一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法

1.本发明涉及内涝预测和规划领域，具体为一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法。


背景技术：

2.随城镇化的快速发展，城市规模不断扩大，城市建设过程中不适当的开发造成城市原有的自然调蓄水体、低洼地等被不透水地面填埋，蓄滞洪构成的天然排水系统被道路和硬质地表截断取而代之的是以人工程管网为主、绿地为辅的排水系统。近年来我国倡导海绵城市，通过具有海绵体功能的绿地一定程度上缓解了内涝风险，但现状绿地的布局多为见缝插绿，没有考虑自然地表径流走向从系统上进行布局，导致现状绿地调蓄能力差。在面对河流汛期及极端暴雨时，海绵城市无法解决城市内涝的问题；再者，目前城市人工管网的建设是以快排为主，要求市政管网在短时间内排出雨水。当河流汛期和极端暴雨来临时，大量雨水排入管网，导致管网和泵站等排水设施蓄满负荷，无法外排发挥不了作用。已有不少研究表明，城市规划能切实缓解城市内涝风险，预测未来土地提前预知未来内涝风险有利于缓解城市内涝风险。在城市规划之前提前预知未来风险，根据未来内涝风险调整现状雨洪调蓄空间规划，有利于缓解未来城市内涝风险。
3.目前对优化雨洪调蓄空间已有不少研究。在小尺度上，焦胜采用arcgis和scs水文模型，模拟极端降雨的雨洪淹没区和雨洪廊道，根据研究区海绵城市年径流总量目标结合模型模拟确定低影响开发设施位置及规模；在大尺度上，陈刚运用strahlcr—horton定律和arcgis技术，提取水系、集水区，综合考虑土地利用等因素初步确定湿地位置，再通过海绵城市年径流总量、城市防洪目标确定湿地的规模从而实现了小流域雨洪调蓄；喻丁一以子汇水区为单位，结合产汇流过程，将现有的雨洪调蓄目标容量量化转为可落地的雨洪调蓄空间规划方案。
4.在运用预测模型预测内涝风险方面，主要集中在lulc变化现状与城市内涝之间的关系、未来土地利用变化对城市内涝的影响。有学者通过耦合最大熵(maxent)和未来土地利用模拟(flus)模型预测未来内涝风险。杨可欣以海宁市为例，利用土地利用预测模型(clumondo)获得2030年的土地利用模拟结果。利用水动力模型(infoworks icm)模拟未来城市内涝；权瑞松利用terraset ca-markov模型模拟和预测了2030年上海市土地利用的空间分布，利用scs模型计算了地表径流，并预测和分析了未来土地利用变化对地表径流的影响(权瑞松,2018)。但很少研究将雨洪调蓄空间的优化布局与预测的未来城市风险结合起来，基于未来内涝风险缓解现状城市内涝风险。故本方法通过scs模型和plus模型将雨洪调蓄空间的优化布局与预测的未来城市风险结合起来，基于未来内涝风险缓解城市内涝风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，以解决
上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，包括以下步骤：
7.s1、识别现状研究区的高淹没区和潜在雨水廊道；
8.s2、预留现状雨洪调蓄容量高的区域，初步优化现状雨洪调蓄空间；
9.根据现状淹没深度图，运用arcgis空间分析工具,提取现状高淹没区，将确定为高淹没区的区域与现状非建设用地叠加，得到现状调蓄潜力高的雨洪调蓄空间为蓄滞洪场所，通过预留现状雨洪调蓄容量高的区域初步优化现状雨洪调蓄空间；通过plus模型将限制因子的格式转化成“unsigned char”数据，并将预留现状调蓄潜力高的雨洪调蓄空间情景定义为情景一、没有预留现状调蓄潜力高的区域雨洪调蓄空间为情景二；
10.s3、预测步骤s2中情景一，情景二的未来用地分布；
11.s4、计算不同情景的内涝风险及实际淹没容量，验证初步调整效果；
12.s5、基于未来风险对现状雨洪调蓄空间进行调整布局。
13.优选的，本技术提供的一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，其中，所述步骤s1的具体过程为：
14.s1.1识别现状城市新区的潜在雨水廊道及确定其宽度
15.基于现状dem数据利用arcgis水文分析工具，提取地表径流模型的流量、流向、生成无洼地dem、提取河流网络并结合实际河流情况提取现状潜在雨水廊道，确定研究区不同等级的潜在雨水廊道的宽度；
16.s1.2确定研究区的降雨量
17.根据该城市最新住建部公布的城镇内涝防治设计标准确定暴雨强度的降雨情景，并通过该城市的暴雨强度公式和芝加哥曲线公式或当地降雨资料确定降雨量；
18.s1.3将降雨量输入scs模型，确定直接径流量q
19.将确定的高淹没区降雨量，通栅格计算器完成scs模型的计算，得到直接径流量q；
20.s1.4子汇水区划分
21.基于水文分析提取河网之后对研究区的流域进行分割等得到子汇水区图，接着计算现状积水总量，在arcgis里面通过“分区统计”统计每个子汇水区的径流总量，使用转换工具“spatial analyst—数学分析—转为整型”，再用栅格计算器统计各个栅格的积水总量；
22.s1.5运用等体积法计算现状用地淹没深度
23.根据已有的研究和规范将内涝淹没深度划分为3等级，等级划分方式如下，
24.当积水深小于15cm时，儿童行走困难，对居民生活有影响，未造成经济损失划定为低淹没区；
25.当积水深度超过15cm时，水进入屋内造成财产损失划定为中淹没区；
26.当平均积水深度大于40cm时，交通瘫痪，并威胁儿童生命安全，建筑低层进水财产损失巨大，严重积水，威胁儿童安全，划定为高淹没区。
27.优选的，本技术提供的一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，其中，所述步骤s13中，scs模型的建立基于水平衡方程以及两个基本假设，即比例相等假设和初损值关系假设；
28.scs模型的主要方程有如下几个：
29.p＝ia f q
[0030][0031]
ia＝λ
·s[0032]
其中，p为总降雨量(mm)，ia为初损量(mm)，包括截流、表层蓄水，f为不包括ia的累计下渗量(mm)，q为直接径流量(mm)，s为当时可能最大滞留量(mm)，λ为区域参数(0.1≤λ≤0.3)，本模块中采用常用值λ＝0.2；
[0033]
当p≥0.2s时：
[0034][0035]
当p＜0.2s时：
[0036]
q＝0
[0037]
为计算s，引入一个参数cn土壤最大蓄水能力；
[0038][0039]
cn是曲线数值，一个无量纲参数，理论取值范围是[0，100]，cn值反应了流域下垫面单元的产流能力，径流模型中关键需要确定下垫面的cn值，cn值根据该研究区的用地类和土壤类型来确定。
[0040]
优选的，本技术提供的一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，其中，所述步骤s3具体方法如下：
[0041]
s3.1确定驱动因子，贡献分析
[0042]
根据预测需要，收集不同年份的驱动因子，对不同年份的驱动数据和土地利用数据进行预处理，提取扩张部分，对扩张部分进行不同土地利用类型的贡献分析；
[0043]
s3.2模型模拟，精度评价
[0044]
在满足建设用地规划需求的情况下，模型模拟时，对plus模型中的领域参数、转化规则进行反复调试，直到达到模型精度要求；
[0045]
s3.3预测不同情景的未来用地
[0046]
在满足建设用地规划需求的情况下，基于步骤s3.2的参数，运用plus模型分别对未来用地进行预测得到情景一、情景二中的未来用地分布。
[0047]
优选的，本技术提供的一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，其中，所述步骤s4中具体如下：计算情景一和情景二的未来城市内涝风险，划分内涝风险等级，通过arcgis空间分析工具将两种情景的风险与各自情景的用地叠加验证初步调整雨洪调蓄空间的内涝消减效果。
[0048]
优选的，本技术提供的一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，其中，所述步骤s5中基于情景一的内涝风险，对未来雨洪调蓄空间布局，根据未来雨洪调蓄空间布局调整现状雨洪调蓄空间规划，将预留现状调蓄潜力高的雨洪调蓄空间作为雨洪调蓄空间的选址区域，整体形成以雨洪调蓄空间调蓄为主，其他生态用地调蓄容量为辅的雨洪调蓄模式。
[0049]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0050]
(1)本发明在城市扩张或城市新区建设之前，运用scs模型和plus模型，利用plus模型能够结合规划需求预测出未来土地利用变化分布的优点和scs模型数据需求量少且能基于用地情况动态计算风险的优点，在保证未来建设用地总量达到规划需求的情况下，基于初始地形，两期土地利用数据，通过plus模型对未来用地进行预测，scs模型计算未来用地风险，解决在城市扩张或城市新区建设之前，提前预知未来用地城市内涝风险的问题。
[0051]
(2)本发明基于预测出来的未来用地的内涝风险，分与未来用地类型及潜在雨水廊道的位置叠加；而后，结合地表径流“源头—过程—末端”三个状态，对雨洪调蓄空间进行结构梳理，赋予未来雨洪调蓄空间不同功能，基于优化的未来雨洪调蓄空间布局优化现状雨洪调蓄空间。
[0052]
(3)本发明易于学习掌握、成本低、数据需求量少，有利于推广，同时为探索极端气候下城市具有雨洪调蓄功能的绿地规划、城市内涝防控提供参考作用。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例提供的雨洪调蓄空间优化的整体流程示意图；
[0054]
图2是本发明实施例提供的高淹没区和潜在雨水廊道识别的技术流程图；
[0055]
图3是本发明实施例提供的2000年潜在雨水廊道图；
[0056]
图4是本发明实施例提供的2000年非建设用地雨洪淹没空间分布图；
[0057]
图5是本发明实施例提供的初步优化现状雨洪调蓄空间图；
[0058]
图6是本发明实施例提供的限制因子图；
[0059]
图7是本发明实施例提供的情景一2020年用地图；
[0060]
图8是本发明实施例提供的情景二2020年真实的用地图；
[0061]
图9是本发明实施例提供的预测的情景一2020年风险图；
[0062]
图10是本发明实施例提供的真实规划情景二2020年风险用地图；
[0063]
图11是本发明实施例提供的现状雨洪调蓄空间优化布局图；
[0064]
图12为本发明实施例提供的优化的现状雨洪调蓄空间参考图。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
本发明提供如下技术方案：一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法，包括以下步骤：
[0067]
s1、识别现状研究区的高淹没区和潜在雨水廊道；
[0068]
s2、预留现状雨洪调蓄容量高的区域，初步优化现状雨洪调蓄空间；
[0069]
根据现状淹没深度图，运用arcgis空间分析工具,提取现状高淹没区，将确定为高淹没区的区域与现状非建设用地叠加，得到现状调蓄潜力高的雨洪调蓄空间为蓄滞洪场所，通过预留现状雨洪调蓄容量高的区域初步优化现状雨洪调蓄空间；通过plus模型将限
制因子的格式转化成“unsigned char”数据，并将预留现状调蓄潜力高的雨洪调蓄空间情景定义为情景一、没有预留现状调蓄潜力高的区域雨洪调蓄空间为情景二；
[0070]
s3、预测步骤s2中情景一，情景二的未来用地分布；
[0071]
s4、计算不同情景的内涝风险及实际淹没容量，验证初步调整效果；
[0072]
s4、最后基于未来风险对现状雨洪调蓄空间进行调整布局。
[0073]
如图1所示，将一种基于未来风险的雨洪调蓄空间优化布局方法应用于湖南省长沙市湘江新区，研究区面积约为1200平方千米。为准确验证方法的有效性和详细阐述方法原理及过程，选取2000年湘江新区未规划建设的用地，假设2000年使用本发明的方法优化现状雨洪调蓄空间，通过对比现状2020年内涝风险和使用本发明后的2020年风险，来验证初步优化效果。
[0074]
根据该研究假设，在保证开发前后(预测得到的2020用地)建设用地数量基本一致的情况下，首先识别湘江新区2000年高淹没区与潜在雨水廊道，对2000年高淹没区进行合理预留。其次，在arcgis里面将2000年高淹没区与2000年非建设用地叠加，得到2000年调蓄容量高的淹没区作为蓄滞洪场所对雨洪调蓄空间进行初步优化，也就是plus模型中的限制因子，一方面，避免了在极端情况下高淹区对人身财产的威胁，另一方面有利于提升未来用地的调蓄容量，将限制因子输入plus模型，预测2020用地，预留限制因子的2020年用地定义为情景一，2020年现状用地定义为情景二，为真实规划状态下的用地现状；而后，对情景一、情景二2020年用地进行淹没分析，根据模拟结果，得到初步优化雨洪调蓄空间图，对比两种情景的内涝风险，验证初步优化雨洪调蓄消减内涝效果；最后，进一步根据模拟情况合理布局雨洪调蓄空间为现状雨洪调蓄空间的规划、绿地系统规划提供借鉴。实验步骤具体如下：
[0075]
s1识别2000年湘江新区高淹没区与潜在雨水廊道如图2具体步骤如下：
[0076]
s1.1识别2000年城市新区的潜在的雨水廊道及确定其宽度
[0077]
运用arcgis水文分析工具，基于2000年湘江新区30米精度的dem数据，提取地表径流模型的流量、流向、生成无洼地dem，提取河流网络并结合实际河流情况提取潜在雨水廊道，确定研究区不同等级潜在雨水生态廊道宽度。原则上根据河网等级高低确定潜在雨水生态廊道、节点及连接度得到雨水廊道的宽度图3。
[0078]
s1.2确定高淹没区的降雨量
[0079]
根据《湘江新区海绵城市建设技术导则(评审稿)》中规定50年一遇是湘江新区防涝标准，故将其设为50年一遇24小时的降雨情景并通过《长沙市低影响开发雨水控制利用系统设计技术导则》(试行)确定50年一遇24小时下的设计降雨量为232.54mm。
[0080]
s1.3将降雨量输入scs模型，确定q直接径流量
[0081]
将步骤s1.2中，确定的高淹没区降雨量，通栅格计算器完成scs模型的计算，得到直接径流量q，scs模型的原理如下，确定50年一遇24小时的直接径流量q，scs模型的原理如下：
[0082]
scs模型的建立基于水平衡方程以及两个基本假设，即比例相等假设和初损值(当时可能最大潜在滞留量)关系假设。
[0083]
scs模型的主要方程有如下几个：
[0084]
p＝ia f q
[0085][0086]
ia＝λ
·s[0087]
其中，p为总降雨量(mm)，ia为初损量(mm)，包括截流、表层蓄水等，f为不包括ia的累计下渗量(mm)，q为直接径流量(mm)，s为当时可能最大滞留量(mm)，λ为区域参数(0.1≤λ≤0.3)，本模块中采用常用值λ＝0.2。
[0088]
当p≥0.2s时：
[0089][0090]
当p＜0.2s时：
[0091]
q＝0
[0092]
为计算s，引入一个参数cn土壤最大蓄水能力。
[0093][0094]
cn是曲线数值，一个无量纲参数，理论取值范围是[0，100]，cn值反应了流域下垫面单元的产流能力。径流模型中关键需要确定下垫面的cn值，cn值根据该研究区的用地类和土壤类型来确定。
[0095]
s1.3子汇水区划分
[0096]
基于水文分析提取河网之后对研究区的流域进行分割等得到子汇水区图；而后，计算2000年湘江新区积水总量，在arcgis里面通过“分区统计”统计每个子汇水区的径流总量，这里用到的数据是已经做好的子汇水区数据。使用转换工具“spatial analyst—数学分析—转为整型”，再用栅格计算器统计各个栅格的积水总量。
[0097]
s1.4运用等体积法计算2000年用地淹没深度
[0098]
根据已有的研究和规范将内涝淹没深度划分为3等级，具体划分规则如下：
[0099]
当积水深小于15cm时，儿童行走困难，基本不影响交通，对居民生活有一定的影响，但未造成经济损失划定为低淹没区(低风险区)；当积水深度超过15cm时，水进入屋内造成一定的财产损失；城市汽车排气口的平均高度在15左右，导致汽车媳火部分交通阻断，居民财产损失也会加大划定为中淹没区(中风险区)；当平均积水深度大于40cm的时候，交通瘫痪，并威胁儿童生命安全，建筑低层进水财产损失巨大，严重积水，威胁儿童安全，划定为高淹没区(高风险区)，其中将大于40cm对人产生危险的区域划定为高淹没区。
[0100]
运用等体积法与现状地形快速逼近得到2000年研究区的淹没深度图4。等体积法实现思路为由于积水受重力作用呈现由高向低流动的过程，因此可根据研究区的地形分布情况，用某时间步长的总积水量(通过产流模拟部分计算得到)与该时间步长积水淹没范围内总积水量体积相等的原理来模拟暴雨内涝积水分布情况，等体积法计算公式为：
[0101]
w＝∫∫[ew(x，y)-eg(x，y)]dσ
[0102]
式中：w积水淹没范围内总水量；ew(x，y)积水水面高程；eg(x，y)积水水面高程；dσ积水区域面积微元。
[0103]
s2初步优化现状雨洪调蓄空间：
[0104]
在城市开发前,根据步骤s1.4得到的2000年淹没深度图，运用arcgis空间分析工
具,将淹没深度＞0.4m的高淹没区与非建设用地叠加，得到2000年雨洪调蓄容量高的区域，预留2000年雨洪调蓄容量高的区域作为蓄滞洪场所，得到初步优化现状雨洪调蓄空间图5，该区域不能用于建设开发，其功能为极端降雨来临的时候储存洪水的作用。将其与基本农田红线和水域合并作为plus模型中的限制因子，通过arcgis重分类为“0”，为禁建区，其他区域为“1”得到图6。通过plus模型将限制因子的格式转化成“unsigned char”数据，在实验开始前，已将预留现状调蓄潜力高的雨洪调蓄空间定义为情景一、没有预留高淹没区雨洪调蓄空间为情景二。
[0105]
s3预测情景一2020年用地：
[0106]
通过plus模型预测情景一2020年用地，情景二是真实规划情景下的2020年用地不用预测，为提高模型精度采用分阶段多次模拟，得到情景一2020年用地。具体过程如下：
[0107]
s3.1确定驱动因子，贡献分析
[0108]
根据预测需要，收集不同年份的驱动因子如表1，对数据进行预处理，提取扩张部分，对扩张部分进行不同土地利用类型特征贡献分析。
[0109]
表1不同年份的驱动因子数据
[0110]
因子类型数据自然环境高程、坡度、到主要河流的距离(2000、2020)社会经济gdp、人口密度(2000、2020)中心辐射到政府机构的距离、到中心城区的距离(2000、2020)溢出效应人口、gdp、主要道路、铁路、高速(2000、2020)限制因子永久基本农田、生态保护红线数据、河流(2000、2020)土地利用2000、2020土地利用数据及影像
[0111]
s3.2模型模拟，精度评价
[0112]
在plus模型中，利用湘江新区2000、2010年土地利用数据及驱动因子对2010年用地进行预测；而后，通过计算kappa、fom值反复调试2000到2010的模型精度、领域参数、转化规则，直到达到模型精度；最后得到2000至2010年的kappa为0.732287、总体精度为0.821425、fom＝,0.224514的模型参数。同上步骤对2010至2020年的用地进行得到模型模拟，精度评价；最后，根据公式计算得到2010至2020年kappa指数为0.8287、总体精度为0.890536、fom＝0.329438的参数，两个阶段的参数均说明模拟结果与真实用地具有高度的一致性。
[0113]
s3.3预测情景一2020年用地
[0114]
基于步骤s3.2的参数，由于研究假设情景一要满足2020年真实规划情景下建设用地的需求，因此运用栅格计算器计算情景二2020年用地图8可知2020年真实规划情景下建设用地的需求为290771个像元；在保证两种情景建设用地需求一致的情况下，预测情景一2020年的用地图7，通过栅格计算器可知情景一建设用地为290771个像元，达到研究假设需求。
[0115]
s4计算不同情景的内涝风险及实际淹没容量，验证初步优化效果
[0116]
根据步骤s1中的步骤s1.2至步骤s1.4分别计算情景一2020年用地和情景二2020年用地的内涝风险分别得到图9和图10。通过arcgis空间分析工具分别将两种情景的风险与各自情景的用地叠加，初步验证优化现状雨洪调蓄空间的内涝消减效果，可知情景一消
减建设用地的内涝风险728.2649777公顷；接着，通过arcgis分别计算两种情景雨洪淹没斑块的实际调蓄容量，可知情景一提升了汇水区容量657万m3。通过上述结果可知，预留2000年雨洪调蓄容量高的区域，有利于极端情景下内涝风险防控。
[0117]
s5基于2020年情景一的风险区优化现状雨洪调蓄空间规划
[0118]
在s2初步优化现状雨洪调蓄空间的基础上，为进一步缓解其他内涝风险。整体形成以雨洪调蓄空间调蓄为主，其他生态用地调蓄容量为辅的雨洪调蓄模式如图11，具体优化方法如下：
[0119]
首先，运用arcgis空间分析工具，将情景一2020年风险区擦除步骤s2的蓄滞洪场所；而后，将情景一风险区与2000年生态用地叠加得到现状2000年雨洪调蓄空间的选址区域，适宜未来雨洪调蓄空间的布置，可依据雨洪斑块的淹没深度和面积结合地表径流“源头—过程—末端”的三个状态进行优化布局具有雨洪调蓄设施或具有雨洪调蓄功能的绿地。
[0120]
其次，通过将剩余风险区与未来建设用地叠加，该部分区域在未来建设用地选址的时候应该优先规避该区域，重点关注该区域的内涝风险，尽可能的通过海绵城市消减该区域的内涝风险，减少人在该区域的活动。
[0121]
最后，将潜在雨水廊道与2020情景一用地进行叠加，预留天然的排水通道，若现状潜在雨水廊道位于建设用地上的应优先考虑建设用地中的绿地布设；而后，基于未来风险优化的未来雨洪调蓄空间基础上，优化现状雨洪调蓄空间，综上所述方法，得优化的现状雨洪调蓄空间参考图为图12，在实际规划过程中，可根据实际情况或者规划需求对雨洪调蓄空间进行进一步调整，调整后的用地可用该方法进行验证消减内涝效果。
[0122]
综上所述，本发明在城市扩张或城市新区建设之前，运用scs模型和plus模型，利用plus模型能够结合规划需求预测出未来土地利用变化分布的优点和scs模型数据需求量少且能基于用地情况动态计算风险的优点，在保证未来建设用地总量达到规划需求的情况下，基于初始地形，两期土地利用数据，通过plus模型对未来用地进行预测，scs模型计算未来用地风险，解决在城市扩张或城市新区建设之前，提前预知未来用地城市内涝风险的问题；本发明基于预测出来的未来用地的内涝风险，分与未来用地类型及潜在雨水廊道的位置叠加；而后，结合地表径流“源头—过程—末端”三个状态，对雨洪调蓄空间进行结构梳理，赋予未来雨洪调蓄空间不同功能，基于优化的未来雨洪调蓄空间布局优化现状雨洪调蓄空间；本发明易于学习掌握、成本低、数据需求量少，有利于推广，同时为探索极端气候下城市具有雨洪调蓄功能的绿地规划、城市内涝防控提供参考作用。
[0123]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。