基于内涝水力模型的流域范围划定方法研究

罗溪婧曾玉蛟

摘要：城市雨水排水流域的划分是开展管网规划和设计的核心环节，具有明显的地理空间特性，通常以地形的实际分水线为其划定边界，传统的划分方法是以人工计算和目测估计为主，划分的精度低、效率慢，且划分过程较容易受工程人员的经验等人为因素影响，其准确性难以保证。本文以数字化地形高程数据(DEM)和内涝水力模型计算结果为基础，构建一种基于地形分析和地表水流特征的流域范围划分计算方法，并将这种方法应用于下凹桥改造工程等实例研究，结果表明，该方法对模型边界的确定和下凹桥区客水范围的划分具有较好的工程实践应用性。

关键词：内涝水力模型；流域范围划分；模型边界；客水范围

1、前言

城市内涝是当城市降雨超过城市排水管网系统排水能力时，多余水量在城市地表产生积水并造成灾害的现象。它的发生过程是一系列复杂的水文和水力变化过程的集合，通常涉及城市降雨过程、地面径流水文过程以及地下管道和地表积水的非恒定非均匀流水力学演化过程[1-2]，采用计算机模型技术能更科学合理地对其进行物理过程的仿真模拟。城市内涝水力模型是对内涝灾害形成过程的数学描述，通过模拟其发生、发展以及消退的整个变化过程，以科学准确的方式分析城市内涝的影响范围、积水深度、积水量和积水时间等致灾因素，从而为内涝防治对策的制定和城市的规划建设提供指导。

城市雨水排水流域是在城市市政雨水管网总体规划时，按照地形的实际分水线划分的排水流域，它把地形作为主要因素，以分水线、汇流路径为界限划定的第一级汇水区域，使之成为一个相对独立和封闭的汇水系统，并在此基础上根据检查井的收水范围为依据，从而划分第二级城市管网的汇水区域。城市雨水流域范围的划分可以是以城市流域为研究对象，通过不同级别流域汇水网络的提取及雨水管道布设的城市流域地形的分割而实现。

城市雨水流域范围的划分是搭建城市内涝水力模型的基础性步骤，根据不同的模型研究目的和应用需求来确定建模范围及流域边界，下凹桥区通常是城市内涝积水的高危发生地区，地势低洼，积水成因复杂，经过一些现场调研和分析，外来客水是引起内涝积水的重要因素，然而运用传统方法无法准确界定客水范围的边界，从而影响客水量的计算，对规划和设计计算带来一些误差，因此，需要寻求更精确的雨水流域划定方法来支撑规划和设计计算工作。本文结合地理信息系统的分析计算功能，以数字化地形高程数据(DEM)为基础，采用水力模型方法模拟二维地表漫流，分析地表水流的运动特征，以此作为划分建模范围和下凹路段或桥区高水影响范围的依据，为构建雨水管网模型奠定基础，同时也为工程计算校核提供规划依据和支持。

2、基于内涝水力模型的流域范围划分计算方法

2.1内涝水力模型

城市内涝水力模型是采用数学方法将现状城市地表降雨径流排除和超标降雨地表积水漫流的整个过程的模型体系。其物理发生过程可分解成若干步骤，每个步骤采用不同的数学模型进行描述，从而共同组成一个完整的内涝水力模型系统。

城市降雨首先通过植被截留扣损，降落至地面的雨水完成地表填洼和下渗过程后，多余的降雨即净雨过程在地表形成有效径流，地表径流通过遍布城市的雨水口进入雨水管道，再通过雨水管网汇入下游受纳水体。当净雨过程超过雨水管网的排除能力时，超标雨水将通过雨水井溢流至地表，并通过地形的作用汇集至城市低洼区，从而形成地表积水。基于其实际物理过程，内涝水力模型一般分为五个部分，分别为区域降雨过程、形成净雨的产流过程、净雨的地表径流过程、管网的汇流过程和溢流水量的地表漫流过程。这五个过程是相互联系的，各上游过程为下一个过程的输入边界条件，传统的内涝水力模型组成如下图1所示。

2.2流域范围划分方法

城市雨水流域范围的划分以地形为主要因素，一般以河道、建筑分水线为界限来划定。流域范围的划分作为模型边界确定的第一步，通常的方法由设计人员按照传统方法划定。研究利用精细化的DEM数字化高程数据和内涝水力模型中的二维地表漫流水动力模块，采用二维水动力学的计算方法仿真模拟降雨通过扣损径流，净雨通过地形的作用在地表沿着地形网格漫流汇入城市地表低洼区，模型通过计算地表的水流方向得出流向箭头，从而根据箭头路径划分流域范围。

式中，S(i，j+1)为行数为i，列数为j处地形网格与行数为i，列数为j+1处地形网格的距离权落差值，H(i，j)和H(i，j+1)分别为相应位置的地形高程值，D(i，j+1)为两栅格间的距离。从图1可知，对角线处的4个网格，其与中心网格的距离为2的平方根，而周边其余4个网格距离均为1。通过分别计算周边8个网格与中心网格的距离权落差值，并采用其中最大值作为判断水流方向的依据，通过方向编码记录网格的流向特性，编码规则如图2所示。若8个方向的距离权落差均为负值，则代表该栅格为局部地形的洼点。

图3地表流向栅格数据转换图

根据这一原理构建内涝水力模型，划分排水流域范围，构建步骤如图4所示。

（1）确定内涝水力模型的建模目标。针对规划设计的防涝工程体系，找到工程主体研究内容，根据建模目标来确定建模区域大范围，并应用模型计算工具评估工程措施的实施效果，发现规划设计工程的不足，从而为规划设计方案的调整提供指导。

（2）收集项目区域的相关基础资料，基础资料通常包括：区域的气象资料、地形数据和管网资料，为内涝水力模型的构建和流域的划分做好准备。

（3）在模型基础数据准备完毕后，分别构建内涝模拟所需的降雨模型、地形数字高程模型（DEM模型）和管网模型，并实现管网模型与DEM模型的耦合，执行内涝水力模型模拟计算。

（4）针对内涝水力模型的积水结果，分析计算在网格水流运动中，水流沿每个网格单元在x，y方向的流速大小，根据x，y方向的流速确定它的偏量路径，形成连续的地表水流方向箭头，调整箭头大小比例从而获取符合要求的水流流向路径，根据流域范围内的流向箭头最终利用工具或人工勾勒出流域范围的大小。

图4基于模型的雨水流域划分步骤示意图

3、实例研究—下凹立交桥区客水范围的确定

城市防涝设施是现代城市的重要基础设施，自2011年“6.23”暴雨、2012年“7.21”暴雨后，北京市多处下凹式立交桥区严重积水，交通严重堵塞甚至瘫痪，对社会经济造成了一定损失，对城市安全运行和居民出行造成了不利影响。为了避免下凹桥区在设防标准内发生类似的内涝积水问题，有必要对立交桥区进行规划升级改造，依据立交桥规划改造思路里的低水低排，高水高排原则，因此，有必要新建客水拦蓄工程，尽量减少客水汇入桥区，那么划定客水流域范围成为开展本项工作的基础。本次规划将对现状地形、设计道路高程、新建小区设计竖向的分析；采用数学模型校核分析，最终确定客水区。本次采用DHI模型软件，结合桥区排涝方案对下凹立交桥区进行规划模拟，模拟后的结果如图5所示，根据流域范围的流速路径边界，最终确定了本次下凹桥改造的客水范围。

图5下凹桥客水范围的划定

4、结论

运用水力模型来划定流域范围是一种有效精准的流域范围划定方法，能方便运用于工程实践，本文论述了一种基于水力模型的流域划定方法，并将其运用于实例研究，有一定的工程实践指导性。

参考文献：

[1]周玉文.城市排水系统非恒定流模拟技术研究(D).哈尔滨建筑大学博士论文.1998

[2]YuwenZhou,ZilongLiu,ShanshanLiu,KegongDiao.Risk-basedResilience

Planningforurbanlocalfloodingmanagement:acasestudyinBeijing.SpringerSingapore,2016:275-284.

[3]汤国安,杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析试验教程.北京:科学出版社,2006.