基于GIS的城市暴雨积水模拟预测方法

卢岚，刘牛，刘兴权（.长沙环境保护职业技术学院环境科学系，湖南长沙40004；.长沙市规划信息服务中心，长沙40000；.中南大学地学与环境工程学院，长沙4008）



基于GIS的城市暴雨积水模拟预测方法

卢岚1，刘牛2，刘兴权3
（1.长沙环境保护职业技术学院环境科学系，湖南长沙410004；2.长沙市规划信息服务中心，长沙410000；3.中南大学地学与环境工程学院，长沙410083）

摘要：本文介绍了SWMM的相关情况，包括模型的分类、基本理论、数据需求等。阐述了城市暴雨积水预测方法，提出了SWMM与GIS集成的框架，并提出了一种新的自动划分子流域的方法，探讨了利用OSGGIS通过读取SWMM模拟结果，结合地形数据、地物数据等生成三维地形及地物，配合以真实的三维场景从而实现地面水淹过程三维动态仿真的过程。研究结果表明，GIS与SWMM的集成可大大提高计算的效率和计算结果的精度，而实现地面水淹过程的三维动态仿真提供了更为直观和有效的预测手段，可以提高快速反应和应急指挥能力。

关键词：城市暴雨积水；GIS；SWMM；三维动态仿真

本文引用格式：卢岚，刘牛，刘兴权.基于GIS的城市暴雨积水模拟预测方法［J］.新型工业化，2016，6（6）：60-67.

Citation： LU Lan， LIU Niu， LIU Xing-quan.Urban Rainstorm Waterlogging Prediction Method Based on GIS［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 60-67.

0 引言

城市暴雨积水，即指降雨下落城市区域形成径流后由于地势低洼、排水不及时等原因造成的一定径流深度地面积水［1］。国内外大中城市由暴雨积水引起的洪水灾害事件频发，使得城市洪水问题成为全世界关注的问题。因此，对城市暴雨积水问题进行研究，提高城市暴雨积水的预测预警能力，为决策者制定防灾减灾措施提供理论依据显得尤为重要［2］［3］。国外从20世纪60年代就已经开始对城市洪水灾害的防治研究的过程，且产生了很多优秀的城市排水模型，例如比较出名的有1971年美国环保总署研发的暴雨管理模型（SWMM），美国陆军工程兵师团水文学中心的蓄水、处理与溢流模型（STORM），英国公路研究所提出的公路研究所法（TRRL），伊利诺城市排水模型（ILLUDAS），辛辛那提大学城市径流模型（UCURM）等，这些模型都在国外很多城市得到重要应用［4］。各个模型都有自己的特点和应用范围。我国关于城市排水模型的研究比国外要晚，我国自行研制的新安江模型、双超产流模型、河北雨洪模型、姜湾径流模型、双衰减曲线模型等，从国外引进的模型主要有水箱模型、萨克拉门托模型、SMAR 模型，以及改进的国外模型，如连续API 模型、SCLS 模型和NAM 模型［5］。20世纪90年代，崔远来等人运用降雨径流关系法对北京市产流模型进行研究［6］。刘俊等人对SWMM进行改进，提出了城市化地区水文水力计算和模拟的城市排水模型，模型应用于天津实验区，效果良好［7］［8］。21世纪初，徐向阳等将水文学和水力学结合建立了城市地面积水数学模型，并将其应用于上海市防汛决策支持系统［4］。近几年，南京、哈尔滨、南昌、西安等城市都陆续通过运用各自建立或改进的城市排水模型开展了与城市暴雨积水问题相关的研究［9-12］。但是，目前我国的洪水预报技术相对于国外发展前沿仍存在差距，期待进一步得到发展。本文将从数字高程模型结合水文气象耦合方面入手来研究城市暴雨积水预测方法。笔者在引进美国城市雨洪管理模型SWMM的基础上，利用GIS技术对城市暴雨积水模拟与预测的方法及应用做了研究。本文介绍了SWMM基本理论及参数的获取方法，阐述了SWMM与GIS集成来模拟计算的方法，探讨了利用OSGGIS实现地面水淹过程三维动态仿真的过程。

1 SWMM构成、数据需求和模型函数

SWMM是美国环保总署研制的一个可以对雨洪进行管理、分析、设计的动态的雨水—径流模拟模型。在本文中，仅使用该模型来模拟单一事件的径流和排水管网的水量状况，不涉及到对水质问题的研究［13］［14］。

1.1 SWMM构成

SWMM包括服务模块和功能模块两个部分。服务模块由统计模块、图形模块、联合模块、降雨模块和气温模块组成。功能模块由径流模块、传输模块、扩展模块和调蓄/处理模块组成。各模块既可连续运行，也可单独运行。统计模块的主要功能是分离连续性降雨事件的模拟结果，从而形成单场降雨径流，根据降雨频率设置径流及污染物参数等。图形模块的主要功能是对模拟计算后的结果的表格化和图形化。联合模块主要用来串接前后模块之间的演算资料及档案，使演算能水力进行。降雨模块用来模拟降雨事件，雨量数据可以是实际获取的数据，也可以用通过经验或理论公式推求而来的降雨模型，然后将其输入至地表径流模块以进行连续性的模拟计算。温度模块可处理长时期温度、蒸发量、融雪资料及风速，然后将其输入至地表径流模块以进行计算。径流模块分为地面产流模块和地面汇流模块。地面产流模块用来模拟降雨在扣除蒸发、截留、洼蓄和入渗后产生径流的过程，地面汇流模块是用来模拟地面产流模块产生的径流汇集到各子流域出水口的入流过程。传输模块模拟的是水体从管道，溢水口等传输至受纳水体模块和调蓄处理模块的过程。以动力波方法进行水力演算，并可推算晴天水量及水质问题。 扩展传输模块利用一维的圣维南方程作水力演算（不包括水质），因此模块是以动力波进行水力演算，可模拟的径流状况包括：回路型排水管网系统、压力管网计算等。调蓄/处理模块主要用来模拟蓄水量及水质的计算及处理。执行模块的主要功能是指定档案的编排资料及公式的执行秩序。它们之间的关系如图1所示。

图1 SWMM模型结构图Fig.1 SWMM model structure

1.2 数据需求

为了模拟排水系统的水文，水力和水质情况，SWMM在模拟过程中需要对组成排水系统的对象设置大量的参数。在本研究过程中，将参数分为确定性参数和不确定性参数两大类。具体所需的输入参数如表1所示：

表1 SWMM模型所需参数Tab.1 Required of SWMM model parameters

1.3 模型函数

SWMM有一系列的函数，以供用户调用。下面将对主要的一些函数的功能进行介绍［13］：

swmm_start：SWMM初始化函数，该函数的功能是实现SWMM引擎的初始化；

swmm_open：SWMM打开函数，该函数的功能是实现打开SWMM引擎，用来分析一个新工程；

swmm_step：SWMM步骤函数，该函数的功能是在下一个报告时间前实现模型的模拟计算；

swmm_run：SWMM运行函数，该函数的功能是运行SWMM模拟计算过程，该函数需要的参数为模型文件、报告文件及输出文件。模型文件为文本文件，可以直接打开并批量编辑，报告文件为文本文件，可以直接打开并读取，输出文件为二进制文件，不能直接打开，但可以利用SWMM的其他函数来获取；

swmm_report：SWMM报告函数，该函数的功能是在模拟完成后以文本格式报告模型的输出结果；

GetSwmmResult：SWMM结果获取函数，该函数的功能是实现对二进制文件数据的读取，读取模型在运行过程产生的大量结果信息；该函数可以在VB环境下直接应用。

RunSwmmDll：SWMM动态连接库函数，该函数的功能是运行SWMM。该函数运行需要模型文件，在运行结束后，将自动生成输入文件和报告文件。该函数也可以在VB环境下直接应用。

2 SWMM与GIS集成框架

将SWMM计算内核嵌入到城市暴雨水灾害模拟预测GIS集成平台中，空间数据库中存储和管理多用户空间数据库的通路，将基础数据子库、气象数据子库及管线数据子库中的数据通过数据处理接口提供给GIS集成处理。

图2 SWMM与GIS集成框架图Fig.2 SWMM and GIS integration frame

2.1 SWMM与GIS数据交互

空间数据库是排水管网系统的核心，亦是城市暴雨积水预测过程中的重要内容，地理信息数据有时效性强的特点，其更新是通过空间信息服务平台用现势性强的现状数据或变更数据更新数据中非现势性的数据，从而达到保持现状数据库中空间信息的现势性和准确性或提高数据精度；同时将被更新的数据存入历时数据库中供查询检索、时间分析、历史状态恢复等［15］。同时由于空间数据库有存储和管理海量数据的能力，这也大大提高了排水管网系统的快速响应能力。

空间数据库是GIS的重要组成部分，其强大的空间数据管理能力可以存储预测过程中所需的所有数据，包括DEM数据、气象数据、管线数据等。GIS强大的空间数据管理能力保证了模型数据的准确性与运行的效率。由于GIS空间数据库存储数据参考了空间坐标系，所以可用来识别地图要素之间的空间关系。

GIS平台与SWMM原本独立运行，他们通过SWMM模型文件连接到一起。SWMM模型文件即一个ASCII文件，通过GIS的数据处理功能，生成文件所需数据。同时，GIS将处理SWMM计算后的模拟结果，实现地面积水的三维动态显示。

2.2 SWMM与GIS数据接口

SWMM提供了很多的 DLL（动态连接库）以供程序调用计算内核。DLL是一个包含了可由多个程序同时使用的代码和数据的库，不是可执行的文件。使用DLL可以实现程序的模块化管理，有利于资源共享以及内存节省，以及解决平台的差异问题。使用DLL可以极大地保护用在不同开发工具、不同时期所做的工作，提高编程的效率。

图3 SWMM与GIS逻辑关系图Fig.3 SWMM with GIS logic diagram

利用GIS技术生成SWMM模型文件后，通过调用SWMM的计算内核，模拟计算完成后生成结果输出文件，接着GIS将输出文件存入数据库中，并完成结果的表达。其逻辑关系如图3所示：

SWMM在被调用计算内核时提供了以下三个文件作为数据接口［16］：

（1）输入文件

这是一个包含模拟一个指定区域内的降雨事件所需的所有信息的文本文件。文件被分成若干部分，每个部分以一个关键字作为开头，在每个关键字下面是具体的属性数据内容。

（2）输出报告文件

SWMM5输出报告文件为一个文本文件，此文件包含模拟运行状态信息。同事包含了运行后的错误信息以及各种计算结果的总结信息等。为SWMM5提供了一个输出报告文件的文件名和输出路径，其计算引擎将运行并书写文件的内容。

（3）输出二进制文件

SWMM5模拟过程中，每个事物在每个步长时刻各个水力因素的模拟结果，包含了输出二进制文件。例如，设定5秒为模拟步长，则每秒就会将每个检查井、管道和汇水区的水力因素写入到二进制文件。

3 SWMM模拟预测

3.1 子流域划分

为了得到更好的模拟结果，SWMM将研究区域划分成若干个子流域，然后按照各个子流域的特性分别进行径流计算。传统的方法都是采用人工勾画的方法来获得子流域，但是这种方法由于人工因素不确定性很大，难以获得正确的划分结果，加上本文涉及的研究区域范围较大，采用这种方法必然会对模拟结果产生影响。故本文采用了基于GIS水文分析的方法来划分子流域。

子流域划分的重要数据来源即是基础地形数据（DEM）。通过对DEM数据的分析，子流域划分过程中汇水的走向将按照地势由高到低排放。但是，由于城市的复杂性，往往在实际的划分过程中，我们必须按照实际情况来考虑划分。在掌握实际数据的情况下应对地面高程等数据进行处理与分析。另外，子流域的划分与流域的土地利用类型有很大的联系。每一个子流域一般都包含多种土地利用类型，不同的土地利用类型的性质均不相同。不同的土地利用类型的子流域有不同的不透水区域百分比、曼宁系数等参数的不同。

3.2 参数设置

参数设置方式采用两种，对于确定性的参数一般采用GIS技术以及根据实际数据来获得；对于不确定性参数首先通过参考前人的取值经验，然后将他们的所取的参数放在本研究中反复试验，同时参考优化参数的方法获得适合本研究的参数［17］。

GIS技术具有强大的空间数据管理和空间分析功能，可以获得人工量测难以获得的数据，例如平均坡度百分比，宽度，面积等。而对于其他的不确定性参数，根据研究区地面特征以及参考其他研究区的取值经验。SWMM参考手册中也提供了地表径流，管道和渠道的曼宁系数的取值范围，在模拟计算过程中需根据不同的实际情况进行适当的选取。雨量数据根据实际的雨量值来进行设置，如果需要模拟退水过程，可以将模拟时间设置成比降雨的时间稍长的时间。

参数不透水区域的比例涉及到了土地利用类型的问题，一般认为不透水率与土地利用类型具有一定的相关性，不同土地利用类型的不透水面积比不同。首先通过对遥感影像进行信息提取更新研究区域内土地利用现状图，再通过GIS技术，结合划分好的子流域数据，根据不同的土地利用类型的渗透率，计算出不同子流域的不透水比例参数。同时，通过遥感技术对水体特征进行提取，对已有的河流数据校核起到参考作用。这些都大大提高了模拟计算的准确性［18］。

3.3 模型文件

SWMM提供了两种方式来输入参数，第一种方式是在地图上手动绘制对象以及在SWMM软件用户界面输入参数；第二种方式是构建一个SWMM工程文件，在文件中对参数进行设置。对于较为复杂且大型的工程来说，显然第二种方式更为方便，效率更高。

模型文件包含模拟计算过程所有的对象及其对应的参数，在这个文件中可以方便地对参数进行批量编辑或修改。同时，如果参数在模型界面中被修改，文件也会随之自动完成修改。在本研究中，对于利用GIS技术获得的子流域数据，GIS数据格式的管道数据，节点数据，都是以点的坐标数据形式写入到文件中，避免了手动绘制对象，从而保证了模型使用的数据与原始数据的一致性，使得模拟计算结果更为准确。

3.4 结果表达

SWMM预测结果可以以图表、表格和文件的形式来表达。图表包括：时序图、剖面图、散点图、表格等。文件输出为状态报告，对于长期连续的模拟，还有统计报告，可以对模拟结果进行统计分析。

在本文中选择了两种方式来查看结果：时序图、剖面图。下面介绍这两种结果输出形式，本文中没有用到的方式不作阐述。

3.4.1 时序图

时序图可以展示模拟对象的变量随着时间变化的变化过程，包括子流域、管道、节点对应的变量，它还可描述特定的变量，例如总降雨量、总径流、总溢流等的时序图。

3.4.2 剖面图

剖面图展示的是连接排水管网管道和节点内的水深变化情况，它表达的是变量的竖向位置的关系。剖面图一旦创建将会随着选择的时间段而自动更新，同时，配合以动画形式，动态地展示水位变化情况，反映了管道及各结点积水的特性和持续过程，为防洪减灾决策提供较为快捷、直观的信息支持。

4 洪水演进三维动态仿真

在本文中，首先利用SWMM来模拟计算，然后将计算的结果作为输入数据利用OSGGIS （OpenScenceGraph GIS）技术来表达，实现地面三维动态仿真。下面介绍OSGGIS预测方法。

4.1 OSGGIS数据收集

OSGGIS预测过程中首先涉及数据的收集，主要包括地形数据、地物数据、行政区划数据、地物纹理、SWMM模拟的水深数据。在洪水演进三维动态可视化实现过程中，由于SWMM的模拟的计算结果不能直接调用，所以需要将结果文件转换成OSGGIS中可以读取的文件格式，在本文中，通过调用SWMM动态链接库将结果输出文件转化成sww格式并保存。

4.2 OSGGIS工程文件

OSGGIS的工程文件其实就是一个指令集。执行该指令集就可以从要素和栅格数据中编译出OSG 的3D几何体。可以通过xml文件定义整个工程然后使用osggis_build命令行工具来编译将数据转换成ive格式数据。工程文件的主要元素包括：工程、图层、场景、数据源、纹理资源、包含的文件等。可根据不同的需要选择元素。工程文件的基本格式如下所示：

4.3 淹没区计算方法

利用OSGGIS技术来预测城市暴雨积水主要是对SWMM模拟计算后的结果溢出地面部分的三维可视化，即洪水演进过程的动态模拟。在洪水演进模拟的过程中，淹没区的计算分为两种情况：无源淹没和有源淹没。无源淹没是指研究区域均匀降水，所有低洼处都可能积水，有源淹没是指非均匀降雨，高处洪水有可能向邻域低洼处蔓延。

对无源淹没的处理相对简单，只需将流域内所有低于或等于预测水位高程的像元都将计入缓冲区，经累加形成淹没范围。有源淹没区的淹没范围计算比较复杂，种子蔓延算法是一种比较适合有源淹没的处理方法。种子蔓延算法的核心思想是将给定的种子点作为一个对象，赋予特定的属性，在某一平面区域上4个方向游动扩散，求取满足给定条件、符合数据采集分析精度、且具有连通关联分布的点的集合［19］。无源淹没和有源淹没所获得的区域，必须与行政区划矢量数据进行叠加计算，才能最后得出淹没区的实地位置。矢量行政区划层在叠加前需转换成栅格数据。

4.4 效果

OSGGIS通过建立城市三维地形模型和城市建筑物模型，直观地展示了洪水演进全过程的可视化。如下图所示：

图4 三维动态仿真Fig.4 3 d dynamic simulation

从图中可以看出，随着时间的变化，地面的积水动态地涨消，配合以真实的场景，实现了深圳市地面洪水的涨消的三维可视化

5 结语

通过研究，得出以下主要结论：1）GIS为SWMM所需的数据的存储和持续操作提供了一个稳定并且高效的平台。不仅可以获取SWMM所需但却难以通过实际测量获取的参数，还可以对模型所需数据进行校验，为建模提供了可靠的数据源；2）在本研究中采用了一种新的利用ArcSWAT工具来划分子流域的方法，实现了子流域的自动划分，并从划分结果看该方法适用于SWMM的模拟预测；3）通过研究可以得出GIS与SWMM可以集成来实现对城市暴雨积水的模拟预测，GIS与SWMM的集成，可大大提高计算的效率和计算结果的精度，从而可以提高城市水灾害研究的信息化和数字化水平，为决策者制定防洪减灾措施提供科学的理论依据；4）利用OSGGIS技术可以通过读取SWMM模拟结果，结合地形数据、地物数据等生成三维地形及地物，配合以真实的三维场景，可以实现地面水淹过程的三维动态仿真，提供了更为直观和有效的预测手段，可提高应急指挥能力。

今后的工作可以从以下几个方面继续研究：1）本文没有实现地下排水管道系统模拟预测与地面水淹过程三维动态仿真的完全集成，两个过程是分两个部分分别进行的，整个预测过程的效率将会受到一定影响，所以在今后的工作中可以尝试实现两者的完全集成；2）本研究在实现三维可视化的过程中仅仅实现了地面上的水淹过程，地下管道的水体运动情况的研究并没有涉及，所以在今后的研究中可以将地面积水涨消过程与地下排水管线相结合实现三维动态仿真，且可以通过添加道路、降雨或其他数据使模拟场景更加真实。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.007

作者简介：卢岚（1983-），女，讲师，地理信息系统；刘牛（1987-），男，本科，地理信息系统；刘兴权（1962-），男，教授，计算机系统

Urban Rainstorm Waterlogging Prediction Method Based on GIS

LU Lan1， LIU Niu2， LIU Xing-quan3
（1.Changsha Environmental Protection Vocational College， ChangSha 410004， China； 2.Changsha City Planning Information Service Center ， ChangSha 410000， China； 3.Central South University， ChangSha 410083， China）

ABSTRACT：In this paper， the model classification， basic theory， data demanding of SWMM are introduced.Next， the method of simulating and forecasting have been elaborated， the integration frame of GIS and SWMM is proposed， a new method of sub-watershed partition is suggested， and the method to realize the dynamic visualization of rising and descending water depth on the ground is studied， using OSGGIS technology through reading the result of SWMM with DEM data， 3D building data etc.The results show that the application of GIS and RS technology in the process of calculating can extremely improve the efficiency of calculation and the precision of its results.The 3D dynamic simulation realized by integrating GIS technology and SWMM offers a kind of prediction method with more direct-viewing and effective characteristics， which can be applied to establish flood-mitigation measures.

KEyWORDS：Urban rainstorm waterlogging； GIS； SWMM； 3D dynamic simulation