基于GIS的子汇水区划分对城市积涝模拟的影响研究

邱帅，孙玮妍，乔雪，陈昕，刘凯

(1.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019； 2.南京师范大学，江苏 南京 210046)

1 引 言

随着城市建设的需要，城市化水平不断提高，城区的不透水面积比逐年增大，使得洪涝灾害的发生频率不断上升[1～2]。SWMM(Storm Water Management Model)是由美国环保署提出的，为研究和管理城市雨洪而研制的动态降水-径流模拟模型。它已广泛应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统的规划、分析和设计中。

SWMM模型是一个分布式水文模型，可对地表径流以及管道输移量进行计算，且能够连续、完整地模拟降雨后径流的产生和运移过程。在模拟时，模型将流域划分成若干子汇水区进行处理，不同子汇水区划分方法会对模型模拟的结果产生不可预测的影响。目前，已有部分学者对汇水区划分方案进行了研究分析。张书亮等[5]基于GIS技术，通过建立雨水管网和地形数据库来构建雨水管网数据模型，从而实现城市汇水区的自动划分。宋瑞宁等[7]将雨水口和检查井分别作为汇水区节点，研究在中小雨条件和暴雨条件下对模型模拟结果的影响，结果表明以雨水口作为节点的汇水区划分方法，使研究区域的产汇流过程更接近实际情况。

2 研究内容

2.1 研究区概况

本次研究区域位于南京鼓楼区，是云南路、中山北路与北京西路的交叉地带，面积约为25.96公顷。研究区内建筑物较为密集。其中，建筑物、道路等不透水面积占整个研究区域88.43%，草地、花圃等透水面积占11.57%，如图1所示。

图1研究区情况示意图

2.2 积涝模拟模型构建

积涝模拟模型的构建建立在空间地理信息数据库的基础之上。本实验利用了研究区域 1∶500比例尺地形及管网数据、1 m格网高精度DEM数据以及气象部门提供的 10 min间隔实测降雨数据。模型构建方式的合理性将直接影响积涝模拟的准确性，本次研究首先对复杂管网数据进行概化，然后利用GIS的空间统计功能和图层叠加方法对地表覆盖数据进行提取计算获得建模所需参数，接着利用DEM数据与地形数据结合分析对研究区子汇水区进行划分，最后结合降雨数据在SWMM5.0软件中进行建模并进行积涝模拟。

(1)研究区管网系统概化

原始的管网数据包含雨水管道、雨水节点、污水管道以及污水节点，因南京主城区已基本实现雨污分流体制，对于多余的污水管道和节点数据要予以删除。同时对雨水管网数据进行一定程度的概化，只保留主干道的雨水管线并将管径相同的管段进行合并，根据需要保留管线中的雨水节点，图2为概化前后的雨水管网情况。

图2研究区雨水管网分布图

(2)模拟参数的设置

本次模拟过程采用2015年6月25日～27日历时 56 h 50 min、总降雨量 246 mm的大暴雨。降雨曲线图如图3所示。本研究将Horton入渗参数设定为：最大入渗率为 75.25 mm/h，最小入渗率为 3.5 mm/h，入渗递减率为3；可渗透区的曼宁粗糙系数设为0.24，不可渗透区曼宁粗糙系数为0.015。研究区域地面起伏不平，坡度最大达18.72%，最小为0.75%。

(3)子汇水区划分

子流域自动划分的方法适用于高差起伏较大的山地、丘陵地区的自然流域，对于城市这样坡度较小的区域，自动划分方法提取出的河网不符合实际情况，难以得到理想的模拟效果。因此借鉴张书亮等[5]基于GIS技术的城市雨水出水口汇水区自动划分方法，将城市的管网数据通过burn-in的方式叠加到城市DEM数据中，以排水管线作为河道划分出的子流域单元基本符合需要。然而由于实验区建筑物密集，且无小区内部管网数据，屋顶属不透水材质，如果采取这种自动划分生成的小流域为子汇水区，将会导致各小区被划分到不同的子汇水区内，这与同一栋建筑物最终通过一个节点排出的事实不相符。根据研究提出两种解决方案：方案1：将研究区以建筑物为单位，每幢小区划分为一个子汇水区，共划分83个子汇水区，如图4(a)所示；方案2：进一步概化雨水管网，使得子汇水的划分方法能应用于较大的研究区域，只保留不同管径处的节点，共划分出27个子汇水区，如图4(b)所示。

图4 两种方法划分的子汇水区结果

3 结果对比与分析

3.1 对排水口水量排放的影响

两种子汇水区划分方案中对应的排放节点是一致的，但是两种划分结果中对排放口水量的影响却不一样，表1是两种不同方案下排放口节点负荷表。

排放口节点负荷统计表 表1

从表1中可以发现，相对方案1来说，方案2中4个排水口水流排放时间更长，平均排放流量更小，排放的水流总容积也更少。方案2中3个排放口排放时间百分数均高于方案1，且几乎都占据100%的时间，原因是对于A102YSG98，A201YSG50017和C401YSG168号排放口，靠近排放口的汇水区中水流很快就汇入至出水口，使得排入出水口的时间更早，而其他汇水区水流需要经过坡面汇流，逐渐将水汇入到排放口，使得汇入总时间拉长。对于方案1而言，子汇水区划分的较为精细，水流汇到对应节点后，需要经过管道才能最终汇集到相应的排放口，一开始从最近的节点到排水口有时间上的延迟，而后，水量通过各自的节点排入管道，水流在管道中的运移速度与坡面汇流相比要快很多，因此，在总体时间上方案1比方案2的排放时间相对缩短。就平均排放流量而言，方案1中的4个排放口的平均排放流量均大于方案2。方案2中每个子汇水区面积较大，雨水降落后，会同时发生蒸发和下渗，使得产流变少，而方案1中，水流直接汇入附近节点，下渗和蒸发时间缩短，而通过地下管线最终运移到排水口，在管线较为封闭的环境下，水量损失少，并且方案2的排放时间更长，因此对于平均排放流量来说比方案1要小。对于排放水量的总容积，原因与上述同理。这就表明，对于较小的研究区，当子汇水区划分更为细致时要比适用于大区域的深度概化后模拟结果更能反映出实际雨洪过程。

3.2 对溢流点的影响

两种不同方案得到的溢流情况也有所区别。方案1最终溢流的节点有4个，方案2溢流节点有2个(具体如表2、表3所示)。其中唯有A112WSG50015号节点是两种方案共同的溢流节点，但对于此节点，两方案的洪流小时数、最大洪流速率和最大洪流发生时间都有一定的差异性。方案1中水流经由管道汇入最终的出水口，而方案2的水流通过坡面汇流以及管道慢慢汇入A112WSG50015节点，因此相比方案1洪流时间短，最大洪量发生时间快且最大洪流速率较小。

方案1节点溢流情况 表2

方案2节点溢流情况 表3

如图5所示，节点A112WSG50015总进流量随时间变化曲线与图2所示的降雨曲线图在趋势上有很高的相似性。其中可以看出，在降雨初期，方案2的子汇水区划分方法下得到的总进流量与降雨量的趋势更加接近，而在降雨中后期，则表现出方案1得到的总进流量与降雨量的趋势特征更加相似。这说明对于一场暴雨，方案1子汇水区中的产汇流状况以及流量传输过程在降雨中后期响应更快，方案2则在降雨初期响应更好。

图5节点A112WSG50015总进流量随时间变化图

图6反映的是节点A112WSG50015的洪流随时间变化趋势。方案1洪流出现的时间比方案2早，并且发生的次数更多。因为方案2经过坡面汇流，相比管道径流需要更长时间才能达到流量的最大值，且最大流量只出现一次，水量便随时间逐渐排走减少，一般不会再出现洪流现象。而方案1通过管道运移的水量由于可以在较短的时间内汇集大量水，因此随着降雨量的增加，会出现不止一次的洪流现象，正如图6(a)中所示，这与实际大暴雨过程中，节点会不止一次发生溢流情况是相符的。

图6节点A112WSG50015洪流随时间变化图

3.3 与实地勘察情况对比

实际考察中，节点A112WSG50015、A102YSG50003和A102YSG50049号有溢流现象。

图7中，两种方案的节点溢流情况均与实地考察有一定出入。对于研究区这样的小区域而言，方案1在溢流点个数和时间点上比方案2更为符合实际情况。但如果对于较大区域的雨洪进行模拟时，精细划分子汇水区往往要花费大量的人力和物力，而经过更高程度概化后模拟的结果有其可取之处，可以反映溢流的大致情况。

图7实际节点溢流与模拟节点溢流比较

4 结 论

本文通过对城市小范围实验区采用两种不同尺度的子汇水区划分方式对雨洪过程进行模拟，分析表明：

(1)对于有密集建筑群的城区环境进行雨洪模拟时，自动划分子汇水区的方法不能智能地区分出透水区和不透水区，而人工手动划分的方法可以灵活地避开建筑物，划分结果更加合理。

(2)对于小区域进行雨洪模拟，当汇水区划分更为精细时，模拟结果与实际更加符合，但是要对大区域模拟雨水淹没状况时，则可以考虑在深度概化雨水管网的基础上划分子汇水区。