基于城市高精度点云地形数据的排水分区动态划定方法
【谷腾环保网讯】准确划分不同降雨特征下的城市排水分区，表征径流路径，计算径流量并反应真实工况是排水精细化运营、规划设计模拟分析的关键环节。鉴于城市降雨不平均、地形地势与人工构筑物竖向复杂、洪涝灾害后影响重大等显著特征，结合高精度雷达点云地形数据，提出基于高精度点云数据的排水分区动态划定方法。同时，阐述划定方法中的基本流程和技术要点，并以某下凹桥区排水分区为例进行介绍。
1 城市划分排水分区存在的主要问题与影响
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，以及运维管理工作的基本单元。实际划分排水分区的过程中，由于如下方面原因，造成排水分区很难准确反映真实降雨中的汇流情况。这些原因包括：①径流汇流范围与场次降雨雨量、区域地形和渗透能力等特征相关，特定降雨条件下，既可能出现汇水面叠加的情况，也可能出现部分汇水面的雨水径流无法流入排水系统的情况；②划分排水分区所采用的基础数据精度低；③规划与实际建设后的竖向、排水系统布局有差异；④手动划分方法本身高度依赖于现场踏勘、经验等人为判断。
通常，在非城乡建设区域或者面积小、总体竖向比较顺畅的城市排水分区中，传统的手动方法结合模型泰森多边形方法划分排水分区，已能够支持基于最大流速为计算依据的规划与设计工作。而针对人口密度大、经济集中度高的城市中心城区，单位面积遭受洪涝灾害所带来的影响远高于其他区域，城市地形的复杂程度也更高，此时传统方法划分排水分区的结果常常存在不准确的问题，进而影响对洪涝灾害进行准确预测、预报与应急管理。
1.2 无法反映不同暴雨重现期下排水分区的变化
近年来，随着地形资料精度的提升，以及大范围划分排水分区的需求，国内开展了相关研究，主要通过实测的地表地形数据，结合GIS分析工具划分排水分区。王岩等针对现有基于DEM流向分析的划分方法存在的无法正确反映实际城市复杂地形和流向问题，提出了一种顾及地类和流向，适用于大尺度平原城市的精细汇水区分级划分方法。朱治州等提出了顾及多要素的城市地表汇水区分级划分方法，将城市地表划分作三个等级，结果表明分级划分法所得汇水区分别在SWMM模型与MOUSE模型中的模拟结果均比泰森多边形法的更加准确，证实了地表汇水分析方法能够应用于较复杂的城市汇水区划分，可为城市防洪减灾研究和灾后恢复工作提供指导。薛丰昌等提出了一种面向城市平原地区分级划分汇水区的技术方法，既结合了传统DEM生成子流域的算法，又融入了城市区域地物地貌特点，能更好地满足城市地区的需要。
上述方法基本说明基于地表实测数据的排水分区划分方法具有可行性。但基于GIS水文分析工具划分的排水分区是以填洼处理后的地形数据进行划分，只能表达全部地表低洼空间填满后（即最不利情景）的排水分区范围，无法反映不同降雨条件下子排水分区之间先分散并逐步叠加的动态变化，也就不能反映城市下凹桥等积水易涝点在不同降雨条件下由于排水分区变化带来的影响。
2 高精细雷达（Lidar）点云数据的地表径流分析
综上所述，在中心城区对超标暴雨所造成的真实风险进行预测，首先需要做好精确的排水分区的划分工作。该项工作既包括获取和处理更高精度数据，也包括能够通过模型方法基本表达不同程度的超标暴雨条件下，汇水面变化的情况。
近年来，随着激光雷达技术（LIDAR-Light detection and ranging)以及GIS在测量领域的应用和发展，可以获取精度远高于传统测绘地形数据的数字高程模型（DEM）和数字地表模型（DSM），见图1。结合HECRAS、TUFlow、Infoworks ICM、MIKE Flood等兼顾区域性洪涝分析功能的模型软件的不断升级，使得利用二维水力学模型快速模拟城市复杂地形条件下地表洪水流动过程成为可能。
基于测绘数据和模拟软件的提升，新西兰、美国等国家在雨洪管理上比较先进的部分城市，已经逐步采用点云DEM数据开展排水分区划分、地面径流通道识别以及暴雨精细化模拟，并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。其中，新西兰奥克兰市自2012年开始，开展了基于点云地形数据（4～10个/m²的激光采集点测绘精度采集的地表DEM数据）进行排水分区划分并绘制高精度的洪涝风险图的工作，当前已基本完成了奥克兰全境超过4 000km²的市域范围的分析工作。休斯顿在2001年的热带风暴ALISON 造成的严重洪水灾害后，实施了热带风暴恢复工程（TSARP）。在对辖区内的22个流域建立了GIS和DEM基础上的全新的HEC-HMS、HEC-RAS模型，编制了美国第一个数字化的洪水风险图，而排水分区的划分，无疑是洪水风险图的核心问题。
相较上述国家开展的较大规模的高精度排水分区划分和洪涝风险图的绘制工作，当前我国尚未确立城市洪涝风险图的绘制标准、方法及精度等要求。对于地表漫流系统以及基于点云数据的高精度分析，尚缺少长期的积累和实践，仅在北京、深圳等地开展探索性的相关工作。
3 基于点云数据划分排水分区的目标和原则
综合运用高精度的点云地表数据和模型软件，能够弥补传统排水分区划分的诸多问题，包括更准确地划分地表排水分区、反映不同重现期之间的排水分区的变化以及表征区域主要的径流汇流线路。如果这些问题能够得到比较全面的改善，不仅能更好的指导规划和设计工作，而且能够对超过常识经验的超大暴雨的情景进行分析，为预警和应急措施布置提供重要依据。
3.1 目标
对比传统排水分区划定方法与真实情况的区别，结合数据和模拟方法的特征，基于点云数据结合模拟分析的排水分区划分方法应实现如下目标：①对超过管渠系统排放标准的地表径流汇流过程进行分析；②实现不超过2m网格的分析精度，比较准确地表征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区域，能够表征不同降雨条件下子排水分区相互叠加的影响；④方法对模型和计算机处理能力要求适中，具有可操作性。
3.2 基本原则
3.2.1 精度优先原则，提高地形数据精度和模拟运算精度
鉴于该方法主要应对城市超标降雨所造成的内涝事件，因此有必要简要对该类型事件特点进行讨论。通过全国多次典型暴雨事件的分析，城市超标降雨造成的内涝事件与由于河道行洪能力不足造成的洪水灾害有明显不同。在超过排水管渠系统的排放能力时，地表径流是径流汇集的主要来源，同时城市道路（既包括市政道路也包括小区内的道路）成为了转输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绘城市道路径流的精确走向，或不足以分辨城市道路的详细边界和平面定位，都无法形成对积水内涝防治和预警工作的有效的分析成果。因此，获取的地形数据的精度需要至少满足能够清晰看出建筑物、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，一般测绘和成果精度不超过2m。
3.2.2 基于精度优先原则，兼顾运算能力
随着数据精度的提升，计算机进行复杂模拟分析的运算时间往往成倍增加，因此需要对数据按照汇流关系进行拆分，同时找到合适的水文计算精度。
涉及到较大中心城区，例如上千平方公里高精度的地形数据分析，通常将一个大的流域或中心城区，划分为多个排水分区进行运算。该方法针对地表坡度顺畅，排水分区边界清晰的区域往往比较容易划分。对地势比较平缓的城区，往往以河道或主干排水系统为轴线，手动划分的排水分区。但对于排水分区之间的边界区域，很难通过手动划分描述准确，需要多次试算和计算机分析，确定比较准确的流域层面的排水分区，以此为基础进一步划分排水区域。一般来说，流域拆分的单元规模应按照单次能够进行二维洪涝模拟的运算规模确定。另一方面，对于水文计算要求的地形数据精度，经过多个不同地形特征项目的多次实验，一般采用5m网格，能够比较好的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
城市地形复杂，径流在汇集的过程中，起伏道路、洼地、立交桥等空间加剧了划分排水分区的难度。假定仅为计算地表径流峰值所造成的灾害影响考虑地表径流排水分区，不同降雨总量下，遭受内涝灾害的低洼点可能有不同的汇流范围。如图2所示，某排水分区的地表径流汇流过程中有一处明显低洼空间，那么在不超过能够填满低洼空间的临界降雨的情况下，排水分区末端出流点P点只收集排水分区Aa1的地表径流。但如果持续降雨，低洼空间被填满，则有可能P点收集全部排水分区，即Aa1+Aa2的全部地表径流。这种情况通常在连续下穿桥区、城市中心低洼地比较常见。因此，为得到比较准确的排水分区划分结果，应选用多场降雨进行模拟分析，明确不同汇水面之间的衔接关系，并确定临界降雨量或降雨强度。
3.2.4 全流程逐级分步进行数据和成果校核
由于测绘数据精度和分析精度都对比传统方法提升明显，虽然理论上能够比较准确的定位地表径流通道的位置，但同时也需要数据的真实性经过充分的调研和核实，需要高质量完成且贯穿整个工作流程。
4 基于点云数据划分排水分区的主要流程和技术要点
4.1 主要流程
为实现高精度和表征动态变化的两个主要目标，需要重新建立排水分区划分的基本流程，同时兼顾模拟计算的经济性和优化调整过程的灵活性。初步可行的技术处理流程，包括地形数据处理、确定流域排水分区、模型分析和最终确定排水分区等主要步骤（见图3）。
图3 排水分区边界划定方法流程
4.2 技术要点
4.2.1地形数据处理
（1）地形数据技术要求。通过点云测绘，能够得到每平方米4～10个点不等的Lidar高程点数据。通过该方法，能够获取精度高、能够反映城市漫流系统要素的高程数据。通过对比对不同下垫面数据形式表征地形流向准确度的分析结果，最终得出，以DEM数据为基础，叠加建筑、下凹桥区等重要地形要素的地形数据，能够兼顾准确与表达城市淹没范围的关系。该地形需至少包括：①建筑外轮廓与高程数据；②地面高程数据；③城市道路边界和详细高程数据；④下凹桥区下层或易积水区域的高程数据；⑤城市河道边界及堤顶高程等。
（2）地形修正。由于地面地形精细，但墙体、过桥涵洞等影响径流流向的关键要素如果无法准确识别，很容易形成数据误差，从而导致径流流向判断不准确的状况。因此，通常需要经历至少一个雨季的现场踏勘和矫正，才能作为比较准确的地形数据使用。
主要地形修正内容包括：①去除不合理的围挡构筑物及局部十字路口地形高程，保证路径准确。图4为十字路口标高修正示例，其结果为路径由东南流向转向东北流向，汇水面范围也随之改变;②修正高架桥、立交桥、过街天桥区不合理地形，保留最底层高程信息；③调整地形高程以实现大型管涵的排水效应。城市一些大型管涵可以视为永久性的排水通道，需要充分考虑其排水作用。图5为管涵地形调整示例，降低了管涵所在的局部地形高程，其结果为低洼区内路径变得真实准确，从而可以准确识别汇水面。
4.2.2 流域排水分区划分
基于修正DEM的流域划分方法，主要步骤为水流方向分析和流量累计网格数计算，这是一种通过地表高程坡向识别路径和汇水面的水文分析法，通过ArcGIS的水文工具箱实现。处理流程可以概括为：流域排水分区初步划分、地形填洼、定义河道、确定流域范围、排水分区组合修正这四个主要步骤。
（1）流域排水分区初步划分。流域尺度往往较大，除了高密度的城区范围，还包括上游山区，切分出的整体流域外边界需至少包含完整的研究范围，在此基础上，对山形，河流，桥梁等地形要素进行初步判别划分出一级子流域。
（2）地形填洼。当“水流”流经地形中下凹的低洼区域的最低点，由于四周网格地形均高于最低点，此时所有计算的坡向均为逆坡，计算机无法依据最大正向坡向的原则识别下一步路径，为了避免出现这种问题，流域划分的第一步需要对地表低洼区域进行填充洼地的处理，处理的结果是抬升低洼区域的地形标高，实现正向坡度的计算（见图5）。
（3）定义河道。通过提取累积流量数值大于某一流量阈值的网格来定义河网。例如提取汇水面大于1 hm²的网格，则流量阈值为1 hm²除以单一网格面积。该结果也可以转化为线矢量文件。下图为提取的河网矢量数据。
（4）划分并确定子流域。通过计算水流方向和提取的河网结果，采用Watershed工具可以从DEM中自动划分流域边界。上述流域划分方法通常适用于大型自然流域，在城市流域范围使用该方法需要特别注意所采用的地形需要具备高精度的特征，否则无法准确计算流向和累计流量数值。同时对错误地形的校正准确与否也会影响模拟的结果。
（5）排水分区组合修正。初步划分的一级子流域边界与实际流域边界并不完全吻合，在划分完二级流域边界后，观察一级子流域交界处的二级流域边界，对不完整的二级流域边界进行地形重组修正。此外重新审核由于地形偏差造成的错误流域边界划分结果，例如跨河桥，围挡等不合理的构筑物阻碍，对地形修正后重新划分（修正对比结果见图6）。
4.2.3 不同重现期降雨地面漫流过程模拟
（1）模型模拟。采用美国水文中心发布的最新版HEC-RAS模型软件，模拟获得不同降雨情景下，地表积水的区域范围、水深、流速和积/退水情况等重要水力要素信息。选用北京市2h历时的芝加哥雨型作为降雨边界，地形网格精度为5m，时间步长为1min，该网格尺寸兼顾了模拟运算精度和运行时间。
（2）确定临界重现期。综合比对降雨重现期从小到大（降雨量从小到大）的不同降雨工况下的地表径流流态和水深变化情况，统计重要低洼区域的积水量和水深，重点观察其满水后的径流流向变化过程，最终确定不同低洼区风险区积满水后开始转输径流至下游的临界降雨工况。
5 某下凹桥区排水分区划分案例
5.1 下凹桥区排水系统概况
该下凹桥为城市主干道路下穿铁路形成的，桥区范围内雨水管线总长度约14.3km，管径在400~1 350mm其中，桥区主干管网（管径1 350mm）接入下游城市道路雨水主干管（管径2 600mm），最终排入末端河道。桥区主干管网（管径1 350mm）主要收集桥区道路及周边部分地块的雨水，对应的排水分区范围约为12 hm²，如图7所示。2021年8月16日晚发生暴雨事件，该桥区积水严重，最大积水深度达到2m，积水时间约为40min。
5.2 下凹桥周边区域地表径流路径与低洼区分析
通过获取桥区周边区域2m网格的雷达点云数据，分析桥区上游地表径流路径与低洼区分布，进而分析桥区地表径流汇流范围可能产生的变化和影响，地表径流路径和低洼区分析结果如图8所示。暴雨发生时，在地下管网满负荷运行的情况下，雨水径流延地表逐级汇流排放，途径低洼区需要先填满后才能继续流至下游，从图8中可以看出，该下凹桥区的北侧与南侧各有一条主干地表径流通道，当降雨超过一定的临界降雨量即上游低洼区被填满后，地表径流可能分别从桥区的南侧和北侧道路汇入桥区，进而加剧桥区的积水内涝问题。因此，对临界雨量的模拟分析对于研判桥区汇水范围可能产生的变化及影响至关重要，从而进一步支撑对不同降雨条件下桥区可能产生的积水风险进行提前预警并制定有针对性的应急预案。
5.3 下凹桥区排水分区范围的动态变化分析
利用HEC-RAS对该桥区在不同降雨情景下的地表漫流动态过程进行模拟分析，模拟结果显示，当降雨量小于80mm时，该下凹桥区的地表汇流范围与排水管网的收水范围基本对应，面积约为12 hm²；当2h降雨量超过120mm时，地表径流开始延南侧道路汇入桥区，汇水面积迅速扩大至120 hm²；当2h降雨量超过200mm时，地表径流延北侧与南侧道路分别汇入桥区，汇水面积又扩大至150 hm²；当2h降雨量超过300mm时，上游更大范围区域的来水延北侧与南侧道路分别汇入桥区，汇水面积扩大至300 hm²，如图9所示。
6 总结与展望
城市建成区对比非城市区域，单位面积所对应的灾害损失呈数倍增加，因此传统排水分区的划分方法已经难以描绘暴雨条件下排水系统与地面系统所受到的影响。对于下穿桥区、隧道或者其他地形复杂的区域，排水分区的划分对于汛期防涝工作至关重要。尤其“高水”排水分区划分的不准确，会对模型模拟、方案设计的结果与现实条件产生极大误差，最终导致无法应对汛期暴雨。
而基于雷达测绘的点云数据进行排水分区分析，虽然相比传统方法更为精确，但也同时对数据质量、现场校核、模型模拟提出了更高的质量要求。相对而言，划定排水分区的经济性缺少优势。因此，至少对于待开发城区、重要地区和具有较高风险的区域，应优先采用该方法划定。
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