寧存鑫，湯　鐘，李翠萍，耿　冰，成志軒

(1．浙江貴仁信息科技股份有限公司，浙江杭州　310051；2.深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院市政規(guī)劃院，廣東深圳　518000；3.上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上?！?00082)

SWMM模型是由美國環(huán)保署(EPA)資助開發(fā)的一個(gè)免費(fèi)開源的城市雨洪管理模型，包括水量、水質(zhì)、LID等多個(gè)模塊[1]，已被世界各國的研究者廣泛用于研究雨水問題，在中國也被廣泛應(yīng)用于海綿城市LID評(píng)估、排水管網(wǎng)復(fù)核、城市面源污染量估算等，并取得一系列的研究成果[2-3]。

然而，因?yàn)槟壳拔覈芫W(wǎng)信息化程度較低，絕大部分管網(wǎng)數(shù)據(jù)以DWG格式存儲(chǔ)，SWMM無法直接處理。若使用手工描繪方式進(jìn)行建模，效率低且誤差很大。所以，SWMM模型應(yīng)用的核心問題是如何基于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行快速建模，通過計(jì)算機(jī)輔助建模可以大大提高建模效率，從而對(duì)SWMM模型的應(yīng)用和推廣有重要意義。

1　SWMM模型及文件結(jié)構(gòu)

SWMM將城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的水文和水力要素概化為管渠(Link)、節(jié)點(diǎn)(Node)和匯水區(qū)(Catchment)三種類型，用非線性水庫模型模擬地表徑流，用圣維南方程演算管網(wǎng)的輸送過程，用累積沖刷模型模擬地表徑流的污染[4]。SWMM模型主要用于城市區(qū)域降雨徑流、合流制管道、污水管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、情景分析和方案評(píng)估等多個(gè)方面。資料翔實(shí)時(shí)也可應(yīng)用于非城市區(qū)域的分析與模擬[5-6]。

SWMM的模型文件為INP格式文件，具有按塊組織的特定文件格式。每一塊都是從一個(gè)由中括號(hào)括著的關(guān)鍵詞開始，關(guān)鍵詞后為屬性區(qū)，模型的各種參數(shù)反映了對(duì)應(yīng)的管渠、雨量計(jì)、匯水區(qū)等的屬性及相互關(guān)系，部分關(guān)鍵詞如下。

[TITLE]工程標(biāo)題

[OPTIONS]分析選項(xiàng)

[REPORT]輸出報(bào)告指令

[FILES]接口文件選項(xiàng)

[RAINGAGES]雨量計(jì)信息

[HYDROGRAPHS]用于構(gòu)造RDII進(jìn)流量的單位水文過程線數(shù)據(jù)

[EVAPORATION]蒸發(fā)數(shù)據(jù)

[TEMPERATURE]氣溫和雪融數(shù)據(jù)

SWMM的INP文件中各節(jié)次序任意，并非所有節(jié)是必須的。分號(hào)(；)用于說明本行中，其后為注釋而不是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)項(xiàng)可以顯示在行內(nèi)任意列。各節(jié)關(guān)鍵詞可以顯示為混合小寫和大寫方式，僅僅前四個(gè)字符(加上起始中括號(hào))用于區(qū)別關(guān)鍵詞。

2　建模實(shí)現(xiàn)過程

建模是進(jìn)行SWMM模擬的第一步，基于VisualLISP快速提取管線信息并導(dǎo)入SWMM的過程可分為兩部分，一是管線信息的提取，二是信息格式的轉(zhuǎn)換與導(dǎo)出。

2.1　管線信息的提取

管線需提取的信息主要有以下內(nèi)容：管徑、管長(zhǎng)、管線兩端管內(nèi)底標(biāo)高、管線折點(diǎn)坐標(biāo)、管線上下游與節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系、節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)內(nèi)底高程、節(jié)點(diǎn)地面標(biāo)高。為了提取到這些信息，有三個(gè)核心問題需要解決，一是建立管線的上下游拓?fù)潢P(guān)系，二是獲取標(biāo)高信息并與管線及節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，三是管徑信息與管線的對(duì)應(yīng)[7-8]。

2.1.1建立管線的上下游拓?fù)潢P(guān)系

為了確定管線的上下游，首先自定義一個(gè)名為pck的塊，需要用戶通過點(diǎn)擊下游管線末端插入到管線系統(tǒng)中，管線系統(tǒng)排出口位置即為塊的基點(diǎn)。拓?fù)潢P(guān)系的建立流程如圖1所示。

圖1　管線拓?fù)潢P(guān)系建立流程圖

如圖2所示，管線拓?fù)浣⒌脑创a，其中子程序“getnewaddnearobjss”承擔(dān)根據(jù)搜索點(diǎn)表獲取新增管線，并記錄信息，同時(shí)更新搜索點(diǎn)表的任務(wù)；rcgx為管線端點(diǎn)的容差；gxename為管線的線形；gxlayer為管線圖層。

圖2　主程序源代碼

2.1.2獲取標(biāo)高信息并與管線及節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)

為了使提取后的標(biāo)高管徑信息能與管線及節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，需要合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。這里使用表來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)和管線的數(shù)據(jù)形式如下。

(節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)地面標(biāo)高井底標(biāo)高節(jié)點(diǎn)編號(hào))

(管線圖元名上游節(jié)點(diǎn)編號(hào)下游節(jié)點(diǎn)編號(hào)上游管內(nèi)底標(biāo)高下游管內(nèi)底標(biāo)高管徑管線坐標(biāo)管線編號(hào))

其中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和管線圖元名可用來判斷節(jié)點(diǎn)或管線是否已存在。這里討論的標(biāo)高標(biāo)注形式為浙江樣式，如圖3所示。

圖3　井管標(biāo)注樣式示意圖

標(biāo)高的提取流程如圖4所示。

圖4　管線特征標(biāo)高識(shí)別及儲(chǔ)存流程圖

需注意管線坐標(biāo)保存時(shí)，應(yīng)以下游節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)替換管線的下游坐標(biāo)，以保證管線信息在提取后可以首尾相連，不受容差的影響；需使管線坐標(biāo)按照上游至下游的順序排列，以保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SWMM格式后不至錯(cuò)亂。

三維管線高程信息可直接根據(jù)起終點(diǎn)Z值確定，可省略復(fù)雜的標(biāo)注檢索匹配流程[9]。

2.1.3獲取管徑信息并與管線對(duì)應(yīng)

根據(jù)管線中點(diǎn)和設(shè)定的容差、圖層等因素進(jìn)行搜索，若搜索到多個(gè)標(biāo)注則選擇其中距離最近的那個(gè)。另外也可根據(jù)情況加入角度判斷，保證標(biāo)注和管線平行，降低出錯(cuò)幾率。

2.1.4功能融合

因?yàn)樘崛∵^程需一次性完成，所以將步驟3融入到步驟2中從而得到完整的信息提取功能，之后再融入進(jìn)步驟1的拓?fù)浣⑦^程之中，即可在拓?fù)涿吭黾右桓芫€同時(shí)，獲得需要的管線、節(jié)點(diǎn)的各種信息。

2.1.5可視化排錯(cuò)功能

為了可視化檢索提取信息的準(zhǔn)確性，增加了標(biāo)注功能；分圖層分顏色將管線的中點(diǎn)與其所對(duì)應(yīng)的管內(nèi)底標(biāo)高文字基點(diǎn)、管徑文字基點(diǎn)連線，即可清楚地看出信息對(duì)應(yīng)關(guān)系是否正確。同時(shí)標(biāo)注管線及節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，通過編號(hào)及信息連接線的標(biāo)注進(jìn)度也可知曉程序的運(yùn)行情況。

2.2　數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與導(dǎo)出

2.2.1數(shù)據(jù)導(dǎo)出

將已有節(jié)點(diǎn)信息表和已有管線信息表，通過foreach函數(shù)導(dǎo)出并增加“ ”作為空格，即可得到規(guī)則的信息表格。圖5為CAD原數(shù)據(jù)樣式，表1和表2分別為提取出的節(jié)點(diǎn)和管段數(shù)據(jù)。

圖5　CAD管線數(shù)據(jù)

節(jié)點(diǎn)信息(部分)坐標(biāo)地面標(biāo)高/m井底標(biāo)高/m節(jié)點(diǎn)編號(hào)(5242900320176e+00600)211831951817(5242340320173e+00600)211811918616(5242610320175e+00600)20931934215(5242310320175e+00600)20911917414(5241890320181e+00600)207331911613(5241990320179e+00600)207311908512

表2　管段數(shù)據(jù)提取

注：信息表中的坐標(biāo)，為一或多對(duì)(x,y)形式的數(shù)據(jù)，對(duì)于有拐點(diǎn)的多段線同樣適用

2.2.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為SWMM標(biāo)準(zhǔn)INP格式，是通過對(duì)已有節(jié)點(diǎn)信息表和已有管線信息表的操作來實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)輸出時(shí)，分為[OUTFALLS]、[JUNCTIONS]、[CONDUITS]、[XSECTIONS]、[COORDINATES]、[VERTICES]6個(gè)部分。

圖6　提取后自動(dòng)生成INP文件

通過nth、assoc等函數(shù)組合使用獲取表中指定信息，經(jīng)一定的對(duì)應(yīng)、計(jì)算等處理后輸出。SWMM中管內(nèi)底標(biāo)高是通過相對(duì)節(jié)點(diǎn)底部標(biāo)高的偏移來實(shí)現(xiàn)的，所以需在獲取管線內(nèi)底標(biāo)高后，根據(jù)其節(jié)點(diǎn)編號(hào)搜索對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)底部標(biāo)高，經(jīng)過計(jì)算后再輸出，效果如圖6所示。

3　應(yīng)用案例

選取某公園來進(jìn)行模型驗(yàn)證，管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為DWG格式管網(wǎng)規(guī)劃圖，匯水區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為shp格式用地規(guī)劃圖，包括降雨、洪水位、蒸發(fā)等多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)本文上述建模過程所編寫的CAD插件進(jìn)行管道數(shù)據(jù)提取，成功提取為INP。匯水區(qū)由開源軟件INPPINS轉(zhuǎn)換為INP格式，將兩個(gè)INP進(jìn)行關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)即可合并，建立完整SWMM模型。輸入模型參數(shù)后即可執(zhí)行模擬，效果如圖7所示。

分別輸入芝加哥設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)和全年分鐘降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示該公園規(guī)劃海綿方案的年徑流總量控制率在91.65%，達(dá)到90%的規(guī)劃要求；規(guī)劃排水管渠方案在P=5 a的情境下，無節(jié)點(diǎn)溢流，滿足管網(wǎng)排水能力要求。本文快速提取方法大大降低了建模難度，提升了建模效率。

圖7　管網(wǎng)及最終SWMM模型

4　結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了將一定格式下的CAD管網(wǎng)數(shù)據(jù)快速提取的功能，可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到SWMM模型中，大大減少建模人員的工作量，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及海綿城市建設(shè)效果評(píng)估中皆可得到應(yīng)用。某公園的案例驗(yàn)證了方法的可行性。

本文所述方法仍有發(fā)展空間，如很多圖紙并不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有高程標(biāo)注，缺失的部分仍需要手工來補(bǔ)充，后續(xù)可增加根據(jù)上下游標(biāo)注自動(dòng)補(bǔ)全標(biāo)高的功能；另外由于管徑標(biāo)注形式多樣，目前僅將標(biāo)注整體提取，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別所需信息的功能；此外筆者開發(fā)了將匯水分區(qū)導(dǎo)入SWMM的程序，下一步有望將兩個(gè)程序整合，實(shí)現(xiàn)更完整的功能，以期在海綿城市規(guī)劃及設(shè)計(jì)評(píng)估等方面有更好的應(yīng)用。

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