CN113609683A - 一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，属于市政工程技术领域。融合了盆域分析和泰森多边形法，将地形因素纳入子汇水区划分过程，有效提高了复杂地形下雨水管网子汇水区划分精度，并可以应用在大范围区域的雨水管网系统自动、批量划分子汇水区。与传统的泰森多边形法相比，划分精度高；与人工手动划分方法相比，操作简单、节省时间和精力。
Description
技术领域
本发明属于市政工程技术领域，是一种充分考虑地形的城市雨水管网子汇水区划分方法，尤其是雨水管网模型构建过程中的高效、精确的子汇水区划分方法。
背景技术
子汇水区划分是城市雨水管网模型构建的关键步骤，其划分结果对城市雨水管网模拟精度有较大影响。目前，我国各地城市化进程发展加快，地表不透水面积增加，极端暴雨事件频发，从而导致内涝灾害激增。内涝模拟是解决城市内积水灾害问题的重要手段，而高精度的城市雨水管网模型是模拟城市内涝灾害的重要基础。城市雨水管网模型利用城市降雨、地形、管线工程等基础数据，模拟城市内的产流及汇流过程，得到城市管网的排水能力及淹没状况。在雨水管网模型中，子汇水区划分会影响管网节点处的雨水入流过程以及管道内的雨水汇流过程，进而影响模型的模拟精度。为提高城市雨水管网模型精度，需要合理划分子汇水区。
城市雨水管网子汇水区划分方法中以泰森多边形法运用最为广泛。泰森多边形法一般采用管网节点或者出水口作为子汇水区划分据点得到管网子汇水区。然而泰森多边形法划分子汇水区存在未考虑地形因素的局限性，过于均分汇水区，导致与实际汇水范围存在一定的偏差。因此，基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法将盆域分析和泰森多边形法相结合，充分考虑地形因素，能够批量、准确划分雨水管网子汇水区，提高雨水管网模型精度。
发明内容
为解决城市雨水管网子汇水区划分不精确问题，提出一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，有助于提高雨水管网子汇水区划分精度。
一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，包括：初级汇水区划分、初级汇水区的修定和雨水管网子汇水区详细划分。具体实现方法如下：
1)依据高分辨率的数字高程模型栅格数据进行盆域分析，划分初级汇水区：
①地形填洼处理；为避免地形数据中有人为因素导致的地形误差而形成不合理水流方向的情况，需对错误的低洼点进行填洼处理；运用DEM Manipulation中的Fill sink工具对DEM栅格数据进行填洼处理；
②流向分析；根据每个DEM栅格的最陡坡方向，运用D8流向原理即水从最陡坡路径由高处流向低处原理，连通各像元流向栅格；运用Flow Direction工具完成区域的流向分析；
③流量分析；基于流向分析后，统计每个像元流向栅格的累计汇流流量值；运用Flow Accumulation计算流量；
④地表径流分级处理；基于汇流累积量数据设定阈值，利用所设定的阈值对汇流量大于阈值的栅格设定为1,而小于或等于阈值的栅格设定为无数据，由栅格计算器可得到栅格径流网络。在ArcMap里加载水流方向数据和栅格径流数据，在Arc Toobox中选择分级工具，ArcGIS的水文分析提供两种常用分级方法:Strahler分级和Shreve分级。本发明采用Strahler分级方法，运用Stream Definition和Stream Segmentation工具，最终对整个区域分析并生成一个新的城市径流分级栅格图层；
⑤地表径流网矢量化；以分级后的径流为依据划分地表径流范围；运用CatchmentGrid Delineation工具划定地表径流网络边界线；
⑥生成盆域；地表径流网络边界线所包含的区域即为上游汇流区域，形成初级汇水区；运行Catchment Polygon Processing工具最终将城市划分为若干盆域即本文的初级汇水区。
2)对步骤1)中形成的初级汇水区，对不存在管网节点的初级汇水区，进行合并处理，原则是最临近且高程差异最小，实现新初级汇水区的修定；
3)在修定后的初级汇水区基础上，采用泰森多边形法将其详细划分为雨水管网子汇水区。
进一步的，步骤1)划分的初级汇水区充分考虑了地形因素，得到城市地表径流单元，汇流相对集中、高程差距小。
进一步的，步骤2)是在获得的初级汇水区基础上,按照“最临近且高程差异最小”的原则进行特定的合并，即选择无管网节点的初级汇水区区域最临近且高程差异最小的周边初级汇水区进行合并，一般为两个不存在管网节点的初级汇水区进行连接合并，确保连接合并后每个初级汇水区范围内均至少包含一个管网节点；
进一步的，步骤2)修定的初级汇水区为包含一个管网节点的初级汇水区或包含2以上的管网节点的初级汇水区。
进一步的，步骤3)采用泰森多边形法时，对于仅有1个管网节点的初级汇水区即为该管网节点的子汇水区，无需进行泰森多边形划分；对于包含2个或2个以上管网节点的初级汇水区，依据管网节点位置运用泰森多边形法再进行详细划分，得到雨水管网子汇水区。
进一步的，步骤3)划分的雨水管网子汇水区，其汇水范围内有且仅有一个管网节点与管网子汇水区对应。
本发明产生的有益效果是：本发明融合了盆域分析和泰森多边形法，将地形因素纳入子汇水区划分过程，有效提高了复杂地形下雨水管网子汇水区划分精度，并可以应用在大范围区域的雨水管网系统自动、批量划分子汇水区。与传统的泰森多边形法相比，划分精度高；与人工手动划分方法相比，操作简单、节省时间和精力。
附图说明
图1为基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法流程图；
图2为初级汇水区划分流程示意图；
图3为初级汇水区修定示意图；
图4为雨水管网子汇水区详细划分示意图；
图5为三种方法划分出的雨水管网子汇水区；
图6为实测液位与模拟液位对比曲线图；
图7为实测流量与模拟流量对比曲线图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并限于以下实施例。
实施例1：
以北京市某区域为例，该研究区域面积424公顷，含盖了907条主干管，管段总长29.687公里，902个管网节点，DEM为分辨率10m×10m的栅格数据。分别用基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法(为方便描述，以下均简称为“BATP法”)、人工绘制法和传统泰森多边形法划分研究区的雨水管网子汇水区并构建了雨水管网水力模型，如图2所示。
人工绘制法划分子汇水区是专业人员依据DEM高程栅格数据、卫星影像图和研究区域不同用地类型，精细化地物高程数据后，根据管网、节点、出水口的位置及属性手动勾画出每个子汇水区的方法。该方法的划分工作过程繁琐、工作量大，但能准确吻合实际管网情况下管网节点所服务的汇水区范围。因此，以人工绘制法划分的子汇水区进行产、汇流参数率定，然后将率定后的参数分别输入BATP法、传统泰森多边形法所构建的雨水管网模型中，运用实测降雨进行模拟，将模拟结果与实测数据对比分析三种方法的模拟精度。
模型模拟精度的评判标准采用《城市内涝防治系统数学模型构建和应用规程》中对于模型率定的相关要求：(1)模拟及实测峰值流量和液位时间偏差均应小于1小时；(2)峰值流量和峰值液位数值偏差不应大于25％；(3)模拟和实测的总水量偏差不应大于20％。三种方法模拟精度的对比分析结果如表1和图6、图7所示
表1三种方法模拟结果与实测数据对比统计表
由表1和图6、图7可以看出，BATP法、人工绘制法和泰森多边形法模拟的液位流量峰现时间的间隔分别为3、2、7分钟，均满足小于1h的标准；模型液位峰值偏差分别为1.11％、6.98％、17.05％，且流量峰值偏差为1.30％、17.04％、23.33％，均满足不大于25％的标准。模型总水量偏差分别为6.79％、17.00％、40.34％，仅泰森多边形法模型结果不满足20％的标准。
BATP方法与人工绘制法模型结果在液位和流量两方面均能够与实测数据较高的吻合，且BATP法在一定程度上优于人工绘制法。传统泰森多边形法的总水量模拟结果与实测数据偏差为40.34％，偏差较大且不满足规范要求，且在其他评价指标方面均劣于BATP方法和人工绘制法。综上所述，BATP方法与人工绘制法模型与实测拟合度好，模型精度高；泰森多边形法模型与实测拟合不佳，模型精度低。
此外，人工绘制法虽然精度高，但存在操作复杂、工作量大的缺点。相比之下，BATP法操作简单，可以自动、批量绘制，节省了时间和精力的投入。
Claims (6)
1.一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，其特征在于，包括：初级汇水区划分、初级汇水区的修定和雨水管网子汇水区详细划分，具体实现方法如下：
1)依据高分辨率的数字高程模型栅格数据进行盆域分析，划分初级汇水区：
①地形填洼处理；为避免地形数据中有人为因素导致的地形误差而形成不合理水流方向的情况，需对错误的低洼点进行填洼处理；运用DEM Manipulation中的Fill sink工具对DEM栅格数据进行填洼处理；
②流向分析；根据每个DEM栅格的最陡坡方向，运用D8流向原理即水从最陡坡路径由高处流向低处原理，连通各像元流向栅格；运用Flow Direction工具完成区域的流向分析；
③流量分析；基于流向分析后，统计每个像元流向栅格的累计汇流流量值；运用FlowAccumulation计算流量；
④地表径流分级处理；基于汇流累积量数据设定阈值，利用所设定的阈值对汇流量大于阈值的栅格设定为1,而小于或等于阈值的栅格设定为无数据，由栅格计算器可得到栅格径流网络；在ArcMap里加载水流方向数据和栅格径流数据，在Arc Toobox中选择分级工具，ArcGIS的水文分析提供两种常用分级方法:Strahler分级和Shreve分级；采用Strahler分级方法，运用Stream Definition和Stream Segmentation工具，最终对整个区域分析并生成一个新的城市径流分级栅格图层；
⑤地表径流网矢量化；以分级后的径流为依据划分地表径流范围；运用CatchmentGrid Delineation工具划定地表径流网络边界线；
⑥生成盆域；地表径流网络边界线所包含的区域即为上游汇流区域，形成初级汇水区；运行Catchment Polygon Processing工具最终将城市划分为若干盆域即本文的初级汇水区；
2)对步骤1)中形成的初级汇水区，对不存在管网节点的初级汇水区，进行合并处理，原则是最临近且高程差异最小，实现新初级汇水区的修定；
3)在修定后的初级汇水区基础上，采用泰森多边形法将其详细划分为雨水管网子汇水区。
2.按照权利要求1所述的一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，其特征在于，步骤1)划分的初级汇水区充分考虑了地形因素，得到城市地表径流单元，汇流相对集中、高程差距小。
3.按照权利要求1所述的一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，其特征在于，步骤2)是在获得的初级汇水区基础上，按照“最临近且高程差异最小”的原则进行特定的合并，即选择无管网节点的初级汇水区区域最临近且高程差异最小的周边初级汇水区进行合并，一般为两个不存在管网节点的初级汇水区进行连接合并，确保连接合并后每个初级汇水区范围内均至少包含一个管网节点。
4.按照权利要求1所述的一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，其特征在于，步骤2)修定的初级汇水区为包含一个管网节点的初级汇水区或包含2以上的管网节点的初级汇水区。
5.按照权利要求1所述的一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，其特征在于，步骤3)采用泰森多边形法时，对于仅有1个管网节点的初级汇水区即为该管网节点的子汇水区，无需进行泰森多边形划分；对于包含2个或2个以上管网节点的初级汇水区，依据管网节点位置运用泰森多边形法再进行详细划分，得到雨水管网子汇水区。
6.按照权利要求1所述的一种基于盆域分析和泰森多边形的雨水管网子汇水区划分方法，其特征在于，步骤3)划分的雨水管网子汇水区，其汇水范围内有且仅有一个管网节点与管网子汇水区对应。
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