GIS技术在暴雨管理模型建模中的应用

郭银利，王振峰，张明华，2

（1.温州医学院水环境应用技术研究所,浙江温州 325035；2.University of California Land,Air and Water Resources Departmen t,Davis CA 95616）

GIS技术在暴雨管理模型建模中的应用

郭银利1，王振峰1，张明华1，2

（1.温州医学院水环境应用技术研究所,浙江温州 325035；2.University of California Land,Air and Water Resources Departmen t,Davis CA 95616）

暴雨管理模型（storm water managementmodel,SWMM）广泛应用于城市与非城市区域估算暴雨地表径流。采用ArcGIS 10.1,简单探讨其水文分析功能在SWMM建模中的应用,侧重于分析SWMM工程文件格式,并将ArcGIS中的*.shp文件导入SWMM之中,探讨该过程中遇到的问题,帮助科研、工作人员快速构建SWMM模型。

SWMM；ArcGIS；排水管网；模型

暴雨管理模型（storm water managementmodel, SWMM）最初开发于1971年［1］,此后经历了几次重要升级［2］。该模型在世界范围内应用广泛,主要包括城市地区暴雨径流模拟等,同时在非城市区域也有应用。当前版本SWMM5,提供了编辑研究区输入数据,进行水文、水力和水质模拟,并以各种格式浏览结果的集成环境。包括以颜色编码的排水面积和输送系统地图,时间序列图和表格,剖面线图,以及统计频率分析。ArcGIS作为GIS中功能最强大、应用范围最广的软件之一,由于其有效的数据管理,全面的分析功能,被广泛应用于各个领域［3］。作者在对温州市某片区进行SWMM建模时,获得的原管网资料为GIS数据,管网复杂程度高,数据量大。若在SWMM中手工绘制模型,输入参数等,要浪费大量精力,且容易出错。文中结合实际导入过程,详细叙述导入原理与方法,旨在为相关研究提供方便。

l SWMM应用及子汇水区的划分

1.1 SWMM模型应用

SWMM模型具有强大的水文、水动力模拟功能,对雨水管、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量、水质的模拟,包括地表产流、地表汇流、排水管网输送、贮水处理及受纳水体的影响等过程。SWMM模型的核心水文水力模块主要包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体模块［4］；SWMM通过这些模块来分别模拟不同的降雨径流过程。迄今为止,SWMM典型应用包括：控制洪水的排水系统组件设计和尺寸确定；为控制洪水和保护水质的滞留设施及其组件尺寸的确定；自然渠道系统泛洪区的地图绘制；最小化合流制排水管道溢流的设计控制策略；评价进流量和渗入对污水管道溢流的影响；污物负荷分配研究中的非点源污染物负荷；评价BMP降低预计污染物负荷的有效性。

1.2 SWMM模型建模方式

模型模拟解决实际问题,最关键部分在于建模,而建模的关键在于数据的收集和输入。SWMM模型自身具备建模的功能,其通过在研究区地图上添加模型提供的各个组件,如子汇水区、节点、排水管网、雨量计等,实现建模。在地图中绘制对象,是创建工程的一种方式。对于大型工程方便的方式是,首先在程序外构建SWMM工程文件,各种数据源包括CAD或者GIS文件,均可用于创建工程文件,这为快速提取输入信息提供了帮助［5］。部分研究人员在建立模型时,通过手绘模型来进行建模；也有通过编程手段,实现从源文件中提取SWMM建模所需数据。本文介绍的方法,只需对GIS软件中导出的数据,在MS Office Excel中进行编辑即可实现将GIS数据文件导入SWMM模型。建模过程中子汇水区的划分,对模拟结果有很大影响,而城区等人类活动影响较大的区域,一般要结合实地情况手工划分。对于受人类活动影响较小、研究区面积较大的区域,可以考虑利用ArcGIS的水文分析功能实现划分。

1.3 SWMM工程文件格式

SWMM工程文件是一般文本文件,其中包含了描述研究区的所有数据,以及用于分析的选项。文件以节组织,所谓节就是以要描述的要素开头,如节点、子汇区等,列出与其直接相关的属性字段,并在每一属性字段下列出具体数值。每一节通常对应于SWMM使用的特定对象类,文件的内容可以在SWMM中显示,同时可以通过主菜单打开。SWMM工程文件中有专门的节来表示坐标,如关键字COORDINATES下是雨水井节点的坐标, Polygons下方是子汇水区各节点的坐标。SWMM工程文件保存到磁盘之后,除了生成扩展名为*. inp的工程文件外,也会自动生成与该工程同名的*.ini的配置文件,即使配置文件丢失,SWMM模型仍能正常运行工程文件。因此在外部建模时,不必专门建立*.ini的配置文件。在SWMM中建立一个分别由子汇水区,节点,出水口和雨量计组成的工程实例；将其工程文件保存后,生成扩展名为*.inp格式的工程文件和一个*.ini配置文件,用记事本打开工程文件,可以看到内部结构。

部分关键字及其属性数据主要有：

［COORDINATES］（坐标；存储排水节点的坐标）

Node X-Coord Y-Coord

［SUBCATCHMENTS］（子汇水区；包含每个子汇水区的属性数据）

Name Raingage Outlet Total Area Pcnt. Imperv W idth

Pcnt.Slope Curb Length Snow Pack

分别代表：雨量计,出水口,子汇水区面积,不渗透百分比,子汇水区宽度,坡度,小区路长,积雪。

［JUNCTIONS］（排水节点）

Name Invert Elev.Max.Depth Init.Depth Surcharge Depth

分别代表：内底标高,最大深度,初始深度,超载深度,积水面积。

［Polygons］（子汇水区多边形的各个顶点坐标）

Subcatchment X-Coord Y-Coord子汇水区面拐点的坐标。

每个中括号内的关键字都有其属性字段,属性字段行的开头均有“；”,以Subcatchment（子汇水区）为例,与其相关的属性字段有雨量计,出水口等。对于所有的*.inp格式文件,首先是以Heading开头,接下来可以用1行或者多行写下该模型标题的相关信息,对于其内的节点,一维模型如雨水井,由一个节点编号,还有一组坐标表示；对于子汇水区,是用多边形表示,由一个节点编号和多组表示该多边形拐点的坐标组成。因此可以考虑将GIS源数据中的这些建模数据导出,依照此格式创建文本文档,并将其改名为*.inp文件格式后,可被SWMM直接读取。

2 A rcG IS在SWMM建模中的应用

2.1 ArcGIS水文分析功能应用

ArcGIS中水文分析功能,主要利用DEM数据（Digital Elevation Model）,而利用水文工具则可实现流域划分,即子汇水区的划分；这里流域指流经其中的水流和其他物质从一个公共的出水口排除而形成的一个集中的排水区域［6］,流程如图1。

图1 ArcGIS水文分析的流程

一般原数据DEM由于误差或反映真实地形（如喀斯特地貌）,使得DEM表面存在着一些凹陷的区域,影响水流方向的计算结果,因此进行水流向计算之前先计算填洼,生成无洼DEM,水流流向分析主要用到Flow Direction命令,Spatial Analyst模块下的Raster Calculator可计算生成栅格河网,并在Hydrology工具集下对栅格河网进行矢量化。ArcGIS河网分级水文分析中,常用Strahler分级和Shreve分级,一般根据实际情况来选取方法。子流域是由分水岭分割而成的汇水区域,任何一个天然河网都由多种水道联合而成,每个水道都有其汇水范围和流域面积,这样就形成了子流域,较大的流域通常由这些子流域联合而成。通过Basin命令,可确定子流域,而流域边界为全流域分线,利用Watershed工具,可得到出水点的汇水区域。而对于汇水区出水口的确定,用Hydrology工具集中的Snap pour point工具寻找汇水区出水口。打开Hydrology工具集,可以看到Basin,Fill, Flow Accumulation,Flow Drection等工具［6］。

2.2 将ArcGIS文件导入SWMM

在ArcGIS中对研究区完成子汇水区划分,此时子汇水区仍然显示为多边形面,通过使用“ArcToolbox→Data Management Tools→Features→Feature Vertices To Points”工具,将多边形拐点提取出来并生成一个点图层,Point Type选择为ALL.；当经过上述步骤后,地图上多边形的拐点将会显示出来。

在面图层的文件中,右键打开研究区的属性表,并选择添加字段Area（面积）,对于Area字段,根据实际数值,该实例中均选为：double型数值。添加成功后右键单击字段名Area,在弹出子菜单中单击“Calculate Geometry”（计算几何体）按钮,弹出对话框,按提示操作,就可以得到这字段的具体数值。值得注意的是,有时在A rcGIS中计算出来的面积会为负值,通过“ArcToolbox→Data Management Tools→Features→Repair Geometry”即可。导出后数据为*.dbf文件,用MSOffice Excel打开,可以看到这些属性数据；同样,以上述相同的步骤在点文件图层属性表中分别添加X-Coord,Y-Coord字段（提取拐点坐标）；导出结果如图2。

图2 子汇水区的数据

在MSOffice Execl中调整字段名称,字段属性的位置,使其符合SWMM工程文件格式。为快速准确建立*.inp工程文件,可以在SWMM中建立一个作为示例的工程文件,这样可避免全部手工输入关键字,属性数据等。用记事本打开该示例文件,并将MSOffice Excel中整理好的属性数据,整体粘贴在对应的关键字的属性字段下,整理后将记事本文档改为*.inp后缀,即可被SWMM读取。在此时工程文件的［Polygons］标题下为表示汇水区的多边形的拐点坐标,并将其导入SWMM模型。结果如图3。

图3 导入SWMM的研究区

导入成功后,如出现无法在SWMM默认视图范围内看到导入研究区图,这是由于SWMM模型有其默认的坐标范围,而导入的文件坐标范围不在其默认的范围之内。参照导入地图的坐标范围,在View菜单下的Dimensions中的Map Dementions选项中进行设置并保存,则导入的工程文件可以直接显示在SWMM中。要注意在将MS Office Execl表格中的数据导入SWMM工程文件时,为了保持其类似于表格的格式,要将该属性的名称、具体数值整体复制。文中提到的示例以子汇水区的空间数据导入为例,以类似的方法可将SWMM模拟所需要的其他要素的多种属性数据导入,如排水管网,雨量计,水泵等。多数GIS软件,如SuperMap、MapGIS都有类似的功能,亦可以将其转换为ArcGIS数据格式导入SWMM模型中。在SWMM模型界面内进行的操作,均通过以文本文档打开其工程文件进行编辑方式来实现。

3 小结与讨论

用ArcGIS的建模方法操作方便,易于掌握,有助于快速建模。

GIS软件中提取的属性数据导入SWMM时,曾遇到过坐标数据导入SWMM后各要素的坐标发生变化,但是排水节点、管道等相对位置没有发生变化,目前尚未明确其原因。SWMM模型建模中进行子汇水区划分,特别是划分人类活动影响大的区域时,如何提高自动划分子汇水区时的精度这一问题值得探讨。

参考文献：

［1］ Metcalf&Eddy.Storm Water Management Model,Volume IFinal Report,11024DOC07/71［R］.Washington D C：Water Quality Office,Environmental Protection Agency,1971.

［2］ Huber W C,Dickinson R E.Storm water managemen tmodel User，s lmanual（4 th version）［R］.Georgia：Environmental Protection Agency,1992.

［3］ He C S,Croley T E.Application of a distributed large basin runoff model in the Great Lakes basin［J］.Control Engineering Practice,2007,15（8）：1001-1011.

［4］ 孟超,杨昆.SWMM模型与GIS集成技术的研究［J］.安徽农业科学,2012,30（10）：6289-6287,6298.

［5］ Methods H,Durrans SR.Storm water conveyancemodeling and design［M］.Bentley：Institute Press,2004.

［6］ 牟乃夏,刘文宝,王海银,等.地理信息系统教程［M］.北京：测绘出版社,2012.

（责任编辑：张才德）

TP 79

B

0528-9017（2014）03-0396-03

文献著录格式：郭银利,王振峰,张明华.GIS技术在暴雨管理模型建模中的应用［J］.浙江农业科学,2014（3）：396-399.

2013-12-18

浙江省科技厅重大专项（2008C03009）；温州市重大专项（20082780125）；温州市科技局对外科技合作交流项（H20100006）

郭银利（1987-）,男,硕士生,从事城市暴雨径流模拟,GIS技术研究工作。E-mail：chongchuhai@163.com。

张明华。E-mail：mhz.gis@gmail.com。