基于pyswmm的雨水管道积水自动化分析系统设计

王轩 李长坡 沈宁娟

[摘要]针对SWMM模型建模和分析流程复杂的问题，设计实现了基于pyswmm的城市雨水管道积水自动化分析系统，可以高效完成GIS数据向SWMM特定格式的转换，并通过pyswmm Python扩展包实现雨水管网径流的模拟计算，快速的完成城市管道积水分析。

[关键词]管道积水;SWMM;Python;pyswmm;自动化分析

[中图分类号]TV124 [文献标识码]B

气候变暖和城市化的双重作用，使得城市水文问题日益严重，加上不合理的城市地下管网的设计，使得城市内涝在多数城市已经显现。SWMM（storm water management model）是美国环保署开发的一款模拟城市单一降水事件或长期水量、水质模拟的降水-径流模拟模型，它以城市用地性质和地块经济技术平衡指标为基础，模拟城市地表情况，预测城市降雨径流量。该模型的开源特点、C语言平台及可被调用的函数库使SWMM在国内外排水系统、管网管理及城市规划等方面都得到广泛的应用。然而，城市管网模拟需要的大量数据，且实际现有的数据往往不满足SWMM模型的特定要求，大大影响建模的效率和模拟的准确性。基于此，文章利用ArcGIS自带的Python脚本语言，通过pyswmm扩展包调用SWMM软件平台，从而建立了一个简便、快捷的雨水管道积水自动化系统，既便于shape文件与inp文件的转换，又能实现管道水流自动监测，以期推进城市雨洪内涝的预警研究。

Python是当今最流行的脚本语言，已经广泛集成于桌面GIS系统内，如ArcGIS、QGIS等均包含了一个Python运行环境，从而方便用户进行软件定制和科学运算。pyswmm是可以一个简单的Python扩展包，可以利用扩展包管理工具——Pip进行简便安装，它实现了对SWMM调用的Python包装，可以用简单的方式通过Python语言实现对SWMM的调用和控制。目前最新版本为0.4.3。

1 研究方法

建模是模拟的重要内容，包括模型结构和参数识别，模型的准确性直接关系到模拟的效果和精确度。该系统以SWMM模型机理根本，模型结构方面先通过GIS水文分析模块对DEM数据划分汇水区，再以雨水收集口为中心划分为多个泰森多边形，即子汇水区，然后通过GIS的空间功能得到SWMM运行所需的汇水区面积、坡度、不透水区比例等相关物理属性数据，再将上述数据按特定格式要求导入到SWMM模型中运行，最后将运行结果以GIS进行表示，简化了繁琐的城市管网数据处理过程，提高工作运行效率。本文通过Python脚本实现GIS点、线、面数据向SWMM模型——Inp文件的转换，通过pyswmm调用SWMM进行管道水流分析，实现了快速的城市管道积水模拟分析

1.1 系统工作流程

按照SWMM数据要求，准备研究区图层信息、管道数据、出水口、雨水收集口、气象资料等。步骤包括：①将研究区雨水井图层、出水口图层、管道图层以特定格式保存至目标文件夹;②按照泰森多边形将研究区以雨水井为中心划分为多个子汇水区，再用GIS空间分析功能提取子汇水区的面积、宽度、位置、不透水率等信息并保存为inp格式;③用GIS提取管道图层和出水口图层的空间位置及属性信息，保存为inp格式;④将收集到的研究区气温、湿度、降雨量、土壤湿度息、前次降雨信息等SWMM需要的气象数据保存为inp文件，并利用芝加哥暴雨模型将降雨量文件生成5分钟（或1分钟）降雨序列;⑤调用pyswmm对inp文件進行模拟运算，得到模拟结果。

1.2 系统实现

系统使用Visual Studio 2008开发环境，结合ArcObjects组件实现了矢量数据和栅格数据的读取与显示，本系统的界面如图2所示。由于系统的数据转换和调用过程采用了Python的pyswmm软件包，属于脚本语言，使得它也能够脱离图形界面，集成到ArcGIS Desktop当中使用，进一步拓展了适用环境。

2 案列研究

许昌市区面积约106km2，调查共有雨水入井2346处，排水管道2744段，全长384774m，雨水泄洪出水口主要位于流经许昌市区的三条主要河流：饮马河、清潩河和灞陵河，雨水泄洪出水口124个。使用本系统进行数据转换和SWMM调用，可以迅速得到模拟结果，如图3、图4所示。

3 结论

本研究以pyswmm为中间桥梁，通过Visual Studio 2008平台开发了基于ArcGIS Engine 10.1的城市雨水管道积水自动化系统，该系统具有GIS数据到inp文件的转化并调用SWMM进行雨流分析功能，对于城市市政部门的管网管理更加适合。该系统应用简单，可快速得到模拟结果，具有一定的应用价值。但其在调用SWMM时设定的各种运算参数较为粗糙，有待于进一步率定和深入研究。

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