城区内涝淹没分析中ArcGIS应用浅析

城区内涝淹没分析中ArcGIS应用浅析
黄为
【摘要】根据排水(雨水)治涝规划大纲要求,要求对有条件的特征流域采用数学模
型进行淹没分析.主要通过工程实例,研究一维水动力模型结合ArcGIS地形分析模
块在淹没分析中应用的可行性.针对典型流域采用一维SWMM模型进行排水分析
结合ArcGIS的方法进行淹没分析.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2015(036)004
【总页数】4页(P120-123)
【关键词】ArcGIS;一维模型;地形处理;淹没分析
【作者】黄为
【作者单位】深圳市防洪设施管理处,广东深圳518048
【正文语种】中文
【中图分类】TV992
2008—2012年间，全国62%的城市发生过城市内涝，内涝灾害超过3次以上的
城市有137个。

为保障人民群众的生命财产安全，提高城市防灾减灾能力和安全
保障水平，加强城市排水防涝设施建设，国务院办公厅下发了《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》(国办发〔2013〕23号)(以下简称《通知》)。

《通知》要求:“2014年底前，要在摸清现状基础上，编制完成城市排水防涝设施建设规划，
力争用5年时间完成排水管网的雨污分流改造，用10年左右的时间，建成较为完善的城市排水防涝工程体系。

”
全国各地陆续开展与治涝排水相关的规划或规范的编制，排水(雨水)治涝规划大纲中也提出有条件地区采用数学模型进行淹没分析，但对模型应用及深度未作要求。

因此本文针对典型流域采用一维SWMM模型进行排水分析，结合ArcGIS的方法进行淹没分析，并对该方法应用的优劣进行浅析。

1 研究对象
本研究选取马鞍山慈湖河下游段南塘圩区作为淹没分析研究对象。

南塘水系位于金家庄区中部，天门大道西侧，位于慈湖河中下游左岸，河道全长约2.6km，汇水面积2.01km2。

现状河道起点与湘苑小区东侧DN800管涵衔接，先沿天门大道由西向东至曙光路西侧约400m处，再向曙光路向北至马钢新区围墙南侧，现状同意二泵站处，由泵站抽排至马钢新区内排水渠道中，再由马钢4号泵站抽至慈湖河。

2 淹没分析原理
淹没分析的机理是由于洪水源区和被淹没区有通道(如溃口、开闸放水等)和存在水位差，从而产生淹没过程。

洪水淹没最终的结果应该是水位达到平衡状态，此时的淹没区应为最终的淹没区。

由于地形数据的限制，无法建立二维模型模拟内涝淹没图，而采用溢流水量在三维地形图上进行分析从而确定淹没范围。

计算原理为Surface Volume计算面积和容积原理，见图1。

3 淹没分析流程
淹没分析分析流程如下:
a)根据区域1∶5000地形图生成库区TIN和DEM。

主要步骤为:①添加矢量数据:Elevpt_Clip、Elev_Clip、Boundary、Cihu;②激活“3D Analyst”扩展模块，
创建TIN文件;③由TIN转栅格，指定相关参数:采样距离。

b)根据慈湖河流域相关规划、项目可行性研究及世行相关文件，确定各汇水分区设计应确保支流和泵站能处理10年一遇的降雨，因此采用10年一遇降雨作为现状
淹没分析的降雨输入;
降雨边界中，10年一遇降雨依据“84办法”分析确定。

最大1小时雨量与最大
24 h雨量的比值，查得暴雨衰减指数(n)，确定其3 h雨量占24 h雨量的比值，
降雨过程采用不同时段设计雨量内含的形式分析确定。

图1 淹没计算原理
c)根据现状地形、泵站规模、管网建立SWMM模型，计算各汇水分区现状发生
10年一遇暴雨时的溢水量。

在充分研究了南塘分区下垫面信息和管网分布情况后，根据南塘分区的地形特点和道路分布将其概化为69个子汇水区，各汇水区形状面积不等;根据河道概化原则，保持河道的水利特性与天然河道的水力特性相同，即
输水能力和调蓄能力与实际河道基本一致。

把管网、河道的物理资料输入模型中，建立管网-河道水系模型，共有管道56段，管网节点55个;SWMM模型需要的数据包括:曼宁系数、平均坡度(%)、不透水面积(%)、流域特征宽度、洼蓄量(透水区、不透水区)、粗糙率(透水区、不透水区)、管道埋深等。

图2 10年一遇24 h降雨过程线
根据现状地形图、规划图、SWMM计算手册和率定成果，确定相关参数的取值。

表1 南塘分区相关参数取值?
其中SWMM使用手册中综合CN(Curve Number)值为径流曲线数，为下垫面径
流系数的特征反映值(下同)，计算采用加权平均法，其计算方法为:
综合CN值=透水区比例*透水区CN值+不透水区域比例*不透水区CN值。

因此综合CN值确定依据为透水区CN、不透水区CN及不透水区域的比例。

在透水率无法通过地形确定的情况下，可以根据土壤类型、下垫面种类、下垫面水
文状况、地形坡度及降雨前土壤湿度有关。

在C类土壤条件下，由乔木、灌木、草皮混合下垫面的综合CN值为72～82，其中植被覆盖状况良好时，透水率较高，综合CN值为72，中等时为76，较差是径流因子为82。

考虑一般城市不透水率情况，绿地植被状况较好，故参考使用手册，反算透水面的CN为75，与率定结果65～83.5吻合，因此确定透水区CN值为75。

坡度是雨水集蓄工程位置选择的重要因素。

坡度图由DEM数据生成，将DEM数据导入ArcGIS10软件，提取坡度因子;根据国际地理学联合会地貌调查与制图委
员会关于地貌详图应用的坡地分类划分坡度等级，南塘片坡度区＞0～0.5°，为平原。

透水区曼宁系数是反映子流域透水部分地表水流汇集的曼宁系数，不透水区曼宁系数是反映子流域不透水部分地表水流汇集的曼宁系数，均属汇流参数。

根据参数敏感性分析，其重要性不如CN值及坡度，因此采用值主要依据SWMM使用手册，不做深入率定分析。

图3 南塘汇水分区模型结构
d)应用ArcGIS的3D Analyst toolbox的Surface Volume栅格空间分析功能，
集水路径是确定雨水集蓄工程位置的必要参数，雨水集流节点是流域中不同等级集水路径的交汇点，而不同等级的交汇点能够反应出集水面积和集流累积量的变化。

在ArcGIS10软件平台下，对DEM数据进行填洼(fill)、流向(flow direction)及水流累积量(flow accumulation)分析处理后，提取集水路径。

DEM中某一栅格点若能够形成水系，则上游存在一定面积的集水面，因此可以给定一个适当的最小集水面积阈值，上游集水面积等于最小集水面积阈值的栅格被定义为河源，上游集水面积大于最小集水面积阈值的栅格被定义为水系，在ArcGIS10中通过地图代数(map algebra)来实现。

e)转换为矢量数据，采用Surface Volume功能对流域地形进行库容分析，采用Surface Difference功能，结合溢水井的布置，求出低于溢水量的区域，生成水深图，同时结合管网分布，根据实际地形的连通性确定实际被淹没的区域，即为低洼易淹、排水困难等内涝风险区。

图4 Surface Volume功能界面
4 淹没范围图
对规划南塘分区进行淹没分析，淹没面积见下表。

表2 淹没面积统计溢水点编号所在汇水分区淹没面积/m2 123南塘154195.1354601.1119899.2
图5 南塘分区淹没
根据图5及淹没面积统计表可以判断在设计降雨情况，汇水区淹没水深、淹没时间、淹没面积等基本参数，淹没时间为15min～1.5 h，最深处淹没水深1.8m。

可见南塘分区主要问题为出口排水不畅，且中游排水系统存在卡口段。

5 工程方案设计
结合淹没分析，进行工程方案设计。

排涝工程规模确定原则主要为满足地形对泵前水位的要求，参考GB 50014-2006《室外排水设计规范(2014年版)》各个集流井位置满足淹没水深小于15 cm，淹没时间小于1 h作为确定涝区控制条件，各个排水分区最高控制水位确定为为了保证设计暴雨频率下，泵站流域范围内不产生涝区采取的最高水位。

试算各汇水分区泵站规模。

需要同过建设河口同意二泵站来解决片区内涝问题。

河道整治起点位于新建同意二泵站处，先由北向南穿过北塘路至慈湖蔬菜批发市场，再由东至西穿过南塘花园及南塘嘉苑小区，最后与怡和嘉苑小区DN2000管涵相衔接。

表3 南塘分区河网水系规划方案方案渠道底宽/m NT0+000-0+300 NT0+300-0+400 NT0+400-1+000 NT1+000-1+400 NT1+400-1+920推荐方案40 15
9.5 12 7
在设计工况下，对暴雨重现期5、10、20年的工况进行模型计算，得到规划模型泵站流量。

表4 不同频率不同工况模拟成果暴雨频率(重现期)/年24 h雨量/mm泵前水位/m 最低最高泵站流量/(m3·s-1)5141.8 5.1 6.7 4.010 184.2 5.1 6.7 7.020 226.8 5.1 6.7 8.5
可见，在满足区域内已经建设城区及规划城区雨水排放的条件下，确定南塘水系河口处最低控制水位(死水位)5.10m，最高控制水位(设计水位)6.70m，建议同意二泵站的设计流量为7.0m3/s。

6 计算成果讨论
a)在模型演算过程中，发现对于南塘片区内涝淹没的解决方案中，雨水集蓄工程约束集的确定有一定的局限性，特别是径流潜力的划分，在应用时仍然以泵站和管网优化为主要应对措施。

受限于设计区域规划管网深度的限制，SWMM模型只包含了河网及雨水干管，对局部管网的模拟精度也有一定影响，主要表现在汇水子流域的划分上。

b)SWMM模型确定CN值时，课题组径流模拟实验和他人对SCS-CN模型的研究成果综合确定的CN值。

在计算不同下垫面的径流潜力时，采用加权平均方法得到CN综合值，该方法虽然能够反映不同土地利用 -水文土壤组(HSG)相应径流量的变但未能反映下垫面土地利用时空动态变化对降雨-径流关系有重要影响。

因此，如何表征土地利用时空动态变化对降雨-径流关系的影响仍需深入研究。

7 结论与建议
首先通过一维模型计算淹没水量，然后根据溢水点位置及地形利用ArcGIS分析淹没范围及深度。

采用该方法对复杂地形淹没分析计算，并与传统经验公式水量-枯荣法进行对比分
析，结果表明，模型计算结果与传统经验公式计算结果差别在可接受范围之内，二者总体上趋于一至，结果可靠。

该方法对汇水区进行概化，因此未能真实反映流域汇水过程，因此在地形数据较为完善的地区，成果合理性不如二维水动力模型更能反映水流运动过程。

但相比建立片区二维水动力模型，该方法运算时间短，在地形数据质量较低的地区，成果与二维模型基本一致，因此可以作为淹没分析的简单替代方法。

参考文献:
【相关文献】
［1］刘兴坡，刘遂庆，李树平，等.基于SWMM的排水管网系统模拟分析技术［J］.给水排水，2007(4):105-108.
［2］赵树旗，晋存田，李小亮，等.SWMM模型在北京市某区域的应用［J］.给水排水，2009，35(增刊):448-451.
［3］刘俊，徐向阳.城市雨洪模型在天津市区排水分析计算中的应用［J］.海河水利，2001(1):11-13.
［4］ Vassilions A.Tsihrintzis，Rizwan Hamid.Runoff quality prediction from small urban catchments using SWMM［J］.Hydrological Processes，1998，12(2):311-329.
［5］党安荣，贾海峰，易善桢，等.ArcGIS 8 Desktop地理信息系统应用指南［M］，北京:清华
大学出版社，2003，50-55;360-363.
［6］王玲，吕新.基于DEM的新疆地势起伏度分析［J］，测绘科学，2009，34(1):113-116. ［7］韩奎峰，康建荣.动态矿区DEM生成方法及其在土地复垦中的应用研究［J］，测绘科学，2009，34(3):161-163.
［8］谢顺平，都金康，罗维佳，等.基于DEM的复杂地形流域特征提取［J］，地理研究，2006，25(1):96-103.。