基于GIS的城市暴雨積水模擬預(yù)測方法

盧嵐，劉牛，劉興權(quán)（.長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，湖南長沙40004；.長沙市規(guī)劃信息服務(wù)中心，長沙40000；.中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長沙4008）

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基于GIS的城市暴雨積水模擬預(yù)測方法

盧嵐1，劉牛2，劉興權(quán)3
（1.長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，湖南長沙410004；2.長沙市規(guī)劃信息服務(wù)中心，長沙410000；3.中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長沙410083）

摘要：本文介紹了SWMM的相關(guān)情況，包括模型的分類、基本理論、數(shù)據(jù)需求等。闡述了城市暴雨積水預(yù)測方法，提出了SWMM與GIS集成的框架，并提出了一種新的自動(dòng)劃分子流域的方法，探討了利用OSGGIS通過讀取SWMM模擬結(jié)果，結(jié)合地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等生成三維地形及地物，配合以真實(shí)的三維場景從而實(shí)現(xiàn)地面水淹過程三維動(dòng)態(tài)仿真的過程。研究結(jié)果表明，GIS與SWMM的集成可大大提高計(jì)算的效率和計(jì)算結(jié)果的精度，而實(shí)現(xiàn)地面水淹過程的三維動(dòng)態(tài)仿真提供了更為直觀和有效的預(yù)測手段，可以提高快速反應(yīng)和應(yīng)急指揮能力。

關(guān)鍵詞：城市暴雨積水；GIS；SWMM；三維動(dòng)態(tài)仿真

本文引用格式：盧嵐，劉牛，劉興權(quán).基于GIS的城市暴雨積水模擬預(yù)測方法［J］.新型工業(yè)化，2016，6（6）：60-67.

Citation： LU Lan， LIU Niu， LIU Xing-quan.Urban Rainstorm Waterlogging Prediction Method Based on GIS［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 60-67.

0 引言

城市暴雨積水，即指降雨下落城市區(qū)域形成徑流后由于地勢低洼、排水不及時(shí)等原因造成的一定徑流深度地面積水［1］。國內(nèi)外大中城市由暴雨積水引起的洪水災(zāi)害事件頻發(fā)，使得城市洪水問題成為全世界關(guān)注的問題。因此，對城市暴雨積水問題進(jìn)行研究，提高城市暴雨積水的預(yù)測預(yù)警能力，為決策者制定防災(zāi)減災(zāi)措施提供理論依據(jù)顯得尤為重要［2］［3］。國外從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始對城市洪水災(zāi)害的防治研究的過程，且產(chǎn)生了很多優(yōu)秀的城市排水模型，例如比較出名的有1971年美國環(huán)?？偸鹧邪l(fā)的暴雨管理模型（SWMM），美國陸軍工程兵師團(tuán)水文學(xué)中心的蓄水、處理與溢流模型（STORM），英國公路研究所提出的公路研究所法（TRRL），伊利諾城市排水模型（ILLUDAS），辛辛那提大學(xué)城市徑流模型（UCURM）等，這些模型都在國外很多城市得到重要應(yīng)用［4］。各個(gè)模型都有自己的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。我國關(guān)于城市排水模型的研究比國外要晚，我國自行研制的新安江模型、雙超產(chǎn)流模型、河北雨洪模型、姜灣徑流模型、雙衰減曲線模型等，從國外引進(jìn)的模型主要有水箱模型、薩克拉門托模型、SMAR 模型，以及改進(jìn)的國外模型，如連續(xù)API 模型、SCLS 模型和NAM 模型［5］。20世紀(jì)90年代，崔遠(yuǎn)來等人運(yùn)用降雨徑流關(guān)系法對北京市產(chǎn)流模型進(jìn)行研究［6］。劉俊等人對SWMM進(jìn)行改進(jìn)，提出了城市化地區(qū)水文水力計(jì)算和模擬的城市排水模型，模型應(yīng)用于天津?qū)嶒?yàn)區(qū)，效果良好［7］［8］。21世紀(jì)初，徐向陽等將水文學(xué)和水力學(xué)結(jié)合建立了城市地面積水?dāng)?shù)學(xué)模型，并將其應(yīng)用于上海市防汛決策支持系統(tǒng)［4］。近幾年，南京、哈爾濱、南昌、西安等城市都陸續(xù)通過運(yùn)用各自建立或改進(jìn)的城市排水模型開展了與城市暴雨積水問題相關(guān)的研究［9-12］。但是，目前我國的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)相對于國外發(fā)展前沿仍存在差距，期待進(jìn)一步得到發(fā)展。本文將從數(shù)字高程模型結(jié)合水文氣象耦合方面入手來研究城市暴雨積水預(yù)測方法。筆者在引進(jìn)美國城市雨洪管理模型SWMM的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)對城市暴雨積水模擬與預(yù)測的方法及應(yīng)用做了研究。本文介紹了SWMM基本理論及參數(shù)的獲取方法，闡述了SWMM與GIS集成來模擬計(jì)算的方法，探討了利用OSGGIS實(shí)現(xiàn)地面水淹過程三維動(dòng)態(tài)仿真的過程。

1 SWMM構(gòu)成、數(shù)據(jù)需求和模型函數(shù)

SWMM是美國環(huán)保總署研制的一個(gè)可以對雨洪進(jìn)行管理、分析、設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)的雨水—徑流模擬模型。在本文中，僅使用該模型來模擬單一事件的徑流和排水管網(wǎng)的水量狀況，不涉及到對水質(zhì)問題的研究［13］［14］。

1.1 SWMM構(gòu)成

SWMM包括服務(wù)模塊和功能模塊兩個(gè)部分。服務(wù)模塊由統(tǒng)計(jì)模塊、圖形模塊、聯(lián)合模塊、降雨模塊和氣溫模塊組成。功能模塊由徑流模塊、傳輸模塊、擴(kuò)展模塊和調(diào)蓄/處理模塊組成。各模塊既可連續(xù)運(yùn)行，也可單獨(dú)運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)模塊的主要功能是分離連續(xù)性降雨事件的模擬結(jié)果，從而形成單場降雨徑流，根據(jù)降雨頻率設(shè)置徑流及污染物參數(shù)等。圖形模塊的主要功能是對模擬計(jì)算后的結(jié)果的表格化和圖形化。聯(lián)合模塊主要用來串接前后模塊之間的演算資料及檔案，使演算能水力進(jìn)行。降雨模塊用來模擬降雨事件，雨量數(shù)據(jù)可以是實(shí)際獲取的數(shù)據(jù)，也可以用通過經(jīng)驗(yàn)或理論公式推求而來的降雨模型，然后將其輸入至地表徑流模塊以進(jìn)行連續(xù)性的模擬計(jì)算。溫度模塊可處理長時(shí)期溫度、蒸發(fā)量、融雪資料及風(fēng)速，然后將其輸入至地表徑流模塊以進(jìn)行計(jì)算。徑流模塊分為地面產(chǎn)流模塊和地面匯流模塊。地面產(chǎn)流模塊用來模擬降雨在扣除蒸發(fā)、截留、洼蓄和入滲后產(chǎn)生徑流的過程，地面匯流模塊是用來模擬地面產(chǎn)流模塊產(chǎn)生的徑流匯集到各子流域出水口的入流過程。傳輸模塊模擬的是水體從管道，溢水口等傳輸至受納水體模塊和調(diào)蓄處理模塊的過程。以動(dòng)力波方法進(jìn)行水力演算，并可推算晴天水量及水質(zhì)問題。 擴(kuò)展傳輸模塊利用一維的圣維南方程作水力演算（不包括水質(zhì)），因此模塊是以動(dòng)力波進(jìn)行水力演算，可模擬的徑流狀況包括：回路型排水管網(wǎng)系統(tǒng)、壓力管網(wǎng)計(jì)算等。調(diào)蓄/處理模塊主要用來模擬蓄水量及水質(zhì)的計(jì)算及處理。執(zhí)行模塊的主要功能是指定檔案的編排資料及公式的執(zhí)行秩序。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 SWMM模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 SWMM model structure

1.2 數(shù)據(jù)需求

為了模擬排水系統(tǒng)的水文，水力和水質(zhì)情況，SWMM在模擬過程中需要對組成排水系統(tǒng)的對象設(shè)置大量的參數(shù)。在本研究過程中，將參數(shù)分為確定性參數(shù)和不確定性參數(shù)兩大類。具體所需的輸入?yún)?shù)如表1所示：

表1 SWMM模型所需參數(shù)Tab.1 Required of SWMM model parameters

1.3 模型函數(shù)

SWMM有一系列的函數(shù)，以供用戶調(diào)用。下面將對主要的一些函數(shù)的功能進(jìn)行介紹［13］：

swmm_start：SWMM初始化函數(shù)，該函數(shù)的功能是實(shí)現(xiàn)SWMM引擎的初始化；

swmm_open：SWMM打開函數(shù)，該函數(shù)的功能是實(shí)現(xiàn)打開SWMM引擎，用來分析一個(gè)新工程；

swmm_step：SWMM步驟函數(shù)，該函數(shù)的功能是在下一個(gè)報(bào)告時(shí)間前實(shí)現(xiàn)模型的模擬計(jì)算；

swmm_run：SWMM運(yùn)行函數(shù)，該函數(shù)的功能是運(yùn)行SWMM模擬計(jì)算過程，該函數(shù)需要的參數(shù)為模型文件、報(bào)告文件及輸出文件。模型文件為文本文件，可以直接打開并批量編輯，報(bào)告文件為文本文件，可以直接打開并讀取，輸出文件為二進(jìn)制文件，不能直接打開，但可以利用SWMM的其他函數(shù)來獲??；

swmm_report：SWMM報(bào)告函數(shù)，該函數(shù)的功能是在模擬完成后以文本格式報(bào)告模型的輸出結(jié)果；

GetSwmmResult：SWMM結(jié)果獲取函數(shù)，該函數(shù)的功能是實(shí)現(xiàn)對二進(jìn)制文件數(shù)據(jù)的讀取，讀取模型在運(yùn)行過程產(chǎn)生的大量結(jié)果信息；該函數(shù)可以在VB環(huán)境下直接應(yīng)用。

RunSwmmDll：SWMM動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù)，該函數(shù)的功能是運(yùn)行SWMM。該函數(shù)運(yùn)行需要模型文件，在運(yùn)行結(jié)束后，將自動(dòng)生成輸入文件和報(bào)告文件。該函數(shù)也可以在VB環(huán)境下直接應(yīng)用。

2 SWMM與GIS集成框架

將SWMM計(jì)算內(nèi)核嵌入到城市暴雨水災(zāi)害模擬預(yù)測GIS集成平臺(tái)中，空間數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)和管理多用戶空間數(shù)據(jù)庫的通路，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子庫、氣象數(shù)據(jù)子庫及管線數(shù)據(jù)子庫中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理接口提供給GIS集成處理。

圖2 SWMM與GIS集成框架圖Fig.2 SWMM and GIS integration frame

2.1 SWMM與GIS數(shù)據(jù)交互

空間數(shù)據(jù)庫是排水管網(wǎng)系統(tǒng)的核心，亦是城市暴雨積水預(yù)測過程中的重要內(nèi)容，地理信息數(shù)據(jù)有時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其更新是通過空間信息服務(wù)平臺(tái)用現(xiàn)勢性強(qiáng)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)或變更數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)中非現(xiàn)勢性的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到保持現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中空間信息的現(xiàn)勢性和準(zhǔn)確性或提高數(shù)據(jù)精度；同時(shí)將被更新的數(shù)據(jù)存入歷時(shí)數(shù)據(jù)庫中供查詢檢索、時(shí)間分析、歷史狀態(tài)恢復(fù)等［15］。同時(shí)由于空間數(shù)據(jù)庫有存儲(chǔ)和管理海量數(shù)據(jù)的能力，這也大大提高了排水管網(wǎng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。

空間數(shù)據(jù)庫是GIS的重要組成部分，其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理能力可以存儲(chǔ)預(yù)測過程中所需的所有數(shù)據(jù)，包括DEM數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)等。GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理能力保證了模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與運(yùn)行的效率。由于GIS空間數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)參考了空間坐標(biāo)系，所以可用來識(shí)別地圖要素之間的空間關(guān)系。

GIS平臺(tái)與SWMM原本獨(dú)立運(yùn)行，他們通過SWMM模型文件連接到一起。SWMM模型文件即一個(gè)ASCII文件，通過GIS的數(shù)據(jù)處理功能，生成文件所需數(shù)據(jù)。同時(shí)，GIS將處理SWMM計(jì)算后的模擬結(jié)果，實(shí)現(xiàn)地面積水的三維動(dòng)態(tài)顯示。

2.2 SWMM與GIS數(shù)據(jù)接口

SWMM提供了很多的 DLL（動(dòng)態(tài)連接庫）以供程序調(diào)用計(jì)算內(nèi)核。DLL是一個(gè)包含了可由多個(gè)程序同時(shí)使用的代碼和數(shù)據(jù)的庫，不是可執(zhí)行的文件。使用DLL可以實(shí)現(xiàn)程序的模塊化管理，有利于資源共享以及內(nèi)存節(jié)省，以及解決平臺(tái)的差異問題。使用DLL可以極大地保護(hù)用在不同開發(fā)工具、不同時(shí)期所做的工作，提高編程的效率。

圖3 SWMM與GIS邏輯關(guān)系圖Fig.3 SWMM with GIS logic diagram

利用GIS技術(shù)生成SWMM模型文件后，通過調(diào)用SWMM的計(jì)算內(nèi)核，模擬計(jì)算完成后生成結(jié)果輸出文件，接著GIS將輸出文件存入數(shù)據(jù)庫中，并完成結(jié)果的表達(dá)。其邏輯關(guān)系如圖3所示：

SWMM在被調(diào)用計(jì)算內(nèi)核時(shí)提供了以下三個(gè)文件作為數(shù)據(jù)接口［16］：

（1）輸入文件

這是一個(gè)包含模擬一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)的降雨事件所需的所有信息的文本文件。文件被分成若干部分，每個(gè)部分以一個(gè)關(guān)鍵字作為開頭，在每個(gè)關(guān)鍵字下面是具體的屬性數(shù)據(jù)內(nèi)容。

（2）輸出報(bào)告文件

SWMM5輸出報(bào)告文件為一個(gè)文本文件，此文件包含模擬運(yùn)行狀態(tài)信息。同事包含了運(yùn)行后的錯(cuò)誤信息以及各種計(jì)算結(jié)果的總結(jié)信息等。為SWMM5提供了一個(gè)輸出報(bào)告文件的文件名和輸出路徑，其計(jì)算引擎將運(yùn)行并書寫文件的內(nèi)容。

（3）輸出二進(jìn)制文件

SWMM5模擬過程中，每個(gè)事物在每個(gè)步長時(shí)刻各個(gè)水力因素的模擬結(jié)果，包含了輸出二進(jìn)制文件。例如，設(shè)定5秒為模擬步長，則每秒就會(huì)將每個(gè)檢查井、管道和匯水區(qū)的水力因素寫入到二進(jìn)制文件。

3 SWMM模擬預(yù)測

3.1 子流域劃分

為了得到更好的模擬結(jié)果，SWMM將研究區(qū)域劃分成若干個(gè)子流域，然后按照各個(gè)子流域的特性分別進(jìn)行徑流計(jì)算。傳統(tǒng)的方法都是采用人工勾畫的方法來獲得子流域，但是這種方法由于人工因素不確定性很大，難以獲得正確的劃分結(jié)果，加上本文涉及的研究區(qū)域范圍較大，采用這種方法必然會(huì)對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。故本文采用了基于GIS水文分析的方法來劃分子流域。

子流域劃分的重要數(shù)據(jù)來源即是基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)（DEM）。通過對DEM數(shù)據(jù)的分析，子流域劃分過程中匯水的走向?qū)凑盏貏萦筛叩降团欧?。但是，由于城市的?fù)雜性，往往在實(shí)際的劃分過程中，我們必須按照實(shí)際情況來考慮劃分。在掌握實(shí)際數(shù)據(jù)的情況下應(yīng)對地面高程等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。另外，子流域的劃分與流域的土地利用類型有很大的聯(lián)系。每一個(gè)子流域一般都包含多種土地利用類型，不同的土地利用類型的性質(zhì)均不相同。不同的土地利用類型的子流域有不同的不透水區(qū)域百分比、曼寧系數(shù)等參數(shù)的不同。

3.2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置方式采用兩種，對于確定性的參數(shù)一般采用GIS技術(shù)以及根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)來獲得；對于不確定性參數(shù)首先通過參考前人的取值經(jīng)驗(yàn)，然后將他們的所取的參數(shù)放在本研究中反復(fù)試驗(yàn)，同時(shí)參考優(yōu)化參數(shù)的方法獲得適合本研究的參數(shù)［17］。

GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，可以獲得人工量測難以獲得的數(shù)據(jù)，例如平均坡度百分比，寬度，面積等。而對于其他的不確定性參數(shù)，根據(jù)研究區(qū)地面特征以及參考其他研究區(qū)的取值經(jīng)驗(yàn)。SWMM參考手冊中也提供了地表徑流，管道和渠道的曼寧系數(shù)的取值范圍，在模擬計(jì)算過程中需根據(jù)不同的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取。雨量數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際的雨量值來進(jìn)行設(shè)置，如果需要模擬退水過程，可以將模擬時(shí)間設(shè)置成比降雨的時(shí)間稍長的時(shí)間。

參數(shù)不透水區(qū)域的比例涉及到了土地利用類型的問題，一般認(rèn)為不透水率與土地利用類型具有一定的相關(guān)性，不同土地利用類型的不透水面積比不同。首先通過對遙感影像進(jìn)行信息提取更新研究區(qū)域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀圖，再通過GIS技術(shù)，結(jié)合劃分好的子流域數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的土地利用類型的滲透率，計(jì)算出不同子流域的不透水比例參數(shù)。同時(shí)，通過遙感技術(shù)對水體特征進(jìn)行提取，對已有的河流數(shù)據(jù)校核起到參考作用。這些都大大提高了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性［18］。

3.3 模型文件

SWMM提供了兩種方式來輸入?yún)?shù)，第一種方式是在地圖上手動(dòng)繪制對象以及在SWMM軟件用戶界面輸入?yún)?shù)；第二種方式是構(gòu)建一個(gè)SWMM工程文件，在文件中對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對于較為復(fù)雜且大型的工程來說，顯然第二種方式更為方便，效率更高。

模型文件包含模擬計(jì)算過程所有的對象及其對應(yīng)的參數(shù)，在這個(gè)文件中可以方便地對參數(shù)進(jìn)行批量編輯或修改。同時(shí)，如果參數(shù)在模型界面中被修改，文件也會(huì)隨之自動(dòng)完成修改。在本研究中，對于利用GIS技術(shù)獲得的子流域數(shù)據(jù)，GIS數(shù)據(jù)格式的管道數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，都是以點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式寫入到文件中，避免了手動(dòng)繪制對象，從而保證了模型使用的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的一致性，使得模擬計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.4 結(jié)果表達(dá)

SWMM預(yù)測結(jié)果可以以圖表、表格和文件的形式來表達(dá)。圖表包括：時(shí)序圖、剖面圖、散點(diǎn)圖、表格等。文件輸出為狀態(tài)報(bào)告，對于長期連續(xù)的模擬，還有統(tǒng)計(jì)報(bào)告，可以對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

在本文中選擇了兩種方式來查看結(jié)果：時(shí)序圖、剖面圖。下面介紹這兩種結(jié)果輸出形式，本文中沒有用到的方式不作闡述。

3.4.1 時(shí)序圖

時(shí)序圖可以展示模擬對象的變量隨著時(shí)間變化的變化過程，包括子流域、管道、節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的變量，它還可描述特定的變量，例如總降雨量、總徑流、總溢流等的時(shí)序圖。

3.4.2 剖面圖

剖面圖展示的是連接排水管網(wǎng)管道和節(jié)點(diǎn)內(nèi)的水深變化情況，它表達(dá)的是變量的豎向位置的關(guān)系。剖面圖一旦創(chuàng)建將會(huì)隨著選擇的時(shí)間段而自動(dòng)更新，同時(shí)，配合以動(dòng)畫形式，動(dòng)態(tài)地展示水位變化情況，反映了管道及各結(jié)點(diǎn)積水的特性和持續(xù)過程，為防洪減災(zāi)決策提供較為快捷、直觀的信息支持。

4 洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)仿真

在本文中，首先利用SWMM來模擬計(jì)算，然后將計(jì)算的結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)利用OSGGIS （OpenScenceGraph GIS）技術(shù)來表達(dá)，實(shí)現(xiàn)地面三維動(dòng)態(tài)仿真。下面介紹OSGGIS預(yù)測方法。

4.1 OSGGIS數(shù)據(jù)收集

OSGGIS預(yù)測過程中首先涉及數(shù)據(jù)的收集，主要包括地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、地物紋理、SWMM模擬的水深數(shù)據(jù)。在洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)可視化實(shí)現(xiàn)過程中，由于SWMM的模擬的計(jì)算結(jié)果不能直接調(diào)用，所以需要將結(jié)果文件轉(zhuǎn)換成OSGGIS中可以讀取的文件格式，在本文中，通過調(diào)用SWMM動(dòng)態(tài)鏈接庫將結(jié)果輸出文件轉(zhuǎn)化成sww格式并保存。

4.2 OSGGIS工程文件

OSGGIS的工程文件其實(shí)就是一個(gè)指令集。執(zhí)行該指令集就可以從要素和柵格數(shù)據(jù)中編譯出OSG 的3D幾何體?？梢酝ㄟ^xml文件定義整個(gè)工程然后使用osggis_build命令行工具來編譯將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ive格式數(shù)據(jù)。工程文件的主要元素包括：工程、圖層、場景、數(shù)據(jù)源、紋理資源、包含的文件等?？筛鶕?jù)不同的需要選擇元素。工程文件的基本格式如下所示：

4.3 淹沒區(qū)計(jì)算方法

利用OSGGIS技術(shù)來預(yù)測城市暴雨積水主要是對SWMM模擬計(jì)算后的結(jié)果溢出地面部分的三維可視化，即洪水演進(jìn)過程的動(dòng)態(tài)模擬。在洪水演進(jìn)模擬的過程中，淹沒區(qū)的計(jì)算分為兩種情況：無源淹沒和有源淹沒。無源淹沒是指研究區(qū)域均勻降水，所有低洼處都可能積水，有源淹沒是指非均勻降雨，高處洪水有可能向鄰域低洼處蔓延。

對無源淹沒的處理相對簡單，只需將流域內(nèi)所有低于或等于預(yù)測水位高程的像元都將計(jì)入緩沖區(qū)，經(jīng)累加形成淹沒范圍。有源淹沒區(qū)的淹沒范圍計(jì)算比較復(fù)雜，種子蔓延算法是一種比較適合有源淹沒的處理方法。種子蔓延算法的核心思想是將給定的種子點(diǎn)作為一個(gè)對象，賦予特定的屬性，在某一平面區(qū)域上4個(gè)方向游動(dòng)擴(kuò)散，求取滿足給定條件、符合數(shù)據(jù)采集分析精度、且具有連通關(guān)聯(lián)分布的點(diǎn)的集合［19］。無源淹沒和有源淹沒所獲得的區(qū)域，必須與行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加計(jì)算，才能最后得出淹沒區(qū)的實(shí)地位置。矢量行政區(qū)劃層在疊加前需轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)。

4.4 效果

OSGGIS通過建立城市三維地形模型和城市建筑物模型，直觀地展示了洪水演進(jìn)全過程的可視化。如下圖所示：

圖4 三維動(dòng)態(tài)仿真Fig.4 3 d dynamic simulation

從圖中可以看出，隨著時(shí)間的變化，地面的積水動(dòng)態(tài)地漲消，配合以真實(shí)的場景，實(shí)現(xiàn)了深圳市地面洪水的漲消的三維可視化

5 結(jié)語

通過研究，得出以下主要結(jié)論：1）GIS為SWMM所需的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和持續(xù)操作提供了一個(gè)穩(wěn)定并且高效的平臺(tái)。不僅可以獲取SWMM所需但卻難以通過實(shí)際測量獲取的參數(shù)，還可以對模型所需數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，為建模提供了可靠的數(shù)據(jù)源；2）在本研究中采用了一種新的利用ArcSWAT工具來劃分子流域的方法，實(shí)現(xiàn)了子流域的自動(dòng)劃分，并從劃分結(jié)果看該方法適用于SWMM的模擬預(yù)測；3）通過研究可以得出GIS與SWMM可以集成來實(shí)現(xiàn)對城市暴雨積水的模擬預(yù)測，GIS與SWMM的集成，可大大提高計(jì)算的效率和計(jì)算結(jié)果的精度，從而可以提高城市水災(zāi)害研究的信息化和數(shù)字化水平，為決策者制定防洪減災(zāi)措施提供科學(xué)的理論依據(jù)；4）利用OSGGIS技術(shù)可以通過讀取SWMM模擬結(jié)果，結(jié)合地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等生成三維地形及地物，配合以真實(shí)的三維場景，可以實(shí)現(xiàn)地面水淹過程的三維動(dòng)態(tài)仿真，提供了更為直觀和有效的預(yù)測手段，可提高應(yīng)急指揮能力。

今后的工作可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究：1）本文沒有實(shí)現(xiàn)地下排水管道系統(tǒng)模擬預(yù)測與地面水淹過程三維動(dòng)態(tài)仿真的完全集成，兩個(gè)過程是分兩個(gè)部分分別進(jìn)行的，整個(gè)預(yù)測過程的效率將會(huì)受到一定影響，所以在今后的工作中可以嘗試實(shí)現(xiàn)兩者的完全集成；2）本研究在實(shí)現(xiàn)三維可視化的過程中僅僅實(shí)現(xiàn)了地面上的水淹過程，地下管道的水體運(yùn)動(dòng)情況的研究并沒有涉及，所以在今后的研究中可以將地面積水漲消過程與地下排水管線相結(jié)合實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)仿真，且可以通過添加道路、降雨或其他數(shù)據(jù)使模擬場景更加真實(shí)。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.007

作者簡介：盧嵐（1983-），女，講師，地理信息系統(tǒng)；劉牛（1987-），男，本科，地理信息系統(tǒng)；劉興權(quán)（1962-），男，教授，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

Urban Rainstorm Waterlogging Prediction Method Based on GIS

LU Lan1， LIU Niu2， LIU Xing-quan3
（1.Changsha Environmental Protection Vocational College， ChangSha 410004， China； 2.Changsha City Planning Information Service Center ， ChangSha 410000， China； 3.Central South University， ChangSha 410083， China）

ABSTRACT：In this paper， the model classification， basic theory， data demanding of SWMM are introduced.Next， the method of simulating and forecasting have been elaborated， the integration frame of GIS and SWMM is proposed， a new method of sub-watershed partition is suggested， and the method to realize the dynamic visualization of rising and descending water depth on the ground is studied， using OSGGIS technology through reading the result of SWMM with DEM data， 3D building data etc.The results show that the application of GIS and RS technology in the process of calculating can extremely improve the efficiency of calculation and the precision of its results.The 3D dynamic simulation realized by integrating GIS technology and SWMM offers a kind of prediction method with more direct-viewing and effective characteristics， which can be applied to establish flood-mitigation measures.

KEyWORDS：Urban rainstorm waterlogging； GIS； SWMM； 3D dynamic simulation