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[摘要]針對SWMM模型建模和分析流程復雜的問題，設(shè)計實現(xiàn)了基于pyswmm的城市雨水管道積水自動化分析系統(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擴展包實現(xiàn)雨水管網(wǎng)徑流的模擬計算，快速的完成城市管道積水分析。

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

[中圖分類號]TV124 [文獻標識碼]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重，加上不合理的城市地下管網(wǎng)的設(shè)計，使得城市內(nèi)澇在多數(shù)城市已經(jīng)顯現(xiàn)。SWMM（storm water management model）是美國環(huán)保署開發(fā)的一款模擬城市單一降水事件或長期水量、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)濟技術(shù)平衡指標為基礎(chǔ)，模擬城市地表情況，預測城市降雨徑流量。該模型的開源特點、C語言平臺及可被調(diào)用的函數(shù)庫使SWMM在國內(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確性。基于此，文章利用ArcGIS自帶的Python腳本語言，通過pyswmm擴展包調(diào)用SWMM軟件平臺，從而建立了一個簡便、快捷的雨水管道積水自動化系統(tǒng)，既便于shape文件與inp文件的轉(zhuǎn)換，又能實現(xiàn)管道水流自動監(jiān)測，以期推進城市雨洪內(nèi)澇的預警研究。

Python是當今最流行的腳本語言，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Python運行環(huán)境，從而方便用戶進行軟件定制和科學運算。pyswmm是可以一個簡單的Python擴展包，可以利用擴展包管理工具——Pip進行簡便安裝，它實現(xiàn)了對SWMM調(diào)用的Python包裝，可以用簡單的方式通過Python語言實現(xiàn)對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)識別，模型的準確性直接關(guān)系到模擬的效果和精確度。該系統(tǒng)以SWMM模型機理根本，模型結(jié)構(gòu)方面先通過GIS水文分析模塊對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)按特定格式要求導入到SWMM模型中運行，最后將運行結(jié)果以GIS進行表示，簡化了繁瑣的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理過程，提高工作運行效率。本文通過Python腳本實現(xiàn)GIS點、線、面數(shù)據(jù)向SWMM模型——Inp文件的轉(zhuǎn)換，通過pyswmm調(diào)用SWMM進行管道水流分析，實現(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inp文件進行模擬運算，得到模擬結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)使用Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境，結(jié)合ArcObjects組件實現(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，屬于腳本語言，使得它也能夠脫離圖形界面，集成到ArcGIS Desktop當中使用，進一步拓展了適用環(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。使用本系統(tǒng)進行數(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平臺開發(fā)了基于ArcGIS Engine 10.1的城市雨水管道積水自動化系統(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進行雨流分析功能，對于城市市政部門的管網(wǎng)管理更加適合。該系統(tǒng)應(yīng)用簡單，可快速得到模擬結(jié)果，具有一定的應(yīng)用價值。但其在調(diào)用SWMM時設(shè)定的各種運算參數(shù)較為粗糙，有待于進一步率定和深入研究。

[參考文獻]

[1] 董欣，陳吉寧，趙冬泉.SWMM模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用[J].給水排水， 2006， 32（5）： 106-109.

[2] 龍瀛，韓昊英，谷一楨，等.城市規(guī)劃實施的時空動態(tài)評價[J].地理科學進展，2011，30（8） ：967-975.

[3] 劉俊，郭亮輝，張建濤，等.基于SWMM模擬上海市區(qū)排水及地面淹水過程[J].中國給水排水，2006，26（22）：64-66.

[4] 賈海峰，姚海蓉，唐穎.城市降雨徑流控制 LID BMPs 規(guī)劃方法及案例[J].水科學進展，2014，25（2）：260-266.

[5] 趙冬泉，陳吉寧，佟慶遠，等.基于GIS構(gòu)建SWMM城市排水管網(wǎng)模擬[J].給水排水，2008，24（7）：88-90.

[6] 戴有學，王振華.芝加哥雨型法在短歷時暴雨雨型設(shè)計中的應(yīng)用[J].干旱氣象，2017，35（6）：1061-1069.