城镇内涝灾害严重, 已引起各级政府的高度重视, 在国家及各级政府政策的引导下, 全国各地展开了城市防洪排涝规划的编制。随着全国、省、市各级政策文件的发布, 浙江省住房和城乡建设厅发布了浙江省工程建设标准《城镇防涝规划标准》 (DB331109-2015) , 并确定该标准为浙江省工程建设标准, 在此背景下, 浙江省排水防涝项目的规划与设计有了技术标准^[1,2]。

在规划项目编制过程中, 常用MIKE软件建立城市排水及防涝模型进行管网与内涝模拟分析;不同的地区, 根据不同的地域特点, 提出适合该地区的模拟方案。面对众多模拟工况下生成的结果文件, 快速分析得到结果显得尤为重要, 由此笔者总结了一种基于Python的结果文件处理分析方法, 通过该方法, 能够快速得到分析结论, 便于后续规划设计工作的进行, 提高工作效率。本文以浙江省某地排水防涝项目为例, 对城市内涝模型的建立过程, 以及基于Python的模型结果处理分析方法进行说明。

Mike软件是城市防洪排涝的常用软件, 其中的Mike Urban模块, 是城市排水管网模拟软件;而Mike Flood模块, 则是完整的洪水模拟工具。利用Mike软件, 能够搭建城市管网及城市内涝模型, 进行模拟分析。^[3]

利用Mike软件在进行管网分级及内涝风险评估时, 往往根据需要会划定多个不同的评价标准, 并加载多个不同的降雨、水位等边界条件, 这就会产生多个不同的工况模拟结果文件, 需要对其中的数据进行提取处理分析。一般采用的方法主要有以下2种:

(1) 方法一:结果文件内部直接编辑计算公式→计算结果导出至Excel。

(2) 方法二:结果文件导出至Excel→Excel中编辑计算公式进行计算。

当处理范围较大, 模型分析单元数较多时, 以上2种方法有极大的概率会出现系统报错、软件卡死的情况, 很可能会导致原文件数据的破坏;同时, 在数据处理的过程中较为费时费力, 也容易带来错误。

如何快速准确地对结果文件进行处理分析, 得到能够指导规划设计工作所需的结论, 成为规划设计工作中一个重要的环节。

Python是一种不受局限、跨平台的开源编程语言, 其数据处理速度快、功能强大且简单易学, 在数据分析与处理中被广泛应用^[4,5,6]。而且, Python采用解释运行的方式, 编写后无需进行编译即可直接通过解释器执行, 具有典型的动态语言特点, 编程效率极高^[7]。

据上分析, 本文提出一种基于Python的模型结果文件处理分析方法。

(1) 管网排水能力分级。建立城市管网模型, 目的在于分析城市管网的排水能力情况, 通过排水能力分级结论, 指导分析管网存在的问题, 发现并指出管网系统中的瓶颈管段、大小管串接等问题, 以此作为分析结论, 针对性的提出管网改造与规划措施。

城市雨水管网的排水能力分析, 可根据管段在某重现期降雨条件下管道承压情况来判断, 即可通过提取管道内的实时水位过程数据进行计算分析, 即以管道充满度F作为评价标准:

式中F———管渠充满度;

W＿level———水位高程, m;

P＿inertlevel———管渠底高程, m;

P＿Higth———管渠高度, m。

当F>1.0表示水位超过管道顶部, 即超过管道排水设计能力;当F≤1.0表示水位未超过管道顶部, 即满足管道排水设计能力。

(2) 城市内涝分析。建立内涝模型, 目的在于进行内涝风险评估分析, 包括高、中、低3个层次的风险区划分。根据不同的地形特点、城市重要等级, 可给定不同的评价标准, 根据风险评估结论, 可判断不同风险区产生的原因, 如地形低洼、管网排水能力不足等。同时根据分析结论, 提出适宜的内涝风险防治与改善措施。

城市内涝风险区的评估, 体现在地表积水深度上, 一般可通过提取地面积水深度过程数据, 按照《城镇防涝规划标准》提出的积水深度及持续时间要求, 也可根据地区的特殊要求, 制定评价标准, 对城市内涝风险情况进行分析。《城镇防涝规划标准》中对内涝风险等级划分标准见表1。

模型结果文件主要包括以下几个方面:

(1) 城市管网排水能力分级分析:1、2、3、5年一遇2h短历时降雨条件下, 管网模型运行结果文件见图1。

(2) Mike Flood结果文件:不同降雨遭遇对应水位条件下, 内涝模型运行结果文件, 见图2。

结果文件数据分析主要步骤如下: (1) 导入模块并检索特定扩展模块许可。Python提供了大量模块供用户进行通用编程, 最常用的有arcpy, numpy, math, sys, array, string等, 使用这些模块功能前, 必须用import进行导入; (2) 按指定路径提取结果文件, 并读取需要的数据, 进行分类赋值; (3) 建立分析边界条件, 进行数学计算; (4) 形成计算结果文件, 并依需进行图形显示; (5) 生成能够导入AutoCAD的结果文件, 便于规划设计的使用。部分计算过程代码见表2。

本文以浙江某地排水防涝项目为例, 梳理地形、管网、气象等资料, 建立城市管网模型及防涝模型, 加以不同的降雨与水位工况, 进行模型计算, 通过对比一般结果文件处理方法与采用前述基于Python的结果文件处理方法, 分析该方法的应用优势。

该模型的计算数据量如下:建模面积:44.1km²。管网模型:全长126.8km, 管网分段数1 705。内涝模型网格数:1 037 901 (1 299×799) 。

方法一、方法二是通过在模型内部或导出至Excel文件进行计算, 可以认为是人工计算, 在计算过程中, 设备配置、数据量大小等在一定程度上影响了计算所需时间, 作者在对各方法进行试验时发现, 当数据量达到一定值后, 方法一、方法二容易出现软件卡顿现象, 甚至于导致源文件的破坏, 且所需的时间也较长, 综上, 各方法的时间效益分析如表3所示。

方法一、方法二通过手动编辑进行计算时, 一旦规划设计人员有所疏漏就会造成结果的错误, 而有时候这些错误不一定能及时发现, 连带地对后续分析及方案的制定带来影响;而方法三, 只需提供模型运行结果原文件, 便以黑匣子的形式进行计算分析, 直接得出结论, 中间无人为错误的带入, 能够有效提高分析的准确率。

方法一、方法二在分析计算完成后, 对数据量的分析需要进行图表编辑, 再以饼图、柱状图等形式进行显示, 而与设计常用软件CAD的衔接, 则只能以图片引用的形式, 不能准确实现坐标同步, 而方法三在进行分析过程中, 始终与基础资料所用的坐标系建立联系, 在分析结束时, 即以同坐标输出结果文件, 并能准确导入至CAD。方法三的可视化效果举例如下:

(1) 排水能力分析结论:管网排水能力分析结果主要包括不同重现期管网长度、比例及分布等情况 (见图3、图4) 。

(2) 内涝风险评估分析结论:内涝风险评估结果主要包括风险区面积、比例, 以及风险区分布情况等 (见图5～图7) 。

(3) 结果文件输出与CAD结合 (见图8、图9) 。结果输出文件能够直接输出至规划设计常用软件AutoCAD中, 保证与规划设计底图———路网水系图坐标一致, 便于设计人员进行后续规划措施的制定。

规划设计工作中, 常用软件为AutoCAD, 故在CAD中直观显示管网分级结论及内涝风险分布情况, 能友好的指导规划设计人员判断分析区域内的管网、地形等存在的问题, 如瓶颈管段的快速提取等, 大大提高了设计人员的工作效率。

本文提出的基于Python的Mike模型结果处理方法, 并以浙江省某地排水防涝项目结果处理分析为例, 对该方法的应用效果进行分析, 可知方法具有快、准、可视优点, 在规划设计工作中能大大提高工作效率。