GIS在城市雨水分析过程中的应用

严铁生 夏志军 高沛 冯泽

【摘要】城市暴雨雨水管理系统对城市的生产生活具有十分重要的意义，结构和功能合理的城市暴雨雨水管理系统对提高管理效率、降低决策中的人为失误、减少城市暴雨雨不的影响有着重要作用。本文介绍了在GIS技术的支持下，结合某城市暴雨雨水管理系统的结构和功能设计，利用GIS进行空间数据处理和分析，实现在管理系统中图形和数据有机结合提高城市暴雨雨水管理的效率和科学性。

【关键词】GIS 城市雨水 暴雨 雨水管理系统

1 市政工程专业背景

雨水排放系统是保障人民生命财产的安全保障体系，是促进城市规划及稳步发展的重要因素。

近年来，地理信息系统（GIS）技术迅速兴起和蓬勃发展，使其独特的空间分析功能迅速在许多领域内得到应用，但在复杂的城市雨水管网系统中的应用还未普及。由于城市暴雨所产生的损失受许多方面的因素控制，而这些因素大部分同地理位置相关。用GIS的空间分析功能对各种因素进行综合分析，并通过各种专题图表达出来，分析不同情况下暴雨所造成的损失和积水淹没范围，并计算出最优决策方案，帮助决策者进行优化决策，减少暴雨对城市所造成的损失。结合GIS和城市暴雨雨水管网的特点，利用GIS技术进行城市暴雨雨水管理系统的建设是当前国际城市雨水管理的主要方向，本文尝试结合GIS模型技术来进行城市雨水管网维护的分析、评估和对策应用的模型设计，来构建GIS城市雨水管网信息系统，在此重点介绍雨水地理信息系统的结构、综合模型的建立及其系统的开发技术。

2 问题的提出

我国许多城市经常受“内涝”问题困扰，出现大面积淹水现象，带来巨大经济损失的同时，严重干扰了城市的正常秩序。基于GIS的城市雨水分析模型建立，可以加强城市雨水的直接收集储存利用，有效分析城市降雨的影响，可提前做好准确及时的应急预案，可最大程度减轻或解决城市“内涝”问题带来的城市影响。

作为城市灾害的暴雨，是人类一直困扰的问题。暴雨可以对城市的生产、建筑安全、交通路线、通讯设施等造成很大的影响，对城市居民的人身安全、财产安全带来威胁。为此，以地理信息系统为基础，建立一个合理的暴雨地理信息系统，来分析不同情况下暴雨所造成的损失和积水淹没范围，并得出最优的排水决策方案，以帮助城市管理部门进行优化决策，具有十分重要的意义。

3 需要的数据及建立过程

在GIS对城市雨水分析建模的过程中需要的数据有储存城市所有市政管线图，地形图等的图形库，该地区降雨强度计算公式（包含设计重现期，降雨地区参数等）。

将整个流域划分为若干个子流域，分别给其编号，并在GIS提供的资料下建立各子流域的特性，来计算其汇流、入渗、排水、淹没等过程。具体的划分规则主要采用泰森多边行法：组成多边形的边总是与两相邻点的连线垂直，并且多边形的任何位置总是离多边形内的点最近，离相邻多边形内的点远。

根据城市的排水管网将整个城市区域划分为多个泰森多边形小区域，并假定每个小区域内的降雨由距离该区域最近的排水管负责排水，而这个排水管正是处于该泰森多边形区域内的排水管。在实际划分中充分考虑到当地的地形条件因素，利用GIS的优势，对每个区域重新修订划分，得出符合实际汇流的子区域。

系统除了具备 GIS 基本的查询、统计等功能之外，主要针对暴雨信息设计雨水水力计算模块，在此模块中，可以计算出某次降雨的雨量、管道内水流状况、地面是否产生积水、以及地面积水深度、积水等值线图、淹没区分析等。

4 城市管网水力模型的类型

1.降雨汇流模型

城市的降雨量是随着降雨历时的长短而发生变化，具有时间上的不均匀性；同时，城市的一次降雨在其笼罩范围内各地点的大小都不一样，表现了降雨量空间分布的不均匀性。选用平均暴雨强度公式，选择不同的暴雨重现期，由当地降雨强度公式：

q=167A1（1+clgP）/（t+ b）n和降雨历时t ，分别求得各区域的总降雨量Q。

2.淹没区域计算模型

当管段的入流量超过其过水能力时，就会有一部分水被滞留，并产生回水，使受影响的管段水位升高。当水位标高超过地面标高时，即产生溢流。由此可以确定产生溢流的超负荷运行管段，并可以计算地表积水量，地面积水深度直接反映出城市暴雨灾害的影响程度。

淹没区水深等值线计算模型

先建立整个排水区域的网格图，由于积水区域分布不均匀，不能满足都在网格的每个节点上，本模型采用插值计算得到均匀的网格数据，然后绘制出积水深度等值线区域图。

最终形成的系统具有可向用户介绍城市的基本情况：土地利用、交通、人口分布、市政设施，城市的地理地形特点等；雨水管网查询和降雨信息查询，管网的基本信息及降雨后管道内的水流状况；生成降雨等值线图，主要是利用城市现有的测雨量站提供的雨量数据，生成降雨等值线分布图，同时也可以得到地面积水等值线分布图；积水淹没区范围主要是利用GIS的空间分析功能，在不同强度的降雨下，可以直观的显示淹没区的范围及深度。

5 工作流程分析图解

城市雨水分析模型中数据传递步骤如下：

（1）通过GIS组件提供的相关接口对象将涉及到的各类数据数字化后倒入GIS系统中并保存；

（2）将该地区降雨强度公式结合几种城市管网水力模型形成核心模块嵌入GIS系统中，实现其模型分析功能；

（3）选择需要分析的模型（带入各个模型下所需参数），最后可得到在不同强度的降雨下，可以直观的显示淹没区的范围及深度；

（4）从GIS系统（基于GIS的城市雨水分析系统）输出板块中得到其分析结果（地面积水等值线分布图，积水淹没区范围等）。

图1 工作流程图

6 结束语

通过GIS的空间分析功能及其软件的系统集成，实现城市暴雨雨水管理系统的查询、分析以及进一步的辅助决策，实现在图上直接查询、检索和分析、各類专题图可视化输出，从而大大提高了城市暴雨雨水管理的效率，可以在很大程度上减少暴雨对城市的生产、居民生活的影响。本方法中采用的各种水力计算模型为了在计算和实际运用中的方便起见，在一定程度上做了一定的简化处理。由于我国在雨水管网信息系统的建设上，正处于探索阶段，各种水力计算模型还不完善， 工程实例在实际运用中的比较少，如何有效建立城市雨水管网GIS系统的功能和结构设计是目前城市雨水管网建设中所面临的全新课题。

参考文献

[1]李德仁.论地理信息学德形成所带来的机遇与挑战[J].地理信息世界，1994，（2）：1-5.

[2]刘勇，井文勇.地理信息系统技术及其在环境科学中的应用[J].环境科学，1997，18（2）：62-65.