基于pyswmm的雨水管道積水自動化分析系統設計

王軒 李長坡 沈寧娟

[摘要]針對SWMM模型建模和分析流程復雜的問題，設計實現了基于pyswmm的城市雨水管道積水自動化分析系統，可以高效完成GIS數據向SWMM特定格式的轉換，并通過pyswmm Python擴展包實現雨水管網徑流的模擬計算，快速的完成城市管道積水分析。

[關鍵詞]管道積水;SWMM;Python;pyswmm;自動化分析

[中圖分類號]TV124 [文獻標識碼]B

氣候變暖和城市化的雙重作用，使得城市水文問題日益嚴重，加上不合理的城市地下管網的設計，使得城市內澇在多數城市已經顯現。SWMM（storm water management model）是美國環保署開發的一款模擬城市單一降水事件或長期水量、水質模擬的降水-徑流模擬模型，它以城市用地性質和地塊經濟技術平衡指標為基礎，模擬城市地表情況，預測城市降雨徑流量。該模型的開源特點、C語言平臺及可被調用的函數庫使SWMM在國內外排水系統、管網管理及城市規劃等方面都得到廣泛的應用。然而，城市管網模擬需要的大量數據，且實際現有的數據往往不滿足SWMM模型的特定要求，大大影響建模的效率和模擬的準確性。基于此，文章利用ArcGIS自帶的Python腳本語言，通過pyswmm擴展包調用SWMM軟件平臺，從而建立了一個簡便、快捷的雨水管道積水自動化系統，既便于shape文件與inp文件的轉換，又能實現管道水流自動監測，以期推進城市雨洪內澇的預警研究。

Python是當今最流行的腳本語言，已經廣泛集成于桌面GIS系統內，如ArcGIS、QGIS等均包含了一個Python運行環境，從而方便用戶進行軟件定制和科學運算。pyswmm是可以一個簡單的Python擴展包，可以利用擴展包管理工具——Pip進行簡便安裝，它實現了對SWMM調用的Python包裝，可以用簡單的方式通過Python語言實現對SWMM的調用和控制。目前最新版本為0.4.3。

1 研究方法

建模是模擬的重要內容，包括模型結構和參數識別，模型的準確性直接關系到模擬的效果和精確度。該系統以SWMM模型機理根本，模型結構方面先通過GIS水文分析模塊對DEM數據劃分匯水區，再以雨水收集口為中心劃分為多個泰森多邊形，即子匯水區，然后通過GIS的空間功能得到SWMM運行所需的匯水區面積、坡度、不透水區比例等相關物理屬性數據，再將上述數據按特定格式要求導入到SWMM模型中運行，最后將運行結果以GIS進行表示，簡化了繁瑣的城市管網數據處理過程，提高工作運行效率。本文通過Python腳本實現GIS點、線、面數據向SWMM模型——Inp文件的轉換，通過pyswmm調用SWMM進行管道水流分析，實現了快速的城市管道積水模擬分析

1.1 系統工作流程

按照SWMM數據要求，準備研究區圖層信息、管道數據、出水口、雨水收集口、氣象資料等。步驟包括：①將研究區雨水井圖層、出水口圖層、管道圖層以特定格式保存至目標文件夾;②按照泰森多邊形將研究區以雨水井為中心劃分為多個子匯水區，再用GIS空間分析功能提取子匯水區的面積、寬度、位置、不透水率等信息并保存為inp格式;③用GIS提取管道圖層和出水口圖層的空間位置及屬性信息，保存為inp格式;④將收集到的研究區氣溫、濕度、降雨量、土壤濕度息、前次降雨信息等SWMM需要的氣象數據保存為inp文件，并利用芝加哥暴雨模型將降雨量文件生成5分鐘（或1分鐘）降雨序列;⑤調用pyswmm對inp文件進行模擬運算，得到模擬結果。

1.2 系統實現

系統使用Visual Studio 2008開發環境，結合ArcObjects組件實現了矢量數據和柵格數據的讀取與顯示，本系統的界面如圖2所示。由于系統的數據轉換和調用過程采用了Python的pyswmm軟件包，屬于腳本語言，使得它也能夠脫離圖形界面，集成到ArcGIS Desktop當中使用，進一步拓展了適用環境。

2 案列研究

許昌市區面積約106km2，調查共有雨水入井2346處，排水管道2744段，全長384774m，雨水泄洪出水口主要位于流經許昌市區的三條主要河流：飲馬河、清潩河和灞陵河，雨水泄洪出水口124個。使用本系統進行數據轉換和SWMM調用，可以迅速得到模擬結果，如圖3、圖4所示。

3 結論

本研究以pyswmm為中間橋梁，通過Visual Studio 2008平臺開發了基于ArcGIS Engine 10.1的城市雨水管道積水自動化系統，該系統具有GIS數據到inp文件的轉化并調用SWMM進行雨流分析功能，對于城市市政部門的管網管理更加適合。該系統應用簡單，可快速得到模擬結果，具有一定的應用價值。但其在調用SWMM時設定的各種運算參數較為粗糙，有待于進一步率定和深入研究。

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