При расчёте дождевого или талого стока территорию делят на участки, для которых задают условия образования и отвода воды. Если такой участок выделен по направлению стока к определённому выходу, его можно описывать как элементарный водосбор или расчётный подводосбор. Название «водосборная ячейка» требует уточнения: в одних моделях речь идёт об участке водосбора, в других — о клетке регулярной сетки.
Водосбор, подводосбор и ячейка растра
Водосбор — территория, с которой вода поступает к рассматриваемому водному объекту или выходному сечению. При выделении водосбора по рельефу обычно определяют область поверхностного стока к выбранной точке. Подводосбор — часть более крупной водосборной системы, выделенная для отдельного притока, участка русла или расчётного узла.
Ячейка растра — элемент цифровой карты, например квадрат размером 10 × 10 м. Она хранит высоту или другой показатель, но сама по себе не обозначает весь водосбор. Водосбор к одной выходной ячейке может включать тысячи расположенных выше по потоку ячеек. Такое определение области питания используется в документации гидрологического анализа Esri[5][3][1].
В распределённых моделях расчётная сетка может дополнительно делить уже выделенный подводосбор. Например, HEC-HMS различает подводосбор и способы его разбиения: без внутренней сетки, с регулярной сеткой или с нерегулярными расчётными элементами. Поэтому при описании результата нужно назвать модель, размер элементов и принцип их выделения.
Что задаёт границы участка
Для поверхностного стока в естественных условиях важны рельеф, водоразделы и положение выхода. Водосбор к мосту через ручей будет отличаться от водосбора к расположенному ниже устью: во втором случае добавится территория между этими точками и площади впадающих притоков. Вложенные водосборы нельзя без проверки складывать — иначе общая часть окажется учтена дважды.
Цифровая модель рельефа даёт приближённое представление поверхности. Разрешение, ошибки высот и выбранный алгоритм меняют результат расчёта границ; реальные направления стока от смены файла не меняются. Для равнин, болот, карста и территорий с водоотводными сооружениями одного анализа поверхности может быть недостаточно. Поверхностный и подземный водосборы также не обязаны совпадать.
Как выделяют водосбор в ГИС
- Выбирают выход. Это может быть гидрологический пост, труба под дорогой, место впадения ручья или вход в ливневую сеть.
- Проверяют рельеф. Оценивают разрешение и достоверность высот, учитывают русла, дамбы и водопропускные сооружения. Автоматическое устранение понижений требует осторожности: часть впадин существует в действительности и задерживает воду.
- Рассчитывают направления и накопление стока. Определяют, какие элементы поверхности связаны с выбранным выходом.
- Проверяют привязку выходной точки. Небольшое смещение с русла на соседнюю ячейку может дать неверную площадь. Инструмент Snap Pour Point переносит точку к ячейке с наибольшим накоплением в заданной окрестности; допустимое расстояние переноса нужно выбирать осмысленно.
- Сверяют результат с местностью. Используют карты, снимки, сведения об инженерных сетях и полевое обследование. Красиво замкнутый контур ещё не подтверждает правильность водосбора.
Почему город требует отдельной схемы
На застроенной территории вода движется не только по естественному уклону. Бордюры, канавы, дождеприёмники, трубы и насосные станции могут направлять её через топографический водораздел. Поэтому водосбор ливневого выпуска определяют с учётом схемы водоотведения, а не только цифровой модели высот.
Крыши и водонепроницаемые покрытия уменьшают возможность впитывания и обычно увеличивают поверхностный сток. Но результат зависит и от связи этих покрытий с сетью: вода с крыши может поступать прямо в трубу либо сначала на озеленённый участок. В модели EPA SWMM учитываются водопроницаемые и непроницаемые части подводосборов, инфильтрация, задержание воды и передача стока между участками и узлами сети.
Какие параметры нужны для расчёта
Для каждого участка задают площадь, уклон, свойства поверхности и почвы, долю непроницаемых покрытий, характеристики задержания и впитывания воды. Для конкретного события нужны осадки или снеготаяние, их распределение во времени и предшествующее увлажнение. Расчёт выхода воды из участка дополнительно зависит от длины и условий пути стока.
Накопление стока на растровой карте часто показывает число или суммарный вес питающих ячеек. Без дополнительных данных это не расход воды в кубометрах в секунду. Смысл показателя разъясняется в описании Flow Accumulation.
Пример: площадь, объём и расход
Допустим, расчётный участок включает 1000 полных квадратных ячеек по 10 × 10 м. Его площадь равна 100 000 м², или 10 га. Если за событие с этой площади сформировался слой стока 10 мм, соответствующий объём составит 1000 м³: 100 000 м² × 0,01 м.
Это условный пример расчёта объёма, а не прогноз паводка. Слой осадков нельзя автоматически считать слоем стока: часть воды впитывается, испаряется или задерживается. Пиковый расход зависит от времени поступления воды и её движения по сети; из одной площади его определить нельзя.
Для чего используют результат
Расчётные водосборные участки нужны для оценки притока к сооружениям, моделирования ливневого стока и переноса загрязняющих веществ, выбора мест наблюдений и сравнения вариантов водоотведения. Модель проверяют по наблюдаемым уровням, расходам или событиям подтопления. Контур водосбора показывает гидрологическую связь территории с выходом; он не заменяет карту затопления и сам по себе не устанавливает юридические границы водоохранных зон.