基于地理信息系统的城市雨洪预测预报

赵连柱 孙亚军

(1. 北京市测绘设计研究院， 北京 100038； 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室， 北京 100038；3. 中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221008)

0 引言

城市地区雨洪观测资料表明,城市洪峰流量比天然流域高几倍乃至数十倍。雨洪是城市较为严重的自然灾害之一,影响城市的交通、通讯、建筑以及一些公共设施,给城市居民的生活带来不便甚至威胁生命和财产安全。排水管网的布设、城市雨洪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。利用地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术对排水历史管网纸质资料进行数字化和空间化,利用面向对象和数据库技术,建立排水管网空间数据库,利用GIS的空间管理、空间分析、三维可视化技术[1-2],结合专业城市雨洪灾害的预测预报模型[3-5],对城市雨洪预测预报进行技术研究和探索,建立预测预报系统,为城市排水管网管理、设计改造、城市雨洪预测预报提供技术平台,具有重要意义。

1 研究区域选择

在城市排水管网的设计和管理过程中,除了要考虑居民生活用水和工业用水的排放需求,很重要的一个方面就是要考虑雨季城市防洪的需求,也就是说,管网的排水能力要满足雨季暴雨来临时,能在较短的时间内将降雨形成的地面径流通过排水管网排出,以避免产生积水或洪水。在建立城市排水管网管理系统时,将管网排水能力的评价作为其中一个重要的内容进行研究,并建立评价模型。管网的排水能力是否能满足城市防洪的要求,取决于本地区的降雨特点、地形特点、管网的布置和类型等多方面的因素。

在建立评价模型时,受资料、时间等多方面因素的限制,无法对整个城市的管网排水能力建立评价模型,选取典型试验区域进行研究。经过调查研究,我们选择了经常在雨季形成积水的酒厂后排水沟附近作为研究区域。

该系统主要排除云龙山以东,奎河以西,六中、党校以南,溢洪道以北的雨污水,面积约0.4 km2。 该系统由一条干沟、两条大的支管和一些小的沟管组成。干沟从奎山派出所起,沿泰山路南侧向东流,穿过淮塔路,铜山供电局、党校、酒厂等,在酒厂东、奎河闸北45.0 m处入奎河。

2 城市排水管网空间数据库建设及地形三维可视化

2.1 城市排水管网空间数据库建设

我们在排水管网空间数据库建立过程中,根据GIS空间要素数据的分类特点及排水管网的特殊性,把排水管网图形数据库分为两层,一层为管线层,数据类型为直线、折线和弧线,对应于排水管网中的管线、石明沟、石暗沟或土明沟;另一层为井点层,数据类型为点,对应于排水管网中的检查井或收水井。

2.2 地形三维可视化分析

数字地面模型是描述地面特征的空间分布的有序数值阵列。在一般情况下,地面特征是高程Z,它的空间分布由X、Y水平坐标系统来描述,也可以用经度X、维度Y来描述海拔的分布,这种地面特征为高程或海拔高程的数字地面模型(Digital Terrain Models，DTM)也称为数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。应用数字高程模型建立城市三维地形图可用于城市雨洪问题的研究。根据城市的地形状况,利用GIS的空间分析能力,叠加其他图层信息来划分集水小区和汇水面积。建立的城市的三维地形图为城市防洪和管网设计提供科学的依据,如图1所示。

图1 三维地形图[1]

利用GIS技术进行城市排水管网空间化和地形三维可视化研究,可以直观地反映排水管网分布区域的地形起伏状况,与其他图层叠加,不仅可以看到单个方面的要素,也可以看到综合要素以及它们之间的关系,可以辅助于汇水面积划分及雨洪预测预报研究。

3 雨洪预测预报模型

3.1 汇水面积划分

降雨面积是指降雨所笼罩的面积,汇水面积是指雨水管渠汇集雨水的面积,一般用F表示,以公顷(ha)或平方公里(km2)为单位。汇水面积划分的通用原则是:(1)依据地形并结合街坊布置或小区规划进行划分;(2)面积不宜过大;(3)形状尽可能比较规则;(4)与毗邻系统统筹考虑,做到均匀合理。我们在选定的奎河研究区范围内,利用DEM模型所建立的平面地形分布图和三维地形分布图与水系和道路叠加分布图,研究区域云龙山地区起伏很大,汇水面积较大,容易产生雨洪,如图2所示。

图2 三维地形图与水系、道路叠加分布图[1]

在初步确定汇水面积以后,需要根据徐州市地形图和地形等高线图和管网分布图细分汇水面积,从而确定干管的汇水面积,如图3～4所示。图3箭头表示水流方向，根据地面高程数值由高到低用不同颜色渲染可视化表示。图4为叠加等高线后的管网分布，等高线高程值用数字表示(单位为m)。

图4 叠加地形等高线划分汇水面积图

3.2 径流系数的确定

流域的下垫面因素、包括地形、土壤、地质、植被和流域形态等。它们一方面直接影响径流的大小和过程,另一方面是通过气象气候因素而间接影响径流。

由于影响因素很多,要精确地求定径流系数值是很困难的。目前在雨水道的设计中,径流系数通常采用按地面覆盖种类确定的经验数值(表1)。

表1 各种地面的径流系数[6]

在城市和工业区的设计中,由于汇水面积较大,且建筑物分布的差异也较大,这时宜分成不同种类的小区,如商业区、工业区、居住区、文教区等,分别进行径流系数ψ的计算。各区的汇水面积是由各种性质的覆盖地面所组成,随着它们占有面积的比例变化,径流系数也改变。因此,整个汇水面积上的平均径流系数ψp是按各类地面面积加权平均法计算而求得。即

(1)

式(1)中,fi为汇水面积上各类地面的面积;ψi为与各类地面相对应的径流系数;F为全部汇水面积。

表2是城市综合径流系数表,表3是正常降雨或暴雨地表径流系数表,根据以上各表所提供的径流系数值可计算该研究区域的综合径流系数。

表2 城市综合径流系数[7]

据统计,研究区的情况如下:云龙山与建筑居民区的面积划分,云龙山所占面积的比例为22%,建筑居民区面积所占全部面积的比例为78%,其中建筑居民区属于建筑较密居住区。查表2,建筑居民区属于建筑较密的居住区,取径流系数0.6;查表3,云龙山在岩土类别中属于第三类,并且云龙山地区的植被覆盖较好,可取径流系数0.5。根据式(1),研究区径流系数为

表3 正常降雨或暴雨地表径流系数[8]

ψ=0.22×0.5+0.78×0.6=0.534≈0.53

(2)

3.3 积水时间及最大排水量确定

根据极限强度法,只有当降雨历时等于集水时间时,雨水流量最大。因此,计算雨水设计流量时,通常用汇水面积最远点的雨水流量达设计断面的时间τ作为设计降雨历时t。对于管道的某一设计断面来说,集水时间t由地面集水时间t1和管内雨水流行时间t2两部分组成。可用公式表述如式(3)

t=t1+mt2

(3)

式(3)中,m为折减系数(m取值：管道采用2，明渠采用1.2，陡坡地区管道采用1.2～2)。

地面集水时间的数值受地形、地面铺砌、地面种植情况和街区面积大小等因素的影响。

由于本研究区的资料为干管资料,所以地面集水时间应采用较长的时间。研究区汇水面积为0.32 km2,参照表4取地面集水时间为30 min。

3.4 管内流行时间t2及最大排量的确定

根据城市管网管理部门提供的资料,查询研究区域的检查井J15左右流水线标高为29.53 m,检查井J13左右流水线标高为29.30 m,暗沟长度为139.50 m。水力坡度i=(29.53-29.3)/139.5=0.001 69≈0.001 7。该暗沟的尺寸为沟宽123 cm,沟深为140 cm,材质为石头。查表5,该排水渠道的粗糙系数为0.017。

查表6～7,沟宽为120 cm,沟深为140 cm的暗沟的排水量为2 285.17 L/s,流速为1.36 m/s;沟宽为140 cm,沟深为140 cm的暗沟的排水量为2 860.02 L/s,流速为1.46 m/s。利用内插法计算沟宽为123 cm,沟深为140 cm的暗沟的排水量Q和流速V为

表6 宽度为1 200 mm的暗沟水利计算表[10]

表7 宽度为1 400 mm的暗沟水利计算表[10]

Q=2 285.17+(2 860.02-2 285.17)*
(123-120)/(140-120)=2 371.4/(L/s)

(4)

V=1.36+(1.46-1.36)*
(123-120)/(140-120)= 1.375/(m/s)

(5)

t2=(109+44+87+65)/1.375=
305/1.375=222=222/60=3.7/(min)

(6)

集水时间:t=t1+2×t2=30+2×3.7=37.4。

3.5 小区暴雨量计算

根据在调研和查阅相关的城市给排水设计规范,我们建议采用推理公式方法来进行暴雨量的计算。因为经验公式法虽然也能初步计算出暴雨量,但是它没有根据研究区域的特殊性方面给予充分的考虑,只分几个大的区域来进行统计和推求公式。径流的影响因素很多并且城市化对径流的影响很大,与天然流域相比较,城市化对径流系数有增大的影响,而且暴雨量的计算在不同城市都有不同的暴雨强度公式(表8)。综合考虑以上方面我们还是选择城市给排水设计规范所推荐的推理公式法来进行暴雨量的计算和进行管网排水能力的评价。

表8 徐州市暴雨强度公式[8]

暴雨量的计算采用如下形式：

Q=ψqF

(7)

式(7)中，Q表示雨水道设计流量(L/s)；ψ为径流系数；q为暴雨强度(L/s/ha)；F为汇水面积。

根据污水排量与暴雨量总和与管网最大排量进行平衡分析,建立模型,对暴雨量进行计算,如图5所示。

图5 暴雨量计算

从该研究区的暴雨量(表9)与管网排水量差额(表10)的计算结果来看,在设计暴雨的重现期为P=1时,排水管网在现有能力下能够适应;当设计暴雨重现期P>1时,排水管网在现有能力下将不能适应,很容易产生城市雨洪问题,如图6～7所示。

表9 暴雨量(L/s)计算结果汇总 单位：L/S

表10 管网排水量差额计算结果汇总 单位：L/S

图6 暴雨量柱状图

图7 管网排水量差额柱状图

4 结束语

本文主要对基于GIS技术建立城市排水管网空间数据库、地形三维可视化,综合确定汇水区域,选择城市典型试验小区,建立雨洪预测预报模型,通过径流系数的计算、集水时间的确定、暴雨量的计算,对试验小区的雨洪预测预报模型技术路线进行了验证研究。在实际应用中,城市排水管网系统布设及城市排水管网最大排水量需要综合考虑城市雨水和城市生活污水的排放。利用GIS技术建立城市雨洪预测预报模型,可为城市雨洪预测预报及排水管网的设计和优化提供科学的依据。