使用 GIS 划定绿色雨水基础设施排水区域的自动化方法

作者：Humaira Jahangiri¹、Virginia Smith^1* 和 Jonathan Nyquist²

绿色雨水基础设施 (GSI) 是高度城市化社区的解决方案，可以减少雨水流量并缓解污染问题。 正确估计排水面积是设计功能良好的 GSI 的关键。 全新开发的工作流可以帮助在城市景观中划定 GSI 的流入排水区域。 与未开发地区的流域划定不同，城市地区受到微观地形（即路缘石、人行道或建筑物）和雨水基础设施（即入口、排水沟或 GSI）的影响，这些设施会改变径流的流动。 这种用于城市集水区划定的综合工作流考虑了 GSI、建筑物和入口，通过更改数字高程模型 (DEM) 使这些要素成为水文景观的一部分。

排水面积是对单个点的排水面积的量化。 尽管已经在排水划定和 GSI 方面进行了大量工作，但对于城市地区排水区域划定的最佳方法仍然缺乏共识。 根据估算排水面积的方法和所用数据的分辨率，站点可能会报告不同的排水面积。 可以使用 AutoCAD 绘图或在暴风雨事件期间进行的物理调查来估计排水面积。 这两种方法都有挑战和错误来源，例如时间和信息要求。

此划定工作流提供了在 ArcGIS 中创建的自动化流程，以高效、准确地查找排水区域。 用于此分析的栅格数据包括各种比例的地形数据、建筑物的 shapefile、入口和 GSI。 本研究的输入地形数据来自激光雷达衍生的 DEM、公开可用的 DEM 和等高线衍生的 DEM，精度范围从的精细尺度（1 英尺分辨率）到粗尺度（10 英尺分辨率）。 此工作流案例研究是一个 GSI 站点，该站点有两个雨水花园，由宾夕法尼亚州费城南部的一个草地洼地相连。 该站点由费城水务局 (PWD) 开发，作为环境保护局 (EPA) 科学实现成果 (STAR) 资助的一部分，由维拉诺瓦大学负责检测和分析。 该分析代表了对 GSI 进行的更大规模调查的一部分。 该分析的整个过程可分为三个阶段：DEM 的预处理、流分析和盆域分析。

使用 "填洼" 工具对 DEM 进行处理以消除数据中的凹陷点和峰值。 雨水入口和 GSI 要素被缓冲处理以匹配雨水要素的大小。 然后将入口、GSI 和建筑基础设施的标高添加到属性表中。 然后使用要素转栅格工具将基础设施 shapefile 转换为栅格。

然后将新的栅格基础设施文件与无凹陷 DEM 集成。 "加" 工具用于增加建筑物的高度，"减" 工具用于降低 DEM 的入口。 路缘切割和 GSI 被嵌入到激光雷达衍生的 DEM 中。 然后使用 "镶嵌" 工具将通过这些工具获得的所有输出合并到一个栅格中。

镶嵌 DEM 用于通过 "流向" 工具分析每个像元的流向，然后使用 "流向累积" 工具重新处理以根据流向分配累积值。 从更高分辨率的 DEM 获得的详细流线中结合了城市景观中的微地形，如图 2 所示。 相比之下，低分辨率 DEM 的流线显示进入最近的 GSI 和雨水入口的流线较少，导致流线随着 DEM 格网大小的增加而减少。

使用 Spatial Analyst 工具 "盆域分析"，生成了 GSI 和入口的子盆域。 这些文件已转换要素面。 Arc Hydro "流路追踪" 工具帮助追踪上游子盆域和雨水入口，从而允许我们识别排放到 GSI 的子盆域。 导出这些子盆域面，并在属性表中计算总排水面积。

图 3 显示了从不同 DEM 分辨率获得的不同排水面积。 较粗分辨率的排水面积较大，形状复杂性较低。 流向 GSI 的面积计算发生了变化，这是 GSI 设计的一个重要方面。

下表显示了从不同 DEM 分辨率获得的此站点的不同排水面积。 面积随着 DEM 分辨率的降低而增加。 较粗分辨率的 DEM 可以平滑路缘石、人行道和道路拱顶等微地形。 根据外业调查，从最高分辨率 DEM 1 英尺格网获得的排水面积与现场地形调查（PWD 估算）获得的排水面积相似，因此其最可接受度最高。 在对其他位置进行的相同分析中，结果相似。 正在进行进一步的调查，以找到城市景观中划定排水区域的最佳 DEM 分辨率。

1: Villanova University, Department of Civil and Environmental Engineering, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2: Temple University, Department of Earth and Environmental Science, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, USA

通信作者：Virginia Smith 

如有译文，请向 Virginia Smith 发送电子邮件，电子邮件地址为 Virginia.Smith@Villanova.edu

本出版物是根据美国环境保护局 (EPA) 授予维拉诺瓦大学和费城水务部 (PWD) 的第 83555601 号援助协议编写的。 它尚未经过 EPA 或 PWD 的正式审查。 本文件中表达的观点仅代表维拉诺瓦大学的观点，不能反映机构或 PWD 的观点。 EPA 或 PWD 不认可本出版物中提及的任何产品或商业服务。