié)果和真實(shí)匯流情況較為接近，細(xì)化的DEM體現(xiàn)出建筑物對于地表徑流方向的阻礙作用，匯水區(qū)邊界沿著建筑物邊界劃分，避免了水系直接穿越建筑物的現(xiàn)象，很好地反映地物的差異。該方法還考慮實(shí)際的排水管網(wǎng)情況，結(jié)果優(yōu)于直接使用DEM和排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的提取效果。

將只疊加了地物高程值的DEM所得到的匯水區(qū)劃分結(jié)果和在此基礎(chǔ)上利用排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)對高程值進(jìn)行調(diào)整后得到的匯水區(qū)劃分結(jié)果進(jìn)行比較(圖7)。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，綜合排水管網(wǎng)的影響，利用本文方法得到的匯水區(qū)邊界緊貼建筑物和公園綠地，邊界對于地物的擬合程度更高，并且排水點(diǎn)聚集處形成子匯水區(qū)，體現(xiàn)出城市地區(qū)排水井點(diǎn)對于雨水的匯聚作用，更符合城區(qū)地表水流流動的特點(diǎn)。

圖6 不同匯水區(qū)劃分方法結(jié)果對比

4 結(jié) 論

本文通過分析城市地區(qū)實(shí)際的徑流特點(diǎn)，提出了綜合城市復(fù)雜下墊面特征和管網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯水區(qū)劃分方法。主要研究結(jié)論如下：

(1)該方法將影響城區(qū)匯流途徑的不同地物信息融入DEM，反映出真實(shí)的城市地表形態(tài)，對概化后的排水點(diǎn)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，進(jìn)一步修正其所在范圍的高程值，使得精細(xì)化的DEM數(shù)據(jù)能夠更加準(zhǔn)確地刻畫城市地表徑流過程。

(2)討論分析了DEM空間分辨率與研究區(qū)范圍的相互關(guān)系，確定在本研究區(qū)條件下，6 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)為最優(yōu)空間分辨率，在該分辨率下子匯水區(qū)劃分?jǐn)?shù)量、面積等與真實(shí)情況相適應(yīng)。

(3)與傳統(tǒng)的3種匯水區(qū)劃分方法相比較，本文方法綜合考慮了排水管網(wǎng)和城市復(fù)雜下墊面特征對于徑流的綜合影響，劃分結(jié)果和真實(shí)匯流情況有較高的擬合度。

本文的匯水區(qū)劃分方法在城市區(qū)域總體上有較好的適用性，但是城市下墊面高度復(fù)雜的情況下，如何將一些細(xì)小、破碎卻對徑流方向產(chǎn)生影響的因子(例如小范圍綠地、地下空間等城市微地形)融入DEM中將是研究中需要完善之處。同時，目前只能通過與高分辨率遙感影像的疊加對比來定性評價匯水區(qū)劃分效果，如何通過構(gòu)建模型進(jìn)一步定量地對比分析不同匯水區(qū)劃分方法的差異性將是下一步研究工作的重點(diǎn)。