基于ArcGIS和SWMM的快速建模技术研究

刘娜

（廊坊市奥通市政工程设计有限公司 河北廊坊 065000）

0 引言

在排水防涝系统和海绵城市建设系统中，水文水力模型的应用越来越广泛，《室外排水设计规范》中明确指出“当汇水面积超过2km2时宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量”[1]。

目前SWMM模型是唯一开源免费的数学模型，拥有完善的水文、水力、水质模块，其运算模块采用经典的水文学和水力学方程，在业界已得到广泛的认可，可以独立作为数学模型进行使用，但与CAD、ArcGIS等工具的嵌合性较差。

笔者在缺少大型商业水文水力学模型的条件下，采用CAD和Ar cGIS等工具，快速构建SWMM模型，并利用模型进行模拟验证得出工程设计结论。

1 项目概况

1.1 区位条件

建模目标区域位于廊坊市西北部，规划面积约2km2，现状主要为村庄，汇水区相对独立，目标区域西侧为现状渠道，北侧为北京与河北交界，南侧为规划高速公路。

1.2 自然条件

建模目标区域属于永定河洪积、冲积平原，地势开阔平坦，自西北向东南倾斜。受永定河河道多次改道及风力侵蚀影响，沉积物质交错分布，局部存在小平底。高程主要在17～25m之间。

规划区域南部、西部为现状灌溉渠道，现状渠道深度约为2.0m，规划渠道深度为3.5m，主要承担规划区域排水防涝功能。

2 数据处理及建模过程概述

（1）整理CAD中管网数据，利用CAD文件进行属性数据编辑。

（2）利用ArcGIS进行数据处理。

在ArcGIS中生成管线图层，根据管线数据生成节点数据，建立管段与节点之间的拓扑关系；利用泰森多边形方法，划分子汇水区，人工做局部调整，建立子汇水面积和节点之间的拓扑关系。为子汇水区、管段、节点添加必要属性数据，导出折点和节点坐标，用于数据块的书写。

（3）实现Access文件与Excel文件之前的复制粘贴，生成SWMM能识别的inp文件。

（4）利用SWMM模型进行模拟。

3 数据处理及建模过程

3.1 利用CAD进行基础数据处理

CAD文件中整理管网数据，打开特性栏，利用图层名保存管段的高度信息，利用线的线型比例属性保存管段的宽度信息，利用线的厚度属性保存管道的上游管内底标高信息，利用线的标高属性保存管道的下游管内底标高信息。管段的连接处必须无缝连接，最好采用捕捉方式处理。

3.2 利用ArcGIS处理基础数据

3.2.1 新建mdb格式数据库，生成管线信息图层

打开ArcMap，新建mdb格式数据库，添加CAD中管线信息，生成管线信息的图层。生成的管线信息图层加入文件，移除原CAD文件，即移除CAD.dwg Polyline图层。

3.2.2 节点数据的处理

根据管线数据生成节点数据，删除重复的节点数据，利用格栅数据（Raster）为节点赋地面标高值，建立管段与节点之间的拓扑关系。

3.2.3 划分子汇水面积

先结合地形、河道和主要街道划分较大的子流域，然后利用泰森多边形方法，根据节点的分布进一步细分，划分子汇水区，最后人工做局部调整。

①生成汇水总面积的地面高程格栅图像；②生成管道及河道的位置格栅图像；③管道及河道所在位置的高程向下偏移；④利用管道及河道向下偏移的高程修正汇水总面积高程图像；⑤利用修正后的汇水总面积高程图像进行子汇水区域的划分，具体步骤为洼地填充、计算流向、径流累计计算、河网提取、河道生成和汇水区生成。

图1 ArcGIS内汇水区生成

通过上述操作得到子汇水区域图，其中每一个子汇水区可能包含多个节点，对大的子汇水区再次进行切分，并建立子汇水面积和节点之间的拓扑关系。

3.2.4 子汇水区、节点和管段数据整理。

（1）子汇水区数据整理。添加必要属性数据，用于[Subcatchments]、[Subareas]和[Infiltrations]数据块的书写；导出子汇水面积多边形顶点坐标，用于[Polygons]数据块的书写。

（2）节点数据整理。添加必要属性数据，用于[Junctions]、[Outfalls]数据块的书写；导出节点坐标，用于[Coordiates]数据块的书写。

（3）管段数据整理。添加必要属性数据，用于[Conduits]、[Xsections]数据块的书写；导出折点坐标，用于[Vertices]数据块的书写。

图2 ArcGIS汇水区与节点拓扑关系结果

3.3 Access和Excel中的数据处理

实现Access文件与Excel文件之间的复制粘贴，生成SWMM能识别的inp文件。

3.4 SWMM中的数据处理

利用SWMM模型直接加载生成的INP文件，完成目标区域模型的构建工作。设置模拟降雨数据，对目标区域排水管道系统、海绵城市建设设施系统等进行模拟分析研究，见图3。

图3 SWMM模型不同情形模拟结果

4 结语

本文主要解决在CAD的基础数据的基础上，通过ArcGIS软件进行高程数据和汇流分析、划分汇水分区、处理管网数据、建立汇水分区与管网节点的拓扑关系，最终生成SWMM能够读取的INP文件，以完成对规划目标区域的快速建模过程。利用ArcGIS软件进行建模数据的整理，减少了在SWMM模型中手工建模产生的人为误差，大大提高了建模的精度和速度。

模型搭建完成后，后续模型参数的验证和率定是一份经验和技术相结合的工作，应通过实际监测结果与模拟结果的反复验证，最终率定出一套最优的参数。