王軒 李長(zhǎng)坡 沈?qū)幘?/p>

[摘要]針對(duì)SWMM模型建模和分析流程復(fù)雜的問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于pyswmm的城市雨水管道積水自動(dòng)化分析系統(tǒng)，可以高效完成GIS數(shù)據(jù)向SWMM特定格式的轉(zhuǎn)換，并通過pyswmm Python擴(kuò)展包實(shí)現(xiàn)雨水管網(wǎng)徑流的模擬計(jì)算，快速的完成城市管道積水分析。

[關(guān)鍵詞]管道積水;SWMM;Python;pyswmm;自動(dòng)化分析

[中圖分類號(hào)]TV124 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yán)重，加上不合理的城市地下管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，使得城市內(nèi)澇在多數(shù)城市已經(jīng)顯現(xiàn)。SWMM（storm water management model）是美國(guó)環(huán)保署開發(fā)的一款模擬城市單一降水事件或長(zhǎng)期水量、水質(zhì)模擬的降水-徑流模擬模型，它以城市用地性質(zhì)和地塊經(jīng)濟(jì)技術(shù)平衡指標(biāo)為基礎(chǔ)，模擬城市地表情況，預(yù)測(cè)城市降雨徑流量。該模型的開源特點(diǎn)、C語(yǔ)言平臺(tái)及可被調(diào)用的函數(shù)庫(kù)使SWMM在國(guó)內(nèi)外排水系統(tǒng)、管網(wǎng)管理及城市規(guī)劃等方面都得到廣泛的應(yīng)用。然而，城市管網(wǎng)模擬需要的大量數(shù)據(jù)，且實(shí)際現(xiàn)有的數(shù)據(jù)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(zhǔn)確性。基于此，文章利用ArcGIS自帶的Python腳本語(yǔ)言，通過pyswmm擴(kuò)展包調(diào)用SWMM軟件平臺(tái)，從而建立了一個(gè)簡(jiǎn)便、快捷的雨水管道積水自動(dòng)化系統(tǒng)，既便于shape文件與inp文件的轉(zhuǎn)換，又能實(shí)現(xiàn)管道水流自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以期推進(jìn)城市雨洪內(nèi)澇的預(yù)警研究。

Python是當(dāng)今最流行的腳本語(yǔ)言，已經(jīng)廣泛集成于桌面GIS系統(tǒng)內(nèi)，如ArcGIS、QGIS等均包含了一個(gè)Python運(yùn)行環(huán)境，從而方便用戶進(jìn)行軟件定制和科學(xué)運(yùn)算。pyswmm是可以一個(gè)簡(jiǎn)單的Python擴(kuò)展包，可以利用擴(kuò)展包管理工具——Pip進(jìn)行簡(jiǎn)便安裝，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)SWMM調(diào)用的Python包裝，可以用簡(jiǎn)單的方式通過Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)SWMM的調(diào)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(nèi)容，包括模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)識(shí)別，模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到模擬的效果和精確度。該系統(tǒng)以SWMM模型機(jī)理根本，模型結(jié)構(gòu)方面先通過GIS水文分析模塊對(duì)DEM數(shù)據(jù)劃分匯水區(qū)，再以雨水收集口為中心劃分為多個(gè)泰森多邊形，即子匯水區(qū)，然后通過GIS的空間功能得到SWMM運(yùn)行所需的匯水區(qū)面積、坡度、不透水區(qū)比例等相關(guān)物理屬性數(shù)據(jù)，再將上述數(shù)據(jù)按特定格式要求導(dǎo)入到SWMM模型中運(yùn)行，最后將運(yùn)行結(jié)果以GIS進(jìn)行表示，簡(jiǎn)化了繁瑣的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理過程，提高工作運(yùn)行效率。本文通過Python腳本實(shí)現(xiàn)GIS點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)向SWMM模型——Inp文件的轉(zhuǎn)換，通過pyswmm調(diào)用SWMM進(jìn)行管道水流分析，實(shí)現(xiàn)了快速的城市管道積水模擬分析

1.1 系統(tǒng)工作流程

按照SWMM數(shù)據(jù)要求，準(zhǔn)備研究區(qū)圖層信息、管道數(shù)據(jù)、出水口、雨水收集口、氣象資料等。步驟包括：①將研究區(qū)雨水井圖層、出水口圖層、管道圖層以特定格式保存至目標(biāo)文件夾;②按照泰森多邊形將研究區(qū)以雨水井為中心劃分為多個(gè)子匯水區(qū)，再用GIS空間分析功能提取子匯水區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)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(diào)用pyswmm對(duì)inp文件進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到模擬結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境，結(jié)合ArcObjects組件實(shí)現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的讀取與顯示，本系統(tǒng)的界面如圖2所示。由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和調(diào)用過程采用了Python的pyswmm軟件包，屬于腳本語(yǔ)言，使得它也能夠脫離圖形界面，集成到ArcGIS Desktop當(dāng)中使用，進(jìn)一步拓展了適用環(huán)境。

2 案列研究

許昌市區(qū)面積約106km2，調(diào)查共有雨水入井2346處，排水管道2744段，全長(zhǎng)384774m，雨水泄洪出水口主要位于流經(jīng)許昌市區(qū)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(gè)。使用本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和SWMM調(diào)用，可以迅速得到模擬結(jié)果，如圖3、圖4所示。

3 結(jié)論

本研究以pyswmm為中間橋梁，通過Visual Studio 2008平臺(tái)開發(fā)了基于ArcGIS Engine 10.1的城市雨水管道積水自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有GIS數(shù)據(jù)到inp文件的轉(zhuǎn)化并調(diào)用SWMM進(jìn)行雨流分析功能，對(duì)于城市市政部門的管網(wǎng)管理更加適合。該系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)單，可快速得到模擬結(jié)果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。但其在調(diào)用SWMM時(shí)設(shè)定的各種運(yùn)算參數(shù)較為粗糙，有待于進(jìn)一步率定和深入研究。

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