GIS技術(shù)在暴雨管理模型建模中的應(yīng)用

郭銀利，王振峰，張明華，2

（1.溫州醫(yī)學(xué)院水環(huán)境應(yīng)用技術(shù)研究所,浙江溫州 325035；2.University of California Land,Air and Water Resources Departmen t,Davis CA 95616）

GIS技術(shù)在暴雨管理模型建模中的應(yīng)用

郭銀利1，王振峰1，張明華1，2

（1.溫州醫(yī)學(xué)院水環(huán)境應(yīng)用技術(shù)研究所,浙江溫州 325035；2.University of California Land,Air and Water Resources Departmen t,Davis CA 95616）

暴雨管理模型（storm water managementmodel,SWMM）廣泛應(yīng)用于城市與非城市區(qū)域估算暴雨地表徑流。采用ArcGIS 10.1,簡單探討其水文分析功能在SWMM建模中的應(yīng)用,側(cè)重于分析SWMM工程文件格式,并將ArcGIS中的*.shp文件導(dǎo)入SWMM之中,探討該過程中遇到的問題,幫助科研、工作人員快速構(gòu)建SWMM模型。

SWMM；ArcGIS；排水管網(wǎng)；模型

暴雨管理模型（storm water managementmodel, SWMM）最初開發(fā)于1971年［1］,此后經(jīng)歷了幾次重要升級［2］。該模型在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛,主要包括城市地區(qū)暴雨徑流模擬等,同時在非城市區(qū)域也有應(yīng)用。當(dāng)前版本SWMM5,提供了編輯研究區(qū)輸入數(shù)據(jù),進(jìn)行水文、水力和水質(zhì)模擬,并以各種格式瀏覽結(jié)果的集成環(huán)境。包括以顏色編碼的排水面積和輸送系統(tǒng)地圖,時間序列圖和表格,剖面線圖,以及統(tǒng)計頻率分析。ArcGIS作為GIS中功能最強(qiáng)大、應(yīng)用范圍最廣的軟件之一,由于其有效的數(shù)據(jù)管理,全面的分析功能,被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域［3］。作者在對溫州市某片區(qū)進(jìn)行SWMM建模時,獲得的原管網(wǎng)資料為GIS數(shù)據(jù),管網(wǎng)復(fù)雜程度高,數(shù)據(jù)量大。若在SWMM中手工繪制模型,輸入?yún)?shù)等,要浪費(fèi)大量精力,且容易出錯。文中結(jié)合實(shí)際導(dǎo)入過程,詳細(xì)敘述導(dǎo)入原理與方法,旨在為相關(guān)研究提供方便。

l SWMM應(yīng)用及子匯水區(qū)的劃分

1.1 SWMM模型應(yīng)用

SWMM模型具有強(qiáng)大的水文、水動力模擬功能,對雨水管、合流制管道、自然排放系統(tǒng)都可以進(jìn)行水量、水質(zhì)的模擬,包括地表產(chǎn)流、地表匯流、排水管網(wǎng)輸送、貯水處理及受納水體的影響等過程。SWMM模型的核心水文水力模塊主要包括徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)展的輸送模塊、調(diào)蓄/處理模塊和受納水體模塊［4］；SWMM通過這些模塊來分別模擬不同的降雨徑流過程。迄今為止,SWMM典型應(yīng)用包括：控制洪水的排水系統(tǒng)組件設(shè)計和尺寸確定；為控制洪水和保護(hù)水質(zhì)的滯留設(shè)施及其組件尺寸的確定；自然渠道系統(tǒng)泛洪區(qū)的地圖繪制；最小化合流制排水管道溢流的設(shè)計控制策略；評價進(jìn)流量和滲入對污水管道溢流的影響；污物負(fù)荷分配研究中的非點(diǎn)源污染物負(fù)荷；評價BMP降低預(yù)計污染物負(fù)荷的有效性。

1.2 SWMM模型建模方式

模型模擬解決實(shí)際問題,最關(guān)鍵部分在于建模,而建模的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的收集和輸入。SWMM模型自身具備建模的功能,其通過在研究區(qū)地圖上添加模型提供的各個組件,如子匯水區(qū)、節(jié)點(diǎn)、排水管網(wǎng)、雨量計等,實(shí)現(xiàn)建模。在地圖中繪制對象,是創(chuàng)建工程的一種方式。對于大型工程方便的方式是,首先在程序外構(gòu)建SWMM工程文件,各種數(shù)據(jù)源包括CAD或者GIS文件,均可用于創(chuàng)建工程文件,這為快速提取輸入信息提供了幫助［5］。部分研究人員在建立模型時,通過手繪模型來進(jìn)行建模；也有通過編程手段,實(shí)現(xiàn)從源文件中提取SWMM建模所需數(shù)據(jù)。本文介紹的方法,只需對GIS軟件中導(dǎo)出的數(shù)據(jù),在MS Office Excel中進(jìn)行編輯即可實(shí)現(xiàn)將GIS數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入SWMM模型。建模過程中子匯水區(qū)的劃分,對模擬結(jié)果有很大影響,而城區(qū)等人類活動影響較大的區(qū)域,一般要結(jié)合實(shí)地情況手工劃分。對于受人類活動影響較小、研究區(qū)面積較大的區(qū)域,可以考慮利用ArcGIS的水文分析功能實(shí)現(xiàn)劃分。

1.3 SWMM工程文件格式

SWMM工程文件是一般文本文件,其中包含了描述研究區(qū)的所有數(shù)據(jù),以及用于分析的選項(xiàng)。文件以節(jié)組織,所謂節(jié)就是以要描述的要素開頭,如節(jié)點(diǎn)、子匯區(qū)等,列出與其直接相關(guān)的屬性字段,并在每一屬性字段下列出具體數(shù)值。每一節(jié)通常對應(yīng)于SWMM使用的特定對象類,文件的內(nèi)容可以在SWMM中顯示,同時可以通過主菜單打開。SWMM工程文件中有專門的節(jié)來表示坐標(biāo),如關(guān)鍵字COORDINATES下是雨水井節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo), Polygons下方是子匯水區(qū)各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。SWMM工程文件保存到磁盤之后,除了生成擴(kuò)展名為*. inp的工程文件外,也會自動生成與該工程同名的*.ini的配置文件,即使配置文件丟失,SWMM模型仍能正常運(yùn)行工程文件。因此在外部建模時,不必專門建立*.ini的配置文件。在SWMM中建立一個分別由子匯水區(qū),節(jié)點(diǎn),出水口和雨量計組成的工程實(shí)例；將其工程文件保存后,生成擴(kuò)展名為*.inp格式的工程文件和一個*.ini配置文件,用記事本打開工程文件,可以看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

部分關(guān)鍵字及其屬性數(shù)據(jù)主要有：

［COORDINATES］（坐標(biāo)；存儲排水節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)）

Node X-Coord Y-Coord

［SUBCATCHMENTS］（子匯水區(qū)；包含每個子匯水區(qū)的屬性數(shù)據(jù)）

Name Raingage Outlet Total Area Pcnt. Imperv W idth

Pcnt.Slope Curb Length Snow Pack

分別代表：雨量計,出水口,子匯水區(qū)面積,不滲透百分比,子匯水區(qū)寬度,坡度,小區(qū)路長,積雪。

［JUNCTIONS］（排水節(jié)點(diǎn)）

Name Invert Elev.Max.Depth Init.Depth Surcharge Depth

分別代表：內(nèi)底標(biāo)高,最大深度,初始深度,超載深度,積水面積。

［Polygons］（子匯水區(qū)多邊形的各個頂點(diǎn)坐標(biāo)）

Subcatchment X-Coord Y-Coord子匯水區(qū)面拐點(diǎn)的坐標(biāo)。

每個中括號內(nèi)的關(guān)鍵字都有其屬性字段,屬性字段行的開頭均有“；”,以Subcatchment（子匯水區(qū)）為例,與其相關(guān)的屬性字段有雨量計,出水口等。對于所有的*.inp格式文件,首先是以Heading開頭,接下來可以用1行或者多行寫下該模型標(biāo)題的相關(guān)信息,對于其內(nèi)的節(jié)點(diǎn),一維模型如雨水井,由一個節(jié)點(diǎn)編號,還有一組坐標(biāo)表示；對于子匯水區(qū),是用多邊形表示,由一個節(jié)點(diǎn)編號和多組表示該多邊形拐點(diǎn)的坐標(biāo)組成。因此可以考慮將GIS源數(shù)據(jù)中的這些建模數(shù)據(jù)導(dǎo)出,依照此格式創(chuàng)建文本文檔,并將其改名為*.inp文件格式后,可被SWMM直接讀取。

2 A rcG IS在SWMM建模中的應(yīng)用

2.1 ArcGIS水文分析功能應(yīng)用

ArcGIS中水文分析功能,主要利用DEM數(shù)據(jù)（Digital Elevation Model）,而利用水文工具則可實(shí)現(xiàn)流域劃分,即子匯水區(qū)的劃分；這里流域指流經(jīng)其中的水流和其他物質(zhì)從一個公共的出水口排除而形成的一個集中的排水區(qū)域［6］,流程如圖1。

圖1 ArcGIS水文分析的流程

一般原數(shù)據(jù)DEM由于誤差或反映真實(shí)地形（如喀斯特地貌）,使得DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域,影響水流方向的計算結(jié)果,因此進(jìn)行水流向計算之前先計算填洼,生成無洼DEM,水流流向分析主要用到Flow Direction命令,Spatial Analyst模塊下的Raster Calculator可計算生成柵格河網(wǎng),并在Hydrology工具集下對柵格河網(wǎng)進(jìn)行矢量化。ArcGIS河網(wǎng)分級水文分析中,常用Strahler分級和Shreve分級,一般根據(jù)實(shí)際情況來選取方法。子流域是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域,任何一個天然河網(wǎng)都由多種水道聯(lián)合而成,每個水道都有其匯水范圍和流域面積,這樣就形成了子流域,較大的流域通常由這些子流域聯(lián)合而成。通過Basin命令,可確定子流域,而流域邊界為全流域分線,利用Watershed工具,可得到出水點(diǎn)的匯水區(qū)域。而對于匯水區(qū)出水口的確定,用Hydrology工具集中的Snap pour point工具尋找匯水區(qū)出水口。打開Hydrology工具集,可以看到Basin,Fill, Flow Accumulation,Flow Drection等工具［6］。

2.2 將ArcGIS文件導(dǎo)入SWMM

在ArcGIS中對研究區(qū)完成子匯水區(qū)劃分,此時子匯水區(qū)仍然顯示為多邊形面,通過使用“ArcToolbox→Data Management Tools→Features→Feature Vertices To Points”工具,將多邊形拐點(diǎn)提取出來并生成一個點(diǎn)圖層,Point Type選擇為ALL.；當(dāng)經(jīng)過上述步驟后,地圖上多邊形的拐點(diǎn)將會顯示出來。

在面圖層的文件中,右鍵打開研究區(qū)的屬性表,并選擇添加字段Area（面積）,對于Area字段,根據(jù)實(shí)際數(shù)值,該實(shí)例中均選為：double型數(shù)值。添加成功后右鍵單擊字段名Area,在彈出子菜單中單擊“Calculate Geometry”（計算幾何體）按鈕,彈出對話框,按提示操作,就可以得到這字段的具體數(shù)值。值得注意的是,有時在A rcGIS中計算出來的面積會為負(fù)值,通過“ArcToolbox→Data Management Tools→Features→Repair Geometry”即可。導(dǎo)出后數(shù)據(jù)為*.dbf文件,用MSOffice Excel打開,可以看到這些屬性數(shù)據(jù)；同樣,以上述相同的步驟在點(diǎn)文件圖層屬性表中分別添加X-Coord,Y-Coord字段（提取拐點(diǎn)坐標(biāo)）；導(dǎo)出結(jié)果如圖2。

圖2 子匯水區(qū)的數(shù)據(jù)

在MSOffice Execl中調(diào)整字段名稱,字段屬性的位置,使其符合SWMM工程文件格式。為快速準(zhǔn)確建立*.inp工程文件,可以在SWMM中建立一個作為示例的工程文件,這樣可避免全部手工輸入關(guān)鍵字,屬性數(shù)據(jù)等。用記事本打開該示例文件,并將MSOffice Excel中整理好的屬性數(shù)據(jù),整體粘貼在對應(yīng)的關(guān)鍵字的屬性字段下,整理后將記事本文檔改為*.inp后綴,即可被SWMM讀取。在此時工程文件的［Polygons］標(biāo)題下為表示匯水區(qū)的多邊形的拐點(diǎn)坐標(biāo),并將其導(dǎo)入SWMM模型。結(jié)果如圖3。

圖3 導(dǎo)入SWMM的研究區(qū)

導(dǎo)入成功后,如出現(xiàn)無法在SWMM默認(rèn)視圖范圍內(nèi)看到導(dǎo)入研究區(qū)圖,這是由于SWMM模型有其默認(rèn)的坐標(biāo)范圍,而導(dǎo)入的文件坐標(biāo)范圍不在其默認(rèn)的范圍之內(nèi)。參照導(dǎo)入地圖的坐標(biāo)范圍,在View菜單下的Dimensions中的Map Dementions選項(xiàng)中進(jìn)行設(shè)置并保存,則導(dǎo)入的工程文件可以直接顯示在SWMM中。要注意在將MS Office Execl表格中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWMM工程文件時,為了保持其類似于表格的格式,要將該屬性的名稱、具體數(shù)值整體復(fù)制。文中提到的示例以子匯水區(qū)的空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入為例,以類似的方法可將SWMM模擬所需要的其他要素的多種屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入,如排水管網(wǎng),雨量計,水泵等。多數(shù)GIS軟件,如SuperMap、MapGIS都有類似的功能,亦可以將其轉(zhuǎn)換為ArcGIS數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入SWMM模型中。在SWMM模型界面內(nèi)進(jìn)行的操作,均通過以文本文檔打開其工程文件進(jìn)行編輯方式來實(shí)現(xiàn)。

3 小結(jié)與討論

用ArcGIS的建模方法操作方便,易于掌握,有助于快速建模。

GIS軟件中提取的屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWMM時,曾遇到過坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWMM后各要素的坐標(biāo)發(fā)生變化,但是排水節(jié)點(diǎn)、管道等相對位置沒有發(fā)生變化,目前尚未明確其原因。SWMM模型建模中進(jìn)行子匯水區(qū)劃分,特別是劃分人類活動影響大的區(qū)域時,如何提高自動劃分子匯水區(qū)時的精度這一問題值得探討。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：張才德）

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B

0528-9017（2014）03-0396-03

文獻(xiàn)著錄格式：郭銀利,王振峰,張明華.GIS技術(shù)在暴雨管理模型建模中的應(yīng)用［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2014（3）：396-399.

2013-12-18

浙江省科技廳重大專項(xiàng)（2008C03009）；溫州市重大專項(xiàng)（20082780125）；溫州市科技局對外科技合作交流項(xiàng)（H20100006）

郭銀利（1987-）,男,碩士生,從事城市暴雨徑流模擬,GIS技術(shù)研究工作。E-mail：chongchuhai@163.com。

張明華。E-mail：mhz.gis@gmail.com。