基于ArcGIS和SWMM的快速建模技術(shù)研究

劉娜

（廊坊市奧通市政工程設(shè)計(jì)有限公司 河北廊坊 065000）

0 引言

在排水防澇系統(tǒng)和海綿城市建設(shè)系統(tǒng)中，水文水力模型的應(yīng)用越來越廣泛，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確指出“當(dāng)匯水面積超過2km2時宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量”[1]。

目前SWMM模型是唯一開源免費(fèi)的數(shù)學(xué)模型，擁有完善的水文、水力、水質(zhì)模塊，其運(yùn)算模塊采用經(jīng)典的水文學(xué)和水力學(xué)方程，在業(yè)界已得到廣泛的認(rèn)可，可以獨(dú)立作為數(shù)學(xué)模型進(jìn)行使用，但與CAD、ArcGIS等工具的嵌合性較差。

筆者在缺少大型商業(yè)水文水力學(xué)模型的條件下，采用CAD和Ar cGIS等工具，快速構(gòu)建SWMM模型，并利用模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證得出工程設(shè)計(jì)結(jié)論。

1 項(xiàng)目概況

1.1 區(qū)位條件

建模目標(biāo)區(qū)域位于廊坊市西北部，規(guī)劃面積約2km2，現(xiàn)狀主要為村莊，匯水區(qū)相對獨(dú)立，目標(biāo)區(qū)域西側(cè)為現(xiàn)狀渠道，北側(cè)為北京與河北交界，南側(cè)為規(guī)劃高速公路。

1.2 自然條件

建模目標(biāo)區(qū)域?qū)儆谟蓝ê雍榉e、沖積平原，地勢開闊平坦，自西北向東南傾斜。受永定河河道多次改道及風(fēng)力侵蝕影響，沉積物質(zhì)交錯分布，局部存在小平底。高程主要在17～25m之間。

規(guī)劃區(qū)域南部、西部為現(xiàn)狀灌溉渠道，現(xiàn)狀渠道深度約為2.0m，規(guī)劃渠道深度為3.5m，主要承擔(dān)規(guī)劃區(qū)域排水防澇功能。

2 數(shù)據(jù)處理及建模過程概述

（1）整理CAD中管網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用CAD文件進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)編輯。

（2）利用ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在ArcGIS中生成管線圖層，根據(jù)管線數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立管段與節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系；利用泰森多邊形方法，劃分子匯水區(qū)，人工做局部調(diào)整，建立子匯水面積和節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系。為子匯水區(qū)、管段、節(jié)點(diǎn)添加必要屬性數(shù)據(jù)，導(dǎo)出折點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，用于數(shù)據(jù)塊的書寫。

（3）實(shí)現(xiàn)Access文件與Excel文件之前的復(fù)制粘貼，生成SWMM能識別的inp文件。

（4）利用SWMM模型進(jìn)行模擬。

3 數(shù)據(jù)處理及建模過程

3.1 利用CAD進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

CAD文件中整理管網(wǎng)數(shù)據(jù)，打開特性欄，利用圖層名保存管段的高度信息，利用線的線型比例屬性保存管段的寬度信息，利用線的厚度屬性保存管道的上游管內(nèi)底標(biāo)高信息，利用線的標(biāo)高屬性保存管道的下游管內(nèi)底標(biāo)高信息。管段的連接處必須無縫連接，最好采用捕捉方式處理。

3.2 利用ArcGIS處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.2.1 新建mdb格式數(shù)據(jù)庫，生成管線信息圖層

打開ArcMap，新建mdb格式數(shù)據(jù)庫，添加CAD中管線信息，生成管線信息的圖層。生成的管線信息圖層加入文件，移除原CAD文件，即移除CAD.dwg Polyline圖層。

3.2.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理

根據(jù)管線數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，刪除重復(fù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用格柵數(shù)據(jù)（Raster）為節(jié)點(diǎn)賦地面標(biāo)高值，建立管段與節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系。

3.2.3 劃分子匯水面積

先結(jié)合地形、河道和主要街道劃分較大的子流域，然后利用泰森多邊形方法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布進(jìn)一步細(xì)分，劃分子匯水區(qū)，最后人工做局部調(diào)整。

①生成匯水總面積的地面高程格柵圖像；②生成管道及河道的位置格柵圖像；③管道及河道所在位置的高程向下偏移；④利用管道及河道向下偏移的高程修正匯水總面積高程圖像；⑤利用修正后的匯水總面積高程圖像進(jìn)行子匯水區(qū)域的劃分，具體步驟為洼地填充、計(jì)算流向、徑流累計(jì)計(jì)算、河網(wǎng)提取、河道生成和匯水區(qū)生成。

圖1 ArcGIS內(nèi)匯水區(qū)生成

通過上述操作得到子匯水區(qū)域圖，其中每一個子匯水區(qū)可能包含多個節(jié)點(diǎn)，對大的子匯水區(qū)再次進(jìn)行切分，并建立子匯水面積和節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系。

3.2.4 子匯水區(qū)、節(jié)點(diǎn)和管段數(shù)據(jù)整理。

（1）子匯水區(qū)數(shù)據(jù)整理。添加必要屬性數(shù)據(jù)，用于[Subcatchments]、[Subareas]和[Infiltrations]數(shù)據(jù)塊的書寫；導(dǎo)出子匯水面積多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)，用于[Polygons]數(shù)據(jù)塊的書寫。

（2）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)整理。添加必要屬性數(shù)據(jù)，用于[Junctions]、[Outfalls]數(shù)據(jù)塊的書寫；導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，用于[Coordiates]數(shù)據(jù)塊的書寫。

（3）管段數(shù)據(jù)整理。添加必要屬性數(shù)據(jù)，用于[Conduits]、[Xsections]數(shù)據(jù)塊的書寫；導(dǎo)出折點(diǎn)坐標(biāo)，用于[Vertices]數(shù)據(jù)塊的書寫。

圖2 ArcGIS匯水區(qū)與節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系結(jié)果

3.3 Access和Excel中的數(shù)據(jù)處理

實(shí)現(xiàn)Access文件與Excel文件之間的復(fù)制粘貼，生成SWMM能識別的inp文件。

3.4 SWMM中的數(shù)據(jù)處理

利用SWMM模型直接加載生成的INP文件，完成目標(biāo)區(qū)域模型的構(gòu)建工作。設(shè)置模擬降雨數(shù)據(jù)，對目標(biāo)區(qū)域排水管道系統(tǒng)、海綿城市建設(shè)設(shè)施系統(tǒng)等進(jìn)行模擬分析研究，見圖3。

圖3 SWMM模型不同情形模擬結(jié)果

4 結(jié)語

本文主要解決在CAD的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過ArcGIS軟件進(jìn)行高程數(shù)據(jù)和匯流分析、劃分匯水分區(qū)、處理管網(wǎng)數(shù)據(jù)、建立匯水分區(qū)與管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，最終生成SWMM能夠讀取的INP文件，以完成對規(guī)劃目標(biāo)區(qū)域的快速建模過程。利用ArcGIS軟件進(jìn)行建模數(shù)據(jù)的整理，減少了在SWMM模型中手工建模產(chǎn)生的人為誤差，大大提高了建模的精度和速度。

模型搭建完成后，后續(xù)模型參數(shù)的驗(yàn)證和率定是一份經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)相結(jié)合的工作，應(yīng)通過實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果的反復(fù)驗(yàn)證，最終率定出一套最優(yōu)的參數(shù)。