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以矢量为基础的流域划分的分布式城市暴雨径流事件模型的开发与测试
H. Amaguchi a,uArr;, A. Kawamura a, J. Olsson b, T. Takasaki c
摘 要
GIS技术的最新成果以及数据可用性为城市暴雨径流建模开辟了新的可能性。在本文中，一个基于矢量的分布式风暴事件径流模型 - 东京暴雨径流（TSR）模型 –被开发和测试，并且使用了两个历史风暴事件来进行城市径流分析测试。该模型的建立基于城市景观GIS划分，详细忠实地描述了复杂的城市土地利用特征。单一空间要素之间的水流基于已建立的水力和水文模型，其方程式描述了城市环境中暴雨产生的各个方面。该模型已在日本东京都地区的小镇Ekota的小流域进行建立和评估。没有对其进行校准或调谐，但是通用模型配方使用了从文献获得的标准参数值。模型对两次风暴事件的径流响应进行了模拟，一个小事件只导致了小规模的洪水波，而另一个重大事件淹没了部分流域。对于这两个事件，模拟的水位精准重现了观察到的水位。对于重大事件，报告中的淹没区域也被模型所描述。还展示了该模型如何用于评估城市水文系统特定组件的流量状况，评估防洪措施。
关键词：基于矢量的集水区划分、城市暴雨径流事件模型、东京暴雨径流模型、城市水文学、城市景观GIS划定
1.介绍
近年来，日本出现了一些因污水系统外流和河流溢出而引发的城市洪灾案例。 1999年，特大暴雨导致的严重洪灾，特别是在东京和福冈市，造成了伤亡和4000多所房屋的损害（Kusuda，1999; Goto，2000）。2000年，与台风有关的极端降雨造成了名古屋市的灾难性洪水，损坏了60,000多座房屋（Yamamoto和Iwaya，2002）。部分由于这些情况和类似原因，日本防洪法的一部分在2001年被修正，要求出版的地图显示城市容易发生洪水的地区。此外，在2004年对特定城市河流实施了防洪行动。通过这一举措，城市被要求建立一个城市集水区洪水预警系统，该系统集成了促进城市径流的所有组成部分，包括软硬对策。目前由东京都政府推荐的结构措施包括当地储水罐，渗透设施和道路用多孔沥青。
从更全球的角度来看，城市地区的洪水数量也在不断增加（例如Szouml;llouml;si-Nagy和Zevenbergen，2004），未来城市洪水问题预计会进一步增加。一个很明显的原因是目前世界许多地方正迅速城市化，但这并不总是伴随着污水系统处理量的充分增加。另外一个推测的原因是由于热岛现象和气候变化，导致高降雨强度频率增加，一些研究也指出了这一点（IPCC，2007年，Bornstein和Lin，2000年）。针对已知和预期的问题，通过结构性和非结构性措施进行城市洪水管理是许多国家的重要战略（Andjelkovic，2001，Genovese，2006）。要正确评估当前或计划的结构措施（如渗透和储存设施或渗透性路面）的减损效果，风暴径流模型需要充分利用当今的地理数据源和处理工具。城市集水区建模中高度明确和空间分布的策略对于准确评估各种措施的有效性和促进利益相关方沟通至关重要。
从过程描述的角度来看，不同目的的流域模型可以分为集总和分布模型（Singh，1995）。在大多数集总模型（例如HEC-1（HEC，1998），储罐模型（Sugawara，1974）和SSARR（Spears，1995））中，一些过程由简化的水力学定律描述，其他过程由经验代数方程表示。分布式模型明确考虑了过程，输入，边界条件和分水岭特征的空间变化。在大多数分布式模型中，已经开发了基于栅格的土地利用特征描述方法（如SHE（Abbott等，1986a，b）和TOPMODEL（Beven等，1984））。基于网格的分布式模型的优点是它们简单的模型结构以及它们对通常容易获得的流域信息的使用。特别是在城市应用中，通常根据不同土地利用类别的不透水面积的径流系数或估计分数来计算每个网格中的直接径流（例如Niehoff等，2002; Choi和Ball，2002; Park等， 2008）。土地利用的恰当表示对城市环境中精确的径流模拟尤其重要，因为它们具有高度的不渗透性（Leopold，1968）。在基于网格的降雨径流模型中，参数通常是根据城市的基于栅格的土地利用图或空中照片估算的，具体取决于特定流域的可用性，或者通过在模型校准和验证中对其进行调整。虽然快速且实际操作方便，但该方法在不同方面受到限制。一是土地利用图上的信息可能不能直接翻译成关键的水文特征，如渗透性。另一个局限是，基于网格的模型很难用现有的城市结构（建筑物，道路等）直接评估当地的防洪措施。
GIS技术的最新进展以及数据可用性为城市暴雨径流建模开辟了新的可能性。从城市形态学的角度出发，为了考虑城市环境中的个体特征，开发了一些非基于栅格的模型。Sample等人（2001年）使用GIS通过使用土地界址（公寓，商业，中低密度和学校）来促进城市雨水分析。Rodriguez等人（2003）提出了一种基于向量的流域描述，该描述基于所谓的城市数据库中的信息，其中包括类别地籍，建筑物，街道，下水道系统和河流，以计算城市单元水文图。Rodriguez等人（2008）采用相同的概念来开发城市用水预算模型。
与目前一般基于网格数据的建模方法（如Hsu等，2000; Ettrich等，2005; Dey和Kamioka，2007）相比，本研究中我们提出了一种新的基于矢量的流域描述方法来模拟城市暴雨径流和洪水灾害。基于矢量的数据可能对城市水文模拟非常有用，因为流域的详细和准确的表示在城市暴雨径流模拟中发挥着重要作用。这种方法的主要新颖之处在于，GIS被用于将城市环境划分为最小的完全均匀的元素，这些元素被水力上地连接并最终结合起来形成完整的基于流域的降雨径流模型。详细描述的一个关键优势是流量跟踪可以在元素到元素的基础上进行。另一个优点是可以重现可能强烈影响局部流动的小型单独设施，例如单个建筑物的渗透区域或雨水收集池。因此，可以评估一些预防措施后果的详细假设情景，既包括大规模实施一些小规模的结构（例如局部渗透或绿化屋顶），也包括单个实施一些大规模建设（例如澄清池）。
在本论文中，基于事件的城市暴雨径流和洪水淹没模型：东京暴雨径流（TSR）模型被开发并应用于城市径流分析。这个模型的建立是基于我们所说的“城市景观GIS划定（见第2.1节）。在TSR模型中，地表水流以及河流和下水道水流被模拟为考虑淹没条件下的非稳定流动方程。来自透水土地利用要素的渗透水最终会作为长期地下水径流排入河中，但目前在TSR模型中尚未考虑到这一点。而且TSR模型目前不表示蒸发蒸腾，时间变量渗透和地下流动。因此，该模型适用于地下水对径流的贡献最小，并且拥有维护良好的排水基础的设施密集的城市集水区中基于事件的降雨径流模拟。在这项研究中，TSR模型为神田河（日本东京）的城市子流域建立，并将其应用于测试2005年两次实际风暴事件的径流响应，其中一次充满了部分子流域。
2.东京暴雨径流（TSR）模型
2.1.城市景观GIS划定
图1展示了一个城市景观GIS划分城市集水区的例子。首先将集水区划分为两部分：地表和地下。地表组件，包括在地表图上看到的所有东西又被分类为区块，道路和河流元素。在区块中，为了计算直接局部径流，进一步将其划分为不同渗透率的独立土地利用表面，如建筑物，铺面和草地。地下部件包括下水道部件。单个元素被进一步分成多个段，这是TSR模型中使用的最小空间计算单元。由于高程和水深等属性在此范围内取平均值，因此表面段的空间范围在暴雨径流模拟中起着重要作用。考虑到道路和块海拔高度的差异，TSR模型应该使用至少5米分辨率的DEM，高度精度为0.1米。
2.2.风暴径流过程概念化
图2展示了TSR模型中降雨径流过程的示意图。这里使用的模型由两个分析模型组成：一个模拟降雨直接径流的水文模型和一个描述区块，道路，下水道和河流流动的水力模型。在城市化区域，流域响应的主要贡献源于不透水表面组件和地下组件的水流。考虑到初始损失和最终的渗透能力，有效降雨量是基于地表渗透率计算的（Toyokuni和Watanabe，1986; Ando等，1986）。表面和下水道系统之间的排水系统基于一个被称为“双重排水”的概念，其中城市排水系统被建模为两个动态相互联系的网络，并且人孔作为它们之间的流动交换点（Smith，1992,2006 ）。通过运动波模型，非稳定流动方程计算的表面流量和河流流量，以及Preissman槽模型（Preissmann和Cunge，1961）的下水管流量，模拟了从建筑段到道路段的直接流动。
当降雨开始时，降落在区块或道路内的土地使用部分上的水形成了水池，而落到河里的水增加了河流排放。来自街区的降雨直接或间接通过不同类型的表面流出，最终流入道路。当表面存在人孔时，水通过它流入雨水管道。人孔中的水位可通过考虑地面流入水流和上游连接管道流入水流获得。管道中的水流通过分别考虑上游和下游人孔的水位来获得。当人孔中的水超过地面水位时，水流出并淹没相关的表面部分。被淹没的水流动到相邻的表面部分，直到找到尚未达到充分流入能力的人孔。下水道管道中的水最终到达河流渠，最终在集水渠出口排水。
2.3．TSR模型方程
2.3.1． 直接径流
为了实际估算降雨过量，使用了初始损失和持续损失率法（Pilgrim and Cordery，1992）。不渗透的表面包括土地使用类建筑，道路和停车场，而树林，草地和运动场被认为是透水的。在不透水表面，唯一的降雨损失是最初的损失，这主要是沉陷处储水（Ando等，1986）。在不可渗透表面上的降雨在超过初始损失后生效。它在数学上表示为：
（1）
其中r（t）表示在时间t（秒），re（t）有效降雨速率（米/秒），r（t）累计降雨量（米）和i型土地利用类别的初始降雨损失Li（米）时的降雨强度。图3显示了城市景观GIS划界和假想水流过程的示意图。在区块单元内的土地利用段中，假设了从非建筑段到相邻块段的直接径流。建筑物段的直接径流如下。尽管建筑物降雨通常通过排水沟流向下水道系统，但很少有关于建筑物与下水道系统之间的连接的信息。在TSR模型中，应用了运动波模型（Singh，1996）计算从建筑段到最近公路或河段的流量（方程（2）和（3））。由于单个建筑物的实际形状有时是复杂的，所以形状（流动距离xb和流动宽度B）应该是正方形的，并且与实际的分段大小相同。
(2)
(3)
其中qb表示建筑物每单位宽度的排放量（平方米/ 秒），hb表示水流深度（米），xb表示沿建筑物的距离（米）。在式（3）中，alpha;和beta;是与斜率和表面粗糙度有关的常数，h是建筑物的斜率（rad），Nb是等效曼宁粗糙度系数（s / m1/3）。
在透水面上，降雨损失由每个土地利用类别i的初始损失Li和渗透损失Ii组成（Ando等，1986）。初始损失Li相当于初始渗透损失和沉陷处储水的总和。在累计降雨量超过最初的损失量后，超过最终处理能力的降雨强度生效。因此，某一土地利用类别的降雨过剩率表示如下：
（4）
2.3.2． 地表流量
为了计算表面组件中的流量，根据方程（5）假设没有对流加速度的一维非稳定流。通过考虑有效降雨量以及来自人孔元素的流出/流入以及来自地表区段的流出/流入来计算地表区段中的水位变化。计算蓄水量后，水深由公式（6）算得（图4）
其中Qs为地表水流量（m3 / s），地表水流横截面积（m2），Hs（= zs hs）表面水位（m），zs表面高程（m），hs表面水深（m），xs沿纵向的距离 （m），ns表面曼宁粗糙度系数（s / m1 / 3），vs地表流速（m / s），Rs地表水力半径（m），B建筑段宽度（m） ，Qdiv从人孔到地面的排水量（m3 / s），以及地表区域面积（m2）（不包括分段的建筑面积）。用于地表流量的数值分析技术，以及下面描述的下水管流量和河流流量的计算，是通过明确的有限差分方法（Balloffet，1969）与蛙跳计算方法一起使用的非稳定流量方程 （Dronkers，1969）。
2.3.3． 下水管流量
下水道的径流通常处于自由表面流动的状态。但是，在风暴的情况下，会出现自由表面流动和附带流动，并且它们的区域在时间和空间上都会发生变化。为了详细描述这些过程，需要一个具有附加值的下水道管道流量的特定模型，这里使用动态波来描述自由表面流量和过量流量。对于附加流量，应用了基于假想槽的技术（Preissmann和Cunge，1961）。图4显示了计算中使用的变量。管段中的水流量通过考虑上游和下游人孔的水位分别获得。 没有考虑对流加速度和时隙模型连续性的运动方程如下：
其中Qp为管道排水量（m3 / s），Ap为管
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