Автоматизированный метод определения границ водосбора инфраструктуры зеленых ливневых вод с использованием ГИС

Авторы: Humaira Jahangiri¹, Virginia Smith^1* и Jonathan Nyquist²

Инфраструктура зеленых ливневых вод (GSI) — это решение для высокоурбанизированных сообществ, позволяющее уменьшить объемы ливневых стоков и снизить уровень загрязнения. Правильная оценка площади водосбора является ключом к проектированию хорошо функционирующей GSI. Чтобы помочь в разграничении площадей водосборов GSI в городском ландшафте, был разработан рабочий процесс. В отличие от разграничения площадей водосборов в неосвоенных районах, городские районы подвержены влиянию микротопографии (т.е. бордюры, тротуары или здания) и инфраструктуры ливневых вод (т.е. водозаборники, желоба или GSI), которые изменяют поток стока. Этот комплексный рабочий процесс для очерчивания городских водосборных бассейнов включает GSI, здания и водозаборники путем изменения цифровой модели рельефа (ЦМР), чтобы сделать эти объекты частью гидрологического ландшафта.

Площадь водосбора – это количественная оценка площади водосбора в одной точке. Несмотря на то, что была проделана большая работа по разграничению водосборов и GSI, по-прежнему отсутствует консенсус в отношении наилучшего метода разграничения площадей водосборов в городских районах. Участки могут сообщать о различных площадях водосбора в зависимости от метода, применяемого для оценки площадей водосбора, и разрешения используемых данных. Площади водосборов можно оценить с помощью чертежей AutoCAD или физических обследований, проведенных во время шторма. Оба метода имеют проблемы и источники ошибок, такие как время и требования к информации.

Этот рабочий процесс разграничения представляет собой автоматизированный процесс, созданный в ArcGIS, для эффективного и точного определения площади водосбора. Растровые данные, используемые для этого анализа, включают топографические данные в различных масштабах, шейп-файлы зданий, водоприемники и GSI. Исходные топографические данные для этого исследования варьируются от точного масштаба (разрешение 1 фут) до грубого масштаба (разрешение 10 футов) на ЦМР, полученных с помощью лидара, общедоступных ЦМР и ЦМР, полученных из изолиний. Практическим примером этого рабочего процесса является участок GSI с двумя дождевыми садами, соединенными травяной низиной в Южной Филадельфии, штат Пенсильвания. Этот участок был разработан Департаментом водных ресурсов Филадельфии (PWD), а инструменты и анализ проведены Университетом Виллановы в рамках гранта Агентства по охране окружающей среды (EPA) Наука для достижения результатов (STAR). Данный анализ представляет собой часть гораздо более масштабного исследования GSI. Всю процедуру этого анализа можно разделить на три этапа: предварительная обработка ЦМР, анализ стока и анализ бассейна.

ЦМР были обработаны для устранения понижений и пиков в данных с помощью инструмента Заполнение. Водоприемники для ливневых стоков и элементы GSI были буферизированы, чтобы соответствовать размерам элементов ливневых стоков. Затем в таблицы атрибутов были добавлены отметки высот водоприемников, GSI и инфраструктуры зданий. После чего шейп-файлы инфраструктуры были преобразованы в растр с помощью инструмента Объект в растр.

Затем новые растровые файлы инфраструктуры были интегрированы с ЦМР без понижений. Инструмент Сложить использовался для добавления высоты зданий, а инструмент Вычесть использовался для опускания водоприемников на ЦМР. Вырезы бордюров и GSI были включены в ЦМР, полученную с помощью лидара. Все выходные данные, полученные с помощью этих инструментов, затем были объединены в один растр с помощью инструмента Мозаика.

Мозаичная ЦМР использовалась для анализа направления стока для каждой ячейки с помощью инструмента Направление стока, а затем повторно обрабатывалась для присвоения значения накопления на основе направления стока с использованием инструмента Суммарный сток. Подробные линии стока, полученные из ЦМР с более высоким разрешением, включают микротопографию городского ландшафта, как показано на рисунке 2. Напротив, линии стока ЦМР с более низким разрешением показывают меньшее количество линий стока, впадающих в ближайшие GSI и водозаборы, что приводит к уменьшению линий стока с увеличением размера сетки ЦМР.

При помощи инструмента Spatial Analyst Бассейн, были созданы суббассейны GSI и водоприемники.Эти файлы были преобразованы в объекты полигонов. Инструмент Flow Path Tracing из Arc Hydro помог проследить суббассейны вверх по течению и водоприемники для ливневых стоков, что позволило нам определить суббассейны, стекающие в GSI. Эти полигоны суббассейна были экспортированы, и общая площадь водосбора была рассчитана в таблице атрибутов.

На рисунке 3 показаны различные площади водосбора, полученные при разном разрешении ЦМР. Водосборные бассейны при более грубом разрешении больше по размеру и имеют менее сложную форму. Расчет площадей стока к изменениям GSI — важный аспект проектирования GSI.

В таблице ниже показаны различные площади водосбора для этого участка, полученные при разных разрешениях ЦМР. Площади увеличиваются с уменьшением разрешения ЦМР. ЦМР более грубого разрешения сглаживают микротопографию, такую как бордюры, тротуары и гребни поперечного профиля дорог. Основываясь на полевых исследованиях, площадь водосбора, полученная из ЦМР с самым высоким разрешением, 1-футового грида, сравнима с площадью водосбора, полученной из топографической съемки на участке (оценка PWD), и, таким образом, является наиболее приемлемой. Тот же анализ был проведен для других мест с аналогичными результатами. Проводятся дальнейшие исследования, чтобы найти оптимальное разрешение ЦМР для очерчивания площади водосбора в городском ландшафте.

1: Университет Вилланова, факультет гражданского и экологического строительства, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2: Университет Темпл, кафедра наук о Земле и окружающей среде, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, USA

Автор, ответственный за переписку: Вирджиния Смит.

Вопросы можно направлять Virginia Smith, Virginia.Smith@Villanova.edu

Эта публикация была подготовлена в соответствии с Соглашением о помощи № 83555601, заключенным Агентством по охране окружающей среды США (EPA) с Университетом Вилланова и Департаментом водоснабжения Филадельфии (PWD). Она не была официально рецензирована EPA или PWD. Мнения, выраженные в этом документе, принадлежат исключительно Университету Вилланова и не обязательно отражают точку зрения Агентства или PWD. EPA или PWD не рекламируют какие-либо продукты или коммерческие услуги, упомянутые в этой публикации.