DEM数据预处理方法及降雨径流模拟研究

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降雨径流数值模拟作为城市内涝预测与风险评估、雨水管网系统优化以及低影响开发设施设置等工作的一种重要技术手段,其模拟结果的准确性对城市内涝控制及低影响开发设施建设的研究和决策具有重要影响。针对目前主流降雨径流模拟软件在子汇水区自动划分上存在的不足,以及人们忽略DEM中伪洼地数据致使模拟水流产生环流、水流方向无法确定,从而导致模拟结果产生较大误差的问题,论文通过集成RS和GIS技术,提出了一种在DEM伪洼地数据处理和坡向(流向)分析的基础上,对降雨径流模拟软件自动划分子的子汇水区进行校正的一种方法,提高了降雨径流模型的模拟精度,并在重庆南岸区融侨城2期D区用实测数据对处理、校正前后的模拟结果进行了对比验证。主要研究内容及结果、结论如下:(1)研究了J&D算法、M&V算法和三方向搜索法处理DEM洼地数据的方法,分析了三种算法的特点、存在的不足及适用范围;提出了一种可进一步提高计算效率的改进的M&V算法。结果表明,J&D算法原理简单、操作方便,但存在处理效率较低、处理后地面坡向不明确,以及默认洼地为凹陷型洼地的问题,适用于处理面积较小且洼地均为凹陷型洼地的DEM栅格数据;M&V算法和改进的M&V算法处理效率高,处理后地面坡向明确,适用于处理各种面积大小DEM栅格数据,但同样也存在默认洼地为凹陷型洼地的问题;三方向搜索法既可以处理阻挡型也可以处理凹陷型洼地,但是处理效率最低,适用于处理面积较小,有各类洼地形式的DEM栅格数据。(2)基于MATLAB软件平台,开发了改进的M&V算法与三方向搜索法洼地数据处理程序;针对融侨城2期D区地块,分别用ArcGIS软件携带的J&D算法和研发的改进的M&V算法、三方向搜索法对研究区域DEM的伪洼地数据进行了处理,通过比较未经处理和分别经三种算法处理后的DEM高程数据、坡向分析栅格图以及三种算法的处理时间,确定了较优的洼地数据处理方法。结果表明,经J&D算法、改进的M&V算法和三方向搜索法处理后,伪洼地中心高程值分别增加了0.8053m、0.8183m和0.8483m,DEM高程总值分别增加115.766m、118.357m和99.458m,其中,三方向搜索法处理后的数据最接近原始DEM数据;J&D算法处理后的DEM栅格数据存在平地,地面坡向不明,改进的M&V算法和三方向搜索法处理后的DEM栅格数据不存在平地,地面坡向明确,但三方向搜索法由于搜索路径较多,导致坡向比较混乱;J&D算法、改进的M&V算法和三方向搜索法的处理时间分别为20秒69、3秒10和3分21秒33。综合考虑DEM高程数据变化、地面坡向分析结果和伪洼地处理时间等因素,认为改进的M&V算法是较优的洼地数据处理方法。(3)明确了子汇水区校正原则;将预处理后DEM的坡向分析图导入Digital Water降雨径流模型软件,对软件自动划分的研究区域子汇水区进行了校正,并以2017年5月30日17:00~21:00降雨序列为模拟情景,比较了子汇水区校正前、后的降雨径流模拟结果。结果表明,子汇水区校正前,监测点径流量模拟值与实测值的最大误差发生在17:15,最大径流误差为11.52%,径流峰值发生时间均为19:30,径流峰值误差为8.09%;子汇水区校正后,监测点径流量的模拟值与实测值的最大误差发生在17:15,最大径流误差为6.81%,径流峰值发生时间均为19:30,径流峰值误差为4.34%。与子汇水区校正前的模拟结果相比较,校正后最大径流误差减少了4.71%,峰值发生时间无变化,径流峰值误差减少了3.75%。与子汇水区校正前相比,降雨径流模拟的精度得到明显的提高。
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