覃钊

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州510006）

1 研究背景及意义

近年来，随着城市化进程的推进和全球气候变化的加剧，城市不渗透面积增多，由暴雨引起的城市内涝灾害愈发严重，管网无法立即处理径流，导致城市内涝灾害频发，同时造成的城市经济损失愈发严重[1-2]。随着计算机技术的普及，研究人员借助暴雨洪水管理模拟SWMM提供的一系列模型、地理信息系统ArcGIS 强大的可视化功能和AutoCAD 便捷的属性编辑功能，实现管网和地表径流模拟，为城市规划和管网改造提供技术上的支持[3]。

目前城市管网数据大部分借助图纸形式保存，SWMM软件无法直接导入数据运用，加上SWMM软件编辑添加数据过程繁琐，构造模型的过程较为复杂。相比于SWMM，CAD 绘图和编辑数据功能更加便利，而GIS 具有出色的空间分析能力和强大的数据组织管理功能，因此，借助CAD 和GIS 的预处理能更便捷完成SWMM模型构建。基于此，本文在不对软件进行二次开发的前提下，运用CAD 和GIS 对研究区域现状管网数据进行转化与提取，如对子汇水区进行划分、平均坡度提取与管网拓扑关系建立，最后运用SWMM 自带工具与Excel 表格进行数据交互，快速完成SWMM模型的构建。

2 研究区域概况

图1

研究区域位于华北北部某城市，地处北温带大陆性气候区，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%，易出现春旱夏涝现象。研究区域地势东北高，西南低，面积15.17km2，不渗透比例70.36%，详情见图1（a），研究区域经过概化后共有47 个子汇水区，节点47 个，排水口3 个，SWMM模型示意图如图1（b）。

3 基于AutoCAD 和ArcGIS 预处理构建SWMM 模型方法

构建SWMM模型的关键在于对管网和各子汇水区数据的提取与整理，模型数据主要包括空间结构数据和参数数据。空间结构参数包含的必要信息有：管道起始XY 坐标、管道起始高程、节点的XY 坐标、节点高程、节点地面高程、子汇水区各折点XY 坐标。参数数据包含主要有：研究区域地面特征、透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、平均坡度、管道粗糙系数等。

空间结构数据一般在图纸中以文字形式进行保存，文字数据无法直接导入GIS 中，需要对数据进行整合，将文字数据以线性、图层或标高等方式进行整合后，导入GIS 的个人数据库中整理备用。结合地形和管网资料，利用GIS 完成子汇水区划分、子汇水区平均坡度的提取和各个节点、子汇水区折点的XY坐标提取等工作。然后根据SWMM用户手册设定各个子汇水区和管道的参数数据，整理到各子汇水区和管道的图层字段中，字段信息将保存在个人数据库中。

最后, 利用SWMM自带的工具建立Excel 表格数据交互的链接，将个人数据库中的数据录入至Excel 表格中对应区域，保存Excel 表格即完成INP 文件建立，在SWMM中补充部分数据后，完成建模。这样简化繁琐的手动数据录入工作，提高了建模的效率，一定程度上确保了模型的准确性，建立模型的基本流程图如图2。

图2 建立模型的流程图

3.1 AutoCAD 数据处理与图形数据导入

管网的空间结构数据大部分存放在图纸的文字信息中，如：管道、检查井、泵等相关图形数据，在对排水管网模型数据处理前，需要对原始图纸进行处理，便于管网文字数据转换。图纸文字数据进行属性转换，利用图层名、线型比例、厚度、标高等属性保存管段空间信息，比如：管段高度信息可以利用线厚度进行保存，管段宽度信息可以利用图层名进行保存等，在进行这一步骤时，应遵循所有相关图层保持开启状态，部分无关图层可选择性关闭或删除的原则，以增加检索的精确性与效率。需注意的是，连接管段最好是无缝连接，避免生成新的节点，增加不必要的工作量。另外，统一所有图纸的坐标与比例尺信息，为后续导入GIS 做准备。

完成图纸数据整理后，在GIS 的工作目录中建立个人数据库，将图纸信息对应的数据导入至新建的个人数据库中，导入字段选择整理好的管段文字信息属性，如图层名、线型比例、标高等。最后，在GIS 中生成含有空间结构数据字段的管网图层，而空间信息保存在个人数据库中，为后续建模做准备。导入的图层需要重新统一设置投影坐标系，避免部分图层无法显示的问题发生。

3.2 子汇水区划分

图3

图4

子汇水区划分有以下三种方法：（1）根据管线走向、街道分布，人工绘制子汇水区。（2）根据节点分布利用GIS 的分析工具绘制泰森多边形，最后根据实际需要进行细节部分裁剪获得子汇水区。（3）结合地形、河道和街道划分较大子流域，然后根据节点进一步细分各个子汇水区，此方法适用于开发程度不高的流域。鉴于研究区范围较大，不适合使用人工划分子汇水区，又考虑到研究区域属于老城区，开发程度较高，流域内原来的汇流过程已变化，使用绘制泰森多边形功能进行子汇水区划分。泰森多边形法是基于研究区域内各个节点的位置进行划分，输入要素是为节点，即每个节点对应一个子汇水区，研究区分为47个子汇水分区。利用裁剪工具对其加以修正，使用要素折点转点功能记录各个汇水区多边形XY 坐标，为之后建模做好准备，研究区泰森多边形法划分与裁剪图如图3。

3.3 子汇水区平均坡度

平均坡度对SWMM模型模拟结果有较大的影响，通常通过甲方的提供的土地资料获取，目前可以通过DEM数字信息高程，借助GIS 分析工具中的坡度分析，设置转换因子取默认值1，获取研究区域总体坡度分布栅格图，如图4（a），再利用区域分析功能，得到各个子汇水区的的平均坡度，如图4（b），各子汇水区平均坡度最小值为0.37，最大为0.87。

3.4 建立管网拓扑关系

管网原始资料的不齐全导致模型无法准确模拟现实情境的情况时有发生，因此需要检查管网数据结构的合理性，此时需要对管网建立拓扑关系，检查节点位置与管道起始端点是否是同一位置。利用GIS 提供的拓扑关系“线的端点必须被点覆盖”，检查管道两端是否有节点。在检查过程中发现管道起止点和检查井空间位置不正确，需及时调整位置并重新计算各节点的XY 坐标信息。

SWMM模型的管道需要添加起点节点和终点节点信息，为了确保模型中每根管道的节点连接顺序正确，此时需要建立节点编号和起止节点编号的拓扑关系。首先，将节点图层利用折点转点功能重新分成起始节点图层和终止节点图层，生成上下游节点图层，如图5（a），利用XY 坐标作为参考依据，借助空间联合和图层合并与关联功能，在管道图层生成起始节点和终止节点字段，最后在图层属性中设置显示节点ID 及流向，方便检查管网方向是否正确，研究区域节点和起止节点拓扑关系示意图如图5（b）。

3.5 创建SWMM模型INP 文件

SWMM 模型以INP 文件形式保存，INP 文件可以由记事本的形式打开，但是以记事本形式下的INP文件不方便模拟人员进行数据的录入与编辑，利用Excel 表格的可以更好解决这一问题。通过SWMM 软件中的自带的工具与Excel 启动程序联合，做到SWMM 模型与Excel 表格数据交互，在Excel 表格中进行SWMM模型数据的录入。首先，在SWMM的Tool 功能选中Configure Tools，增加一个新的工具，程序选中Excel 启动程序，参数选择Inpfile，勾选显示与更新数据。设置成功后，在Tool 功能最下方生成与Excel 表格数据交互按钮，点击即可使用Excel 对SWMM 模型数据进行录入。在完成后在SWMM 中建立一个需要的单元如节点，管道，子汇水区等，方便之后Excel 表格生成相应字段，在Excel 表格中将在GIS 数据库储存的信息复制到对应单元格中，保存文件后完成模型初步建立。

图5

图6

4 SWMM 模型运行结果及分析

初步完成模型建立后，根据模型的需要进行单元或数据的补充，如降雨事件、土地类型、堰等单元、下渗数据和其他参数的补充。本次模拟的下渗过程选用Horton 公式，根据用户手册[4]和研究区土壤状况，模型最小入渗速率为12mm/h，最大入渗速率为55mm/h，入渗衰减系数为4h-1；研究区域的其他参数，不渗透区曼宁系数为0.1、渗透区曼宁系数为0.2、不渗透区洼地储蓄量为0.25mm、渗透区洼地储蓄量为2.5mm，管道粗糙系数0.01。根据研究区的暴雨强度公式生成重现期1 年芝加哥雨型降雨过程线，降雨历时6h，模型进行模拟，结果显示，地表径流连续性误差为-0.18%，流量连续性误差为-0.39%，均少于手册推荐值±5%，因此模型运算结果符合预期。选取流量较大的管道作为研究对象，如图6（a）（b）所示，C103 和C123 洪峰形状及峰值出现时间大致相同，与降雨曲线和降雨峰值时间大致吻合，证明研究区模型的可靠性。

5 结论

目前大部分城市管网数据以图纸形式保存，SWMM模型无法直接导入数据进行模拟，在SWMM 中人工输入数据过程繁琐。本研究以实际案例为例，在不对软件进行二次开发的前提下，运用CAD 和GIS 的基本功能对SWMM模型进行快速建模。结果表明，利用CAD 对图纸信息的编辑后，再导入至GIS 中对数据进行整合，以及利用GIS 自带的空间分析、空间联合与建立拓扑关系等功能，能更有效的对原数据进行排查以及优化，提高模型精度与可靠性，利用SWMM与Excel 表格的数据交互功能能更有效率实现SWMM模型快速建模。与传统SWMM建模相比，该方法大大降低了建模时耗，更为准确的提取模型数据，提高模型效率，有助于研究人员利用SWMM软件对城市下垫面等问题进行更深一步研究。