CN108491565A - 一种swmm模型子汇水区出口自动搜寻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法，首先获取城市地表基本数据，SWMM建模时采用平面坐标系将城市地表离散成多个多边形，每个多边形表示一个子汇水区，且在建模时确定各个管网节点，包括以下搜寻步骤：1）提取所有子汇水区的几何中心坐标和所有管网节点坐标：2）提取每个子汇水区平均高程和每个管网节点高程：3）按照一定公式对每个子汇水区搜寻符合匹配原则的管网节点。本发明能够实现SWMM子汇水区出口的快速自动搜寻，将有助于提高利用SWMM模型进行大规模城市雨洪和海绵城市建模的建模效率。

Description

一种SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法
技术领域
本发明属于城市水文技术领域，尤其涉及城市暴雨洪水管理模型(Storm WaterManagement Model,简称SWMM)构建中的一种数据处理方法，具体为子汇水区的出口自动搜寻方法。
背景技术
在快速城市化和气候变化的双重影响下，世界范围内城市内涝灾害频发，造成重大经济损失，严重影响城市正常运转。城市暴雨洪水模拟是进行城市内涝风险分析、灾害预警、工程规划的重要基础，SWMM模型是美国环境保护署EPA组织开发的一款城市雨洪模型，在世界范围内城市内涝模拟研究中应用广泛。SWMM模型根据一定的规则将城市地表离散成大量较小的区域，称为子汇水区，每一个子汇水区在接受降雨经过产流和汇流计算汇入到一个指定的管网节点，管网节点是接受地表雨水汇入的入口，由现实中的雨篦子或检查井概化而来。SWMM模型在具体区域构建时，子汇水区和管网节点等基础数据信息都可以采用工具进行批量操作，但如何将每一个子汇水区高效准确地匹配到对应的管网节点，尚无自动地批量操作方法，难以适应城市大区域的建模要求。当城区建模范围大、子汇水区范围较小、数量众多时，逐个查勘或收集子汇水区与管网的链接信息不太可能，也没有必要。实际上在一个较小的子汇水区内，子汇水区内的径流是通过其内的A节点或B节点连接到管网系统中，对排水片区层面模拟的结果的影响并不大；因为子汇水区面积较小，其内的A节点和B节点的距离并不远，不同的连接方式只会影响子汇水区局部的径流分布，关键是要设计一种快速的自动搜寻和连接方法。因此，改进SWMM模型构建过程中子汇水区出口(即相应的管网节点)搜寻方法，提高其搜寻效率和精度，对于提高SWMM模型构建效率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于明确原则的SWMM模型子汇水区出口快速搜寻方法，能够实现SWMM子汇水区出口的快速自动搜寻，将有助于提高SWMM模型的建模效率和精度。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法，首先获取城市地表基本数据，SWMM建模时采用平面坐标系将城市地表离散成多个多边形，每个多边形表示一个子汇水区，且在建模时确定各个管网节点，包括以下搜寻步骤：
1)提取所有子汇水区的几何中心坐标和所有管网节点坐标：
2)提取每个子汇水区平均高程和每个管网节点高程：
3)对每个子汇水区搜寻符合匹配原则的管网节点：
A.对于一个指定的子汇水区，按式(1)计算其几何中心坐标与所有管网节点坐标的平面距离：
式(1)中：
xA为子汇水区几何中心横坐标；yA为子汇水区几何中心纵坐标；xJ为管网节点横坐标；yJ为管网节点纵坐标；
B.根据“就近入流原则”：认为在利用SWMM模型进行城市雨洪和海绵城市建模时，每个子汇水区的地表径流均流向离其几何中心最近的节点中；具体实施方法是：比较子汇水区几何中心与所有管网节点距离L，寻找最小距离Lmin，其对应的管网节点J为该子汇水区对应的汇水入口预备选项；
C.根据“水往低处流原则”：认为在利用SWMM模型进行城市雨洪和海绵城市建模时，每个子汇水区的地表径流只流向高程比其自身平均高程低的节点；其具本实施方法是：比较子汇水区的平均高程与步骤B中选出的管网节点J的高程；如果该子汇水区的平均高程hA高于或等于该管网节点的高程hJ，则确定该管网节点为该子汇水区对应的汇水出口；如果子汇水区的平均高程hA低于该管网节点的高程hJ，则认为该管网节点不是本子汇水区对应的汇水出口，剔除该管网节点并重复步骤A、B；
对每个子汇水区重复步骤3)，得到所有子汇水区对应的汇水出口相应的管网节点，将其与子汇水区对应顺序排列并粘贴到SWMM模型inp文件的对应位置，即完成SWMM模型子汇水区汇水出口节点的自动搜寻。
进一步的，步骤1)的具体操作为：将子汇水区所有顶点的X坐标求几何平均得到子汇水区几何中心的X坐标，将子汇水区所有顶点的Y坐标求几何平均得到子汇水区几何中心的Y坐标，通过几何平均求得的X坐标和Y坐标即构成子汇水区几何中心坐标(xA,yA)；每一个管网节点在建模时已有确定的唯一坐标(xJ,yJ)。
进一步的，步骤2)的具体操作为：在ArcGIS中，将数字高程模型与子汇水区划分图层叠加，通过高程计算工具计算每个子汇水区的平均高程，记为hA；在ArcGIS中，将数字高程模型与管网节点图层叠加，通过高程提取工具提取每个管网节点的高程，记为hJ。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种原理明确、操作简便的SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法，利用该方法进行SWMM模型大规模城市雨洪和海绵城市建模，能够大幅度提高建模的效率。此外，该方法不仅对于SWMM模型适用，且对于同类型的城市雨洪和海绵城市模型具有普适性，能够指导同类型城市雨洪模型的构建，并提高其建模效率。
下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。
附图说明
图1为SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法实施步骤流程图；
图2为实施例1中子汇水区及管网节点示意图。
具体实施方式
一种SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法，首先获取城市地表基本数据，SWMM建模时采用平面坐标系将城市地表离散成多个多边形，每个多边形表示一个子汇水区，且在建模时确定各个管网节点，如图1所示，包括以下搜寻步骤：
1)提取所有子汇水区的几何中心坐标和所有管网节点坐标：
SWMM模型在建模时采用平面坐标系，以建模区左下角最低点为原点，以水平方向为X轴，以垂直方向为Y轴，在建模区域构建的每一个要素都对应一个相应的坐标。其中，子汇水区由多边形各个顶点的坐标确定，每一个管网节点则有唯一的坐标。
为了便于计算，必须有一个唯一的坐标标定子汇水区，本发明以子汇水区的几何中心处的坐标作为子汇区的坐标。子汇水区几何中心坐标的计算方法为，将子汇水区所有顶点的X坐标求几何平均得到子汇水区几何中心的X坐标，将子汇水区所有顶点的Y坐标求几何平均得到子汇水区几何中心的Y坐标。通过几何平均求得的X坐标和Y坐标即构成子汇水区的几何中心坐标，记为(xA,yA)由该坐标唯一指代相应的子汇水区。
每一个节点在建模时已有确定的唯一坐标，不需要重复提取(xJ,yJ)。
2)提取每个子汇水区平均高程和每个管网节点高程：
提取子汇水区的平均高程。在ArcGIS中，将DEM与子汇水区划分图层叠加，通过高程计算工具计算并统计每个子汇水区的平均高程，记为hA。
提取管网节点高程。在ArcGIS中，将DEM与管网节点图层叠加，通过高程提取工具提取并统计每个管网节点的高程，记为hJ。
3)对每个子汇水区搜寻符合匹配原则的管网节点：
在(1)和(2)中已经分别获取了各个子汇水区和各个管网节点的坐标和高程，接下来按照以下两个原则对每个子汇水区搜寻符合匹配原则的节点，分别是：1)就近入流原则，2)水往低处流原则
操作方法如下：
A.对于一个指定的子汇水区，计算其几何中心的坐标与所有管网节点坐标的平面距离，计算公式如式(1)。
B.根据“就近入流原则”：认为在利用SWMM模型进行城市雨洪和海绵城市建模时，每个子汇水区的地表径流均流向离其几何中心最近的节点中；该原则的具体实施方法是：比较子汇水区几何中心与所有管网节点距离L，寻找最小距离Lmin，其对应的管网节点J为该子汇水区对应的汇水入口预备选项；
C.根据“水往低处流原则”：认为在利用SWMM模型进行城市雨洪和海绵城市建模时，每个子汇水区的地表径流只流向高程比其自身平均高程低的节点；其具本实施方法是：比较子汇水区的平均高程与步骤B中选出的管网节点J的高程；如果该子汇水区的平均高程hA高于或等于该管网节点的高程hJ，则确定该管网节点为该子汇水区对应的汇水出口；如果子汇水区的平均高程hA低于该管网节点的高程hJ，则认为该管网节点不是本子汇水区对应的汇水出口，剔除该管网节点并重复步骤A、B；
对每个子汇水区重复步骤(3)，即可得到所有子汇水区对应的汇水出口相应的管网节点，将其与子汇水区对应顺序排列并粘贴到SWMM模型inp文件的对应位置，即完成SWMM模型子汇水区汇水出口节点的自动搜寻。
实施例1
厦门市是国家首批海绵城市试点城市，其中厦门市翔安区洋塘居住区为厦门市海绵城市建设示范区，总面积62万平方米，片区内各类保障性安居工程住宅约11000套。片区规划以公共租赁房、保障性住房为主，结合限价商品房、人才住房、拆迁安置房，文化教育、片区公园等设施。2016年该区域作为示范区进行了海绵城市建设，2017年8月，为了评估该区域海绵城市建设运行效果，建立了厦门市翔安区洋塘居住区SWMM模型，建立的模型子汇水区及管网节点示意图如图2，并且进行SWMM模型子汇水区出口自动搜寻，具体操作如下：
1)提取所有子汇水区的几何中心坐标(S1～S2)和所有管网节点坐标(J1～J25)：
2)提取每个子汇水区平均高程和每个管网节点高程：
3)对每个子汇水区搜寻符合匹配原则的管网节点：
A.对于一个指定的子汇水区，按式(1)计算其几何中心坐标与所有管网节点坐标的平面距离：
式(1)中：
xA为子汇水区几何中心横坐标；yA为子汇水区几何中心纵坐标；xJ为管网节点横坐标；yJ为管网节点纵坐标；
B.比较子汇水区几何中心与所有管网节点距离L，寻找最小距离Lmin，其对应的管网节点J为该子汇水区对应的汇水入口预备选项；
C.比较子汇水区的平均高程与步骤B中选出的管网节点J的高程；如果该子汇水区的平均高程hA高于或等于该管网节点的高程hJ，则确定该管网节点为该子汇水区对应的汇水出口；如果子汇水区的平均高程hA低于该管网节点的高程hJ，则认为该管网节点不是本子汇水区对应的汇水出口，剔除该管网节点并重复步骤A、B；
对每个子汇水区重复步骤3)，得到所有子汇水区对应的汇水出口相应的管网节点，将其与子汇水区对应顺序排列并粘贴到SWMM模型inp文件的对应位置，即完成SWMM模型子汇水区汇水出口节点的自动搜寻。
其中，子汇水区的几何中心坐标如表1所示，
表1
Subcatchment X-Coord Y-Coord
S1 192.21 812.54
S2 118.99 661.53
S3 406.25 682.16
S4 731.15 675.34
S5 95.81 425.26
S6 342.71 393.27
S7 487.41 404.24
S8 710.59 423.74
S9 117.63 149.38
S10 357.59 157.53
S11 608.56 173.26
S12 836.13 148.41
管网节点坐标如表2所示：
表2
子汇水区平均高程值如表3所示：
表3
管网节点高程值，如表4所示：
表4
各个子汇水区几何中心坐标与所有管网节点坐标的平面距离，如表5所示：
表5
最终筛选结果，即各个子汇水区对应的汇水入口如表6所示：表6
SubcatchmeJt Outlet
S1 J6
S2 J9
S3 J6
S4 J11
S5 J14
S6 J16
S7 J17
S8 J18
S9 J20
S10 J23
S11 J24
S12 J25

Claims (3)

1.一种SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法，首先获取城市地表基本数据，SWMM建模时采用平面坐标系将城市地表离散成多个多边形，每个多边形表示一个子汇水区，且在建模时确定各个管网节点，其特征在于：包括以下搜寻步骤：
1）提取所有子汇水区的几何中心坐标和所有管网节点坐标：
2）提取每个子汇水区平均高程和每个管网节点高程：
3）对每个子汇水区搜寻符合匹配原则的管网节点：
A.对于一个指定的子汇水区，按式（1）计算其几何中心坐标与所有管网节点坐标的平面距离：
式（1）中：
x A 为子汇水区几何中心横坐标；y A 为子汇水区几何中心纵坐标；x J 为管网节点横坐标；y J 为管网节点纵坐标；
B.比较子汇水区几何中心与所有管网节点距离L，寻找最小距离L min ，其对应的管网节点J为该子汇水区对应的汇水入口预备选项；
C.比较子汇水区的平均高程与步骤B中选出的管网节点J的高程；如果该子汇水区的平均高程h A 高于或等于该管网节点的高程h J ，则确定该管网节点为该子汇水区对应的汇水出口；如果子汇水区的平均高程h A 低于该管网节点的高程h J ，则认为该管网节点不是本子汇水区对应的汇水出口，剔除该管网节点并重复步骤A、B；
对每个子汇水区重复步骤3），得到所有子汇水区对应的汇水出口相应的管网节点，将其与子汇水区对应顺序排列并粘贴到SWMM模型inp文件的对应位置，即完成SWMM模型子汇水区汇水出口节点的自动搜寻。
2.根据权利要求1所述的SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法，其特征在于：步骤1）的具体操作为：将子汇水区所有顶点的X坐标求几何平均得到子汇水区几何中心的X坐标，将子汇水区所有顶点的Y坐标求几何平均得到子汇水区几何中心的Y坐标，通过几何平均求得的X坐标和Y坐标即构成子汇水区几何中心坐标（x A ,y A ）；每一个管网节点在建模时已有确定的唯一坐标（x J ,y J ）。
3.根据权利要求1所述的SWMM模型子汇水区出口自动搜寻方法，其特征在于：步骤2)的具体操作为：在ArcGIS中，将数字高程模型与子汇水区划分图层叠加，通过高程计算工具计算每个子汇水区的平均高程，记为h A ；在ArcGIS中，将数字高程模型与管网节点图层叠加，通过高程提取工具提取每个管网节点的高程，记为h J 。
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