Zautomatyzowana metoda wyznaczania obszarów spływu w infrastrukturze wody opadowej z użyciem systemu GIS

Autorzy: Humaira Jahangiri¹, Virginia Smith^1* i Jonathan Nyquist²

Infrastruktura wody opadowej (Green Stormwater Infrastructure – GSI) to rozwiązanie przeznaczone dla silnie zurbanizowanych społeczności, które umożliwia zmniejszenie wielkości przepływu wód opadowych i ograniczenie zanieczyszczeń. Poprawne oszacowanie zasilającego obszaru spływu jest kluczowe podczas projektowania dobrze działającej infrastruktury GSI. Opracowana została procedura wykonywania zadań ułatwiająca wyznaczanie zasilającego obszaru spływu infrastruktury GSI w środowisku miejskim. W przeciwieństwie do wyznaczania obszaru spływu w obszarach niezabudowanych w obszarach miejskich konieczne jest uwzględnienie mikrotopografii (tj. krawężników, chodników i budynków) oraz infrastruktury wody opadowej (tj. wpustów, rynien i GSI), które zmieniają przepływ spływającej wody. Ta kompleksowa procedura wyznaczania zlewni w środowisku miejskim uwzględnia infrastrukturę GSI, budynki i wpusty przez zmianę numerycznego modelu terenu (DEM), dzięki czemu obiekty te stają się częścią krajobrazu hydrologicznego.

Obszar spływu określa ilościowo powierzchnię, z której woda jest odprowadzana do jednego punktu. Mimo że wykonano wiele pracy przy wyznaczaniu spływu i infrastruktury GSI, wciąż nie uzyskano zgody co do najlepszej metody wyznaczania obszaru spływu w obszarach miejskich. W zależności od metody zastosowanej do oszacowania obszaru spływu oraz od rozdzielczości wykorzystanych danych mogą być zgłaszane różne wartości. Obszary spływu mogą być szacowane za pomocą rysunków programu AutoCAD lub na podstawie bezpośrednich badań wykonywanych podczas burzy. W obu metodach występują trudności i źródła błędów, takie jak wymagania dotyczące czasu i informacji.

Procedura wyznaczania udostępnia utworzony za pomocą oprogramowania ArcGIS automatyczny proces efektywnego i dokładnego znajdowania obszaru spływu. Dane rastrowe wykorzystywane w analizie obejmują dane topograficzne w różnych skalach, pliki shape budynków, wpusty oraz GSI. Wejściowe dane topograficzne do tego badania były dostępne w skalach od drobnej (rozdzielczość 1 stopy) do zgrubnej (rozdzielczość 10 stóp), pochodziły z modeli DEM opracowanych na podstawie danych lidarowych, modeli DEM dostępnych publicznie oraz modeli DEM opracowanych na podstawie warstwic. Analiza przypadku związana z tą procedurą dotyczy lokalizacji GSI z dwoma ogrodami deszczowymi połączonymi trawiastym rowem chłonnym znajdującej się w Południowej Filadelfii w stanie Pensylwania. Lokalizacja ta została opracowana przez Philadelphia Water Department (PWD), a oprzyrządowana i przeanalizowana przez Uniwersytet Villanova w ramach grantu agencji ochrony środowiska Environmental Protection Agency (EPA) Science to Achieve Results (STAR). Ta analiza jest częścią znacznie większego badania dotyczącego infrastruktury GSI. Całą procedurę związaną z tą analizą można podzielić na trzy fazy: przetwarzanie wstępne modeli DEM, analiza przepływu i analiza zbiornika.

Modele DEM zostały przetworzone przy użyciu narzędzia Wypełnienie w celu usunięcia ujść i szczytów w danych. Wpusty wody opadowej i obiekty infrastruktury GSI były buforowane, by dopasować je do rozmiaru obiektów kanalizacji burzowej. Następnie do tabel atrybutów dodano wysokości wpustów, GSI i infrastruktury budynków. Pliki shape infrastruktury przekształcono następnie w raster przy użyciu narzędzia Obiekt na raster.

Nowe pliki rastrowe infrastruktury zostały zintegrowane z modelem DEM bez depresji. Za pomocą narzędzia Plus dodano wysokości budynków, a za pomocą narzędzia Minus obniżono wpusty w modelu DEM. Obcięcia krawężników oraz GSI zostały zatopione w modelu DEM opracowanym na podstawie danych lidarowych. Wszystkie wyniki uzyskane przy użyciu tych narzędzi zostały na końcu scalone w jeden raster za pomocą narzędzia Mozaika.

Przekształcony w mozaikę model DEM został wykorzystany do analizy kierunku przepływu dla każdej komórki przy użyciu narzędzia Kierunek przepływu, a następnie ponownie przetworzony w celu przypisania wartości skumulowanej określonej na podstawie kierunku przepływu przy użyciu narzędzia Przepływ zbiorczy. Szczegółowe linie przepływu uzyskane z modeli DEM o wyższych rozdzielczościach obejmują mikrotopografię w krajobrazie miejskim widoczną na rysunku 2. Z kolei z modeli DEM o niższych rozdzielczościach uzyskano mniej linii przepływu prowadzących do najbliższych wpustów GSI i wody burzowej — wraz ze wzrostem rozmiaru siatki modelu DEM zmniejsza się liczba linii przepływu.

Za pomocą narzędzia analizy przestrzennej Basen wygenerowano zlewnie infrastruktury GSI oraz wpusty kanalizacji.Odpowiednie pliki zostały przekonwertowane na poligony obiektów. Narzędzie Trasowanie ścieżki przepływu zawarte w pakiecie Arc Hydro pomogło w śledzeniu zlewni pod prąd oraz wpustów wody opadowej, co pozwoliło zidentyfikować zlewnie odprowadzające wodę do infrastruktury GSI. Te poligony zlewni zostały wyeksportowane, a całkowita powierzchnia spływu została obliczona w tabeli atrybutów.

Na rysunku 3 przedstawiono różne obszary spływu uzyskane z różnych rozdzielczości modeli DEM. Zbiorniki spływu w mniejszej rozdzielczości są większe, a ich kształty są mniej skomplikowane. Obliczenie obszarów odprowadzających wodę do GSI zmienia się – ważny aspekt projektu GSI.

Poniższa tabela przedstawia różne powierzchnie spływu dla tej lokalizacji uzyskane z różnych rozdzielczości modeli DEM. Powierzchnia zwiększa się wraz ze zmniejszaniem rozdzielczości modelu DEM. Niższa rozdzielczość modeli DEM wygładza mikrotopografię, tj. krawężniki, chodniki i korony dróg. Z badań przeprowadzonych w terenie wynika, że obszar spływu uzyskany z modelu DEM o najwyższej rozdzielczości (siatka o wielkości 1 stopy) jest porównywalny z obszarem spływu wynikającym z badań topograficznych w lokalizacji (oszacowanie PWD) i dlatego jest najbardziej odpowiedni. Taką samą analizę przeprowadzono w innych lokalizacjach, a wyniki były podobne. Wykonywane są dalsze analizy, których celem jest znalezienie optymalnej rozdzielczości modelu DEM pozwalającej na wyznaczenie obszaru spływu w środowisku miejskim.

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

Autor odpowiadający na korespondencję: Virginia Smith

Pytania można wysyłać do Virginii Smith, Virginia.Smith@Villanova.edu

Ta publikacja została opracowana na mocy umowy o pomocy nr 83555601 przyznanej przez Agencję Ochrony Środowiska (Environmental Protection Agency – EPA) USA Uniwersytetowi Villanova i Philadelphia Water Department (PWD). Nie została poddana przeglądowi formalnemu przez EPA ani PWD. W niniejszym dokumencie wyrażone są poglądy wyłącznie Uniwersytetu Villanova i nie muszą one odzwierciedlać poglądów Agencji ani PWD. EPA i PWD nie promują żadnych produktów ani komercyjnych usług wymienionych w niniejszej publikacji.