基于城市高精度點云地形數據的排水分區(qū)動態(tài)劃定方法
準確劃分不同降雨特征下的城市排水分區(qū)，表征徑流路徑，計算徑流量并反應真實工況是排水精細化運營、規(guī)劃設計模擬分析的關鍵環(huán)節(jié)。鑒于城市降雨不平均、地形地勢與人工構筑物豎向復雜、洪澇災害后影響重大等顯著特征，結合高精度雷達點云地形數據，提出基于高精度點云數據的排水分區(qū)動態(tài)劃定方法。同時，闡述劃定方法中的基本流程和技術要點，并以某下凹橋區(qū)排水分區(qū)為例進行介紹。
1 城市劃分排水分區(qū)存在的主要問題與影響
1.1 無法準確劃定排水分區(qū)范圍
城市排水分區(qū)決定了排水系統(tǒng)規(guī)劃、設計，以及運維管理工作的基本單元。實際劃分排水分區(qū)的過程中，由于如下方面原因，造成排水分區(qū)很難準確反映真實降雨中的匯流情況。這些原因包括：①徑流匯流范圍與場次降雨雨量、區(qū)域地形和滲透能力等特征相關，特定降雨條件下，既可能出現匯水面疊加的情況，也可能出現部分匯水面的雨水徑流無法流入排水系統(tǒng)的情況；②劃分排水分區(qū)所采用的基礎數據精度低；③規(guī)劃與實際建設后的豎向、排水系統(tǒng)布局有差異；④手動劃分方法本身高度依賴于現場踏勘、經驗等人為判斷。
通常，在非城鄉(xiāng)建設區(qū)域或者面積小、總體豎向比較順暢的城市排水分區(qū)中，傳統(tǒng)的手動方法結合模型泰森多邊形方法劃分排水分區(qū)，已能夠支持基于最大流速為計算依據的規(guī)劃與設計工作。而針對人口密度大、經濟集中度高的城市中心城區(qū)，單位面積遭受洪澇災害所帶來的影響遠高于其他區(qū)域，城市地形的復雜程度也更高，此時傳統(tǒng)方法劃分排水分區(qū)的結果常常存在不準確的問題，進而影響對洪澇災害進行準確預測、預報與應急管理。
1.2 無法反映不同暴雨重現期下排水分區(qū)的變化
近年來，隨著地形資料精度的提升，以及大范圍劃分排水分區(qū)的需求，國內開展了相關研究，主要通過實測的地表地形數據，結合GIS分析工具劃分排水分區(qū)。王巖等針對現有基于DEM流向分析的劃分方法存在的無法正確反映實際城市復雜地形和流向問題，提出了一種顧及地類和流向，適用于大尺度平原城市的精細匯水區(qū)分級劃分方法。朱治州等提出了顧及多要素的城市地表匯水區(qū)分級劃分方法，將城市地表劃分作三個等級，結果表明分級劃分法所得匯水區(qū)分別在SWMM模型與MOUSE模型中的模擬結果均比泰森多邊形法的更加準確，證實了地表匯水分析方法能夠應用于較復雜的城市匯水區(qū)劃分，可為城市防洪減災研究和災后恢復工作提供指導。薛豐昌等提出了一種面向城市平原地區(qū)分級劃分匯水區(qū)的技術方法，既結合了傳統(tǒng)DEM生成子流域的算法，又融入了城市區(qū)域地物地貌特點，能更好地滿足城市地區(qū)的需要。
上述方法基本說明基于地表實測數據的排水分區(qū)劃分方法具有可行性。但基于GIS水文分析工具劃分的排水分區(qū)是以填洼處理后的地形數據進行劃分，只能表達全部地表低洼空間填滿后（即最不利情景）的排水分區(qū)范圍，無法反映不同降雨條件下子排水分區(qū)之間先分散并逐步疊加的動態(tài)變化，也就不能反映城市下凹橋等積水易澇點在不同降雨條件下由于排水分區(qū)變化帶來的影響。
2 高精細雷達（Lidar）點云數據的地表徑流分析
綜上所述，在中心城區(qū)對超標暴雨所造成的真實風險進行預測，首先需要做好精確的排水分區(qū)的劃分工作。該項工作既包括獲取和處理更高精度數據，也包括能夠通過模型方法基本表達不同程度的超標暴雨條件下，匯水面變化的情況。
近年來，隨著激光雷達技術（LIDAR-Light detection and ranging)以及GIS在測量領域的應用和發(fā)展，可以獲取精度遠高于傳統(tǒng)測繪地形數據的數字高程模型（DEM）和數字地表模型（DSM），見圖1。結合HECRAS、TUFlow、Infoworks ICM、MIKE Flood等兼顧區(qū)域性洪澇分析功能的模型軟件的不斷升級，使得利用二維水力學模型快速模擬城市復雜地形條件下地表洪水流動過程成為可能。
基于測繪數據和模擬軟件的提升，新西蘭、美國等國家在雨洪管理上比較先進的部分城市，已經逐步采用點云DEM數據開展排水分區(qū)劃分、地面徑流通道識別以及暴雨精細化模擬，并直接指導風險區(qū)域的劃分、應急預案的制定等城市管理工作。其中，新西蘭奧克蘭市自2012年開始，開展了基于點云地形數據（4～10個/m2的激光采集點測繪精度采集的地表DEM數據）進行排水分區(qū)劃分并繪制高精度的洪澇風險圖的工作，當前已基本完成了奧克蘭全境超過4 000km2的市域范圍的分析工作。休斯頓在2001年的熱帶風暴ALISON 造成的嚴重洪水災害后，實施了熱帶風暴恢復工程（TSARP）。在對轄區(qū)內的22個流域建立了GIS和DEM基礎上的全新的HEC-HMS、HEC-RAS模型，編制了美國第一個數字化的洪水風險圖，而排水分區(qū)的劃分，無疑是洪水風險圖的核心問題。
相較上述國家開展的較大規(guī)模的高精度排水分區(qū)劃分和洪澇風險圖的繪制工作，當前我國尚未確立城市洪澇風險圖的繪制標準、方法及精度等要求。對于地表漫流系統(tǒng)以及基于點云數據的高精度分析，尚缺少長期的積累和實踐，僅在北京、深圳等地開展探索性的相關工作。
3 基于點云數據劃分排水分區(qū)的目標和原則
綜合運用高精度的點云地表數據和模型軟件，能夠彌補傳統(tǒng)排水分區(qū)劃分的諸多問題，包括更準確地劃分地表排水分區(qū)、反映不同重現期之間的排水分區(qū)的變化以及表征區(qū)域主要的徑流匯流線路。如果這些問題能夠得到比較全面的改善，不僅能更好的指導規(guī)劃和設計工作，而且能夠對超過常識經驗的超大暴雨的情景進行分析，為預警和應急措施布置提供重要依據。
3.1 目標
對比傳統(tǒng)排水分區(qū)劃定方法與真實情況的區(qū)別，結合數據和模擬方法的特征，基于點云數據結合模擬分析的排水分區(qū)劃分方法應實現如下目標：①對超過管渠系統(tǒng)排放標準的地表徑流匯流過程進行分析；②實現不超過2m網格的分析精度，比較準確地表征復雜城市地形條件下的匯流過程；③在復雜地形和連續(xù)起伏區(qū)域，能夠表征不同降雨條件下子排水分區(qū)相互疊加的影響；④方法對模型和計算機處理能力要求適中，具有可操作性。
3.2 基本原則
3.2.1 精度優(yōu)先原則，提高地形數據精度和模擬運算精度
鑒于該方法主要應對城市超標降雨所造成的內澇事件，因此有必要簡要對該類型事件特點進行討論。通過全國多次典型暴雨事件的分析，城市超標降雨造成的內澇事件與由于河道行洪能力不足造成的洪水災害有明顯不同。在超過排水管渠系統(tǒng)的排放能力時，地表徑流是徑流匯集的主要來源，同時城市道路（既包括市政道路也包括小區(qū)內的道路）成為了轉輸地表徑流的主要途徑。在這種條件下，如果地表徑流分析的數據精度和分析精度不足以描繪城市道路徑流的精確走向，或不足以分辨城市道路的詳細邊界和平面定位，都無法形成對積水內澇防治和預警工作的有效的分析成果。因此，獲取的地形數據的精度需要至少滿足能夠清晰看出建筑物、城市道路的要求。從各國的實踐和點云數據測繪的精度要求來看，一般測繪和成果精度不超過2m。
3.2.2 基于精度優(yōu)先原則，兼顧運算能力
隨著數據精度的提升，計算機進行復雜模擬分析的運算時間往往成倍增加，因此需要對數據按照匯流關系進行拆分，同時找到合適的水文計算精度。
涉及到較大中心城區(qū)，例如上千平方公里高精度的地形數據分析，通常將一個大的流域或中心城區(qū)，劃分為多個排水分區(qū)進行運算。該方法針對地表坡度順暢，排水分區(qū)邊界清晰的區(qū)域往往比較容易劃分。對地勢比較平緩的城區(qū)，往往以河道或主干排水系統(tǒng)為軸線，手動劃分的排水分區(qū)。但對于排水分區(qū)之間的邊界區(qū)域，很難通過手動劃分描述準確，需要多次試算和計算機分析，確定比較準確的流域層面的排水分區(qū)，以此為基礎進一步劃分排水區(qū)域。一般來說，流域拆分的單元規(guī)模應按照單次能夠進行二維洪澇模擬的運算規(guī)模確定。另一方面，對于水文計算要求的地形數據精度，經過多個不同地形特征項目的多次實驗，一般采用5m網格，能夠比較好的平衡運算時間和精度要求。
3.2.3 模擬確定排水分區(qū)變化的臨界降雨
城市地形復雜，徑流在匯集的過程中，起伏道路、洼地、立交橋等空間加劇了劃分排水分區(qū)的難度。假定僅為計算地表徑流峰值所造成的災害影響考慮地表徑流排水分區(qū)，不同降雨總量下，遭受內澇災害的低洼點可能有不同的匯流范圍。如圖2所示，某排水分區(qū)的地表徑流匯流過程中有一處明顯低洼空間，那么在不超過能夠填滿低洼空間的臨界降雨的情況下，排水分區(qū)末端出流點P點只收集排水分區(qū)Aa1的地表徑流。但如果持續(xù)降雨，低洼空間被填滿，則有可能P點收集全部排水分區(qū)，即Aa1+Aa2的全部地表徑流。這種情況通常在連續(xù)下穿橋區(qū)、城市中心低洼地比較常見。因此，為得到比較準確的排水分區(qū)劃分結果，應選用多場降雨進行模擬分析，明確不同匯水面之間的銜接關系，并確定臨界降雨量或降雨強度。
3.2.4 全流程逐級分步進行數據和成果校核
由于測繪數據精度和分析精度都對比傳統(tǒng)方法提升明顯，雖然理論上能夠比較準確的定位地表徑流通道的位置，但同時也需要數據的真實性經過充分的調研和核實，需要高質量完成且貫穿整個工作流程。
4 基于點云數據劃分排水分區(qū)的主要流程和技術要點
4.1 主要流程
為實現高精度和表征動態(tài)變化的兩個主要目標，需要重新建立排水分區(qū)劃分的基本流程，同時兼顧模擬計算的經濟性和優(yōu)化調整過程的靈活性。初步可行的技術處理流程，包括地形數據處理、確定流域排水分區(qū)、模型分析和最終確定排水分區(qū)等主要步驟（見圖3）。
圖3 排水分區(qū)邊界劃定方法流程
4.2 技術要點
4.2.1地形數據處理
（1）地形數據技術要求。通過點云測繪，能夠得到每平方米4～10個點不等的Lidar高程點數據。通過該方法，能夠獲取精度高、能夠反映城市漫流系統(tǒng)要素的高程數據。通過對比對不同下墊面數據形式表征地形流向準確度的分析結果，最終得出，以DEM數據為基礎，疊加建筑、下凹橋區(qū)等重要地形要素的地形數據，能夠兼顧準確與表達城市淹沒范圍的關系。該地形需至少包括：①建筑外輪廓與高程數據；②地面高程數據；③城市道路邊界和詳細高程數據；④下凹橋區(qū)下層或易積水區(qū)域的高程數據；⑤城市河道邊界及堤頂高程等。
（2）地形修正。由于地面地形精細，但墻體、過橋涵洞等影響徑流流向的關鍵要素如果無法準確識別，很容易形成數據誤差，從而導致徑流流向判斷不準確的狀況。因此，通常需要經歷至少一個雨季的現場踏勘和矯正，才能作為比較準確的地形數據使用。
主要地形修正內容包括：①去除不合理的圍擋構筑物及局部十字路口地形高程，保證路徑準確。圖4為十字路口標高修正示例，其結果為路徑由東南流向轉向東北流向，匯水面范圍也隨之改變;②修正高架橋、立交橋、過街天橋區(qū)不合理地形，保留最底層高程信息；③調整地形高程以實現大型管涵的排水效應。城市一些大型管涵可以視為永久性的排水通道，需要充分考慮其排水作用。圖5為管涵地形調整示例，降低了管涵所在的局部地形高程，其結果為低洼區(qū)內路徑變得真實準確，從而可以準確識別匯水面。
4.2.2 流域排水分區(qū)劃分
基于修正DEM的流域劃分方法，主要步驟為水流方向分析和流量累計網格數計算，這是一種通過地表高程坡向識別路徑和匯水面的水文分析法，通過ArcGIS的水文工具箱實現。處理流程可以概括為：流域排水分區(qū)初步劃分、地形填洼、定義河道、確定流域范圍、排水分區(qū)組合修正這四個主要步驟。
（1）流域排水分區(qū)初步劃分。流域尺度往往較大，除了高密度的城區(qū)范圍，還包括上游山區(qū)，切分出的整體流域外邊界需至少包含完整的研究范圍，在此基礎上，對山形，河流，橋梁等地形要素進行初步判別劃分出一級子流域。
（2）地形填洼。當“水流”流經地形中下凹的低洼區(qū)域的最低點，由于四周網格地形均高于最低點，此時所有計算的坡向均為逆坡，計算機無法依據最大正向坡向的原則識別下一步路徑，為了避免出現這種問題，流域劃分的第一步需要對地表低洼區(qū)域進行填充洼地的處理，處理的結果是抬升低洼區(qū)域的地形標高，實現正向坡度的計算（見圖5）。
（3）定義河道。通過提取累積流量數值大于某一流量閾值的網格來定義河網。例如提取匯水面大于1 hm2的網格，則流量閾值為1 hm2除以單一網格面積。該結果也可以轉化為線矢量文件。下圖為提取的河網矢量數據。
（4）劃分并確定子流域。通過計算水流方向和提取的河網結果，采用Watershed工具可以從DEM中自動劃分流域邊界。上述流域劃分方法通常適用于大型自然流域，在城市流域范圍使用該方法需要特別注意所采用的地形需要具備高精度的特征，否則無法準確計算流向和累計流量數值。同時對錯誤地形的校正準確與否也會影響模擬的結果。
（5）排水分區(qū)組合修正。初步劃分的一級子流域邊界與實際流域邊界并不完全吻合，在劃分完二級流域邊界后，觀察一級子流域交界處的二級流域邊界，對不完整的二級流域邊界進行地形重組修正。此外重新審核由于地形偏差造成的錯誤流域邊界劃分結果，例如跨河橋，圍擋等不合理的構筑物阻礙，對地形修正后重新劃分（修正對比結果見圖6）。
4.2.3 不同重現期降雨地面漫流過程模擬
（1）模型模擬。采用美國水文中心發(fā)布的最新版HEC-RAS模型軟件，模擬獲得不同降雨情景下，地表積水的區(qū)域范圍、水深、流速和積/退水情況等重要水力要素信息。選用北京市2h歷時的芝加哥雨型作為降雨邊界，地形網格精度為5m，時間步長為1min，該網格尺寸兼顧了模擬運算精度和運行時間。
（2）確定臨界重現期。綜合比對降雨重現期從小到大（降雨量從小到大）的不同降雨工況下的地表徑流流態(tài)和水深變化情況，統(tǒng)計重要低洼區(qū)域的積水量和水深，重點觀察其滿水后的徑流流向變化過程，最終確定不同低洼區(qū)風險區(qū)積滿水后開始轉輸徑流至下游的臨界降雨工況。
5 某下凹橋區(qū)排水分區(qū)劃分案例
5.1 下凹橋區(qū)排水系統(tǒng)概況
該下凹橋為城市主干道路下穿鐵路形成的，橋區(qū)范圍內雨水管線總長度約14.3km，管徑在400~1 350mm其中，橋區(qū)主干管網（管徑1 350mm）接入下游城市道路雨水主干管（管徑2 600mm），最終排入末端河道。橋區(qū)主干管網（管徑1 350mm）主要收集橋區(qū)道路及周邊部分地塊的雨水，對應的排水分區(qū)范圍約為12 hm2，如圖7所示。2021年8月16日晚發(fā)生暴雨事件，該橋區(qū)積水嚴重，最大積水深度達到2m，積水時間約為40min。
5.2 下凹橋周邊區(qū)域地表徑流路徑與低洼區(qū)分析
通過獲取橋區(qū)周邊區(qū)域2m網格的雷達點云數據，分析橋區(qū)上游地表徑流路徑與低洼區(qū)分布，進而分析橋區(qū)地表徑流匯流范圍可能產生的變化和影響，地表徑流路徑和低洼區(qū)分析結果如圖8所示。暴雨發(fā)生時，在地下管網滿負荷運行的情況下，雨水徑流延地表逐級匯流排放，途徑低洼區(qū)需要先填滿后才能繼續(xù)流至下游，從圖8中可以看出，該下凹橋區(qū)的北側與南側各有一條主干地表徑流通道，當降雨超過一定的臨界降雨量即上游低洼區(qū)被填滿后，地表徑流可能分別從橋區(qū)的南側和北側道路匯入橋區(qū)，進而加劇橋區(qū)的積水內澇問題。因此，對臨界雨量的模擬分析對于研判橋區(qū)匯水范圍可能產生的變化及影響至關重要，從而進一步支撐對不同降雨條件下橋區(qū)可能產生的積水風險進行提前預警并制定有針對性的應急預案。
5.3 下凹橋區(qū)排水分區(qū)范圍的動態(tài)變化分析
利用HEC-RAS對該橋區(qū)在不同降雨情景下的地表漫流動態(tài)過程進行模擬分析，模擬結果顯示，當降雨量小于80mm時，該下凹橋區(qū)的地表匯流范圍與排水管網的收水范圍基本對應，面積約為12 hm2；當2h降雨量超過120mm時，地表徑流開始延南側道路匯入橋區(qū)，匯水面積迅速擴大至120 hm2；當2h降雨量超過200mm時，地表徑流延北側與南側道路分別匯入橋區(qū)，匯水面積又擴大至150 hm2；當2h降雨量超過300mm時，上游更大范圍區(qū)域的來水延北側與南側道路分別匯入橋區(qū)，匯水面積擴大至300 hm2，如圖9所示。
6 總結與展望
城市建成區(qū)對比非城市區(qū)域，單位面積所對應的災害損失呈數倍增加，因此傳統(tǒng)排水分區(qū)的劃分方法已經難以描繪暴雨條件下排水系統(tǒng)與地面系統(tǒng)所受到的影響。對于下穿橋區(qū)、隧道或者其他地形復雜的區(qū)域，排水分區(qū)的劃分對于汛期防澇工作至關重要。尤其“高水”排水分區(qū)劃分的不準確，會對模型模擬、方案設計的結果與現實條件產生極大誤差，最終導致無法應對汛期暴雨。
而基于雷達測繪的點云數據進行排水分區(qū)分析，雖然相比傳統(tǒng)方法更為精確，但也同時對數據質量、現場校核、模型模擬提出了更高的質量要求。相對而言，劃定排水分區(qū)的經濟性缺少優(yōu)勢。因此，至少對于待開發(fā)城區(qū)、重要地區(qū)和具有較高風險的區(qū)域，應優(yōu)先采用該方法劃定。