基于GIS的农村排水管网模型快速构建

王 静

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)是由美国环保局(EPA)开发的一款动态降雨径流模拟模型，可以根据流域降雨径流情况进行单次降雨或长期降雨的产汇流模拟、管网水流模拟以及水质模拟，在管网水力模拟方面应用广泛[1-3]。

随着管网建设工作的不断推进和信息技术的持续发展，管网模型模拟也不局限于单一软件。GIS具有强大的空间数据处理能力和信息储存分析能力，可以实现SWMM模型复杂数据的有效整合与存储，使创建SWMM模型更加精确快捷，由此，众多学者和相关从业人员进行了深入研究与应用[4-8]。

近年来极端气候频发，全国各地相继出现暴雨或特大暴雨，引发一系列洪涝灾害。例如，2021年郑州7·20特大暴雨，郑州市及周边城市均造成严重洪涝灾害。极端暴雨的发生对各地排水防涝工程带来严峻考验，排水管网检修改造迫在眉睫，而对于管网改造与运行，农村地区面临更大的挑战。农村管网工程缺乏科学严谨的规划方案，管网数据资料不够直观，现阶段农村普遍面临污水排放设施落后、管道老旧、破损漏水等问题。此外，改造后的管网输送无系统的分析，无法合理模拟排水管网运行情况，导致整改方案难以达到最优化，管网整改后运行问题难以及时发现。

2022年，中共中央办公厅国务院办公厅印发《乡村建设行动实施方案》[9]，强调要加强农村防汛抗旱基础设施建设，在此方案的驱动下，新乡市强力推动城镇污水处理设施建设，加快推进农村排水体系升级改造建设工作。本文以新乡市某新农村建设示范村(以下简称示范村)为例，快速构建示范村整改后的排水管道模型，并以郑州7·20特大暴雨数据为基础，分析验证极端暴雨波及下管网运行状态。

1 模型构建技术路线

本文以构建SWMM管网水力模型为目标，在管网数据的整理与分析上，借助ArcGIS平台进行处理，结合郑州7·20特大暴雨背景设置模型降雨序列及相关参数，对模型运行状态进行分析，具体的操作流程：①基于原始CAD管网资料在ArcGIS平台建立统一坐标系，对管道、检查井、泵站等数据进行矢量化，生成相应的数据库文件(shapfile文件)；②在ArcGIS平台进行排水管网水力模型数据的预处理，包括管网属性信息的整理、子汇水区的划分以及管网、检查井、子汇水区之间的拓扑检查等；③将建立好的水力模型数据库输入到SWMM软件或将其转换为模型软件的输入文件，进行相关模型设置；④运行模型，查看模型分析报告，确定管网运行状态。技术路线如图1所示。

图1 技术路线

2 研究区概况

研究案例为新乡市某新农村示范村，北离新乡34km，南距郑州24km。省道230薄口公路穿村内通过，交通便利，位置优越。示范村现有各类民营企业工厂10余家，个体草编加工户30余户，村内大小商铺、酒店20余家。村南坐落一个新开发的工业园区，有数家超亿元企业落户于此，经济发展势态良好。

示范村总面积4.55km2，耕地面积523.33hm2，村庄规划占地面积58.67hm2。全村辖11个村民小组，380户居民。村庄住宅区南北长0.69km，东西宽0.7km，占地面积0.483km2。村庄住宅排列整齐，地势整体平坦，地势高差可忽略不计。改造后管网沿住宅道路铺设整齐，整体为树状结构，分枝较少。排水管网为雨污分流模式，每家每户中埋设地下暗管，用于收集生活污水和盥洗用水，再由管道流入街道一侧的主干管，最终汇集到统一集水处，雨水设置单独管道，分布在主干道路一侧，与村民生活污水分开收集。

示范村排水管网改造后使用统一材质管网，污水管道管材多采用高密度聚乙烯双壁波纹管(HDPE)，主干管管径为D344mm×22mm，管线全长2120m；污水检查井材质为现浇钢筋混凝土，直径为1000mm，井深在1000～3000mm之间，共有65座。

3 数据预处理

3.1 CAD数据矢量化

示范村原始管网设计资料为CAD图形文件，CAD图形文件内管网各类信息分层存储，包含房屋构筑物、道路、绿地、雨污检查井以及雨污管道的空间位置和文字标注信息。

对于CAD图形文件，检查井和管道空间位置信息可直接通过在GIS中加载dwg格式的图形文件进行导入[10]。将CAD管网数据导入到GIS之前，需要对CAD图层进行预处理，避免导入到GIS平台的数据繁琐冗杂[11]。打开CAD文件的所有图层，使检查井、管道等相关设施及其属性数据所在图层处于开启状态，关闭或删除房屋、绿地等不需要的图层要素，检查各图层要素，保证每一图层只含有同一种要素信息。此外需要注意的是，SWMM模型中管道必须无缝连接，且水流方向与CAD管线方向一致，这就要求CAD原始管网图形中管道与管道之间不能有中断，管线绘制需按照水流方向进行。

在ArcGIS中统一图层坐标系为“WGS 1984”投影坐标系。CAD图形导入GIS平台后，根据原始图层表示为不同后缀的点(.dwg Point)、线(.dwg Polyline)、面(.dwg Polygon)和体(.dwg MultiPatch)等特征文件，其中检查井信息为Point属性，属性表字段包括编号、XY坐标、井底高程和井深等，管道信息为Polyline属性，属性表字段包括编号、进出水节点编号、管道长度和直径、上下游管底高程和管底埋深等。将检查井和管道的.dwg文件分别导出数据为shapefile文件，完成图形文件到矢量文件的转化。

3.2 子汇水区划分

子汇水区是降雨过程中地表产汇流的子单元，是排水系统中不可或缺的一部分。目前在GIS平台中划分子汇水区有3种方法[12]，见表1。

表1 GIS划分子汇水区方法比较

由于本文研究区面积较小，地形无明显起伏，且原始资料只有管网分布数据，因此选用泰森多边形法进行研究区子汇水区划分，再根据实测资料进行人工调整，最终实现子汇水区科学合理划分。

借助ArcGIS中Analysis Tools.tbx的邻域分析工具，以检查井作为输入要素，输出要素类文件名，完成泰森多边形的创建，并借助Analysis Tools.tbx中的提取分析工具，以研究区范围为边界对泰森多边形进行裁剪，完成研究区子汇水区的初步划分。结合示范村住宅入户管道铺设情况，将泰森多边形工具划分的子汇水区部分区域边界进行人工调整，调整后的子汇水区分布结果如图2所示，本研究根据检查井划分子汇水区共65个。

图2 子汇水区分布

子汇水区划分完成后，需精确汇水区位置信息，计算各汇水区面积。利用Data Management Tools.tbx中“要素折点转点”工具，以子汇水区作为输入要素创建点要素图层，借助要素“添加XY坐标”工具，为新图层增加点坐标字段信息。通过关联图层操作，将点坐标属性赋给子汇水区，导出数据为一个新的子汇水区.shp文件，为子汇水区添加位置坐标作为属性字段。在子汇水区属性表中添加一个新字段“Area”，使用“计算几何”工具对“Area”字段进行操作，以“面积”作为属性栏计算结果，完成以点坐标属性为基础的子汇水区面积计算。

3.3 拓扑检查

拓扑可以反映空间要素或要素类之间的位置关系。管道、节点、汇水区等要素之间通过一定的拓扑关系结合成一个完整的排水管网系统，通过拓扑关联操作，可以指定管道与节点之间、节点与汇水区之间的空间关系，排查出不符合拓扑规则的要素并自动纠正。若在拓扑检查过程中出现错误，检查井或管道的空间位置发生了改变，则必须在属性表中重新计算要素的坐标信息。

GIS具有存储拓扑关系的能力，同时也提供用于查找和纠正拓扑错误的工具。在ArcGIS中新建“个人地理数据库”(.mdb格式)，创建要素数据集，将检查井、管道和子汇水区作为输入要素类导入。本文根据GIS提供的拓扑规则选项，为检查井添加拓扑规则：“①必须被其他要素的端点覆盖，②必须完全位于内部”；为管道添加拓扑规则：“①不能重叠，②端点必须被其他要素覆盖”；为子汇水区添加拓扑规则：“①不能重叠，②包含一个点”。根据拓扑检查结果，检查井与管道之间、检查井与子汇水区之间以及管道与子汇水区之间均符合拓扑规则。

3.4 INP文件转换

SWMM软件常用文件格式有输入文件(INP文件)、输出文件(OUT文件)和结果文件(RPT文件)，分别用于存储模型要素、计算结果和总结报告。基于GIS处理的.shp数据文件需转化为储存模型要素数据的INP格式文件才能被SWMM软件读取。

SWMM的INP文件是ASCII码文件，可以通过记事本或同类型的文本编辑器进行建立和修改。INP文件存储的要素内容由若干个模块组成，每个模块以一个关键词为标题，由一对中括号“[]”包裹，双分号“；；”注释每个模块的参数，参数内容以列展示，列与列之间由空格符隔开。INP文件主要有28个模块，本文将根据检查井信息、管道信息和子汇水区信息分别按模块录入inp文件，各模块参数见表2。

表2 INP文件要素

表中“[JUNCTIONS]”和“[COORDINATES]”模块记录检查井属性数据，“[CONDUITS]”和“[XSECTIONS]” 模块记录排水管道属性数据，“[SUBCATCHMENTS]”、“[SUBAREAS]”和“[Polygons]”模块记录子汇水区属性数据。将整理好的INP文件导入到SWMM模型中，初步生成示范村管网模型如图3所示。

图3 示范村管网模型

4 模型建立

4.1 模型原理

SWMM采用圣维南方程方程组描述管网水流运动状态[13]，由以下两个方程构成：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中，Q—流量，m3/s；x—距离，m；A—过水断面面积，m2；t—时间，s；g—重力加速度，9.8m/s2；H—水深，m；Sf—摩阻坡度。

Sf由曼宁公式求得：

(3)

K=gn2

(4)

式中，K—转换常数；n—管道曼宁系数；R—管道水力半径，m；V—流速，m/s，绝对值表示摩擦阻力方向与水流方向相反。

通过将圣维南方程组不同程度地简化，形成了3种管网汇流的演算方法，分别是恒定流(Steady Flow)、运动波(Kinematic Wave)和动力波(Dynamic Wave)。其中恒定流演算法假定在每一个计算步长内的流动状态都是稳定的，不考虑管渠蓄变、回水等内容，只适用于分支管网、树状管网，不适用于环状管网；运动波演算法假定水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，可模拟管渠中水流的时空变化，但不能考虑出口损失、逆流和有压流等内容，同恒定流演算法一样只适用于分支管网；动力波演算法求解完整的圣维南方程组，是最复杂但也最准确的计算方法，对于管渠的蓄变、回水、入口及出口损失、逆流和有压流动均可进行计算，适用于任何常见形式的管网系统，但计算时要求较小的时间步长。为精确模拟示范村管网运行状态，结合以上3种方法的特点，本研究选用动力波法作为管道内水流计算方法。

4.2 模型模拟

降雨序列是SWMM模型顺利运行的必要条件，本研究从中国气象数据网获取新乡市2021年7月17日0时至2021年7月23日7时的时段降雨数据，完整包含郑州7·20特大暴雨事件的降雨全过程，验求极端暴雨情况下示范村改造后排水管网的荷载运行状态。

在SWMM模型中添加郑州7·20暴雨期间新乡市时段降雨序列，设置模型演算方法为动力波(Dynamic Wave)，选择霍顿(Horton)下渗模式，模型允许溢流(Allow Ponding)，基于动力波演算原理，设置模型演算时间步长为60s，其他参数根据示范村实际情况进行设置。

运行模型如图4所示，运行状态框显示地表径流连续性误差为-0.01%，流量演算连续性误差为-0.33%，两者均小于正常误差值10%，表明运行结果具有合理性。

图4 模型运行状态框

5 结果与分析

模型运行成功后，点击菜单栏选项查看模型运行状态报告，如图5所示。状态报告包含了关于模拟执行质量信息，包括降雨、下渗、蒸发、径流和输送系统的进流量/出流量的质量平衡等。由状态报告可知，示范村2021年7月17日0时至2021年7月23日7时降雨累计达472.6mm，入流总计达213723m3，最终蓄水6.638mm。

图5 模型运行状态报告

模型运行后的模拟结果可以在地图中进行动态演示，主要有三大主题：子汇水区、节点和管段，子汇水区主题包含面积、宽度、降水、蒸发、下渗、径流等要素，节点主题包含深度、水位、总入流量、流速等要素，管段主题包含流量、深度、流速、体积等要素，可在主题中选择不同的要素进行动画展示。如图6所示为示范村分别为子汇水区降水、节点总入流量和管段深度某时刻动画展示。

图6 模型某时刻动态展示

SWMM管网模型运行可以生成剖面线图，显示沿节点和管段次序连接路径的水深变化，如图7所示，选择时间点为2021年7月21日22：00，以起始节点J1到管网出口Out1全过程水深进行展示，此时降雨强度为特大暴雨状态，排水管道均处于满流状态，部分节点出现溢流。

图7 管网剖面图

6 结论

(1)通过提取CAD原始图形资料，基于GIS平台进行模型数据预处理，完成示范村排水管网、检查井节点的矢量化，并利用GIS平台提供的分析工具对示范村研究区域进行子汇水区的划分和几何计算，验证了管网、节点以及子汇水区之间的拓扑关系，表明基于GIS可实现SWMM模型要素的快速处理。

(2)引入郑州7·20特大暴雨期间新乡市时段降雨数据，对新乡市某新农村示范村进行水力模型构建，基于动力波演算法和霍顿下渗原理，成功运行改造后排水管网模型，证明了基于GIS预处理的排水管网模型模拟的准确性，后续可根据不同重现期验求改造后管网运行合理性。