基于AutoCAD 和ArcGIS 預處理快速建造SWMM 模型方法研究

覃釗

（廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州510006）

1 研究背景及意義

近年來，隨著城市化進程的推進和全球氣候變化的加劇，城市不滲透面積增多，由暴雨引起的城市內澇災害愈發嚴重，管網無法立即處理徑流，導致城市內澇災害頻發，同時造成的城市經濟損失愈發嚴重[1-2]。隨著計算機技術的普及，研究人員借助暴雨洪水管理模擬SWMM提供的一系列模型、地理信息系統ArcGIS 強大的可視化功能和AutoCAD 便捷的屬性編輯功能，實現管網和地表徑流模擬，為城市規劃和管網改造提供技術上的支持[3]。

目前城市管網數據大部分借助圖紙形式保存，SWMM軟件無法直接導入數據運用，加上SWMM軟件編輯添加數據過程繁瑣，構造模型的過程較為復雜。相比于SWMM，CAD 繪圖和編輯數據功能更加便利，而GIS 具有出色的空間分析能力和強大的數據組織管理功能，因此，借助CAD 和GIS 的預處理能更便捷完成SWMM模型構建?；诖?，本文在不對軟件進行二次開發的前提下，運用CAD 和GIS 對研究區域現狀管網數據進行轉化與提取，如對子匯水區進行劃分、平均坡度提取與管網拓撲關系建立，最后運用SWMM 自帶工具與Excel 表格進行數據交互，快速完成SWMM模型的構建。

2 研究區域概況

圖1

研究區域位于華北北部某城市，地處北溫帶大陸性氣候區，全年降雨不均，年平均降雨量398mm，降雨集中在夏秋，占年降雨量80%，易出現春旱夏澇現象。研究區域地勢東北高，西南低，面積15.17km2，不滲透比例70.36%，詳情見圖1（a），研究區域經過概化后共有47 個子匯水區，節點47 個，排水口3 個，SWMM模型示意圖如圖1（b）。

3 基于AutoCAD 和ArcGIS 預處理構建SWMM 模型方法

構建SWMM模型的關鍵在于對管網和各子匯水區數據的提取與整理，模型數據主要包括空間結構數據和參數數據?？臻g結構參數包含的必要信息有：管道起始XY 坐標、管道起始高程、節點的XY 坐標、節點高程、節點地面高程、子匯水區各折點XY 坐標。參數數據包含主要有：研究區域地面特征、透水區曼寧系數、不透水區曼寧系數、平均坡度、管道粗糙系數等。

空間結構數據一般在圖紙中以文字形式進行保存，文字數據無法直接導入GIS 中，需要對數據進行整合，將文字數據以線性、圖層或標高等方式進行整合后，導入GIS 的個人數據庫中整理備用。結合地形和管網資料，利用GIS 完成子匯水區劃分、子匯水區平均坡度的提取和各個節點、子匯水區折點的XY坐標提取等工作。然后根據SWMM用戶手冊設定各個子匯水區和管道的參數數據，整理到各子匯水區和管道的圖層字段中，字段信息將保存在個人數據庫中。

最后, 利用SWMM自帶的工具建立Excel 表格數據交互的鏈接，將個人數據庫中的數據錄入至Excel 表格中對應區域，保存Excel 表格即完成INP 文件建立，在SWMM中補充部分數據后，完成建模。這樣簡化繁瑣的手動數據錄入工作，提高了建模的效率，一定程度上確保了模型的準確性，建立模型的基本流程圖如圖2。

圖2 建立模型的流程圖

3.1 AutoCAD 數據處理與圖形數據導入

管網的空間結構數據大部分存放在圖紙的文字信息中，如：管道、檢查井、泵等相關圖形數據，在對排水管網模型數據處理前，需要對原始圖紙進行處理，便于管網文字數據轉換。圖紙文字數據進行屬性轉換，利用圖層名、線型比例、厚度、標高等屬性保存管段空間信息，比如：管段高度信息可以利用線厚度進行保存，管段寬度信息可以利用圖層名進行保存等，在進行這一步驟時，應遵循所有相關圖層保持開啟狀態，部分無關圖層可選擇性關閉或刪除的原則，以增加檢索的精確性與效率。需注意的是，連接管段最好是無縫連接，避免生成新的節點，增加不必要的工作量。另外，統一所有圖紙的坐標與比例尺信息，為后續導入GIS 做準備。

完成圖紙數據整理后，在GIS 的工作目錄中建立個人數據庫，將圖紙信息對應的數據導入至新建的個人數據庫中，導入字段選擇整理好的管段文字信息屬性，如圖層名、線型比例、標高等。最后，在GIS 中生成含有空間結構數據字段的管網圖層，而空間信息保存在個人數據庫中，為后續建模做準備。導入的圖層需要重新統一設置投影坐標系，避免部分圖層無法顯示的問題發生。

3.2 子匯水區劃分

圖3

圖4

子匯水區劃分有以下三種方法：（1）根據管線走向、街道分布，人工繪制子匯水區。（2）根據節點分布利用GIS 的分析工具繪制泰森多邊形，最后根據實際需要進行細節部分裁剪獲得子匯水區。（3）結合地形、河道和街道劃分較大子流域，然后根據節點進一步細分各個子匯水區，此方法適用于開發程度不高的流域。鑒于研究區范圍較大，不適合使用人工劃分子匯水區，又考慮到研究區域屬于老城區，開發程度較高，流域內原來的匯流過程已變化，使用繪制泰森多邊形功能進行子匯水區劃分。泰森多邊形法是基于研究區域內各個節點的位置進行劃分，輸入要素是為節點，即每個節點對應一個子匯水區，研究區分為47個子匯水分區。利用裁剪工具對其加以修正，使用要素折點轉點功能記錄各個匯水區多邊形XY 坐標，為之后建模做好準備，研究區泰森多邊形法劃分與裁剪圖如圖3。

3.3 子匯水區平均坡度

平均坡度對SWMM模型模擬結果有較大的影響，通常通過甲方的提供的土地資料獲取，目前可以通過DEM數字信息高程，借助GIS 分析工具中的坡度分析，設置轉換因子取默認值1，獲取研究區域總體坡度分布柵格圖，如圖4（a），再利用區域分析功能，得到各個子匯水區的的平均坡度，如圖4（b），各子匯水區平均坡度最小值為0.37，最大為0.87。

3.4 建立管網拓撲關系

管網原始資料的不齊全導致模型無法準確模擬現實情境的情況時有發生，因此需要檢查管網數據結構的合理性，此時需要對管網建立拓撲關系，檢查節點位置與管道起始端點是否是同一位置。利用GIS 提供的拓撲關系“線的端點必須被點覆蓋”，檢查管道兩端是否有節點。在檢查過程中發現管道起止點和檢查井空間位置不正確，需及時調整位置并重新計算各節點的XY 坐標信息。

SWMM模型的管道需要添加起點節點和終點節點信息，為了確保模型中每根管道的節點連接順序正確，此時需要建立節點編號和起止節點編號的拓撲關系。首先，將節點圖層利用折點轉點功能重新分成起始節點圖層和終止節點圖層，生成上下游節點圖層，如圖5（a），利用XY 坐標作為參考依據，借助空間聯合和圖層合并與關聯功能，在管道圖層生成起始節點和終止節點字段，最后在圖層屬性中設置顯示節點ID 及流向，方便檢查管網方向是否正確，研究區域節點和起止節點拓撲關系示意圖如圖5（b）。

3.5 創建SWMM模型INP 文件

SWMM 模型以INP 文件形式保存，INP 文件可以由記事本的形式打開，但是以記事本形式下的INP文件不方便模擬人員進行數據的錄入與編輯，利用Excel 表格的可以更好解決這一問題。通過SWMM 軟件中的自帶的工具與Excel 啟動程序聯合，做到SWMM 模型與Excel 表格數據交互，在Excel 表格中進行SWMM模型數據的錄入。首先，在SWMM的Tool 功能選中Configure Tools，增加一個新的工具，程序選中Excel 啟動程序，參數選擇Inpfile，勾選顯示與更新數據。設置成功后，在Tool 功能最下方生成與Excel 表格數據交互按鈕，點擊即可使用Excel 對SWMM 模型數據進行錄入。在完成后在SWMM 中建立一個需要的單元如節點，管道，子匯水區等，方便之后Excel 表格生成相應字段，在Excel 表格中將在GIS 數據庫儲存的信息復制到對應單元格中，保存文件后完成模型初步建立。

圖5

圖6

4 SWMM 模型運行結果及分析

初步完成模型建立后，根據模型的需要進行單元或數據的補充，如降雨事件、土地類型、堰等單元、下滲數據和其他參數的補充。本次模擬的下滲過程選用Horton 公式，根據用戶手冊[4]和研究區土壤狀況，模型最小入滲速率為12mm/h，最大入滲速率為55mm/h，入滲衰減系數為4h-1；研究區域的其他參數，不滲透區曼寧系數為0.1、滲透區曼寧系數為0.2、不滲透區洼地儲蓄量為0.25mm、滲透區洼地儲蓄量為2.5mm，管道粗糙系數0.01。根據研究區的暴雨強度公式生成重現期1 年芝加哥雨型降雨過程線，降雨歷時6h，模型進行模擬，結果顯示，地表徑流連續性誤差為-0.18%，流量連續性誤差為-0.39%，均少于手冊推薦值±5%，因此模型運算結果符合預期。選取流量較大的管道作為研究對象，如圖6（a）（b）所示，C103 和C123 洪峰形狀及峰值出現時間大致相同，與降雨曲線和降雨峰值時間大致吻合，證明研究區模型的可靠性。

5 結論

目前大部分城市管網數據以圖紙形式保存，SWMM模型無法直接導入數據進行模擬，在SWMM 中人工輸入數據過程繁瑣。本研究以實際案例為例，在不對軟件進行二次開發的前提下，運用CAD 和GIS 的基本功能對SWMM模型進行快速建模。結果表明，利用CAD 對圖紙信息的編輯后，再導入至GIS 中對數據進行整合，以及利用GIS 自帶的空間分析、空間聯合與建立拓撲關系等功能，能更有效的對原數據進行排查以及優化，提高模型精度與可靠性，利用SWMM與Excel 表格的數據交互功能能更有效率實現SWMM模型快速建模。與傳統SWMM建模相比，該方法大大降低了建模時耗，更為準確的提取模型數據，提高模型效率，有助于研究人員利用SWMM軟件對城市下墊面等問題進行更深一步研究。