蘇炯恒 曹海濤

（廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510290）

城市內(nèi)澇一直是城市發(fā)展和管理的重大問(wèn)題，對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展形成巨大挑戰(zhàn)[1]。在氣候化和城市化的雙重影響下，城市水文特征和降雨模式不斷發(fā)生改變，極端暴雨天氣的不確定性越來(lái)越強(qiáng)[2-3]。城市不透水面積增多，綠地建設(shè)進(jìn)程緩慢，城市整體滲蓄能力與管網(wǎng)排水能力相對(duì)不足，導(dǎo)致內(nèi)澇頻發(fā)[4-5]。根據(jù)水利部公布的《2019年中國(guó)水旱災(zāi)害公報(bào)》，2019年的洪澇造成我國(guó)4 766.6萬(wàn)人受災(zāi)，658人死亡或失蹤，263.2萬(wàn)人緊急轉(zhuǎn)移，直接經(jīng)濟(jì)損失為1922.7億元。2021年7月，河南特大暴雨來(lái)襲，全省將近302人受災(zāi)，50人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)千億元[6]。國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布“關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知”和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳出臺(tái)“關(guān)于做好2021年城市排水防澇工作的通知”，均強(qiáng)調(diào)了排水設(shè)施建設(shè)和響應(yīng)方案的重要性。暴雨洪澇模擬是防洪排澇規(guī)劃和應(yīng)急管理的重要抓手，可為決策者提供科學(xué)有效的內(nèi)澇治理依據(jù)[7-8]。我國(guó)構(gòu)建洪澇模型的輸入數(shù)據(jù)較為缺乏，在數(shù)據(jù)有限的情況下實(shí)現(xiàn)大尺度、高效且精細(xì)化的洪澇模擬尤為重要[9-10]。本文借助DEM（數(shù)字高程模型）和GIS（地理信息系統(tǒng)）水文建模技術(shù)，在傳統(tǒng)空域建模法、水文分析法和TWI（地形濕度指數(shù)）提取法的基礎(chǔ)上，通過(guò)閾值組合優(yōu)化將空域、水網(wǎng)和TWI進(jìn)行優(yōu)勢(shì)融合，以期為洪澇模型構(gòu)建方法提供新思路。

1 方法論

借助GIS空域建模、水文分析和TWI提取技術(shù)，完成空域（數(shù)量、分布、尺寸）、蓄水空間（數(shù)量、分布、尺寸）、水網(wǎng)及徑流通路（結(jié)構(gòu)、連通性、流向和匯流累積量）的特征提取。選取面積、匯流累積量、TWI值和融合距離作為閾值，設(shè)定閾值邊界及數(shù)量，通過(guò)閾值組合優(yōu)化的方式，融合空域、水網(wǎng)和TWI的有效信息。構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以實(shí)測(cè)結(jié)果作為評(píng)價(jià)依據(jù)，通過(guò)與傳統(tǒng)空域優(yōu)化法和TWI優(yōu)化法進(jìn)行二維空間的對(duì)比分析，驗(yàn)證所提出方法的合理性。通過(guò)關(guān)鍵易澇區(qū)的空間表征（易澇范圍、易澇點(diǎn)分布、水流連通性），實(shí)現(xiàn)洪澇模擬的精細(xì)化表征，為洪澇應(yīng)急分析及管理提供決策支持。

技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

1.1 空域建模

空域主要存在于城市地表凹陷區(qū)域，降雨時(shí)容易受到雨水匯集而發(fā)生淹沒(méi)和溢流。依據(jù)GIS填挖分析、柵格點(diǎn)化、矢量計(jì)算、疊置分析和空間聚合等工具，可實(shí)現(xiàn)空域面積、體積、深度等尺寸信息以及具體位置、分布及高程的提取，構(gòu)建空域數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 水文分析

基于地表信息，借助GIS水文分析工具獲取流域水文特征描述。通過(guò)GIS偽洼地填充、流向分析、匯流累計(jì)分析、水網(wǎng)提取計(jì)算及矢量分析等工具，獲取水網(wǎng)特征信息（流向、匯流累積量及連通性），實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)徑流路徑的數(shù)值與空間表征。

1.3 TWI提取

TWI分析可通過(guò)考慮上游水流匯集的貢獻(xiàn)程度及地形，估算地表的干濕情況。通過(guò)GIS偽洼地填充、流向分析、匯流分析、矢量計(jì)算、坡度分析等工具，獲取TWI的空間分布及數(shù)值特征，完成蓄水空間及徑流通路的表征。

1.4 閾值組合優(yōu)化

依托上述特征信息，選取面積、匯流累積量、TWI值和融合距離作為閾值組合，通過(guò)確定每種閾值的邊界條件和提取數(shù)量，建立閾值組合優(yōu)化模型。聯(lián)動(dòng)四種閾值，描述不同閾值組合與模型精度關(guān)系，完成優(yōu)化方案的二維空間展示。

1.5 水文特征優(yōu)勢(shì)融合

城市易澇區(qū)域常見(jiàn)于地表空域、蓄水空間中，溢流水量根據(jù)地形由地勢(shì)較高的地方向地勢(shì)較低的地方流動(dòng)，形成徑流通路。在關(guān)鍵易澇區(qū)識(shí)別中，將城市地表空域、蓄水空間及徑流通路等進(jìn)行優(yōu)勢(shì)融合，獲取關(guān)鍵易澇區(qū)域。在設(shè)定模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)閾值篩選、空間合并、融合計(jì)算等方式，達(dá)到水文特征優(yōu)勢(shì)融合的目的。

1.6 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

評(píng)價(jià)體系構(gòu)建主要包括評(píng)價(jià)依據(jù)和評(píng)價(jià)方式，采用實(shí)測(cè)淹沒(méi)范圍作為評(píng)價(jià)依據(jù)，依據(jù)GIS二維空間分析，直觀顯示模型與實(shí)測(cè)結(jié)果的淹沒(méi)特征，評(píng)價(jià)模型構(gòu)建的質(zhì)量。

2 案例分析

2.1 研究區(qū)域

本研究區(qū)域主要用地類型為居住區(qū)，兼有少量工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和綠地，地勢(shì)西高東低，內(nèi)有凹凸不平。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年降雨量為1100mm左右，隨著降雨不確定性的增強(qiáng)及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，內(nèi)澇問(wèn)題日益嚴(yán)重。該區(qū)域通過(guò)監(jiān)測(cè)記錄不同降雨情景的淹沒(méi)范圍、水深、時(shí)間變化等，建立實(shí)測(cè)內(nèi)澇數(shù)據(jù)庫(kù)，為區(qū)域洪澇模型構(gòu)建、應(yīng)急管理提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)輸入

DEM為柵格數(shù)據(jù)，其柵格長(zhǎng)度代表DEM的精細(xì)化程度。DEM中的每個(gè)柵格均存有高程數(shù)據(jù)，依據(jù)DEM數(shù)據(jù)，可通過(guò)GIS分析、處理、提取等工具，實(shí)現(xiàn)地表特征信息的數(shù)字化模擬（如復(fù)雜地形地貌、低洼區(qū)域、徑流通路、坡度等）。研究以DEM作為輸入數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過(guò)激光雷達(dá)技術(shù)獲得，柵格精度2.5m×2.5m，高程精度0.01m，平均誤差<0.05m。

2.3 結(jié)果分析

傳統(tǒng)空域優(yōu)化法可識(shí)別較大范圍的易澇區(qū)域，但對(duì)徑流通路的捕捉能力較弱。傳統(tǒng)TWI優(yōu)化法捕捉徑流通路的能力較強(qiáng)，但較難獲取大范圍的易澇區(qū)域，且預(yù)測(cè)的易澇點(diǎn)較為分散，無(wú)效信息增多。提出的方法可以準(zhǔn)確識(shí)別更多的關(guān)鍵易澇區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵易澇區(qū)的拓展分析，精細(xì)化模擬程度有較大提升。該方法僅采用DEM作為輸入數(shù)據(jù)，可完成大尺度、大規(guī)模的洪澇危險(xiǎn)性分析，在保證準(zhǔn)確度的同時(shí)，大幅度降低數(shù)據(jù)量及模擬時(shí)間。

傳統(tǒng)空域優(yōu)化法和傳統(tǒng)TWI優(yōu)化法的二維空間顯示對(duì)比如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)空域優(yōu)化法和TWI優(yōu)化法的二維空間顯示對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種所需數(shù)據(jù)量少、高效且較為精細(xì)化的易澇區(qū)識(shí)別優(yōu)化方法，該方法通過(guò)有效融合空域、水網(wǎng)和TWI的水文特征，能夠提升淹沒(méi)分析的準(zhǔn)確度，可為大尺度、大規(guī)模的暴雨洪澇危險(xiǎn)性評(píng)估和應(yīng)急管理提供決策支持。該方法忽略地下管網(wǎng)，未來(lái)可通過(guò)考慮地下管網(wǎng)的作用，進(jìn)一步提高模型構(gòu)建的適應(yīng)性。