準確劃分不同降雨特征下的城市排水分區，表征徑流路徑，計算徑流量并反應真實(shí)工況是排水精細化運營(yíng)、規劃設計模擬分析的關(guān)鍵環(huán)節。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(zhù)特征，結合高精度雷達點(diǎn)云地形數據，提出基于高精度點(diǎn)云數據的排水分區動(dòng)態(tài)劃定方法。同時(shí)，闡述劃定方法中的基本流程和技術(shù)要點(diǎn)，并以某下凹橋區排水分區為例進(jìn)行介紹。

1 城市劃分排水分區存在的主要問(wèn)題與影響

1.1 無(wú)法準確劃定排水分區范圍

城市排水分區決定了排水系統規劃、設計，以及運維管理工作的基本單元。實(shí)際劃分排水分區的過(guò)程中，由于如下方面原因，造成排水分區很難準確反映真實(shí)降雨中的匯流情況。這些原因包括：①徑流匯流范圍與場(chǎng)次降雨雨量、區域地形和滲透能力等特征相關(guān)，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(wú)法流入排水系統的情況；②劃分排水分區所采用的基礎數據精度低；③規劃與實(shí)際建設后的豎向、排水系統布局有差異；④手動(dòng)劃分方法本身高度依賴(lài)于現場(chǎng)踏勘、經(jīng)驗等人為判斷。

通常，在非城鄉建設區域或者面積小、總體豎向比較順暢的城市排水分區中，傳統的手動(dòng)方法結合模型泰森多邊形方法劃分排水分區，已能夠支持基于最大流速為計算依據的規劃與設計工作。而針對人口密度大、經(jīng)濟集中度高的城市中心城區，單位面積遭受洪澇災害所帶來(lái)的影響遠高于其他區域，城市地形的復雜程度也更高，此時(shí)傳統方法劃分排水分區的結果常常存在不準確的問(wèn)題，進(jìn)而影響對洪澇災害進(jìn)行準確預測、預報與應急管理。

1.2 無(wú)法反映不同暴雨重現期下排水分區的變化

近年來(lái)，隨著(zhù)地形資料精度的提升，以及大范圍劃分排水分區的需求，國內開(kāi)展了相關(guān)研究，主要通過(guò)實(shí)測的地表地形數據，結合GIS分析工具劃分排水分區。王巖等針對現有基于DEM流向分析的劃分方法存在的無(wú)法正確反映實(shí)際城市復雜地形和流向問(wèn)題，提出了一種顧及地類(lèi)和流向，適用于大尺度平原城市的精細匯水區分級劃分方法。朱治州等提出了顧及多要素的城市地表匯水區分級劃分方法，將城市地表劃分作三個(gè)等級，結果表明分級劃分法所得匯水區分別在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(shí)了地表匯水分析方法能夠應用于較復雜的城市匯水區劃分，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分級劃分匯水區的技術(shù)方法，既結合了傳統DEM生成子流域的算法，又融入了城市區域地物地貌特點(diǎn)，能更好地滿(mǎn)足城市地區的需要。

上述方法基本說(shuō)明基于地表實(shí)測數據的排水分區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是以填洼處理后的地形數據進(jìn)行劃分，只能表達全部地表低洼空間填滿(mǎn)后（即最不利情景）的排水分區范圍，無(wú)法反映不同降雨條件下子排水分區之間先分散并逐步疊加的動(dòng)態(tài)變化，也就不能反映城市下凹橋等積水易澇點(diǎn)在不同降雨條件下由于排水分區變化帶來(lái)的影響。

2 高精細雷達（Lidar）點(diǎn)云數據的地表徑流分析

綜上所述，在中心城區對超標暴雨所造成的真實(shí)風(fēng)險進(jìn)行預測，首先需要做好精確的排水分區的劃分工作。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(guò)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(lái)，隨著(zhù)激光雷達技術(shù)（LIDAR-Light detection and ranging)以及GIS在測量領(lǐng)域的應用和發(fā)展，可以獲取精度遠高于傳統測繪地形數據的數字高程模型（DEM）和數字地表模型（DSM），見(jiàn)圖1。結合HECRAS、TUFlow、Infoworks ICM、MIKE Flood等兼顧區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(xué)模型快速模擬城市復雜地形條件下地表洪水流動(dòng)過(guò)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(jìn)的部分城市，已經(jīng)逐步采用點(diǎn)云DEM數據開(kāi)展排水分區劃分、地面徑流通道識別以及暴雨精細化模擬，并直接指導風(fēng)險區域的劃分、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(kāi)始，開(kāi)展了基于點(diǎn)云地形數據（4～10個(gè)/m2的激光采集點(diǎn)測繪精度采集的地表DEM數據）進(jìn)行排水分區劃分并繪制高精度的洪澇風(fēng)險圖的工作，當前已基本完成了奧克蘭全境超過(guò)4 000km2的市域范圍的分析工作。休斯頓在2001年的熱帶風(fēng)暴ALISON 造成的嚴重洪水災害后，實(shí)施了熱帶風(fēng)暴恢復工程（TSARP）。在對轄區內的22個(gè)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(gè)數字化的洪水風(fēng)險圖，而排水分區的劃分，無(wú)疑是洪水風(fēng)險圖的核心問(wèn)題。

相較上述國家開(kāi)展的較大規模的高精度排水分區劃分和洪澇風(fēng)險圖的繪制工作，當前我國尚未確立城市洪澇風(fēng)險圖的繪制標準、方法及精度等要求。對于地表漫流系統以及基于點(diǎn)云數據的高精度分析，尚缺少長(cháng)期的積累和實(shí)踐，僅在北京、深圳等地開(kāi)展探索性的相關(guān)工作。

3 基于點(diǎn)云數據劃分排水分區的目標和原則

綜合運用高精度的點(diǎn)云地表數據和模型軟件，能夠彌補傳統排水分區劃分的諸多問(wèn)題，包括更準確地劃分地表排水分區、反映不同重現期之間的排水分區的變化以及表征區域主要的徑流匯流線(xiàn)路。如果這些問(wèn)題能夠得到比較全面的改善，不僅能更好的指導規劃和設計工作，而且能夠對超過(guò)常識經(jīng)驗的超大暴雨的情景進(jìn)行分析，為預警和應急措施布置提供重要依據。

3.1 目標

對比傳統排水分區劃定方法與真實(shí)情況的區別，結合數據和模擬方法的特征，基于點(diǎn)云數據結合模擬分析的排水分區劃分方法應實(shí)現如下目標：①對超過(guò)管渠系統排放標準的地表徑流匯流過(guò)程進(jìn)行分析；②實(shí)現不超過(guò)2m網(wǎng)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(guò)程；③在復雜地形和連續起伏區域，能夠表征不同降雨條件下子排水分區相互疊加的影響；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(jiǎn)要對該類(lèi)型事件特點(diǎn)進(jìn)行討論。通過(guò)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(guò)排水管渠系統的排放能力時(shí)，地表徑流是徑流匯集的主要來(lái)源，同時(shí)城市道路（既包括市政道路也包括小區內的道路）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(wú)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(mǎn)足能夠清晰看出建筑物、城市道路的要求。從各國的實(shí)踐和點(diǎn)云數據測繪的精度要求來(lái)看，一般測繪和成果精度不超過(guò)2m。

3.2.2 基于精度優(yōu)先原則，兼顧運算能力

隨著(zhù)數據精度的提升，計算機進(jìn)行復雜模擬分析的運算時(shí)間往往成倍增加，因此需要對數據按照匯流關(guān)系進(jìn)行拆分，同時(shí)找到合適的水文計算精度。

涉及到較大中心城區，例如上千平方公里高精度的地形數據分析，通常將一個(gè)大的流域或中心城區，劃分為多個(gè)排水分區進(jìn)行運算。該方法針對地表坡度順暢，排水分區邊界清晰的區域往往比較容易劃分。對地勢比較平緩的城區，往往以河道或主干排水系統為軸線(xiàn)，手動(dòng)劃分的排水分區。但對于排水分區之間的邊界區域，很難通過(guò)手動(dòng)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，以此為基礎進(jìn)一步劃分排水區域。一般來(lái)說(shuō)，流域拆分的單元規模應按照單次能夠進(jìn)行二維洪澇模擬的運算規模確定。另一方面，對于水文計算要求的地形數據精度，經(jīng)過(guò)多個(gè)不同地形特征項目的多次實(shí)驗，一般采用5m網(wǎng)格，能夠比較好的平衡運算時(shí)間和精度要求。

3.2.3 模擬確定排水分區變化的臨界降雨

城市地形復雜，徑流在匯集的過(guò)程中，起伏道路、洼地、立交橋等空間加劇了劃分排水分區的難度。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，不同降雨總量下，遭受內澇災害的低洼點(diǎn)可能有不同的匯流范圍。如圖2所示，某排水分區的地表徑流匯流過(guò)程中有一處明顯低洼空間，那么在不超過(guò)能夠填滿(mǎn)低洼空間的臨界降雨的情況下，排水分區末端出流點(diǎn)P點(diǎn)只收集排水分區Aa1的地表徑流。但如果持續降雨，低洼空間被填滿(mǎn)，則有可能P點(diǎn)收集全部排水分區，即Aa1+Aa2的全部地表徑流。這種情況通常在連續下穿橋區、城市中心低洼地比較常見(jiàn)。因此，為得到比較準確的排水分區劃分結果，應選用多場(chǎng)降雨進(jìn)行模擬分析，明確不同匯水面之間的銜接關(guān)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(jìn)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(shí)也需要數據的真實(shí)性經(jīng)過(guò)充分的調研和核實(shí)，需要高質(zhì)量完成且貫穿整個(gè)工作流程。

4 基于點(diǎn)云數據劃分排水分區的主要流程和技術(shù)要點(diǎn)

4.1 主要流程

為實(shí)現高精度和表征動(dòng)態(tài)變化的兩個(gè)主要目標，需要重新建立排水分區劃分的基本流程，同時(shí)兼顧模擬計算的經(jīng)濟性和優(yōu)化調整過(guò)程的靈活性。初步可行的技術(shù)處理流程，包括地形數據處理、確定流域排水分區、模型分析和最終確定排水分區等主要步驟（見(jiàn)圖3）。

圖3 排水分區邊界劃定方法流程

4.2 技術(shù)要點(diǎn)

4.2.1地形數據處理

（1）地形數據技術(shù)要求。通過(guò)點(diǎn)云測繪，能夠得到每平方米4～10個(gè)點(diǎn)不等的Lidar高程點(diǎn)數據。通過(guò)該方法，能夠獲取精度高、能夠反映城市漫流系統要素的高程數據。通過(guò)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(méi)范圍的關(guān)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下凹橋區下層或易積水區域的高程數據；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(guò)橋涵洞等影響徑流流向的關(guān)鍵要素如果無(wú)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(jīng)歷至少一個(gè)雨季的現場(chǎng)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(guò)街天橋區不合理地形，保留最底層高程信息；③調整地形高程以實(shí)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，其結果為低洼區內路徑變得真實(shí)準確，從而可以準確識別匯水面。

4.2.2 流域排水分區劃分

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(wǎng)格數計算，這是一種通過(guò)地表高程坡向識別路徑和匯水面的水文分析法，通過(guò)ArcGIS的水文工具箱實(shí)現。處理流程可以概括為：流域排水分區初步劃分、地形填洼、定義河道、確定流域范圍、排水分區組合修正這四個(gè)主要步驟。

（1）流域排水分區初步劃分。流域尺度往往較大，除了高密度的城區范圍，還包括上游山區，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(jìn)行初步判別劃分出一級子流域。

（2）地形填洼。當“水流”流經(jīng)地形中下凹的低洼區域的最低點(diǎn)，由于四周網(wǎng)格地形均高于最低點(diǎn)，此時(shí)所有計算的坡向均為逆坡，計算機無(wú)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(wèn)題，流域劃分的第一步需要對地表低洼區域進(jìn)行填充洼地的處理，處理的結果是抬升低洼區域的地形標高，實(shí)現正向坡度的計算（見(jiàn)圖5）。

（3）定義河道。通過(guò)提取累積流量數值大于某一流量閾值的網(wǎng)格來(lái)定義河網(wǎng)。例如提取匯水面大于1 hm2的網(wǎng)格，則流量閾值為1 hm2除以單一網(wǎng)格面積。該結果也可以轉化為線(xiàn)矢量文件。下圖為提取的河網(wǎng)矢量數據。

（4）劃分并確定子流域。通過(guò)計算水流方向和提取的河網(wǎng)結果，采用Watershed工具可以從DEM中自動(dòng)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(wú)法準確計算流向和累計流量數值。同時(shí)對錯誤地形的校正準確與否也會(huì )影響模擬的結果。

（5）排水分區組合修正。初步劃分的一級子流域邊界與實(shí)際流域邊界并不完全吻合，在劃分完二級流域邊界后，觀(guān)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(jìn)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(jiàn)圖6）。

4.2.3 不同重現期降雨地面漫流過(guò)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(shí)的芝加哥雨型作為降雨邊界，地形網(wǎng)格精度為5m，時(shí)間步長(cháng)為1min，該網(wǎng)格尺寸兼顧了模擬運算精度和運行時(shí)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，統計重要低洼區域的積水量和水深，重點(diǎn)觀(guān)察其滿(mǎn)水后的徑流流向變化過(guò)程，最終確定不同低洼區風(fēng)險區積滿(mǎn)水后開(kāi)始轉輸徑流至下游的臨界降雨工況。

5 某下凹橋區排水分區劃分案例

5.1 下凹橋區排水系統概況

該下凹橋為城市主干道路下穿鐵路形成的，橋區范圍內雨水管線(xiàn)總長(cháng)度約14.3km，管徑在400~1 350mm其中，橋區主干管網(wǎng)（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。橋區主干管網(wǎng)（管徑1 350mm）主要收集橋區道路及周邊部分地塊的雨水，對應的排水分區范圍約為12 hm2，如圖7所示。2021年8月16日晚發(fā)生暴雨事件，該橋區積水嚴重，最大積水深度達到2m，積水時(shí)間約為40min。

5.2 下凹橋周邊區域地表徑流路徑與低洼區分析

通過(guò)獲取橋區周邊區域2m網(wǎng)格的雷達點(diǎn)云數據，分析橋區上游地表徑流路徑與低洼區分布，進(jìn)而分析橋區地表徑流匯流范圍可能產(chǎn)生的變化和影響，地表徑流路徑和低洼區分析結果如圖8所示。暴雨發(fā)生時(shí)，在地下管網(wǎng)滿(mǎn)負荷運行的情況下，雨水徑流延地表逐級匯流排放，途徑低洼區需要先填滿(mǎn)后才能繼續流至下游，從圖8中可以看出，該下凹橋區的北側與南側各有一條主干地表徑流通道，當降雨超過(guò)一定的臨界降雨量即上游低洼區被填滿(mǎn)后，地表徑流可能分別從橋區的南側和北側道路匯入橋區，進(jìn)而加劇橋區的積水內澇問(wèn)題。因此，對臨界雨量的模擬分析對于研判橋區匯水范圍可能產(chǎn)生的變化及影響至關(guān)重要，從而進(jìn)一步支撐對不同降雨條件下橋區可能產(chǎn)生的積水風(fēng)險進(jìn)行提前預警并制定有針對性的應急預案。

5.3 下凹橋區排水分區范圍的動(dòng)態(tài)變化分析

利用HEC-RAS對該橋區在不同降雨情景下的地表漫流動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬分析，模擬結果顯示，當降雨量小于80mm時(shí)，該下凹橋區的地表匯流范圍與排水管網(wǎng)的收水范圍基本對應，面積約為12 hm2；當2h降雨量超過(guò)120mm時(shí)，地表徑流開(kāi)始延南側道路匯入橋區，匯水面積迅速擴大至120 hm2；當2h降雨量超過(guò)200mm時(shí)，地表徑流延北側與南側道路分別匯入橋區，匯水面積又擴大至150 hm2；當2h降雨量超過(guò)300mm時(shí)，上游更大范圍區域的來(lái)水延北側與南側道路分別匯入橋區，匯水面積擴大至300 hm2，如圖9所示。

6 總結與展望

城市建成區對比非城市區域，單位面積所對應的災害損失呈數倍增加，因此傳統排水分區的劃分方法已經(jīng)難以描繪暴雨條件下排水系統與地面系統所受到的影響。對于下穿橋區、隧道或者其他地形復雜的區域，排水分區的劃分對于汛期防澇工作至關(guān)重要。尤其“高水”排水分區劃分的不準確，會(huì )對模型模擬、方案設計的結果與現實(shí)條件產(chǎn)生極大誤差，最終導致無(wú)法應對汛期暴雨。

而基于雷達測繪的點(diǎn)云數據進(jìn)行排水分區分析，雖然相比傳統方法更為精確，但也同時(shí)對數據質(zhì)量、現場(chǎng)校核、模型模擬提出了更高的質(zhì)量要求。相對而言，劃定排水分區的經(jīng)濟性缺少優(yōu)勢。因此，至少對于待開(kāi)發(fā)城區、重要地區和具有較高風(fēng)險的區域，應優(yōu)先采用該方法劃定。