【重庆水处理设备网http://xqccscq.com/】不同降雨特征下城市排水区域的准确划分、径流路径的表征、径流量的计算和真实工况的反映是精细排水运行和规划设计模拟分析的关键环节。针对城市降雨不均匀、地形和人工构筑物垂向复杂、洪涝灾害后影响显著等显著特点，结合高精度雷达点云地形数据，提出了一种基于高精度点云数据的排水区划动态划定方法。同时阐述了该划界方法的基本流程和技术要点，并以某沉桥区排水分区为例进行了介绍。 1城市排水分区的主要问题和影响 1.1无法准确划定排水分区范围。 城市排水分区决定了排水系统规划、设计和运行维护管理的基本单元。在实际划分排水带的过程中，由于以下原因，排水带很难准确反映真实降雨的汇流情况。这些原因包括:①径流汇流范围与降雨量、区域地形和入渗能力有关。在特定的降雨条件下，集水表面可能会有重叠，或者集水表面的一些雨水径流可能不会流入排水系统；②用于流域区划的基础数据精度低；③规划和实际施工后的竖向和排水系统布置不同；④人工划分方法本身高度依赖现场勘测、经验等人工判断。成都纯水设备 通常，在非城乡建设地区或面积小、竖向平顺的城市排水区，传统的手工方法结合模型泰森多边形法已经可以支持基于最大流量的规划设计工作。而对于人口密度大、经济集中度高的城市中心区，单位面积的洪涝灾害影响要远远高于其他地区，城市地形的复杂程度也更高。此时，传统方法划分流域的结果往往存在不准确的问题，这将影响洪水灾害的准确预测、预报和应急管理。 1.2不能反映不同暴雨重现期的排水分区变化。 近年来，随着地形数据精度的提高和大比例尺流域区划的需求，国内开展了相关研究，主要通过实测地表地形数据和GIS分析工具。针对现有基于DEM流向分析的分类方法不能正确反映实际城市复杂地形和流向的问题，王艳提出了一种兼顾土地类型和流向的适用于大规模平原城市的细汇水区分类方法。朱洲等人提出了一种考虑多种因素的城市地表汇水分类方法，将城市地表分为三个等级。结果表明，采用该分类方法得到的SWMM模型和MOUSE模型的模拟结果比泰森多边形法的模拟结果更准确，证明了面源分析方法可以应用于复杂的城市流域划分，可以为城市防洪减灾研究和灾后恢复提供指导。薛凤昌等提出了一种针对城市平原区的集水区分类技术方法，该方法既结合了传统的DEM生成子集水区的算法，重庆实验室纯水设备又融合了城市区域的特征，能够更好地满足城市区域的需求。 以上方法基本说明基于地表实测数据的排水分区方法是可行的。然而，基于GIS水文分析工具的排水分区是基于洼地填充过程后的地形数据，只能表达地表所有低洼空间被填充后的排水分区范围(即最不利情景)，不能反映不同降雨条件下分散并逐渐叠加的子排水分区的动态变化，也不能反映不同降雨条件下排水分区变化对城市下沉式桥梁等易涝点的影响。 2高精度雷达(Lidar)点云数据的地表径流分析 综上所述，要想预测中心城区暴雨超标带来的真实风险，首先要做好精准的排水分区。这项工作不仅包括获取和处理较高精度的数据，还可以通过模型方法基本表达不同程度超标暴雨条件下汇水面的变化。 近年来，随着LIDAR(LIDAR-Light detection and ranging)和GIS在测量领域的应用和发展，可以获得比传统地形数据精度高得多的数字高程模型(DEM)和数字表面模型(DSM)，如图1所示。随着HEC RAS、TUFlow、Infoworks ICM、MIKE Flood等模型软件的不断升级。考虑了区域洪水分析功能，使得利用二维水力模型快速模拟城市复杂地形下的地表洪水过程成为可能。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 基于测绘数据和模拟软件的完善，新西兰、美国等一些先进城市已逐步采用点云DEM数据进行排水分区、地表径流通道识别和精细暴雨模拟，直接指导风险区域的划分、应急预案的制定等城市管理工作。新西兰奥克兰市从2012年开始开展了基于点云地形数据(4 ~ 10个激光采集点/m2采集的地表DEM数据)的流域划分和高精度洪水风险图绘制工作。目前已经基本完成了奥克兰4000多km2的分析。2001年热带风暴艾莉森在休斯敦造成严重洪灾后，实施了热带风暴恢复项目(TSARP)。为辖区22个流域建立了全新的基于GIS和DEM的HEC-HMS和HEC-RAS模型，编制了美国第一张数字化洪水风险图。流域的划分无疑是洪水风险图的核心问题。 与上述国家的大比例尺高精度排水区划和洪水风险图绘制相比，我国目前尚未建立城市洪水风险图绘制的标准、方法和精度。对于基于点云数据的面溢出系统和高精度分析，目前还缺乏长期的积累和实践，仅在北京、深圳等地开展探索性的相关工作。 基于3点云数据的流域区划目标和原则 综合应用高精度的点云地表数据和模型软件，可以弥补传统流域区划的诸多问题，包括更精确的地表流域区划，反映不同重现期之间流域区划的变化，表征区域内主要径流汇流线等。如果这些问题能够得到综合改善，不仅可以更好地指导规划设计工作，还可以分析出超出常识和经验的特大暴雨情况，为预警和安排应急措施提供重要依据。 3.1目标 对比传统的排水分区方法与真实情况的差异，结合数据和模拟方法的特点，基于点云数据结合模拟分析的排水分区方法应达到以下目的:①分析超过管渠系统排放标准的地表径流汇流过程；(2)实现不超过2m网格的分析精度，准确表示复杂城市地形条件下的汇流过程；③在复杂地形和连续起伏地区，能代表不同降雨条件下重叠子流域带的影响；④该方法对模型和计算机处理能力要求适中，可操作性强。 3.2基本原则 3.2.1精度优先的原则将提高地形数据和模拟运算的精度。 由于这种方法主要处理由城市过量降雨引起的内涝事件，因此有必要简要讨论此类事件的特征。通过对我国几次典型暴雨事件的分析，城市因降雨过多而引发的内涝事件与河流泄洪能力不足而引发的洪涝灾害有明显区别。当超过排水系统的排放能力时，地表径流是径流收集的主要来源，城市道路(包括市政道路和居住区道路)成为转移地表径流的主要途径。在这种条件下，如果地表径流分析的数据精度和分析精度不足以描述城市道路径流的精确趋势，或者无法区分城市道路的详细边界和平面定位，就无法形成有效的分析结果用于内涝的预防和预警。因此，得到的地形数据的精度至少要满足能看清建筑物和城市道路的要求。从各国的实践和点云数据测绘的精度要求来看，一般测绘和成果的精度都在2m以内。成都纯水设备 3.2.2基于精度优先的原则，兼顾计算能力。 随着数据精度的提高，计算机进行复杂模拟分析的计算时间往往成倍增加，需要根据汇流关系对数据进行拆分，找到合适的水文计算精度。 它涉及到一个大型的中心城市，比如几千平方公里的高精度地形数据分析。通常将一个大的流域或中心城市划分为若干个流域区进行计算。这种方法很容易划分出表面坡度平缓、排水边界清晰的区域。对于地形相对平坦的城区，往往以河道或主干排水系统为轴，人工划分排水区域。但对于流域带之间的边界区域，人工划分很难准确描述，需要多次试算和计算机分析，才能确定流域级别更准确的流域带，并在此基础上进一步划分流域带。一般来说，流域划分的单元尺度应根据能进行一次二维洪水模拟的运行尺度来确定。另一方面，对于水文计算要求的地形数据精度，经过多次不同地形特征的试验，一般采用5m网格，可以更好地平衡运算时间和精度要求。 3.2.3模拟确定排水分区变化的临界降雨量。 城市地形复杂，在径流收集过程中，起伏的道路、洼地、立交桥等空间加剧了划分排水区的难度。假设只计算地表径流峰值造成的灾害影响，则考虑地表径流的排水分区。在不同的降雨量下，遭受涝灾的低洼点可能有不同的汇流范围。如图2所示，在一个流域的地表径流汇流过程中存在明显的低洼空间，因此在不超过能充满低洼空间的临界降雨量的情况下，只有流域Aa1的地表径流会在流域末端的P点被收集。但如果低洼空间充满连续降雨，则有可能在p点汇集所有排水带的全部地表径流，即Aa1+Aa2，这种情况通常常见于连续的地下通道和市中心的低洼地区。因此，为了得到更准确的流域分区结果，应选取多场降雨进行模拟分析，明确不同汇水面之间的连接关系，确定临界降雨量或降雨强度。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 3.2.4全程逐级核对数据和结果。 由于测绘数据精度和分析精度较传统方法有明显提高，虽然理论上可以更准确地定位地表径流通道的位置，但同时数据的真实性需要充分调查核实，需要高质量完成，并贯穿整个工作流程。 重庆实验室纯水设备基于4点云数据的流域区划主要流程和技术要点 4.1主要流程 为了实现高精度和动态变化两个主要目标，需要重新建立流域区划的基本流程，同时兼顾模拟计算的经济性和优化调整过程的灵活性。初步技术处理流程包括地形数据处理、确定水系分区、模型分析、最终确定水系分区等主要步骤(见图3)。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 图3流域边界划分方法流程图 4.2技术要点 4.2.1地形数据处理 (1)地形数据的技术要求。通过点云测绘，可以获得每平方米4 ~ 10个点的激光雷达高程点数据。该方法可以获得高精度的高程数据，反映城市溢出系统的要素。通过比较不同下垫面数据形式表示地形流向的精度分析结果，最终得出结论:基于DEM数据，叠加建筑物、下沉桥梁等重要地形要素的地形数据，可以兼顾精度与表达城市淹没范围的关系。地形至少应包括:①建筑物轮廓和标高数据；②地面高程数据；③城市道路边界及详细高程数据；④凹桥区或易积水区的下层标高数据；⑤城市河流边界和河顶高程等。 (2)地形修正。由于地形精细，如果不能准确识别墙、桥、涵等影响径流流向的关键因素，就容易形成数据误差，导致径流流向判断不准确。因此，通常至少要经过一个雨季的现场测量和校正，才能作为比较准确的地形数据。 地形校正的主要内容包括:①去除不合理的围挡结构和局部路口的地形标高，保证路径的准确。图4示出了交叉路口高程校正的示例。因此，路线从东南向东北变化，汇水面的范围也相应变化。②修改高架桥、立交桥、天桥区过街不合理地形，保留底部高程信息；③调整地形标高，实现大型管涵排水效果。一些大型城市管涵可视为永久性排水通道，应充分考虑其排水功能。图5是一个管涵地形调整的例子，降低了管涵所在的局部地形标高。结果，低洼区域中的路径变得真实和准确，从而可以准确地识别集水表面。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 4.2.2流域排水分区 对基于DEM的流域划分方法进行了改进，主要步骤是流向分析和流量的累积网格数计算。它是一种通过地表高程和坡度方向识别路径和汇水面的水文分析方法，由ArcGIS的水文工具箱实现。处理过程可概括为四个主要步骤:流域初步划分、地形填充、河道界定、流域面积确定、流域面积组合修正。 (1)流域排水区域的初步划分。流域的规模通常很大，除了高密度的城市地区，还包括上游的山区。整个流域切割出来的外边界至少应包括完整的研究范围。在此基础上，初步判别山形、河流、桥梁等地形因素，划分一级子流域。 (2)地形填充。当“水流”流经地形中凹型低洼区的最低点时，由于周围网格地形高于最低点，此时所有计算的坡度都是反坡，计算机无法根据最大正坡原理识别下一条路径。重庆实验室纯水设备为了避免这个问题，分水岭划分的第一步需要对低洼区域进行填充，处理的结果是抬高低洼区域的地形高程，实现正斜率的计算(见图5)。 (3)界定河道。通过提取累积流量值大于某个流量阈值的网格来定义河网。例如，如果提取了集水区面积大于1 hm2的格网，则流量阈值为1 hm2除以单个格网面积。结果也可以转换成线矢量文件。下图为提取的河网矢量数据。 (4)划分和确定子流域。通过计算流向和提取的河网结果，利用分水岭工具可以自动从DEM中分割出流域边界。上述流域划分方法通常适用于大范围的自然流域。在城市流域使用该方法时，需要特别注意所采用地形的特征，精度要高，否则无法准确计算流向和累积流量值。同时，纠正错误地形的准确性也会影响模拟结果。 (5)水系的联合校正。主要子流域边界与实际流域边界不完全一致。划分二级流域边界后，在一级子流域交界处观测二级流域边界，通过地形重组纠正不完整的二级流域边界。此外，重新审视地形偏差导致的错误流域边界划分结果，如河桥、围挡等不合理结构障碍物，修正后重新划分地形(修正对比结果见图6)。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 4.2.3不同重现期的雨面溢流过程模拟 (1)模型模拟。利用美国水文中心最新发布的HEC-RAS模型软件，模拟了不同降雨情景下地表水的区域范围、水深、流速、积水/退水等重要水力要素信息。降雨边界选取北京持续2小时的芝加哥雨型，地形网格精度为5m，时间步长为1min。成都纯水设备网格大小考虑了模拟精度和运行时间。 (2)确定临界回报期。将不同降雨条件下的地表径流流态和水深变化与由小到大(降雨量由小到大)的综合降雨重现期进行比较，统计重要低洼地区的累积水量和水深，重点观察其充满水后径流方向的变化过程，最终确定不同低洼地区的风险区在充满水后开始向下游转移径流的临界降雨条件。 5沉桥区排水分区实例 5.1下凹桥区排水系统概述 这座下沉的桥是由穿过铁路的城市主干道形成的。桥区雨水管道总长约14.3km，直径400~1 350mm，其中桥区主干管网(直径1 350mm)接入下游城市道路雨水干管(直径2 600mm)，最终排入码头河道。桥区主干管网(直径1 350mm)主要收集桥区道路及周边部分地块的雨水，相应的排水面积约为12 hm2，如图7所示。2021年8月16日晚，一场暴雨，桥区积水严重，最大深度达2m，积水时间约40min。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 5.2下凹大桥周围地表径流路径及低洼地区分析 通过获取桥区周围2m网格的雷达点云数据，分析桥区上游地表径流路径和低洼地区的分布，进而分析桥区地表径流汇流范围可能发生的变化和影响。地表径流路径和低洼地区的分析结果如图8所示。一场暴雨，地下管网满负荷运行时，雨水径流沿桥面排出，低洼处需要填平后才能继续向下游流动。从图8可以看出，凹桥区的南北两侧有一条主要的地表径流通道。当降雨量超过某一临界降雨量，即上部低洼地区被填满时，地表径流可能从桥区南、北路流入桥区，从而加剧桥区内涝问题。因此，临界降雨量的模拟分析对判断桥区汇水面积可能发生的变化和影响非常重要，从而进一步支持不同降雨条件下桥区可能出现的积水风险预警，制定有针对性的应急预案。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 5.3下凹桥区排水分区动态变化分析 采用HEC-RAS软件模拟分析了不同降雨情景下该桥区地表漫流的动态过程。模拟结果表明，当降雨量小于80mm时，该凹桥区的地表汇流范围基本对应排水管网的集水范围，面积约为12hm2。2h降雨量超过120mm时，地表径流开始沿南路流入桥区，汇水面积迅速扩大到120hm2。2h降雨量超过200mm时，地表径流分别沿南北道路流入桥区，汇水面积扩大到150hm2。当2h降雨量超过300mm时，上游较大区域的南北两侧道路将分别流入桥区，汇水面积扩大到300 hm2，如图9所示。 基于城市高精度点云地形数据的水系分区动态圈定方法 6总结与展望 与非城市地区相比，城市建成区单位面积的灾害损失增加数倍。重庆实验室纯水设备因此，传统的排水分区方法难以描述暴雨下排水系统和地面系统的影响。对于桥下地区、隧道或其他地形复杂的地区，排水区的划分对于汛期的防洪非常重要。特别是“高水位”排水区划分不准确，会导致模型模拟和方案设计结果与实际情况产生较大误差，最终导致无法应对汛期暴雨。 基于雷达测绘点云数据的水系分区分析虽然比传统方法更加精确，但也对数据质量、外业检查和模型模拟提出了更高的质量要求。相对而言，排水分区的经济性缺乏优势。所以，至少对于待开发的城区、重要区域、风险高的区域，应该优先采用这种方法。

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