基于ArcGIS和SWMM的快速建模技術研究

劉娜

（廊坊市奧通市政工程設計有限公司 河北廊坊 065000）

0 引言

在排水防澇系統和海綿城市建設系統中，水文水力模型的應用越來越廣泛，《室外排水設計規范》中明確指出“當匯水面積超過2km2時宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，采用數學模型法計算雨水設計流量”[1]。

目前SWMM模型是唯一開源免費的數學模型，擁有完善的水文、水力、水質模塊，其運算模塊采用經典的水文學和水力學方程，在業界已得到廣泛的認可，可以獨立作為數學模型進行使用，但與CAD、ArcGIS等工具的嵌合性較差。

筆者在缺少大型商業水文水力學模型的條件下，采用CAD和Ar cGIS等工具，快速構建SWMM模型，并利用模型進行模擬驗證得出工程設計結論。

1 項目概況

1.1 區位條件

建模目標區域位于廊坊市西北部，規劃面積約2km2，現狀主要為村莊，匯水區相對獨立，目標區域西側為現狀渠道，北側為北京與河北交界，南側為規劃高速公路。

1.2 自然條件

建模目標區域屬于永定河洪積、沖積平原，地勢開闊平坦，自西北向東南傾斜。受永定河河道多次改道及風力侵蝕影響，沉積物質交錯分布，局部存在小平底。高程主要在17～25m之間。

規劃區域南部、西部為現狀灌溉渠道，現狀渠道深度約為2.0m，規劃渠道深度為3.5m，主要承擔規劃區域排水防澇功能。

2 數據處理及建模過程概述

（1）整理CAD中管網數據，利用CAD文件進行屬性數據編輯。

（2）利用ArcGIS進行數據處理。

在ArcGIS中生成管線圖層，根據管線數據生成節點數據，建立管段與節點之間的拓撲關系；利用泰森多邊形方法，劃分子匯水區，人工做局部調整，建立子匯水面積和節點之間的拓撲關系。為子匯水區、管段、節點添加必要屬性數據，導出折點和節點坐標，用于數據塊的書寫。

（3）實現Access文件與Excel文件之前的復制粘貼，生成SWMM能識別的inp文件。

（4）利用SWMM模型進行模擬。

3 數據處理及建模過程

3.1 利用CAD進行基礎數據處理

CAD文件中整理管網數據，打開特性欄，利用圖層名保存管段的高度信息，利用線的線型比例屬性保存管段的寬度信息，利用線的厚度屬性保存管道的上游管內底標高信息，利用線的標高屬性保存管道的下游管內底標高信息。管段的連接處必須無縫連接，最好采用捕捉方式處理。

3.2 利用ArcGIS處理基礎數據

3.2.1 新建mdb格式數據庫，生成管線信息圖層

打開ArcMap，新建mdb格式數據庫，添加CAD中管線信息，生成管線信息的圖層。生成的管線信息圖層加入文件，移除原CAD文件，即移除CAD.dwg Polyline圖層。

3.2.2 節點數據的處理

根據管線數據生成節點數據，刪除重復的節點數據，利用格柵數據（Raster）為節點賦地面標高值，建立管段與節點之間的拓撲關系。

3.2.3 劃分子匯水面積

先結合地形、河道和主要街道劃分較大的子流域，然后利用泰森多邊形方法，根據節點的分布進一步細分，劃分子匯水區，最后人工做局部調整。

①生成匯水總面積的地面高程格柵圖像；②生成管道及河道的位置格柵圖像；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匯水總面積高程圖像；⑤利用修正后的匯水總面積高程圖像進行子匯水區域的劃分，具體步驟為洼地填充、計算流向、徑流累計計算、河網提取、河道生成和匯水區生成。

圖1 ArcGIS內匯水區生成

通過上述操作得到子匯水區域圖，其中每一個子匯水區可能包含多個節點，對大的子匯水區再次進行切分，并建立子匯水面積和節點之間的拓撲關系。

3.2.4 子匯水區、節點和管段數據整理。

（1）子匯水區數據整理。添加必要屬性數據，用于[Subcatchments]、[Subareas]和[Infiltrations]數據塊的書寫；導出子匯水面積多邊形頂點坐標，用于[Polygons]數據塊的書寫。

（2）節點數據整理。添加必要屬性數據，用于[Junctions]、[Outfalls]數據塊的書寫；導出節點坐標，用于[Coordiates]數據塊的書寫。

（3）管段數據整理。添加必要屬性數據，用于[Conduits]、[Xsections]數據塊的書寫；導出折點坐標，用于[Vertices]數據塊的書寫。

圖2 ArcGIS匯水區與節點拓撲關系結果

3.3 Access和Excel中的數據處理

實現Access文件與Excel文件之間的復制粘貼，生成SWMM能識別的inp文件。

3.4 SWMM中的數據處理

利用SWMM模型直接加載生成的INP文件，完成目標區域模型的構建工作。設置模擬降雨數據，對目標區域排水管道系統、海綿城市建設設施系統等進行模擬分析研究，見圖3。

圖3 SWMM模型不同情形模擬結果

4 結語

本文主要解決在CAD的基礎數據的基礎上，通過ArcGIS軟件進行高程數據和匯流分析、劃分匯水分區、處理管網數據、建立匯水分區與管網節點的拓撲關系，最終生成SWMM能夠讀取的INP文件，以完成對規劃目標區域的快速建模過程。利用ArcGIS軟件進行建模數據的整理，減少了在SWMM模型中手工建模產生的人為誤差，大大提高了建模的精度和速度。

模型搭建完成后，后續模型參數的驗證和率定是一份經驗和技術相結合的工作，應通過實際監測結果與模擬結果的反復驗證，最終率定出一套最優的參數。