基于AutoCAD 和ArcGIS 預(yù)處理快速建造SWMM 模型方法研究

覃釗

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 研究背景及意義

近年來，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)和全球氣候變化的加劇，城市不滲透面積增多，由暴雨引起的城市內(nèi)澇災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，管網(wǎng)無法立即處理徑流，導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，同時(shí)造成的城市經(jīng)濟(jì)損失愈發(fā)嚴(yán)重[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，研究人員借助暴雨洪水管理模擬SWMM提供的一系列模型、地理信息系統(tǒng)ArcGIS 強(qiáng)大的可視化功能和AutoCAD 便捷的屬性編輯功能，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)和地表徑流模擬，為城市規(guī)劃和管網(wǎng)改造提供技術(shù)上的支持[3]。

目前城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)大部分借助圖紙形式保存，SWMM軟件無法直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)運(yùn)用，加上SWMM軟件編輯添加數(shù)據(jù)過程繁瑣，構(gòu)造模型的過程較為復(fù)雜。相比于SWMM，CAD 繪圖和編輯數(shù)據(jù)功能更加便利，而GIS 具有出色的空間分析能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)組織管理功能，因此，借助CAD 和GIS 的預(yù)處理能更便捷完成SWMM模型構(gòu)建?；诖?，本文在不對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)的前提下，運(yùn)用CAD 和GIS 對(duì)研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化與提取，如對(duì)子匯水區(qū)進(jìn)行劃分、平均坡度提取與管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系建立，最后運(yùn)用SWMM 自帶工具與Excel 表格進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，快速完成SWMM模型的構(gòu)建。

2 研究區(qū)域概況

圖1

研究區(qū)域位于華北北部某城市，地處北溫帶大陸性氣候區(qū)，全年降雨不均，年平均降雨量398mm，降雨集中在夏秋，占年降雨量80%，易出現(xiàn)春旱夏澇現(xiàn)象。研究區(qū)域地勢(shì)東北高，西南低，面積15.17km2，不滲透比例70.36%，詳情見圖1（a），研究區(qū)域經(jīng)過概化后共有47 個(gè)子匯水區(qū)，節(jié)點(diǎn)47 個(gè)，排水口3 個(gè)，SWMM模型示意圖如圖1（b）。

3 基于AutoCAD 和ArcGIS 預(yù)處理構(gòu)建SWMM 模型方法

構(gòu)建SWMM模型的關(guān)鍵在于對(duì)管網(wǎng)和各子匯水區(qū)數(shù)據(jù)的提取與整理，模型數(shù)據(jù)主要包括空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)?？臻g結(jié)構(gòu)參數(shù)包含的必要信息有：管道起始XY 坐標(biāo)、管道起始高程、節(jié)點(diǎn)的XY 坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)高程、節(jié)點(diǎn)地面高程、子匯水區(qū)各折點(diǎn)XY 坐標(biāo)。參數(shù)數(shù)據(jù)包含主要有：研究區(qū)域地面特征、透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)、平均坡度、管道粗糙系數(shù)等。

空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一般在圖紙中以文字形式進(jìn)行保存，文字?jǐn)?shù)據(jù)無法直接導(dǎo)入GIS 中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將文字?jǐn)?shù)據(jù)以線性、圖層或標(biāo)高等方式進(jìn)行整合后，導(dǎo)入GIS 的個(gè)人數(shù)據(jù)庫中整理備用。結(jié)合地形和管網(wǎng)資料，利用GIS 完成子匯水區(qū)劃分、子匯水區(qū)平均坡度的提取和各個(gè)節(jié)點(diǎn)、子匯水區(qū)折點(diǎn)的XY坐標(biāo)提取等工作。然后根據(jù)SWMM用戶手冊(cè)設(shè)定各個(gè)子匯水區(qū)和管道的參數(shù)數(shù)據(jù)，整理到各子匯水區(qū)和管道的圖層字段中，字段信息將保存在個(gè)人數(shù)據(jù)庫中。

最后, 利用SWMM自帶的工具建立Excel 表格數(shù)據(jù)交互的鏈接，將個(gè)人數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)錄入至Excel 表格中對(duì)應(yīng)區(qū)域，保存Excel 表格即完成INP 文件建立，在SWMM中補(bǔ)充部分?jǐn)?shù)據(jù)后，完成建模。這樣簡化繁瑣的手動(dòng)數(shù)據(jù)錄入工作，提高了建模的效率，一定程度上確保了模型的準(zhǔn)確性，建立模型的基本流程圖如圖2。

圖2 建立模型的流程圖

3.1 AutoCAD 數(shù)據(jù)處理與圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)入

管網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)大部分存放在圖紙的文字信息中，如：管道、檢查井、泵等相關(guān)圖形數(shù)據(jù)，在對(duì)排水管網(wǎng)模型數(shù)據(jù)處理前，需要對(duì)原始圖紙進(jìn)行處理，便于管網(wǎng)文字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖紙文字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行屬性轉(zhuǎn)換，利用圖層名、線型比例、厚度、標(biāo)高等屬性保存管段空間信息，比如：管段高度信息可以利用線厚度進(jìn)行保存，管段寬度信息可以利用圖層名進(jìn)行保存等，在進(jìn)行這一步驟時(shí)，應(yīng)遵循所有相關(guān)圖層保持開啟狀態(tài)，部分無關(guān)圖層可選擇性關(guān)閉或刪除的原則，以增加檢索的精確性與效率。需注意的是，連接管段最好是無縫連接，避免生成新的節(jié)點(diǎn)，增加不必要的工作量。另外，統(tǒng)一所有圖紙的坐標(biāo)與比例尺信息，為后續(xù)導(dǎo)入GIS 做準(zhǔn)備。

完成圖紙數(shù)據(jù)整理后，在GIS 的工作目錄中建立個(gè)人數(shù)據(jù)庫，將圖紙信息對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至新建的個(gè)人數(shù)據(jù)庫中，導(dǎo)入字段選擇整理好的管段文字信息屬性，如圖層名、線型比例、標(biāo)高等。最后，在GIS 中生成含有空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)字段的管網(wǎng)圖層，而空間信息保存在個(gè)人數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)建模做準(zhǔn)備。導(dǎo)入的圖層需要重新統(tǒng)一設(shè)置投影坐標(biāo)系，避免部分圖層無法顯示的問題發(fā)生。

3.2 子匯水區(qū)劃分

圖3

圖4

子匯水區(qū)劃分有以下三種方法：（1）根據(jù)管線走向、街道分布，人工繪制子匯水區(qū)。（2）根據(jù)節(jié)點(diǎn)分布利用GIS 的分析工具繪制泰森多邊形，最后根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行細(xì)節(jié)部分裁剪獲得子匯水區(qū)。（3）結(jié)合地形、河道和街道劃分較大子流域，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)分各個(gè)子匯水區(qū)，此方法適用于開發(fā)程度不高的流域。鑒于研究區(qū)范圍較大，不適合使用人工劃分子匯水區(qū)，又考慮到研究區(qū)域?qū)儆诶铣菂^(qū)，開發(fā)程度較高，流域內(nèi)原來的匯流過程已變化，使用繪制泰森多邊形功能進(jìn)行子匯水區(qū)劃分。泰森多邊形法是基于研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行劃分，輸入要素是為節(jié)點(diǎn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)子匯水區(qū)，研究區(qū)分為47個(gè)子匯水分區(qū)。利用裁剪工具對(duì)其加以修正，使用要素折點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)功能記錄各個(gè)匯水區(qū)多邊形XY 坐標(biāo)，為之后建模做好準(zhǔn)備，研究區(qū)泰森多邊形法劃分與裁剪圖如圖3。

3.3 子匯水區(qū)平均坡度

平均坡度對(duì)SWMM模型模擬結(jié)果有較大的影響，通常通過甲方的提供的土地資料獲取，目前可以通過DEM數(shù)字信息高程，借助GIS 分析工具中的坡度分析，設(shè)置轉(zhuǎn)換因子取默認(rèn)值1，獲取研究區(qū)域總體坡度分布柵格圖，如圖4（a），再利用區(qū)域分析功能，得到各個(gè)子匯水區(qū)的的平均坡度，如圖4（b），各子匯水區(qū)平均坡度最小值為0.37，最大為0.87。

3.4 建立管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系

管網(wǎng)原始資料的不齊全導(dǎo)致模型無法準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)情境的情況時(shí)有發(fā)生，因此需要檢查管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性，此時(shí)需要對(duì)管網(wǎng)建立拓?fù)潢P(guān)系，檢查節(jié)點(diǎn)位置與管道起始端點(diǎn)是否是同一位置。利用GIS 提供的拓?fù)潢P(guān)系“線的端點(diǎn)必須被點(diǎn)覆蓋”，檢查管道兩端是否有節(jié)點(diǎn)。在檢查過程中發(fā)現(xiàn)管道起止點(diǎn)和檢查井空間位置不正確，需及時(shí)調(diào)整位置并重新計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的XY 坐標(biāo)信息。

SWMM模型的管道需要添加起點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)信息，為了確保模型中每根管道的節(jié)點(diǎn)連接順序正確，此時(shí)需要建立節(jié)點(diǎn)編號(hào)和起止節(jié)點(diǎn)編號(hào)的拓?fù)潢P(guān)系。首先，將節(jié)點(diǎn)圖層利用折點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)功能重新分成起始節(jié)點(diǎn)圖層和終止節(jié)點(diǎn)圖層，生成上下游節(jié)點(diǎn)圖層，如圖5（a），利用XY 坐標(biāo)作為參考依據(jù)，借助空間聯(lián)合和圖層合并與關(guān)聯(lián)功能，在管道圖層生成起始節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)字段，最后在圖層屬性中設(shè)置顯示節(jié)點(diǎn)ID 及流向，方便檢查管網(wǎng)方向是否正確，研究區(qū)域節(jié)點(diǎn)和起止節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系示意圖如圖5（b）。

3.5 創(chuàng)建SWMM模型INP 文件

SWMM 模型以INP 文件形式保存，INP 文件可以由記事本的形式打開，但是以記事本形式下的INP文件不方便模擬人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入與編輯，利用Excel 表格的可以更好解決這一問題。通過SWMM 軟件中的自帶的工具與Excel 啟動(dòng)程序聯(lián)合，做到SWMM 模型與Excel 表格數(shù)據(jù)交互，在Excel 表格中進(jìn)行SWMM模型數(shù)據(jù)的錄入。首先，在SWMM的Tool 功能選中Configure Tools，增加一個(gè)新的工具，程序選中Excel 啟動(dòng)程序，參數(shù)選擇Inpfile，勾選顯示與更新數(shù)據(jù)。設(shè)置成功后，在Tool 功能最下方生成與Excel 表格數(shù)據(jù)交互按鈕，點(diǎn)擊即可使用Excel 對(duì)SWMM 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入。在完成后在SWMM 中建立一個(gè)需要的單元如節(jié)點(diǎn)，管道，子匯水區(qū)等，方便之后Excel 表格生成相應(yīng)字段，在Excel 表格中將在GIS 數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存的信息復(fù)制到對(duì)應(yīng)單元格中，保存文件后完成模型初步建立。

圖5

圖6

4 SWMM 模型運(yùn)行結(jié)果及分析

初步完成模型建立后，根據(jù)模型的需要進(jìn)行單元或數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，如降雨事件、土地類型、堰等單元、下滲數(shù)據(jù)和其他參數(shù)的補(bǔ)充。本次模擬的下滲過程選用Horton 公式，根據(jù)用戶手冊(cè)[4]和研究區(qū)土壤狀況，模型最小入滲速率為12mm/h，最大入滲速率為55mm/h，入滲衰減系數(shù)為4h-1；研究區(qū)域的其他參數(shù)，不滲透區(qū)曼寧系數(shù)為0.1、滲透區(qū)曼寧系數(shù)為0.2、不滲透區(qū)洼地儲(chǔ)蓄量為0.25mm、滲透區(qū)洼地儲(chǔ)蓄量為2.5mm，管道粗糙系數(shù)0.01。根據(jù)研究區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式生成重現(xiàn)期1 年芝加哥雨型降雨過程線，降雨歷時(shí)6h，模型進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，地表徑流連續(xù)性誤差為-0.18%，流量連續(xù)性誤差為-0.39%，均少于手冊(cè)推薦值±5%，因此模型運(yùn)算結(jié)果符合預(yù)期。選取流量較大的管道作為研究對(duì)象，如圖6（a）（b）所示，C103 和C123 洪峰形狀及峰值出現(xiàn)時(shí)間大致相同，與降雨曲線和降雨峰值時(shí)間大致吻合，證明研究區(qū)模型的可靠性。

5 結(jié)論

目前大部分城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)以圖紙形式保存，SWMM模型無法直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，在SWMM 中人工輸入數(shù)據(jù)過程繁瑣。本研究以實(shí)際案例為例，在不對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)的前提下，運(yùn)用CAD 和GIS 的基本功能對(duì)SWMM模型進(jìn)行快速建模。結(jié)果表明，利用CAD 對(duì)圖紙信息的編輯后，再導(dǎo)入至GIS 中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以及利用GIS 自帶的空間分析、空間聯(lián)合與建立拓?fù)潢P(guān)系等功能，能更有效的對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行排查以及優(yōu)化，提高模型精度與可靠性，利用SWMM與Excel 表格的數(shù)據(jù)交互功能能更有效率實(shí)現(xiàn)SWMM模型快速建模。與傳統(tǒng)SWMM建模相比，該方法大大降低了建模時(shí)耗，更為準(zhǔn)確的提取模型數(shù)據(jù)，提高模型效率，有助于研究人員利用SWMM軟件對(duì)城市下墊面等問題進(jìn)行更深一步研究。