基于GIS的農(nóng)村排水管網(wǎng)模型快速構(gòu)建

王 靜

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)是由美國(guó)環(huán)保局(EPA)開(kāi)發(fā)的一款動(dòng)態(tài)降雨徑流模擬模型，可以根據(jù)流域降雨徑流情況進(jìn)行單次降雨或長(zhǎng)期降雨的產(chǎn)匯流模擬、管網(wǎng)水流模擬以及水質(zhì)模擬，在管網(wǎng)水力模擬方面應(yīng)用廣泛[1-3]。

隨著管網(wǎng)建設(shè)工作的不斷推進(jìn)和信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，管網(wǎng)模型模擬也不局限于單一軟件。GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力和信息儲(chǔ)存分析能力，可以實(shí)現(xiàn)SWMM模型復(fù)雜數(shù)據(jù)的有效整合與存儲(chǔ)，使創(chuàng)建SWMM模型更加精確快捷，由此，眾多學(xué)者和相關(guān)從業(yè)人員進(jìn)行了深入研究與應(yīng)用[4-8]。

近年來(lái)極端氣候頻發(fā)，全國(guó)各地相繼出現(xiàn)暴雨或特大暴雨，引發(fā)一系列洪澇災(zāi)害。例如，2021年鄭州7·20特大暴雨，鄭州市及周邊城市均造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。極端暴雨的發(fā)生對(duì)各地排水防澇工程帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)，排水管網(wǎng)檢修改造迫在眉睫，而對(duì)于管網(wǎng)改造與運(yùn)行，農(nóng)村地區(qū)面臨更大的挑戰(zhàn)。農(nóng)村管網(wǎng)工程缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)劃方案，管網(wǎng)數(shù)據(jù)資料不夠直觀，現(xiàn)階段農(nóng)村普遍面臨污水排放設(shè)施落后、管道老舊、破損漏水等問(wèn)題。此外，改造后的管網(wǎng)輸送無(wú)系統(tǒng)的分析，無(wú)法合理模擬排水管網(wǎng)運(yùn)行情況，導(dǎo)致整改方案難以達(dá)到最優(yōu)化，管網(wǎng)整改后運(yùn)行問(wèn)題難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

2022年，中共中央辦公廳國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《鄉(xiāng)村建設(shè)行動(dòng)實(shí)施方案》[9]，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)農(nóng)村防汛抗旱基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在此方案的驅(qū)動(dòng)下，新鄉(xiāng)市強(qiáng)力推動(dòng)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)，加快推進(jìn)農(nóng)村排水體系升級(jí)改造建設(shè)工作。本文以新鄉(xiāng)市某新農(nóng)村建設(shè)示范村(以下簡(jiǎn)稱示范村)為例，快速構(gòu)建示范村整改后的排水管道模型，并以鄭州7·20特大暴雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析驗(yàn)證極端暴雨波及下管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

1 模型構(gòu)建技術(shù)路線

本文以構(gòu)建SWMM管網(wǎng)水力模型為目標(biāo)，在管網(wǎng)數(shù)據(jù)的整理與分析上，借助ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行處理，結(jié)合鄭州7·20特大暴雨背景設(shè)置模型降雨序列及相關(guān)參數(shù)，對(duì)模型運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，具體的操作流程：①基于原始CAD管網(wǎng)資料在ArcGIS平臺(tái)建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，對(duì)管道、檢查井、泵站等數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件(shapfile文件)；②在ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行排水管網(wǎng)水力模型數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括管網(wǎng)屬性信息的整理、子匯水區(qū)的劃分以及管網(wǎng)、檢查井、子匯水區(qū)之間的拓?fù)錂z查等；③將建立好的水力模型數(shù)據(jù)庫(kù)輸入到SWMM軟件或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為模型軟件的輸入文件，進(jìn)行相關(guān)模型設(shè)置；④運(yùn)行模型，查看模型分析報(bào)告，確定管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 研究區(qū)概況

研究案例為新鄉(xiāng)市某新農(nóng)村示范村，北離新鄉(xiāng)34km，南距鄭州24km。省道230薄口公路穿村內(nèi)通過(guò)，交通便利，位置優(yōu)越。示范村現(xiàn)有各類民營(yíng)企業(yè)工廠10余家，個(gè)體草編加工戶30余戶，村內(nèi)大小商鋪、酒店20余家。村南坐落一個(gè)新開(kāi)發(fā)的工業(yè)園區(qū)，有數(shù)家超億元企業(yè)落戶于此，經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)態(tài)良好。

示范村總面積4.55km2，耕地面積523.33hm2，村莊規(guī)劃占地面積58.67hm2。全村轄11個(gè)村民小組，380戶居民。村莊住宅區(qū)南北長(zhǎng)0.69km，東西寬0.7km，占地面積0.483km2。村莊住宅排列整齊，地勢(shì)整體平坦，地勢(shì)高差可忽略不計(jì)。改造后管網(wǎng)沿住宅道路鋪設(shè)整齊，整體為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，分枝較少。排水管網(wǎng)為雨污分流模式，每家每戶中埋設(shè)地下暗管，用于收集生活污水和盥洗用水，再由管道流入街道一側(cè)的主干管，最終匯集到統(tǒng)一集水處，雨水設(shè)置單獨(dú)管道，分布在主干道路一側(cè)，與村民生活污水分開(kāi)收集。

示范村排水管網(wǎng)改造后使用統(tǒng)一材質(zhì)管網(wǎng)，污水管道管材多采用高密度聚乙烯雙壁波紋管(HDPE)，主干管管徑為D344mm×22mm，管線全長(zhǎng)2120m；污水檢查井材質(zhì)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，直徑為1000mm，井深在1000～3000mm之間，共有65座。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 CAD數(shù)據(jù)矢量化

示范村原始管網(wǎng)設(shè)計(jì)資料為CAD圖形文件，CAD圖形文件內(nèi)管網(wǎng)各類信息分層存儲(chǔ)，包含房屋構(gòu)筑物、道路、綠地、雨污檢查井以及雨污管道的空間位置和文字標(biāo)注信息。

對(duì)于CAD圖形文件，檢查井和管道空間位置信息可直接通過(guò)在GIS中加載dwg格式的圖形文件進(jìn)行導(dǎo)入[10]。將CAD管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GIS之前，需要對(duì)CAD圖層進(jìn)行預(yù)處理，避免導(dǎo)入到GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)繁瑣冗雜[11]。打開(kāi)CAD文件的所有圖層，使檢查井、管道等相關(guān)設(shè)施及其屬性數(shù)據(jù)所在圖層處于開(kāi)啟狀態(tài)，關(guān)閉或刪除房屋、綠地等不需要的圖層要素，檢查各圖層要素，保證每一圖層只含有同一種要素信息。此外需要注意的是，SWMM模型中管道必須無(wú)縫連接，且水流方向與CAD管線方向一致，這就要求CAD原始管網(wǎng)圖形中管道與管道之間不能有中斷，管線繪制需按照水流方向進(jìn)行。

在ArcGIS中統(tǒng)一圖層坐標(biāo)系為“WGS 1984”投影坐標(biāo)系。CAD圖形導(dǎo)入GIS平臺(tái)后，根據(jù)原始圖層表示為不同后綴的點(diǎn)(.dwg Point)、線(.dwg Polyline)、面(.dwg Polygon)和體(.dwg MultiPatch)等特征文件，其中檢查井信息為Point屬性，屬性表字段包括編號(hào)、XY坐標(biāo)、井底高程和井深等，管道信息為Polyline屬性，屬性表字段包括編號(hào)、進(jìn)出水節(jié)點(diǎn)編號(hào)、管道長(zhǎng)度和直徑、上下游管底高程和管底埋深等。將檢查井和管道的.dwg文件分別導(dǎo)出數(shù)據(jù)為shapefile文件，完成圖形文件到矢量文件的轉(zhuǎn)化。

3.2 子匯水區(qū)劃分

子匯水區(qū)是降雨過(guò)程中地表產(chǎn)匯流的子單元，是排水系統(tǒng)中不可或缺的一部分。目前在GIS平臺(tái)中劃分子匯水區(qū)有3種方法[12]，見(jiàn)表1。

表1 GIS劃分子匯水區(qū)方法比較

由于本文研究區(qū)面積較小，地形無(wú)明顯起伏，且原始資料只有管網(wǎng)分布數(shù)據(jù)，因此選用泰森多邊形法進(jìn)行研究區(qū)子匯水區(qū)劃分，再根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行人工調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)子匯水區(qū)科學(xué)合理劃分。

借助ArcGIS中Analysis Tools.tbx的鄰域分析工具，以檢查井作為輸入要素，輸出要素類文件名，完成泰森多邊形的創(chuàng)建，并借助Analysis Tools.tbx中的提取分析工具，以研究區(qū)范圍為邊界對(duì)泰森多邊形進(jìn)行裁剪，完成研究區(qū)子匯水區(qū)的初步劃分。結(jié)合示范村住宅入戶管道鋪設(shè)情況，將泰森多邊形工具劃分的子匯水區(qū)部分區(qū)域邊界進(jìn)行人工調(diào)整，調(diào)整后的子匯水區(qū)分布結(jié)果如圖2所示，本研究根據(jù)檢查井劃分子匯水區(qū)共65個(gè)。

圖2 子匯水區(qū)分布

子匯水區(qū)劃分完成后，需精確匯水區(qū)位置信息，計(jì)算各匯水區(qū)面積。利用Data Management Tools.tbx中“要素折點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)”工具，以子匯水區(qū)作為輸入要素創(chuàng)建點(diǎn)要素圖層，借助要素“添加X(jué)Y坐標(biāo)”工具，為新圖層增加點(diǎn)坐標(biāo)字段信息。通過(guò)關(guān)聯(lián)圖層操作，將點(diǎn)坐標(biāo)屬性賦給子匯水區(qū)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)為一個(gè)新的子匯水區(qū).shp文件，為子匯水區(qū)添加位置坐標(biāo)作為屬性字段。在子匯水區(qū)屬性表中添加一個(gè)新字段“Area”，使用“計(jì)算幾何”工具對(duì)“Area”字段進(jìn)行操作，以“面積”作為屬性欄計(jì)算結(jié)果，完成以點(diǎn)坐標(biāo)屬性為基礎(chǔ)的子匯水區(qū)面積計(jì)算。

3.3 拓?fù)錂z查

拓?fù)淇梢苑从晨臻g要素或要素類之間的位置關(guān)系。管道、節(jié)點(diǎn)、匯水區(qū)等要素之間通過(guò)一定的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)合成一個(gè)完整的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)操作，可以指定管道與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與匯水區(qū)之間的空間關(guān)系，排查出不符合拓?fù)湟?guī)則的要素并自動(dòng)糾正。若在拓?fù)錂z查過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，檢查井或管道的空間位置發(fā)生了改變，則必須在屬性表中重新計(jì)算要素的坐標(biāo)信息。

GIS具有存儲(chǔ)拓?fù)潢P(guān)系的能力，同時(shí)也提供用于查找和糾正拓?fù)溴e(cuò)誤的工具。在ArcGIS中新建“個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)”(.mdb格式)，創(chuàng)建要素?cái)?shù)據(jù)集，將檢查井、管道和子匯水區(qū)作為輸入要素類導(dǎo)入。本文根據(jù)GIS提供的拓?fù)湟?guī)則選項(xiàng)，為檢查井添加拓?fù)湟?guī)則：“①必須被其他要素的端點(diǎn)覆蓋，②必須完全位于內(nèi)部”；為管道添加拓?fù)湟?guī)則：“①不能重疊，②端點(diǎn)必須被其他要素覆蓋”；為子匯水區(qū)添加拓?fù)湟?guī)則：“①不能重疊，②包含一個(gè)點(diǎn)”。根據(jù)拓?fù)錂z查結(jié)果，檢查井與管道之間、檢查井與子匯水區(qū)之間以及管道與子匯水區(qū)之間均符合拓?fù)湟?guī)則。

3.4 INP文件轉(zhuǎn)換

SWMM軟件常用文件格式有輸入文件(INP文件)、輸出文件(OUT文件)和結(jié)果文件(RPT文件)，分別用于存儲(chǔ)模型要素、計(jì)算結(jié)果和總結(jié)報(bào)告?；贕IS處理的.shp數(shù)據(jù)文件需轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存模型要素?cái)?shù)據(jù)的INP格式文件才能被SWMM軟件讀取。

SWMM的INP文件是ASCII碼文件，可以通過(guò)記事本或同類型的文本編輯器進(jìn)行建立和修改。INP文件存儲(chǔ)的要素內(nèi)容由若干個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊以一個(gè)關(guān)鍵詞為標(biāo)題，由一對(duì)中括號(hào)“[]”包裹，雙分號(hào)“；；”注釋每個(gè)模塊的參數(shù)，參數(shù)內(nèi)容以列展示，列與列之間由空格符隔開(kāi)。INP文件主要有28個(gè)模塊，本文將根據(jù)檢查井信息、管道信息和子匯水區(qū)信息分別按模塊錄入inp文件，各模塊參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 INP文件要素

表中“[JUNCTIONS]”和“[COORDINATES]”模塊記錄檢查井屬性數(shù)據(jù)，“[CONDUITS]”和“[XSECTIONS]” 模塊記錄排水管道屬性數(shù)據(jù)，“[SUBCATCHMENTS]”、“[SUBAREAS]”和“[Polygons]”模塊記錄子匯水區(qū)屬性數(shù)據(jù)。將整理好的INP文件導(dǎo)入到SWMM模型中，初步生成示范村管網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 示范村管網(wǎng)模型

4 模型建立

4.1 模型原理

SWMM采用圣維南方程方程組描述管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[13]，由以下兩個(gè)方程構(gòu)成：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中，Q—流量，m3/s；x—距離，m；A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；t—時(shí)間，s；g—重力加速度，9.8m/s2；H—水深，m；Sf—摩阻坡度。

Sf由曼寧公式求得：

(3)

K=gn2

(4)

式中，K—轉(zhuǎn)換常數(shù)；n—管道曼寧系數(shù)；R—管道水力半徑，m；V—流速，m/s，絕對(duì)值表示摩擦阻力方向與水流方向相反。

通過(guò)將圣維南方程組不同程度地簡(jiǎn)化，形成了3種管網(wǎng)匯流的演算方法，分別是恒定流(Steady Flow)、運(yùn)動(dòng)波(Kinematic Wave)和動(dòng)力波(Dynamic Wave)。其中恒定流演算法假定在每一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)都是穩(wěn)定的，不考慮管渠蓄變、回水等內(nèi)容，只適用于分支管網(wǎng)、樹(shù)狀管網(wǎng)，不適用于環(huán)狀管網(wǎng)；運(yùn)動(dòng)波演算法假定水流重力在流動(dòng)方向上的分力與摩阻力相平衡，可模擬管渠中水流的時(shí)空變化，但不能考慮出口損失、逆流和有壓流等內(nèi)容，同恒定流演算法一樣只適用于分支管網(wǎng)；動(dòng)力波演算法求解完整的圣維南方程組，是最復(fù)雜但也最準(zhǔn)確的計(jì)算方法，對(duì)于管渠的蓄變、回水、入口及出口損失、逆流和有壓流動(dòng)均可進(jìn)行計(jì)算，適用于任何常見(jiàn)形式的管網(wǎng)系統(tǒng)，但計(jì)算時(shí)要求較小的時(shí)間步長(zhǎng)。為精確模擬示范村管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合以上3種方法的特點(diǎn)，本研究選用動(dòng)力波法作為管道內(nèi)水流計(jì)算方法。

4.2 模型模擬

降雨序列是SWMM模型順利運(yùn)行的必要條件，本研究從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取新鄉(xiāng)市2021年7月17日0時(shí)至2021年7月23日7時(shí)的時(shí)段降雨數(shù)據(jù)，完整包含鄭州7·20特大暴雨事件的降雨全過(guò)程，驗(yàn)求極端暴雨情況下示范村改造后排水管網(wǎng)的荷載運(yùn)行狀態(tài)。

在SWMM模型中添加鄭州7·20暴雨期間新鄉(xiāng)市時(shí)段降雨序列，設(shè)置模型演算方法為動(dòng)力波(Dynamic Wave)，選擇霍頓(Horton)下滲模式，模型允許溢流(Allow Ponding)，基于動(dòng)力波演算原理，設(shè)置模型演算時(shí)間步長(zhǎng)為60s，其他參數(shù)根據(jù)示范村實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

運(yùn)行模型如圖4所示，運(yùn)行狀態(tài)框顯示地表徑流連續(xù)性誤差為-0.01%，流量演算連續(xù)性誤差為-0.33%，兩者均小于正常誤差值10%，表明運(yùn)行結(jié)果具有合理性。

圖4 模型運(yùn)行狀態(tài)框

5 結(jié)果與分析

模型運(yùn)行成功后，點(diǎn)擊菜單欄選項(xiàng)查看模型運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，如圖5所示。狀態(tài)報(bào)告包含了關(guān)于模擬執(zhí)行質(zhì)量信息，包括降雨、下滲、蒸發(fā)、徑流和輸送系統(tǒng)的進(jìn)流量/出流量的質(zhì)量平衡等。由狀態(tài)報(bào)告可知，示范村2021年7月17日0時(shí)至2021年7月23日7時(shí)降雨累計(jì)達(dá)472.6mm，入流總計(jì)達(dá)213723m3，最終蓄水6.638mm。

圖5 模型運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告

模型運(yùn)行后的模擬結(jié)果可以在地圖中進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，主要有三大主題：子匯水區(qū)、節(jié)點(diǎn)和管段，子匯水區(qū)主題包含面積、寬度、降水、蒸發(fā)、下滲、徑流等要素，節(jié)點(diǎn)主題包含深度、水位、總?cè)肓髁?、流速等要素，管段主題包含流量、深度、流速、體積等要素，可在主題中選擇不同的要素進(jìn)行動(dòng)畫(huà)展示。如圖6所示為示范村分別為子匯水區(qū)降水、節(jié)點(diǎn)總?cè)肓髁亢凸芏紊疃饶硶r(shí)刻動(dòng)畫(huà)展示。

圖6 模型某時(shí)刻動(dòng)態(tài)展示

SWMM管網(wǎng)模型運(yùn)行可以生成剖面線圖，顯示沿節(jié)點(diǎn)和管段次序連接路徑的水深變化，如圖7所示，選擇時(shí)間點(diǎn)為2021年7月21日22：00，以起始節(jié)點(diǎn)J1到管網(wǎng)出口Out1全過(guò)程水深進(jìn)行展示，此時(shí)降雨強(qiáng)度為特大暴雨?duì)顟B(tài)，排水管道均處于滿流狀態(tài)，部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溢流。

圖7 管網(wǎng)剖面圖

6 結(jié)論

(1)通過(guò)提取CAD原始圖形資料，基于GIS平臺(tái)進(jìn)行模型數(shù)據(jù)預(yù)處理，完成示范村排水管網(wǎng)、檢查井節(jié)點(diǎn)的矢量化，并利用GIS平臺(tái)提供的分析工具對(duì)示范村研究區(qū)域進(jìn)行子匯水區(qū)的劃分和幾何計(jì)算，驗(yàn)證了管網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)以及子匯水區(qū)之間的拓?fù)潢P(guān)系，表明基于GIS可實(shí)現(xiàn)SWMM模型要素的快速處理。

(2)引入鄭州7·20特大暴雨期間新鄉(xiāng)市時(shí)段降雨數(shù)據(jù)，對(duì)新鄉(xiāng)市某新農(nóng)村示范村進(jìn)行水力模型構(gòu)建，基于動(dòng)力波演算法和霍頓下滲原理，成功運(yùn)行改造后排水管網(wǎng)模型，證明了基于GIS預(yù)處理的排水管網(wǎng)模型模擬的準(zhǔn)確性，后續(xù)可根據(jù)不同重現(xiàn)期驗(yàn)求改造后管網(wǎng)運(yùn)行合理性。