CN108763615A - 基于管网和道路双系统swmm对城市涝积水深模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法：基础数据的收集；基础数据的拓扑结构处理；基础数据的属性添加；管网和道路双系统的构建；模型构建及模拟；积水深度结果输出。本发明在SWMM模型的基础上，将管网和道路结合起来构成双系统，能够模拟溢流水量在道路的漫流，从而计算出二维的路面洪涝积水深度，弥补了SWMM模型常规模水力模拟无法计算出积水深度的缺陷。

Description

基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法

技术领域

本发明属于城市内涝风险评估领域，更具体的说，是涉及一种基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法。

背景技术

近年来，快速的城市化发展造成城市内涝灾害频繁发生，为缓解暴雨带来的城市内涝问题，大量的城市雨洪模型应运而生。PCSWMM、DigitalWater、MOUSE和InfoWorks ICM软件的功能强大，均能进行排水管网的评估、一维管道与二维地表耦合的模拟计算，但由于这些软件都是付费软件，在各类高校和企业的应用受到一定的限制。相比之下，SWMM作为一种免费的开源软件，操作简便，应用十分广泛，在模拟地下排水管网方面具有显著的优势，但作为一维的水文水动力模型，其无法模拟节点的溢流水量在地表的漫流过程，因而无法计算积水范围及水深，故具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法，在SWMM模型的基础上，将管网和道路结合起来构成双系统，能够模拟溢流水量在道路的漫流，从而计算出二维的路面洪涝积水深度，弥补了SWMM模型常规模水力模拟无法计算出积水深度的缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法，包括以下步骤：

步骤一，基础数据的收集：

对研究区域内的地形数据(包括道路、高程点)、用地类型数据、管网节点数据、水力构筑物数据、降雨数据进行收集和整理；

步骤二，基础数据的拓扑结构处理：

利用ArcGIS处理各种CAD格式的基础数据，得到shp格式的矢量数据，对研究区域高程点进行空间插值得到研究区域的DEM数据，利用DEM数据进一步对研究区域进行汇水区的大致划分，得到较大汇水区，然后按照街道和管线的流向进一步对汇水区进行细化，得到建模的子汇水区；

步骤三，基础数据的属性添加：

①节点：节点主要包括集水井和排放口，每一个集水井要有唯一的名称、井底标高、井深属性，每一个排放口至少要有排放口的名称和底标高属性；

②管线：管线要有管线的名称、上下游的节点名称、上下游节点的偏移量、管长、管径、曼宁系数属性；

③子汇水区：每一个子汇水区均要有一个汇水节点(集水井)、名称、面积、特征宽度、不透水率、坡度属性；

步骤四，管网和道路双系统的构建：

在处理好SWMM常规水力建模所需的数据之后，复制一套管线数据，将管线的名称统一替换掉，得到的这套管线称之为道路系统；保持道路系统的上下游节点名称不变，上下游节点的偏移量改变，道路系统的管径改变，所有的圆管均改为明渠；利用ArcGIS将管线和道路系统的数据合并即得到了管网和道路双系统；

步骤五，模型构建及模拟：

利用inpPINS插件将处理好的节点、管网和道路双系统、子汇水区这些矢量数据转换成SWMM能直接识别的inp格式的文件，直接用SWMM打开该文件，添加雨量计，并输入相应的降雨数据，设置好SWMM常规水力模拟所需设置的参数，包括模拟时间；

步骤六，积水深度结果输出：

待模拟完成之后，通过模拟结果中的节点深度来获取各个节点的最大深度，用这个最大深度减去相应节点的井深，得到的即为该节点处的最大积水深度；模拟结果还输出各节点水深随时间变化的数据，即得到各节点处积水深度随时间的变化情况。

步骤二中所述矢量数据主要包括节点(集水井和排放口)、管线、高程点、下垫面(用地类型)。

步骤四中所述偏移量等于原井深，而新井深等于原井深加上2米。

步骤四中所述明渠的宽为相应管道处道路的宽，若单一道路的宽度变化超过3米，定义为不规则的明渠，即每条明渠的宽度是变化的，明渠的高定义为2米。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

目前利用建模的方法对城市的内涝风险进行评价主要是从积水范围、积水深度的角度展开，而道路一般比周边的建筑物低，通常情况下，集水井溢流出来的水主要是漫流在路面上，因本发明提出的利用管网和道路双系统来建模的思想是有依据的，对目前频发的城市内涝灾害可以起到一定的评估和预防作用，甚至为管网和道路的改建提供一定的依据。

本发明在SWMM软件常规建模和水力模拟的基础上，添加道路系统，构成管网和道路双系统的方式来实现对节点积水深度的动态模拟，模拟出城市内涝情况下的道路积水深度，弥补了常规的SWMM水力建模无法计算积水深度的缺陷。

附图说明

图1是本发明基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法的流程图；

图2是本发明中管网和道路双系统的示意图；

图3是在只有管网系统下以及在管网和道路双系统下相同时刻相同管段的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法，在SWMM软件常规建模和水力模拟的基础上，添加道路系统，构成管网和道路双系统的方式来实现对节点积水深度的动态模拟，模拟出城市内涝情况下的道路积水深度。如图1所示，具体过程如下：

(一)基础数据的收集

对研究区域内的地形数据(包括道路、高程点)、用地类型数据、管网节点数据、水力构筑物数据、降雨数据等相关数据进行收集和整理。

(二)基础数据的拓扑结构处理

初始的建模数据多为CAD格式，而CAD格式的数据不能被SWMM软件直接利用，利用ArcGIS软件处理各种CAD格式的基础数据，包括排水管网、用地类型以及地形数据(地形数据一般也为CAD格式的高程点)等，得到shp格式的矢量数据，主要包括节点(集水井和排放口)、管线、高程点、下垫面(用地类型)。其中，节点主要包括集水井和排放口，集水井和排放口拆分为不同的图层。用地类型数据也需要处理为面状的矢量数据，如果用地类型数据为JPG格式，可通过在ArcGIS中新建一个面状图层，以JPG图片为底图，将不同的用地类型描绘出来，得到面状的用地类型矢量数据，通常称之为下垫面，下垫面通常包括透水的绿地、裸土以及不透水的道路和广场等。

利用ArcGIS软件中的空间插值工具对研究区域高程点进行空间插值得到研究区域的DEM数据，基于前面处理好的DEM数据，用ArcGIS中的水文分析工具对研究区域进行汇水区的大致划分，得到粗略的较大汇水区，然后按照街道和管线的流向进一步对汇水区进行细化，得到建模所需的子汇水区。

常规的SWMM建模要求每条管线两端都连有一个节点，每个子汇水区都有对应的一个汇水节点(集水井)。

(三)基础数据的属性添加

建模所需的数据除了要求正确合理的拓扑结构之外，还要求正确的属性，主要包括以下几点：

①节点：节点主要包括集水井和排放口，每一个集水井需要有唯一的名称、井底标高、井深等属性，每一个排放口至少需要有排放口的名称和底标高属性。

在ArcGIS中给每一个集水井批量定义一个名称，根据资料赋予其井底标高，通过栅格值提取工具将DEM中的数值提取到每一个集水井，得到的便是每一个集水井处的地面高程，用这个地面高程减去井底标高即得到每个集水井的井深；相同的方式给每个排放口定义唯一的名称，并把排放口底标高的属性加上。

②管线：管线需要有管线的名称、上下游的节点名称、上下游节点的偏移量、管长、管径、曼宁系数等属性，常规的管线上下游节点的偏移量一般默认为0。

批量给每条管线定义一个名称，上下游的节点名称可通过ArcGIS中的空间链接工具批量操作，上下游节点的偏移量定义为0，用ArcGIS批量计算出管长，管径手动输入即可。

③子汇水区：每一个子汇水区均要求有一个汇水节点(集水井)、名称、面积、特征宽度、不透水率、坡度等属性。

根据实际汇水情况和管网布置情况，给每一个子汇水区定义一个汇水节点(集水井)并批量定义每个子汇水区的名称，批量计算出各汇水区面积，特征宽度用面积开根号即可。利用ArcGIS中的相交工具将子汇水区与下垫面相交可计算得出各子汇水区的不透水率，即不透水的下垫面面积占总汇水区面积的百分比。关于子汇水区的坡度属性，首先利用ArcGIS中的空间分析-表面-坡度工具计算出DEM数据中各空间点的坡度，然后用空间分析-区域-区域统计到表工具将每一个汇水区的坡度计算出来。

(四)管网和道路双系统的构建

在处理好SWMM常规水力建模所需的数据之后，复制一套管线数据，将管线的名称统一替换掉，确保不与原管线的名称重复，得到的这套管线称之为道路系统。

由于每一条管线都是埋在对应的道路底下，因此保持道路系统的上下游节点名称不变，上下游节点的偏移量改变，偏移量等于原井深，而新井深等于原井深加上2米。

道路系统的管径改变，所有的圆管均改为明渠，在ArcGIS中将每条管道对应处的道路宽度量出来，明渠的宽为相应管道处道路的宽，若单一道路的宽度变化超过3米，可以定义为不规则的明渠，即每条明渠的宽度是变化的，明渠的高可以定义为2米。

利用ArcGIS软件中的合并工具将管线和道路系统的数据合并成一个图层，即得到了管网和道路双系统，模拟时，当有水从节点溢出，水便在道路系统漫流。管网和道路双系统如附图2所示。

(五)模型构建及模拟

利用inpPINS插件将处理好的节点、管网和道路双系统、子汇水区这些矢量数据转换成SWMM软件能直接识别的inp格式的文件，直接用SWMM软件打开该文件，添加雨量计，并输入相应的降雨数据，设置好SWMM常规水力模拟所需设置的参数，包括模拟时间等。

(六)积水深度结果输出

待模拟完成之后，可以通过查看模拟结果报告中的节点深度一项来获取各个节点的最大深度，用这个最大深度减去相应节点的井深，得到的即为该节点处的最大积水深度。需要注意的是：如果得到的最大积水深度小于零，说明该节点处没有出现积水。

模拟结果还可以输出各节点水深随时间变化的数据，即可以得到各节点处积水深度随时间的变化情况。模拟结果还可以输出任意管段的水深随时间的变化情况，如附图3所示，其中(a)是只有管网系统某时刻的管段剖面图，(b)是在管网和道路的双系统下相同时刻的管段剖面图，两图所示的积水时刻相同，由图(a)可以看出，当集水井中的水溢流出时，模型已不能模拟溢出的水在道路的漫流，而由图(b)可以看出，水溢出时，由于管网上加了道路系统，超过集水井的水还可以在道路漫流，此时用图(b)相应各节点的水深减去图(a)各节点的水深即为各节点处道路的积水深度，各节点处的积水深度可由SWMM批量导出计算得到。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，基础数据的收集：

对研究区域内的地形数据(包括道路、高程点)、用地类型数据、管网节点数据、水力构筑物数据、降雨数据进行收集和整理；

步骤二，基础数据的拓扑结构处理：

利用ArcGIS处理各种CAD格式的基础数据，得到shp格式的矢量数据，对研究区域高程点进行空间插值得到研究区域的DEM数据，利用DEM数据进一步对研究区域进行汇水区的大致划分，得到较大汇水区，然后按照街道和管线的流向进一步对汇水区进行细化，得到建模的子汇水区；

步骤三，基础数据的属性添加：

①节点：节点主要包括集水井和排放口，每一个集水井要有唯一的名称、井底标高、井深属性，每一个排放口至少要有排放口的名称和底标高属性；

②管线：管线要有管线的名称、上下游的节点名称、上下游节点的偏移量、管长、管径、曼宁系数属性；

③子汇水区：每一个子汇水区均要有一个汇水节点(集水井)、名称、面积、特征宽度、不透水率、坡度属性；

步骤四，管网和道路双系统的构建：

在处理好SWMM常规水力建模所需的数据之后，复制一套管线数据，将管线的名称统一替换掉，得到的这套管线称之为道路系统；保持道路系统的上下游节点名称不变，上下游节点的偏移量改变，道路系统的管径改变，所有的圆管均改为明渠；利用ArcGIS将管线和道路系统的数据合并即得到了管网和道路双系统；

步骤五，模型构建及模拟：

利用inpPINS插件将处理好的节点、管网和道路双系统、子汇水区这些矢量数据转换成SWMM能直接识别的inp格式的文件，直接用SWMM打开该文件，添加雨量计，并输入相应的降雨数据，设置好SWMM常规水力模拟所需设置的参数，包括模拟时间；

步骤六，积水深度结果输出：

待模拟完成之后，通过模拟结果中的节点深度来获取各个节点的最大深度，用这个最大深度减去相应节点的井深，得到的即为该节点处的最大积水深度；模拟结果还输出各节点水深随时间变化的数据，即得到各节点处积水深度随时间的变化情况。

2.根据权利要求1所述的基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法，其特征在于，步骤二中所述矢量数据主要包括节点(集水井和排放口)、管线、高程点、下垫面(用地类型)。

3.根据权利要求1所述的基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法，其特征在于，步骤四中所述偏移量等于原井深，而新井深等于原井深加上2米。

4.根据权利要求1所述的基于管网和道路双系统SWMM对城市涝积水深模拟方法，其特征在于，步骤四中所述明渠的宽为相应管道处道路的宽，若单一道路的宽度变化超过3米，定义为不规则的明渠，即每条明渠的宽度是变化的，明渠的高定义为2米。