利用ArcGISEngine建立暴雨水调蓄模型的三维分析系统

2013-12-11王俊雷

测绘通报 2013年2期

潘雄，王俊雷，3，王娜，戢锐，杨龙

(1.中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北武汉430074;2.广西空间信息与测绘重点实验室，广西桂林541004;3.黄河水利委员会水文局黄河水文勘察测绘局，河南郑州450000;4.中南财经政法大学，湖北武汉430073;5.71621部队，河南洛阳471100)

一、引言

GIS经过了40多年的发展，到今天已经相当成熟，并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能活跃在各行各业，并且随着计算机技术高速发展、空间数据的数据量和质量的不断增强，大量的空间信息可以集成到三维GIS中进行使用。基于城市GIS的辅助决策支持系统在城市暴雨水管理模型领域中的应用已成为一种趋势［1］。

结构和功能合理的城市暴雨管理系统，对提高管理效率、降低决策中的人为失误、减少城市暴雨水的影响有着重要作用，可满足对城市暴雨水管理模型建设的要求，借助GIS独有的模型分析功能和可视化表达可提高城市暴雨水管理的效率和科学性［1］。有效进行GIS开发工作的理想平台应该是一个跨平台、基于标准的组件框架，该框架允许解决方案提供商或内部开发人员快速构建行业专用的GIS应用软件［2］。ArcGISEngine就是这样一个GIS框架，它是一个基于组件的软件开发产品，用于建立和部署自定义GIS和制图应用程序。基于ArcGISEngine可根据客户需求开发出具有特定分析功能的GIS软件。

二、试验小区概况及其水容积—水位关系

试验小区为江苏扬州某小区，该小区占地面积为995 504.5 m2，小区内有小山、河流、绿地、住宅建筑等要素，其基础高程为7.46 m(黄海高程系)。小区内有综合服务区，小山面积大约占其1/3，是一个具有典型代表的综合小区。小区排水管网纵横交错与市政管道相连，且大多沿小区内道路建设，雨水在市政管道内汇集后一起排入长江。

DEM数据包括平面位置和高程两种信息，可以直接在野外通过全站仪或GPS、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或遥感图像、既有地形图上得到。具体采用何种数据源和相应的生产工艺，一方面取决于这些源数据的可获得性，另一方面也取决于DEM的分辨率、精度要求、数据量大小和技术条件等。笔者先利用地形图上的离散点生成等高线，再利用GIS的特定分析方法生成小区DEM模型。DEM是通过进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、积水分析和径流分析等来预测、模拟显示小区积水区域，确立损失率和积水深度及各水历时的函数关系，进一步分析积水损失，评估计算损失情况［1］。如图1所示，笔者利用小区DEM模型建立了小区水容积与水位关系曲线。

图1 小区水容积—水位关系曲线

三、暴雨过程线模型和调蓄过程模型的建立

1.暴雨过程线模型的建立

我国在城市排水及管道设计中常常使用的暴雨强度公式为

式中，i为暴雨强度，单位为L/(S·hm2);A为重现期为一年的设计降雨雨量;C为雨量变动参数;P为降雨重现期;td为降雨历时，单位为min;b、c为常数，根据各地区不同而不同。

由式(1)可知，i反映的是在一定降雨历时td(min)、单位面积上的超过重现期P的降雨量。可以通过各地实际情况设置降雨历时和降雨重现期得到该地的暴雨强度。设167A(1+C lg P)为a，便可得到Hormer降雨强度公式

式中，i(t)为降雨强度随时间变化的函数。

联立式(2)、式(3)并对等式两边同时微分得

在芝加哥暴雨过程线模型中引入参数雨峰系数r(0＜r＜1)来描述降雨峰值发生时间，并通过大量项目验证了芝加哥暴雨过程线模型和实测数据能很好吻合。芝加哥暴雨过程线模型在北美地区得到了很好的应用［3］。引入雨峰系数，由式(4)便得到以峰值时间点为零点的峰前降雨时间序列公式(即式(5))和峰后降雨时间序列公式(即式(6))。

2.调蓄过程模型的建立

在实际应用中应把握主要因素，在误差范围内去除次要因素，即把次要的、偶然的因素去掉，保留其基本规律，根据这些条件建立的暴雨调蓄模型是逻辑严密、结构完整的计算系统［1］。对于雨水变化过程可分为3个部分，即降雨、排水和汇流。由于笔者要分析研究的是强度暴雨，故在降雨过程中可将全部小区空间作为一个整体，不再对各个汇水区进行单独分析。所以由式(5)、式(6)可得第i个时间段末的径流流量

式中，Q入ti为第i时间的径流流量，单位L/s;q为径流系数;S为小区面积，单位hm2。

由于小区内的土壤、植被、铺砌区、建筑区等都能直接影响小区的整体暴雨径流系数，因此需查到各不同要素的面积，并利用加权平均的方法计算小区整体暴雨径流系数。对于该小区，笔者通过计算得出其径流系数q为0.62。

在排水过程中主要考虑雨水箅的过流能力，但是在国内外的资料和现行的设计规范中都没有雨水箅过流能力的详细资料。浙江大学水工结构与水环境研究所进行了雨水箅的流量与水位关系模型试验，以建立各类雨水箅进水水头与进水流量之间的关系［1］。其侧立式雨水箅与水位关系公式为

式中，Q出为雨水箅的排水流量，单位为L/s;H为水位深度，单位为cm;A=0.56;B=1.51。

汇流过程就是建立径流流量与排水流量的关系。在调蓄过程某个时段中，当雨势渐强时雨水不能及时流入雨水箅中，还停留在建筑、草坪、道路上。调蓄过程模型就是在某一个时段起始的汇水量(等于上一个时段未的汇水量)与该时段末还停留在小区末排出的水量之和，即

式中，Vi+1为第i+1个时段末汇水量，单位为m3;Q入i+1为第 i+1个时段末的径流流量;Q出i+1为第i+1个时段末的排水流量;T为时段，取300 s。

第i时段的排水量Q出i+1可由第2章中建立的小区容积—水位的关系，并利用第i时段末的汇水量Vi查找相对应的H，再利用式(8)对小区内每个雨水箅的排水量进行计算进而求出小区内总体雨水箅的排水量Q出i+1，这样就建立了调蓄过程模型。该模型的建立有利于城市建筑、道路及排水工程建设，将在城市小区防洪减灾中提供强有力的技术支撑。

四、暴雨调蓄模型的三维仿真

1.暴雨调蓄数据的定量显示

在城市小区防汛应急决策中，实时、高效的数据预测能减少因决策失误而造成的不可挽回的损失，提高城市型水灾预警和正确处理能力，夯实城市小区应急管理基础。针对本试验小区可利用暴雨调蓄模型建立径流流量与排水流量与时间的关系图(如图2所示)，它提供的定量数据为防汛决策指挥提供了依据。

图2 调蓄过程图

2.调蓄过程模型的三维实现

我们生活在一个充满三维物体的三维世界中，为了使计算机能精确地模拟再现这些问题，必须能在三维空间描绘并生成这些物体［4］。基于ArcGIS Engine三维分析系统的实现是用一种直接的易于理解的方式准确地表达三维形体复杂的信息。可利用ArcGISEngine开发包提供的ILayerExtensions、I3DProperties等接口对房屋图层的所有房屋元素进行三维拉伸，并在ArcGISEngine组件库提供的SceneControl控件中进行三维显示。在系统中添加WaterPlan图层，利用Timer控件模拟暴雨调蓄模型过程中不同时段的水位变化，并赋予WaterPlan图层不同的水位高度，用于动态演示暴雨调蓄过程中试验小区内水位变化的整体过程，记录水位变化的最大值并实现其三维效果(如图3所示，图中深色为WaterPlan图层，设置的暴雨重现期为5年)，为防洪抗汛、指挥决策提供依据。