基于VisualLISP语言快速提取CAD管线信息SWMM建模方法探索

宁存鑫，汤　钟，李翠萍，耿　冰，成志轩

(1．浙江贵仁信息科技股份有限公司，浙江杭州　310051；2.深圳市城市规划设计研究院市政规划院，广东深圳　518000；3.上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海　200082)

SWMM模型是由美国环保署(EPA)资助开发的一个免费开源的城市雨洪管理模型，包括水量、水质、LID等多个模块[1]，已被世界各国的研究者广泛用于研究雨水问题，在中国也被广泛应用于海绵城市LID评估、排水管网复核、城市面源污染量估算等，并取得一系列的研究成果[2-3]。

然而，因为目前我国管网信息化程度较低，绝大部分管网数据以DWG格式存储，SWMM无法直接处理。若使用手工描绘方式进行建模，效率低且误差很大。所以，SWMM模型应用的核心问题是如何基于已有数据进行快速建模，通过计算机辅助建模可以大大提高建模效率，从而对SWMM模型的应用和推广有重要意义。

1　SWMM模型及文件结构

SWMM将城市排水管网系统中的水文和水力要素概化为管渠(Link)、节点(Node)和汇水区(Catchment)三种类型，用非线性水库模型模拟地表径流，用圣维南方程演算管网的输送过程，用累积冲刷模型模拟地表径流的污染[4]。SWMM模型主要用于城市区域降雨径流、合流制管道、污水管道和其他排水系统的规划设计、情景分析和方案评估等多个方面。资料翔实时也可应用于非城市区域的分析与模拟[5-6]。

SWMM的模型文件为INP格式文件，具有按块组织的特定文件格式。每一块都是从一个由中括号括着的关键词开始，关键词后为属性区，模型的各种参数反映了对应的管渠、雨量计、汇水区等的属性及相互关系，部分关键词如下。

[TITLE]工程标题

[OPTIONS]分析选项

[REPORT]输出报告指令

[FILES]接口文件选项

[RAINGAGES]雨量计信息

[HYDROGRAPHS]用于构造RDII进流量的单位水文过程线数据

[EVAPORATION]蒸发数据

[TEMPERATURE]气温和雪融数据

SWMM的INP文件中各节次序任意，并非所有节是必须的。分号(；)用于说明本行中，其后为注释而不是数据。数据项可以显示在行内任意列。各节关键词可以显示为混合小写和大写方式，仅仅前四个字符(加上起始中括号)用于区别关键词。

2　建模实现过程

建模是进行SWMM模拟的第一步，基于VisualLISP快速提取管线信息并导入SWMM的过程可分为两部分，一是管线信息的提取，二是信息格式的转换与导出。

2.1　管线信息的提取

管线需提取的信息主要有以下内容：管径、管长、管线两端管内底标高、管线折点坐标、管线上下游与节点的对应关系、节点的坐标、节点内底高程、节点地面标高。为了提取到这些信息，有三个核心问题需要解决，一是建立管线的上下游拓扑关系，二是获取标高信息并与管线及节点对应，三是管径信息与管线的对应[7-8]。

2.1.1建立管线的上下游拓扑关系

为了确定管线的上下游，首先自定义一个名为pck的块，需要用户通过点击下游管线末端插入到管线系统中，管线系统排出口位置即为块的基点。拓扑关系的建立流程如图1所示。

图1　管线拓扑关系建立流程图

如图2所示，管线拓扑建立的源代码，其中子程序“getnewaddnearobjss”承担根据搜索点表获取新增管线，并记录信息，同时更新搜索点表的任务；rcgx为管线端点的容差；gxename为管线的线形；gxlayer为管线图层。

图2　主程序源代码

2.1.2获取标高信息并与管线及节点对应

为了使提取后的标高管径信息能与管线及节点对应，需要合理的数据存储格式。这里使用表来存储数据，节点和管线的数据形式如下。

(节点坐标地面标高井底标高节点编号)

(管线图元名上游节点编号下游节点编号上游管内底标高下游管内底标高管径管线坐标管线编号)

其中节点坐标和管线图元名可用来判断节点或管线是否已存在。这里讨论的标高标注形式为浙江样式，如图3所示。

图3　井管标注样式示意图

标高的提取流程如图4所示。

图4　管线特征标高识别及储存流程图

需注意管线坐标保存时，应以下游节点坐标替换管线的下游坐标，以保证管线信息在提取后可以首尾相连，不受容差的影响；需使管线坐标按照上游至下游的顺序排列，以保证数据转换成SWMM格式后不至错乱。

三维管线高程信息可直接根据起终点Z值确定，可省略复杂的标注检索匹配流程[9]。

2.1.3获取管径信息并与管线对应

根据管线中点和设定的容差、图层等因素进行搜索，若搜索到多个标注则选择其中距离最近的那个。另外也可根据情况加入角度判断，保证标注和管线平行，降低出错几率。

2.1.4功能融合

因为提取过程需一次性完成，所以将步骤3融入到步骤2中从而得到完整的信息提取功能，之后再融入进步骤1的拓扑建立过程之中，即可在拓扑每增加一根管线同时，获得需要的管线、节点的各种信息。

2.1.5可视化排错功能

为了可视化检索提取信息的准确性，增加了标注功能；分图层分颜色将管线的中点与其所对应的管内底标高文字基点、管径文字基点连线，即可清楚地看出信息对应关系是否正确。同时标注管线及节点的编号，通过编号及信息连接线的标注进度也可知晓程序的运行情况。

2.2　数据的转换与导出

2.2.1数据导出

将已有节点信息表和已有管线信息表，通过foreach函数导出并增加“ ”作为空格，即可得到规则的信息表格。图5为CAD原数据样式，表1和表2分别为提取出的节点和管段数据。

图5　CAD管线数据

节点信息(部分)坐标地面标高/m井底标高/m节点编号(5242900320176e+00600)211831951817(5242340320173e+00600)211811918616(5242610320175e+00600)20931934215(5242310320175e+00600)20911917414(5241890320181e+00600)207331911613(5241990320179e+00600)207311908512

表2　管段数据提取

注：信息表中的坐标，为一或多对(x,y)形式的数据，对于有拐点的多段线同样适用

2.2.2数据转换

将数据转换成为SWMM标准INP格式，是通过对已有节点信息表和已有管线信息表的操作来实现的。在数据输出时，分为[OUTFALLS]、[JUNCTIONS]、[CONDUITS]、[XSECTIONS]、[COORDINATES]、[VERTICES]6个部分。

图6　提取后自动生成INP文件

通过nth、assoc等函数组合使用获取表中指定信息，经一定的对应、计算等处理后输出。SWMM中管内底标高是通过相对节点底部标高的偏移来实现的，所以需在获取管线内底标高后，根据其节点编号搜索对应的节点底部标高，经过计算后再输出，效果如图6所示。

3　应用案例

选取某公园来进行模型验证，管网基础数据为DWG格式管网规划图，汇水区基础数据为shp格式用地规划图，包括降雨、洪水位、蒸发等多种基础数据。根据本文上述建模过程所编写的CAD插件进行管道数据提取，成功提取为INP。汇水区由开源软件INPPINS转换为INP格式，将两个INP进行关键词对应即可合并，建立完整SWMM模型。输入模型参数后即可执行模拟，效果如图7所示。

分别输入芝加哥设计降雨数据和全年分钟降雨数据进行模拟，结果显示该公园规划海绵方案的年径流总量控制率在91.65%，达到90%的规划要求；规划排水管渠方案在P=5 a的情境下，无节点溢流，满足管网排水能力要求。本文快速提取方法大大降低了建模难度，提升了建模效率。

图7　管网及最终SWMM模型

4　结论

本文实现了将一定格式下的CAD管网数据快速提取的功能，可自动转换到SWMM模型中，大大减少建模人员的工作量，在规划、设计以及海绵城市建设效果评估中皆可得到应用。某公园的案例验证了方法的可行性。

本文所述方法仍有发展空间，如很多图纸并不是每个节点都有高程标注，缺失的部分仍需要手工来补充，后续可增加根据上下游标注自动补全标高的功能；另外由于管径标注形式多样，目前仅将标注整体提取，没有实现自动识别所需信息的功能；此外笔者开发了将汇水分区导入SWMM的程序，下一步有望将两个程序整合，实现更完整的功能，以期在海绵城市规划及设计评估等方面有更好的应用。

[1]Zoppou C.Review of urban storm water models[J].Environmental Modelling & Software,2001,16(3):195-231.

[2]胡爱兵,任心欣,丁年,等.基于SWMM的深圳市某区域LID设施布局与优化[J].中国给水排水,2015,31(21):96-100.

[3]https://www.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-SWMM[EB/OL].

[4]危唯.低影响开发技术在深圳某地区的应用研究[D].长沙:湖南大学,2014.

[5]吴亚男,熊家晴,任心欣,等.深圳鹅颈水流域SWMM模型参数敏感性分析及率定研究[J].给水排水,2015,41(11):126-131.

[6]任心欣,汤伟真,李建宁,等.水文模型法辅助低影响开发方案设计案例探讨[J].中国给水排水,2016,32(17):109-114.

[7]杨伟明,刘子龙,周玉文,等.基于CADTableConvert和雨水管网设计计算表的自动SWMM水力模型构建方法研究[J].给水排水,2016,42(4):124-127.

[8]张灵敏.排水管网水力计算及暴雨积水模拟方法研究[D].广州：华南理工大学,2015.

[9]陈淑珍.基于GIS和SWMM的城市排水管网建模方法研究[D].北京：北京工业大学,2014.