GIS技術在暴雨管理模型建模中的應用

郭銀利，王振峰，張明華，2

（1.溫州醫學院水環境應用技術研究所,浙江溫州 325035；2.University of California Land,Air and Water Resources Departmen t,Davis CA 95616）

GIS技術在暴雨管理模型建模中的應用

郭銀利1，王振峰1，張明華1，2

（1.溫州醫學院水環境應用技術研究所,浙江溫州 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）廣泛應用于城市與非城市區域估算暴雨地表徑流。采用ArcGIS 10.1,簡單探討其水文分析功能在SWMM建模中的應用,側重于分析SWMM工程文件格式,并將ArcGIS中的*.shp文件導入SWMM之中,探討該過程中遇到的問題,幫助科研、工作人員快速構建SWMM模型。

SWMM；ArcGIS；排水管網；模型

暴雨管理模型（storm water managementmodel, SWMM）最初開發于1971年［1］,此后經歷了幾次重要升級［2］。該模型在世界范圍內應用廣泛,主要包括城市地區暴雨徑流模擬等,同時在非城市區域也有應用。當前版本SWMM5,提供了編輯研究區輸入數據,進行水文、水力和水質模擬,并以各種格式瀏覽結果的集成環境。包括以顏色編碼的排水面積和輸送系統地圖,時間序列圖和表格,剖面線圖,以及統計頻率分析。ArcGIS作為GIS中功能最強大、應用范圍最廣的軟件之一,由于其有效的數據管理,全面的分析功能,被廣泛應用于各個領域［3］。作者在對溫州市某片區進行SWMM建模時,獲得的原管網資料為GIS數據,管網復雜程度高,數據量大。若在SWMM中手工繪制模型,輸入參數等,要浪費大量精力,且容易出錯。文中結合實際導入過程,詳細敘述導入原理與方法,旨在為相關研究提供方便。

l SWMM應用及子匯水區的劃分

1.1 SWMM模型應用

SWMM模型具有強大的水文、水動力模擬功能,對雨水管、合流制管道、自然排放系統都可以進行水量、水質的模擬,包括地表產流、地表匯流、排水管網輸送、貯水處理及受納水體的影響等過程。SWMM模型的核心水文水力模塊主要包括徑流模塊、輸送模塊、擴展的輸送模塊、調蓄/處理模塊和受納水體模塊［4］；SWMM通過這些模塊來分別模擬不同的降雨徑流過程。迄今為止,SWMM典型應用包括：控制洪水的排水系統組件設計和尺寸確定；為控制洪水和保護水質的滯留設施及其組件尺寸的確定；自然渠道系統泛洪區的地圖繪制；最小化合流制排水管道溢流的設計控制策略；評價進流量和滲入對污水管道溢流的影響；污物負荷分配研究中的非點源污染物負荷；評價BMP降低預計污染物負荷的有效性。

1.2 SWMM模型建模方式

模型模擬解決實際問題,最關鍵部分在于建模,而建模的關鍵在于數據的收集和輸入。SWMM模型自身具備建模的功能,其通過在研究區地圖上添加模型提供的各個組件,如子匯水區、節點、排水管網、雨量計等,實現建模。在地圖中繪制對象,是創建工程的一種方式。對于大型工程方便的方式是,首先在程序外構建SWMM工程文件,各種數據源包括CAD或者GIS文件,均可用于創建工程文件,這為快速提取輸入信息提供了幫助［5］。部分研究人員在建立模型時,通過手繪模型來進行建模；也有通過編程手段,實現從源文件中提取SWMM建模所需數據。本文介紹的方法,只需對GIS軟件中導出的數據,在MS Office Excel中進行編輯即可實現將GIS數據文件導入SWMM模型。建模過程中子匯水區的劃分,對模擬結果有很大影響,而城區等人類活動影響較大的區域,一般要結合實地情況手工劃分。對于受人類活動影響較小、研究區面積較大的區域,可以考慮利用ArcGIS的水文分析功能實現劃分。

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區的所有數據,以及用于分析的選項。文件以節組織,所謂節就是以要描述的要素開頭,如節點、子匯區等,列出與其直接相關的屬性字段,并在每一屬性字段下列出具體數值。每一節通常對應于SWMM使用的特定對象類,文件的內容可以在SWMM中顯示,同時可以通過主菜單打開。SWMM工程文件中有專門的節來表示坐標,如關鍵字COORDINATES下是雨水井節點的坐標, Polygons下方是子匯水區各節點的坐標。SWMM工程文件保存到磁盤之后,除了生成擴展名為*. inp的工程文件外,也會自動生成與該工程同名的*.ini的配置文件,即使配置文件丟失,SWMM模型仍能正常運行工程文件。因此在外部建模時,不必專門建立*.ini的配置文件。在SWMM中建立一個分別由子匯水區,節點,出水口和雨量計組成的工程實例；將其工程文件保存后,生成擴展名為*.inp格式的工程文件和一個*.ini配置文件,用記事本打開工程文件,可以看到內部結構。

部分關鍵字及其屬性數據主要有：

［COORDINATES］（坐標；存儲排水節點的坐標）

Node X-Coord Y-Coord

［SUBCATCHMENTS］（子匯水區；包含每個子匯水區的屬性數據）

Name Raingage Outlet Total Area Pcnt. Imperv W idth

Pcnt.Slope Curb Length Snow Pack

分別代表：雨量計,出水口,子匯水區面積,不滲透百分比,子匯水區寬度,坡度,小區路長,積雪。

［JUNCTIONS］（排水節點）

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

分別代表：內底標高,最大深度,初始深度,超載深度,積水面積。

［Polygons］（子匯水區多邊形的各個頂點坐標）

Subcatchment X-Coord Y-Coord子匯水區面拐點的坐標。

每個中括號內的關鍵字都有其屬性字段,屬性字段行的開頭均有“；”,以Subcatchment（子匯水區）為例,與其相關的屬性字段有雨量計,出水口等。對于所有的*.inp格式文件,首先是以Heading開頭,接下來可以用1行或者多行寫下該模型標題的相關信息,對于其內的節點,一維模型如雨水井,由一個節點編號,還有一組坐標表示；對于子匯水區,是用多邊形表示,由一個節點編號和多組表示該多邊形拐點的坐標組成。因此可以考慮將GIS源數據中的這些建模數據導出,依照此格式創建文本文檔,并將其改名為*.inp文件格式后,可被SWMM直接讀取。

2 A rcG IS在SWMM建模中的應用

2.1 ArcGIS水文分析功能應用

ArcGIS中水文分析功能,主要利用DEM數據（Digital Elevation Model）,而利用水文工具則可實現流域劃分,即子匯水區的劃分；這里流域指流經其中的水流和其他物質從一個公共的出水口排除而形成的一個集中的排水區域［6］,流程如圖1。

圖1 ArcGIS水文分析的流程

一般原數據DEM由于誤差或反映真實地形（如喀斯特地貌）,使得DEM表面存在著一些凹陷的區域,影響水流方向的計算結果,因此進行水流向計算之前先計算填洼,生成無洼DEM,水流流向分析主要用到Flow Direction命令,Spatial Analyst模塊下的Raster Calculator可計算生成柵格河網,并在Hydrology工具集下對柵格河網進行矢量化。ArcGIS河網分級水文分析中,常用Strahler分級和Shreve分級,一般根據實際情況來選取方法。子流域是由分水嶺分割而成的匯水區域,任何一個天然河網都由多種水道聯合而成,每個水道都有其匯水范圍和流域面積,這樣就形成了子流域,較大的流域通常由這些子流域聯合而成。通過Basin命令,可確定子流域,而流域邊界為全流域分線,利用Watershed工具,可得到出水點的匯水區域。而對于匯水區出水口的確定,用Hydrology工具集中的Snap pour point工具尋找匯水區出水口。打開Hydrology工具集,可以看到Basin,Fill, Flow Accumulation,Flow Drection等工具［6］。

2.2 將ArcGIS文件導入SWMM

在ArcGIS中對研究區完成子匯水區劃分,此時子匯水區仍然顯示為多邊形面,通過使用“ArcToolbox→Data Management Tools→Features→Feature Vertices To Points”工具,將多邊形拐點提取出來并生成一個點圖層,Point Type選擇為ALL.；當經過上述步驟后,地圖上多邊形的拐點將會顯示出來。

在面圖層的文件中,右鍵打開研究區的屬性表,并選擇添加字段Area（面積）,對于Area字段,根據實際數值,該實例中均選為：double型數值。添加成功后右鍵單擊字段名Area,在彈出子菜單中單擊“Calculate Geometry”（計算幾何體）按鈕,彈出對話框,按提示操作,就可以得到這字段的具體數值。值得注意的是,有時在A rcGIS中計算出來的面積會為負值,通過“ArcToolbox→Data Management Tools→Features→Repair Geometry”即可。導出后數據為*.dbf文件,用MSOffice Excel打開,可以看到這些屬性數據；同樣,以上述相同的步驟在點文件圖層屬性表中分別添加X-Coord,Y-Coord字段（提取拐點坐標）；導出結果如圖2。

圖2 子匯水區的數據

在MSOffice Execl中調整字段名稱,字段屬性的位置,使其符合SWMM工程文件格式。為快速準確建立*.inp工程文件,可以在SWMM中建立一個作為示例的工程文件,這樣可避免全部手工輸入關鍵字,屬性數據等。用記事本打開該示例文件,并將MSOffice Excel中整理好的屬性數據,整體粘貼在對應的關鍵字的屬性字段下,整理后將記事本文檔改為*.inp后綴,即可被SWMM讀取。在此時工程文件的［Polygons］標題下為表示匯水區的多邊形的拐點坐標,并將其導入SWMM模型。結果如圖3。

圖3 導入SWMM的研究區

導入成功后,如出現無法在SWMM默認視圖范圍內看到導入研究區圖,這是由于SWMM模型有其默認的坐標范圍,而導入的文件坐標范圍不在其默認的范圍之內。參照導入地圖的坐標范圍,在View菜單下的Dimensions中的Map Dementions選項中進行設置并保存,則導入的工程文件可以直接顯示在SWMM中。要注意在將MS Office Execl表格中的數據導入SWMM工程文件時,為了保持其類似于表格的格式,要將該屬性的名稱、具體數值整體復制。文中提到的示例以子匯水區的空間數據導入為例,以類似的方法可將SWMM模擬所需要的其他要素的多種屬性數據導入,如排水管網,雨量計,水泵等。多數GIS軟件,如SuperMap、MapGIS都有類似的功能,亦可以將其轉換為ArcGIS數據格式導入SWMM模型中。在SWMM模型界面內進行的操作,均通過以文本文檔打開其工程文件進行編輯方式來實現。

3 小結與討論

用ArcGIS的建模方法操作方便,易于掌握,有助于快速建模。

GIS軟件中提取的屬性數據導入SWMM時,曾遇到過坐標數據導入SWMM后各要素的坐標發生變化,但是排水節點、管道等相對位置沒有發生變化,目前尚未明確其原因。SWMM模型建模中進行子匯水區劃分,特別是劃分人類活動影響大的區域時,如何提高自動劃分子匯水區時的精度這一問題值得探討。

參考文獻：

［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,楊昆.SWMM模型與GIS集成技術的研究［J］.安徽農業科學,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,劉文寶,王海銀,等.地理信息系統教程［M］.北京：測繪出版社,2012.

（責任編輯：張才德）

TP 79

B

0528-9017（2014）03-0396-03

文獻著錄格式：郭銀利,王振峰,張明華.GIS技術在暴雨管理模型建模中的應用［J］.浙江農業科學,2014（3）：396-399.

2013-12-18

浙江省科技廳重大專項（2008C03009）；溫州市重大專項（20082780125）；溫州市科技局對外科技合作交流項（H20100006）

郭銀利（1987-）,男,碩士生,從事城市暴雨徑流模擬,GIS技術研究工作。E-mail：chongchuhai@163.com。

張明華。E-mail：mhz.gis@gmail.com。