（地图学与地理信息系统专业论文）基于gis的城市雨水汇水区优化研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着城市化进程日益加快，作为重要的城市基础设施之一的城市雨水管网正面临着大量 的新建及改造工程，因此，科学高效地规划城市雨水管网显得尤为重要。确定城市雨水汇水 区是城市雨水管网规划建设中首要的，也是最关键的步骤，其直接决定着城市雨水管网的布 局。对雨水汇水区进行优化计算可以更加高效地进行城市雨永管网的规划和建设。 本文研究了国内外雨水管网系统优化设计发展过程中对雨水汇水区的研究现状，分析了 城市雨水汇水区建立和达标评价的方法，研究t g i s 支持下自动划分城市雨水汇水区的方法 以及支持城市雨水汇水区达标评价的雨水管网连通性分析和径流面积计算模型。针对城市现 有雨水管网不达标汇水区，根据城市地形、城市布局和雨水管道布局，本文建立t g i s 支持 下的包括雨水汇水区结点调整、雨水汇水区分解、雨水汇水区合并的城市雨水汇水区优化方 法。汇水区结点调整方法主要应用于城市旧的排水系统改扩建优化；汇水区分解方法通过将 不达标部分雨水管段所服务汇水区域从原汇水区分离，减少雨水管网的排水负担来提高汇水 区内管网达标率；汇水区合并算法通过添加辅助管段的方法，将不达标汇水区与相邻的汇水 条件相似的达标汇水区合并，对汇水区内径流进行分流来减少雨水管网排水负担，从而提高 汇水区内管网达标率。 本文结合淮安市排水达标地理信息系统，验证了城市雨水汇水区优化方法和相应的算法 成果，结论表明：利用该方法来优化现有的雨水汇水区不仅方法可行，而且还获得了较高的 管网规划效率和质量。 关键词：地理信息系统( g i s ) 雨水汇水区雨水汇水区优化方法多边形分解 多边形合并 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g l yf a s tu r b a n i z a t i o n ，a so n eo fi m p o r t a n tu r b a n i n f r a s t r u c t u r e s ，t h ed r a i n a g ep i p e li n en e t w o r ki sc o n f r o n t e dw i t hal a r g e n u m b e ro fn e w l y b u i l ta n dr e c o n s t r u c t e dp r o j e c t s i t se s p e c i a l l yi m p o r t a n t t op r o g r a mt h ep i p en e t w o r ko fu r b a nr a i n w a t e rs c i e n t i f i c a 王1 ya n de f f i c i e n t l y d e f i n i n gt h er a i n w a t e rc a t c h m e n t si sap r i m a r ya n de s s e n t i a ls t e pi n p r o g r a m m i n ga n dc o n s t r u c t i n gu r b a ns t o r ms e w e rs y s t e m ，w h i c hs t e pw i l l d i r e c t l yd e c i d et h el a y o u to ft h eu r b a ns t o r ms e w e rs y s t e m o p t i m i z a t i o no f r a i n w a t e rc a t c h m e n t sm a k e sp l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i n gt h es t o r ms e w e rs y s t e m m o r ee f f i c i e n t l y h a v i n gs t u d i e d t h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nd e v e l o p m e n t o fr a i n w a t e r c a t c h m e n ti nt h eu r b a ns t o r ms e w e rs y s t e mp l a n n i n ga n dd e s i g n i n g ，a n a l y z e d t h em e t h o d so fb u i l d i n ga n de v a l u a t i n gt h ec a t c h m e n t s ，t h i st h e s i ss t u d i e d t h ea u t oc o m p a r t m e n t a l i z a t i o no fu r b a nc a t c h m e n t sa n dt h eu r b a ns t o r ms e w e r s y s t e mc o n n e c t i v ea n a l y s i sa n dr u n o f fa r e ac o m p u t a t i o nm o d e lw h i c hs u p p o r t e d t h eo p t i m i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e rc a t c h m e n t s a i m i n ga tt h o s ec a t c h m e n t s n o tu pt od r a i n a g es t a n d a r d ，a n da c c o r d i n gt oc i t yt e r r a i n 、u r b a nl a y o u t 、 s t o r ms e w e rl a y o u t ，t h i st h e s i st h e o r i z e dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fu r b a n r a i n w a t e rc a t c h m e n t sb a s e do ng i s ，i n c l u d i n ga d j u s t i n gc a t c h m e n tv e r t e x e s ， d e c o m p o u n d i n gc a t c h m e n t ，a g g r e g a t i n gc a t c h m e n t s a d j u s t i n g c a t c h m e n t v e r t e x e si sm a i n l yu s e dt oo p t i m i z a t i o ni nr e b u i l d i n ga n dc o n t i n u a t i o no f o l dd r a i n a g e s y s t e m ；d e e o m p o u n d i n gc a t c h m e n ta l g o r i t h md e c o m p o s e s t h e c a t c h m e n tt od e c r e a s et h ed r a i n a g e s b u r d e n ；a g g r e g a t i n gc a t c h m e n t s a l g o r i t h ma g g r e g a t e st h en e i g h b o r e dc a t c h m e n t st od i s t r i b u t et h er u n o f fa n d d e c r e a s et h ed r a i n a g e s b u r d e n t h et h e s i si m p l e m e n t e dt h eo p t i m i z a t i o no fu r b a nc a t c h m e n t s ，a n dp r o v e d t h em e t h o do fu r b a nc a t c h m e n t so p t i m i z a t i o nt h r o u g ha p p l i c a t i o ni n s t a n c e t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h a tu t i l i z i n go ft h i sm e t h o dt oo p t i m i z et h eu r b a n r a i n w a t e rc a t c h m e n t si sf e a s i b l e ，a n dc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr a i n w a t e r p i p en e t w o r k sp l a n n i n g k e yw o r d s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ：r a i n w a t e rc a t c h m e n t ：m e t h o d o fu r b a nr a i n w a t e rc a t c h m e n t so p t i m i z a t i o n ；p o l y g o na g g r e g a t i o n ：p o l y g o n d e c o m p o s i t i o n 图表目录 图表目录 图1 1 技术路线框图1 图2 - 1 分散出水口式雨水管布置1 图2 2 集中出水口式雨水管布置。l 图2 3 雨水汇水区分类等级图12 图2 - 4 城市雨水汇水区达标评价流程图1 3 图2 - 5 雨水管网连通性分析流程图14 图3 1 城市雨水汇水区优化方法19 图3 2 提取管网影响道路范围。2 1 图3 3 分配改造后雨水管网汇水区域2 2 图3 4 汇水区结点调整结果2 3 图3 5 城市雨水汇水区分解流程图 2 3 图3 6 不达标管段分布示意图2 4 图3 7 雨水汇水区分解前2 6 图3 8 雨水汇水区分解后2 6 图3 9 城市雨水汇水区合并流程图。2 7 图3 一1 0 缓冲区示意图2 8 图3 一1 1 多边形合并异或运算3 0 图3 1 2 合并前后对比图。o o 二：二二3 0 图4 一l 淮安市主城区图3 1 图4 - 2 数据录入界面一3 2 图4 - 3 汇水区达标计算参数设定及计算结果3 , 4 图4 - 4 优化前达标情况图，3 4 图4 5 汇水区结点调整图3 5 图 6 汇水区分解图3 6 图4 7 优化后达标情况图。3 7 表3 1 雨水管段信息表16 表3 2 检查井信息表16 表3 - 3 出水口信息表17 表3 4 街区信息表17 表3 5 汇水区信息表17 表3 6s p l i t r e g i o n 方法参数表2 5 表4 - 1 雨水管水力计算表3 5 表4 - 2 分解后汇水区水力计算表3 6 表4 3 汇水区合并前后水力计算表3 6 v 学位论文独创性声明 本人邦重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导炜指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 ，本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名；王吏豸 日翳避丛 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索l 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：王曼：苤 日期；竺亟迈 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 城市排水管网系统是收集、输送城市产生的生活污水、工业废水和降水的一整套工程设 施，包括地下管道、暗渠与地表的明渠以及城市的内河及防洪设施，属于重要的城市基础设 施。城市排水管网系统的任务就是收集和输送城市污水和城市降雨、融雪产生的径流，具有 保护环境和城市减灾双重功能。建设完善的城市排水管网并进行科学的管理，是创造现代化 城市良好的生存环境，保证其可持续发展的必要条件“1 。 我国正处于快速城市化阶段，为使城市协调发展和提高人民的生活水平、保护环境，城 市建设就必然要求不断建设新的排水管网系统以及更新旧的排水管网。如何在现有技术条件 下优化设计和改扩建城市的排水管网系统，以降低管道系统的建设和运行维护费用是管网系 统设计工作的个重要课题。 城市雨水汇水区指汇集雨水和地面水的管渠系统所服务的区域。与雨水管网汇水区相对 应的汇水面积，是对雨水管渠系统的描述，指雨水管渠汇集雨水的面积”1 。在城市排水系统 的规划设计中。雨水汇水区的划分是重要的一个环节，其目的是更好地进行雨水管网系统的 设计，雨水管网系统平面布置是决定城市雨水汇水区划分的主要因素之一，同时雨水汇水区 的划分也直接影响到管网的总体设计。由于雨水汇水区的划分涉及到大量的计算和空间分 析，目前以手工计算和人为估计为主的传统划分方法，准确性、效率都比较低。 城市化进程引起的管网改造，使得雨水汇水区经常发生变动，需要及时作出调整；雨水 汇水区内排水管网的排水能力不能满足暴雨期的排水要求，需要对管网进行改造( 加大管径 或提升坡度) 以达到一定的排水标准。受汇水区划分的准确性影响，在进行管网改造之前往 往需要进行大量的试算才能生成一个比较好的管网改造方案。如何对现有的雨水汇水区进行 优化以提高管网规划的效率、降低管网改造的代价就成为城市排水规划设计过程中一个不得 不考虑的问题。 本文利用g i s 的空间数据管理及空间分析等功能，研究了城市雨水汇水区优化的方法， 并应用到实际排水工程中。本文研究的主要目的是将城市雨水汇水区优化方法应用到雨水管 网的规划设计中，达到优化设计雨水管道的目的，提高雨水管网规划的效率，降低排水工程 建设投资。 1 2 研究背景 由于历史上的原因，我国的排水管网建设情况十分严峻，据统计，目前我国的排水管网 普及率，按服务面积计为6 4 8 左右，排水管道总长度1 1 万k m 多，人均占有排水管道长度 0 5 5 m ，而伦敦、巴黎、莫斯科普及率为1 0 0 ，东京为9 7 ，人均占有排水管道长度为4 m ， 与他们相比。我国在排水管网建设上的差距非常大。“ 第一章绪论 近年来，随着国民经济的发展，我国许多城市目前面临着大量人口迁移和土地开发状况 与使用情况迅速变更的现状，这些情况促使新城区需要建设新的排水管网以及旧城区需要改 造原有的排水管网。现代城市排水管阿色经构成了规模巨大而复杂的管线网络系统，每个城 市都积累了一大批排水管网设计、施工，竣工的图件和表册资料。目前，我国对排水设施的 管理绝大部分采用的是手工管理的方式，作为管理依据的文字档案及图形档案都存储于纸介 质上，由于使用频率高，图纸资料破损严重，随着时间的推移，纸张老化，字迹模糊。大量 零散的图纸资料不但给查询工作造成了极大的不便，而且也不易进行统计分析，降低了决策 的科学性“1 。城市的迅速发展，导致了城市中不透水面积在逐渐扩大，地表径流增加，使得 旧城区中早期铺设的排水管网的排水负担进一步加剧，往往一场暴雨就使得整个城市浸泡在 积水中，如何设计满足暴雨期雨水排放标准的管网系统，并在最小的代价下将已有的排水管 网和新建的排水管网连接起来，涉及到大量的空间计算，仅仅依靠从业人员的经验是很难做 到的。 一个城市每年在市政设旋建设上投入的资金有限，如何使用有限的资金达到效益的最大 化，是市政规划人员需要特别考虑的问题。国内外资料统计显示：设计阶段影响工程投资的 可能性约为8 0 。要想有效地控制建设工程造价，就要把控制重点转到建设前期阶段上来0 1 。 排水管道优化设计计算，计算工作量大，也往往不能得到一个真正意义上的最优解。即使参 考设计手册中列出的多年经验总结而形成的通用计算方法，也只能考虑其中的一部分情况。 这样最优设计方案就会被遗漏，导致投资浪费，也给以后的管理带来困难。 从已有的研究成果来看，排水管道系统优化设计计算主要涉及到四方面的内容： ( 1 ) 一个城市的最佳排水分区数量和集水范围的确定； ( 2 ) 最佳管线布置的确定： ( 3 ) 管线布置形式给定条件下，不同管径、坡度组合优化； ( 4 ) 雨水径流模型的建立。 城市的最佳排水分区数量和集水范围的确定，是排水管道设计韵关键步骤。城市排水分 区直接影响到排水管线的平面布局；管网集水范围的确定，直接影响到雨水管网设计流量值 的确定。排水分区和集水范围，主要由水流方向确定，在排水规划中就表现为各个汇水区。 因此，雨水汇水区的分布，对排水管道的优化设计起着至关重要的作用。 近年来，地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 凭借其独特的空间 数据管理和空间分析功能迅速在许多领域内得到应用。国内外一些研究者普遍认为，利用地 理信息系统( g i s ) 技术，建立城市管网信息系统是一条有效的途径”1 。城市市政建设需要收 集、处理、分析大量的与空间位置相关的空间信息和属性信息，是g i s 应用最为活跃的领域 之一，排水管网系统规划、管理也越来越多的使用g i s 作为辅助工具。在国际上，2 0 世纪 7 0 年代开始将g i s 应用于市政规划管理领域，目前发达国家已普遍将g i s 用于城市规划， 并作为对突发性事件进行决策的重要手段。最早进行地下管线信息系统建设的是美国的 i n t e r g r a p h 公司著名的a m f m 。r i c h a r dg r e e n e 等人更利用g i s 的网络分析功能与拓扑分 析功能，将g i s 与重力流污水管网设计程序结合起来描述排水流域状况，进行管网定线，确 定污水提升泵站位置及压力管路线”1 。g i s 也越来越多地与水力学模型结合起来”1 “”1 应用到 水资源管理之中，为城市排水管网的建设提供有力的支持。利用g i s 的空间分析和可视化功 2 第一章绪论 能对各种因素进行综合分析，使得自动划分雨水汇水区成为可能，并且可以分析不同情况下 降雨所造成的损失和积水淹没范围，并计算出最优决策方案，以帮助决策者进行优化决策， 减少降雨对城市造成的损失。“ 我国地下管线( 网) 信息系统是随着城市地理信息系统的建立而发展起来的。据不完全统 计，城市地理信息系统的应用约占全部g i s 应用的7 0 。而管线信息系统是城市地理信息系 统的重要组成部分。早在1 9 8 7 年，北京市城市测绘院提出了建立地下管线信息系统的设想。 近几年来，不仅城市综合管线( 网) 信息系统进展很快，各种专业管线( 网) 信息系统也有了较 大的发展“”。但目前将g i s 完整地应用于城市排水管网规划还做的比较少，改变传统的排 水管网的规划模式，将g i s 应用到排水管网的规划之中，还处于探索阶段1 。 排水管网规划的特点和现状需要引入新的技术以及管理方法，而g i s 技术的发展正符合 了这种趋势。本文以地理信息系统为基础，针对城市现有雨水汇水区的划分，基于高效优化 设计排水管网系统的原则，提出了基于g i s 的城市雨水汇水区优化方法。在城市雨水汇水区 达标体系标准下，分析雨水管网不达标的汇水区，通过对汇水区做适当调整( 结点调整、分 解、合并) 来实现汇水区的优化，对排水管网的规划建设提供决策支持，避免重复建设、投 资；对经过优化后仍不达标的汇水区提出可行的管网改造方案。 1 3 国内外相关研究现状及进展 1 3 1 排水管道优化设计发展现状 自2 0 世纪6 0 年代开始，国际上在经验总结和数理分析的基础上，逐步建立起了各种给 水排水工程系统或过程的数学模型，从而发展到了以定量和半定量为标志的给水排水工程 “合理设计和管理”的阶段。与此同时，对于各种类型的给水排水系统，开展了最优化的研 究和实践。从研究成果来看，应用计算机进行排水管道的设计计算，不仅把设计人员从查阅 图表的繁重劳动中解脱出来，加快了设计进度，而且整个排水管道系统得到了优化，提高了 设计质量。“” 城市的排水管道系统复杂而且庞大，数据量趋向于海量化，其优化设计计算主要涉及到 3 方面的内容“”“”“7 “”；( 1 ) 排水管两平面布局优化；( 2 ) 已定管线的情况下管径一埋深 的优化；( 3 ) 旧的排水系统改扩建方案的优化；( 4 ) 城市降雨径流模型研究。 1 、捧水管网平面布局优化 排水管网的平面布局包括确定排水区界，划分排水流域和管道定线。有关这方面的 研究最初是撇开水力因素的，假定每一管段管径都相同，以挖方费用为优选依据，选择 一个初始布置方案，然后用试算法逐步进行调整“。 1 9 8 6 年，s t e k e l 和h b e l k a y a 应用最短路生成树算法先求管线平面布置方案， 再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计。也有学者提出，根据非连续差示动态程序设 计( d d d p ) ，采用查找方向法，对给定的排水布局进行优化设计，从而达到优选布局的目 3 第一章绪论 的“。国内学者陈森发等( 1 9 9 7 ) 提出了优化树的修正逐步生成法“，郭建生等人提 出将地势一地貌用于排水系统优化设计“1 。这些研究成果在一定程度上解决了城市排水 管道系统布局优化的问题。 遗传算法的出现为排水管道系统平面优化布置提供了有利条件，国内外学者已经把 遗传算法应用于城市给水排水、农田灌溉、电缆和煤气管线等方面进行研究“”“”1 。 在迸行管网规划设计的开始，确定排水区界和划分排水流域，实际上就是在进行雨 水汇水区的划分，合理地确定城市的雨水汇水区，提取各个相对独立的雨水管网系统所 覆盖区域，再对每条管段进行定位以及水力计算等研究，可以缩小设计的研究区域，减 少设计计算的试算范围，提高管网规划设计阶段的效率。 2 、已定管线的情况下管径埋深的优化 对于在管线平面布置己定情况下进行管段管径一埋深的优化设计问题，国内外做了 大量开拓性工作，取得了丰硕成果。其最优化方法一般分为两种：间接优化法和直接优 化法。问接优化法也称解析最优化，是在建立最优化数学模型的基础上，通过最优化计 算求得最优解；直接优化法是根据性能指标的变化确定个目标函数，以给各方案提供 一个统一标准，通过直接对各神方案或可调参数的选择、计算和比较，来求得最优解或 满意解。在排水管网系统优化设计技术的发展和应用过程中，间接优化法和直接优 化法同时存在，并且两者都在不断地改进，逐步趋于完善。 已定管线情况下的管径一埋深优化，直接影响到雨水管网的实际排水能力，从而影 响到汇水区管网评价的最终结果，而对雨水汇水区进行优化主要的计算依据也是雨水管 线的排水能力。 3 、旧的挣水系统改扩建方案的优化 目前，对城市旧的排水管道系统的改造通常有以下几种途径：改合流制为分流 制；保留合流制，修建合流管渠截流管；对溢流的混合污水进行适当处理；对溢 流的混合污水量进行控制。 旧的管网改造涉及到管线的重薪布局，原有的汇水区也应作出相应的调整。手工对 汇水区作出调整，会与手工划分雨水汇水区一样产生精度和准确性不高的问题；应用汇 水区自动划分模型来对汇水区进行调整，会导致整个城市的汇水区划分结果出现大的变 动。 4 、城市降雨径流模型研究 城市雨水径流一般用推理公式法计算，该法使用简便，所需资料不多，一个多世纪 以来一直在各国广泛应用。 国外发达国家在经历排水系统的创建、发展和治理阶段之后，自2 0 世纪7 0 年代开 始致力于暴雨雨水的管理，当前西方最著名的模型有：美国工陆军程师兵团水文学中心 的“暴雨”模型( s t o r b i - - s t o r a g e ，t r e a t m e n t ，o v e r f l o w ，r u n o f f m o d e l ) 、美国环保 4 第一章绪论 局的暴雨管理模型s 删、英国环境部及全国水资源委员会的沃林福特程序 ( w a l l i n g f o r dp r o c e d u r e ) 等”1 。在我国，雨水管网的设计和管理一直沿用推理公式 法，2 0 世纪9 0 年代初期的城市雨水管道计算模型( s s c m ) 是我国第一个完整的雨水管 道径流计算和设计模型。 这些模型大多数为已定管线下的优化设计，侧重于排水系统管道设计中涉及到的相 关参数的确定，以及计算模型的研究，并基于这些计算模型实现排水管道系统设计。城 市降雨径流模型的建立，直接关系到雨水汇水区的汇水面积和汇水流量计算，能够影响 到最终的汇水区管网评价结果。 1 3 2 城市雨水汇水区划分技术的发展现状 1 ，城市雨水汇水区的传统划分方式 城市雨水汇水区的划分需要综合考虑地形，城市布局、雨水管网分布等多种因素。目前 雨水汇水区的划分较多的采用人工操作的方法，操作人员用目测的方式判断雨水管网系统， 结合对当地地形及城市布局的了解情况，人为估算划分。这种划分方法，缺少科学的划分原 则，没有进行科学的定量计算，难一的划分依据是工作人员的经验。这样划分出来的雨水汇 水区，带有浓厚的人为因素，而且精度差、不确定性大。 1 随着g i s 在排水领域的深入应用，各种排水管网信息管理系统结合自动制图系统 ( h m - h u t c c a a t e dm a p p i n g ) 、设备管理系统( f m - f a c i l i t i e sm a n a g e m e n t ) 、专家系统、决策 支持系统，为城市规划与建设管理提供高精度、高可靠性、现势性的排水管网信息。 ”1 0 ”脚1 这些系统集成了城市雨水汇水区的编辑工具和雨水汇水区评价体系，能够更好地 对城市中雨水汇水区迸行计算和管理，使得城市排水管网的管理和规划能够脱离过去传统的 工作方式，但是在雨水汇水区划分方法上还是沿用传统的手工操作方式，效率比较低下。 2 ，自动划分城市雨水汇水区技术 在以前的国内外研究中，很少有针对雨水汇水区自动划分方面的研究，更没有把g i s 支持下的雨水汇水区划分实际应用于雨水管两系统的优化设计。南京师范大学地理信息科学 江苏省重点实验室以地理信息系统为基础，针对排水设施管理现状，基于高效优化设计排水 管网的目的，提出了地理信息系统支持下的城市雨水汇水区自动划分模型，并应用到实际排 水工程中。 该模型结合城市地形、城市布局和城市雨水管网系统的设计，将雨水汇水区划分为三个 渐进的层次：城市雨水流域汇水区、城市雨水出水口汇水区、城市雨水管段汇水区。应用该 模型对城市雨水汇水区进行自动划分，能大大减轻从业人员手工划分雨水汇水区的时间付 出，节约成本。 5 第一章绪论 1 4 论文的技术路线及内容 1 4 1 论文的技术路线 通过阅读相关文献资料，经过对目前城市雨水管网系统的分析，回顾了雨水规划设计的 发展现状，提出了雨水汇水区优化方法，分析了在雨水汇水区划分之后，如何调整排水管网 不达标雨水汇水区和由于排水管网发生变更而需要调整的汇水区，即汇水区多边形结点的调 整、汇水区多边形的分解、汇水区多边形的合并，以达到避免重复建设，减少工程投资的目 的。并在此基础上，对经过调整后仍然不达标的汇水区提出合理的管网改造方案。最后阐述 了本文提出的雨水汇水区优化方法在淮安市排水达标地理信息系统中的应用。 采用的技术路线框图如图卜1 所示： 6 第一章绪论 1 4 。2 论文的内容 图1 1 技术路线框图 本文研究了以下内容； ( 1 ) 城市雨水汇水区优化体系研究 ( 2 ) 城市雨水汇水区分解研究 ( 3 ) 城市雨水汇水区合并研究 ( 4 ) 城市雨水汇水区优化方法的实现与应用研究 7 第一章绪论 论文共分五章： 第一章：绪论。总体介绍了选题背景、依据和目前雨水管网规划的现状，论述了运用地 理信息系统的方法进行雨水管网规划的优势，城市雨水汇水区优化研究的意义，介绍了论文 的内容、研究技术路线和研究方法。 第二章：城市雨水汇水区的建立与评价。介绍了两种不同的城市雨水汇水区建立方法， 同时介绍了对雨水汇水区进行管网达标评价的流程和评价标准体系，并详细介绍了其中的关 键算法：城市雨水管网连通性分析、径流模型计算。 第三章；城市雨水汇水区优化方法。在第二章的基础上，针对造成汇水区不达标的各种 原因，实现了城市雨水汇水区的优化方法：汇水区结点调整、汇水区分解、汇水区合并。 第四章：雨水汇水区优化方法在城市排水达标评价中的应用以淮安市排水达标地理 信息系统为倒。列举本文所研究城市雨水汇水区优化方法在淮安市排水规划达标系统中的应 用。 第五章：结论与展望。通过对全文的研究工作、研究成果进行总结和归纳，指出论文的 创新点，并对今后的研究工作进行展望。 8 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 2 1 城市雨水汇水区的建立方法 2 1 1 影响城市雨水汇水区分布的因素 城市的雨水管网系统的布局大致上决定了城市雨水汇水区的分布。雨水管网系统有如下 的特点： ( 1 ) 充分利用地形，就近排入水体。雨水管渠应尽量利用自然地形坡度以最短的距 离靠重力流排入附近的池塘、河流、湖泊等水体中，如图2 - 1 所示。 图2 1 分散出水口式雨水管布置 当河流的水位变化很大，管道出口离常水位较远时，出水口的构造比较复杂， 造价较高，宜采用集中出水口式的管道布置形式，如图2 - 2 。当地形平坦，且 地面平均标高低于河流常年的洪水位标高时，需将管道出口适当集中，在出水 口前设雨水泵站，暴雨期间雨水经抽升后排入水体。 9 河l 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 图2 2 集中出水口式雨水管布置 ( 2 ) 根据城市规划布置雨水管道。通常，应根据建筑物的分布，道路布置及街区内 部的地形等布置雨水管道，使街区内绝大部分雨水以最短距离排入街道低侧的 雨水管道。雨水管道应平行道路布设，且宣布置在人行道或草地带下，而不宣 布置在快车道下，以免积水时影响交通或维修管道时破坏路面，若道路宽度大 于4 0 m 时，可考虑在道路两侧分别设置雨水管道。 ( 3 ) 合理布置雨水口，以保证路面雨水排除通畅。雨水口布置应根据地形及汇水面 积确定，一般在道路交叉口的汇水点，低洼地段均应设置雨水口，以便及时收 集地面径流，避免因排水不畅形成积水和雨水漫过路口而影响行人安全。 ( 4 ) 雨水管道采用明渠或暗管应结合具体条件确定。在城市市区或工厂内，由于建 筑密度较高，交通量较大，雨水管道一般应采用暗管。在地形平坦地区，埋设 深度或出水口深度受限制地区，可采用盖板渠排除雨水。 ( 5 ) 设置排洪沟排除设计地区以外的雨洪径流。许多工程或居住区傍山建设，雨季 时设计地区外大量雨洪径流直接威胁工厂和居住区的安全。因此，对于靠近山 麓建设的工厂和居住区，除在厂区和居住区设雨水道外，尚应考虑在设计地区 周围或超过设计区设置排洪沟，| 三l 拦截从分水岭以内排泄下来的雨洪，引入附 近水体，保证工厂和居住区的安全。 从以上雨水管网的特点可以看出，地形和城市布局是决定城市雨水管网平面分布的两个 重要的因素，相应地城市雨水汇水区的分布，就取决于地形、城市布局和雨水管网的分布。 在雨水汇水区的建立过程中，必须考虑到地形、城市布局和雨水管网分布情况等因素。 2 1 2 传统方法建立城市雨水汇水区 进行汇永区划分的原则是：自大向小，逐步递进。根据这个原则，可将汇水区域划分为 四个层次： ( 1 ) 以河道为分水岭划分第一层次的汇水区域； ( 2 ) 在第一层次汇水区域的基础上，以主干道为主线划分第二层次的汇水区域； ( 3 ) 依据地形并结合出水口及区域排水边界进行划分，形状尽可能比较规则，面积不宜过 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 大； ( 4 ) 根据地形和建筑群实际汇水边界进行校核，并与毗邻系统统筹考虑，做到均匀合理。 按照咳上汇水区划分的原则，传统的建立城市雨水汇水区的方法是：工作人员依据对城 市地形和道路布局的认识和了解，结合雨水管网竣工图，在c a d 图或者地图上人工勾画出城 市的雨水汇水区，对于相邻汇水区之间绿地及建筑物区的划分，采用划分多边形等角线的方 法，将研究区域分配到其周围道路上的雨水管道。由于工作人员对城市地形的认识有限，只 能做到大体上的判断，而这种判断又存在较大的误差，不能准确判断雨水的汇流方向，因此 按照传统的方法建立雨水汇水区，缺少科学的划分原则，没有进行科学的定量计算。同时， 不同的工作人员对城市地形和道路布局的认识也不一样，这样导致不同的工作人员划分出不 一致的结果，带有浓厚的人为因素，具有极大的不确定性，精度也比较差。在g i s 技术引入 城市排水管网规划之后，由于国内外对雨水汇水区自动划分的研究较少，在建立城市雨水汇 水区的方法上，还停滞于传统的方法。 2 1 3g i s 支持下自动划分城市雨水汇水区 g i s 技术广泛应用于城市排水管网规划以后，建立雨水汇水区的方法中就介入了较多的 g i s 元素：城市地形具体表现为城市的d e m 数据、管网和道路布局具体表现为地图中相应的 图层，g i s 技术也使得城市雨水汇水区自动建立的实现成为可能，建立城市排水规划地理信 息系统不仅能够提供给工作人员手工划分的工具，而且还能够从城市地形、雨水管网布局、 城市布局出发，自动划分雨水汇水区，这种划分方法相比传统方法更加合理，能够提高管网 规划工作的效率和精度。 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室以地理信息系统为基础，针对排水设施管 理现状。基于高效优化设计排水管网的目的，提出了地理信息系统支持下的城市雨水汇水区 自动划分模型。并应用到实际排水工程中。该模型结合城市雨水管网系统的设计，将雨水汇 水区划分为三个渐进的层次：城市雨水流域汇水区、城市雨水出水口汇水区、城市雨水管段 汇水区。这三级汇水区存在包含和逐步递进的关系，每个雨水流域汇水区可以划分为若干个 雨水出水口汇水区，每个出水口汇水区又可划分为若干个雨水管段汇水区。 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 图2 3 雨水汇水区分类等级图 ( 1 ) 雨水流域汇水区：指在城市总体规划或工厂总体布置时，按地形的实际分水线 及城市主要街道划分的排水流域。雨水流域汇水区从总体上将整个城市划分为若干 个排水流域，反映雨水的总体流向，以便于布设出承口溺泵站； ( 2 ) 雨水出水口汇水区：指在提取雨水管网系统的基础上，依据地形并结合出水口 及区域排水边界，对雨水汇水区的第二层次汇水区域划分，各汇水区内雨水管网系 统自成相对独立的连通系统。每个或几个出水口将承担一定区域内雨水的排放。雨 水出水口汇水区划分的目标是将雨水流域汇水区按照雨水管网系统的分布再分割 成若干个下级子汇水区。城市雨水管线的平面优化布置和已定管线下的管道系统优 化设计中都要进行出永口汇水区的划分； ( 3 )雨水管段汇水区：划分每段管段所服务的汇水区范围，是根据地形和建筑群划 分的第三级汇水区域，管段是指管径、坡度不发生变化，并且没有其他管段接入的 一段连续管线。雨水管段汇水区的划分目标是确定每段雨水管道所承担的汇水区 域。 该模型研究了基于动态分段技术的雨水管网网络数据模型，建立了雨水管网数据结构， 合理地组织和管理了雨水管网空间数据及属性数据，为雨水汇水区自动划分提供了有力的数 据模型支持。应用该模型对城市雨水汇水区进行自动划分，能大大减轻从业人员手工划分雨 水汇水区的时间付出，节约成本。 2 2 城市雨水汇水区的评价方法 2 2 1 城市雨水汇水区评价流程 城市雨水汇水区管网达标的评价结果能够直观的反映雨水汇水区划分的合理性和汇水 区内雨水管网的达标性能。对城市雨水汇水区进行管网达标评价，涉及到城市雨水管网达标 j 2 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 评价体系的建立、城市雨水管网连通性分析、径流面积计算等过程，其流程图如下所示： 图2 - 4 城市雨水汇水区达标评价流程图 城市雨水汇水区管网达标评价过程如下： ( 1 ) 针对汇水区内现状管网数据进行雨水管网连通性分析，遍历到达一个出水口或检查井 的所有管线和检查井。 空间网络分析( s p a t i a ln e t w o r ka n a l y s i s ) 是g i s 空间分析的重要组成部分”，管网 连通性分析是空间网络分析的一个应用。连通性分析问题对应于图的生成树求解。求连通分 量往往采用深度优先遍历或广度优先遍历形成深度或广度优先生成树“7 。参考从有向图某顶 点开始的广度优先遍历算法”1 ，结合城市雨水管网连通性分析特点，汇水区内雨水管网连通 性分析流程图如下： 1 3 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 图2 5 雨水管网连通性分析流程图 汇水区雨水管网连通性分析是从出水口或最下游的检查井开始的，其步骤如下： 读取汇水区内现状管网数据，确定管网连通性分析的起始管点，将该管点标记为已访问， 并记录； 查找该管点的上游管段，并记录，同时可对管段进行雨水流速、汇水区域面积等相关计 算； 判断上游管段是否遍历结束，结束则继续下一步，没有结束则转； 查找该管段的上游管点，以数组v n 记录，并标记为己访问； 判断数组中某管点v i i 是否有上游管段，有则确定v i 为遍历的起始点，转；没有 则表示v i i 是某条雨水路径的起点，转： 判断数组v n 中管点是否已全部遍历，是则转；否则确定另一管点v j 为遍历起始 点，转； 结束。 ( 2 ) 根据相关水力计算公式，结合雨水管网联通性分析过程中的相关计算结果，计算出管 段的实际输水能力。 ( 3 ) 径流面积计算 雨水管段的汇水面积分配能确定各管段的本段汇水面积，平均径流系数及地面集水时 间。在雨水管网系统中，每段管段不是孤立存在的，其上游管段的输水能力直接影响到本段 的设计流量，上游管段的雨水最终流入下游管段，每段管段所承担的汇水面积( f ) 是本段 1 4 第二章城市雨水汇水区的建立与评价 汇水面积( f o ) 与上游管段汇水面积( f _ ) 之和，也即径流面积，如下式所示： f = f o + f ，( f ( 1 胛) ) l - 1 可把雨水管网分解为树状结构，利用递归计算可快速计算出各管段的径流面积。每段管 段的径流面积确定直接影响到各管段的设计流量。“ ( 4 ) 结合雨水管网连通性分析过程中相关计算结果，根据汇水区暴雨强度计算公式，计算 出本汇水区的雨水管网设计流量。 ( 5 ) 参考城市雨水管网达标评价体系标准，比较管网实际输水能力与管网设计流量，判断 汇水区是否达标。 2 2 2 城市雨水管网达标评价体系标准 依据雨水排水系统的设计暴雨重现期，系统管网达标率的大小、系统总管、泵站建设情 况等，将出水口汇水区划分为四类：基本达标、局部不达标、完全不达标、在建系统。系统 管网达标率指系统内达标管道的实际泄水面积总和占系统总泄水面积的比例“1 。 对于各个不同城市的达标标准指标略有不同，大体上，可以根据以下标准划分出水口汇 水区： ( 1 ) 基本达标：总管和泵站已达到系统设计标准的汇水区中，设计暴雨重现 期p 大于1 年，系统管网达标率大于8 0 的汇水区； ( 2 ) 局部不达标：总管和泵站已达到系统设计标准的汇水区中，设计暴雨重 现期p 大于1 年，系统管网达标率小于8 0 的汇水区； ( 3 ) 完全不达标：设计暴雨重现期p 小于0 5 年的汇水区。 2 3 城市雨水汇水区优化的必要性 无论是按照传统的手工划分方法还是按照自动划分方法建立城市雨水汇水区，在汇水区 内排水管网发生变更，需要对原有汇水区做出调整的时候，都缺少一种简单有效的技术方法， 能够快速的完成对雨水汇水区的调整和优化。对于那些排水管网没有达到雨