城市雨水管网是城市防涝排渍的重要基础设施,担负快速排除区域内降雨和流入本区域地表径流的艰巨任务。传统规划及设计均采用推理公式法,主要是根据恒定流方程和汇水面积叠加法进行水力计算。但是随着汇水面积的增大,降雨的时空分布不均性、管网汇流过程的非瞬时性和服务区水文特征的多样性对传统方法的影响愈加明显。因此,根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2016年版)的要求,当汇水区面积超过2 km²时,宜采用数学模型法计算雨水设计流量^[1]。

SWMM是美国环保署开发的一款暴雨径流管理模型,可对单场降雨的水量水质进行动态模拟,是目前研究最多的模型,并且已经成功内嵌于Infoworks、MIKE Urban等软件。但是,由于目前城市的管网资料大都是以图纸形式保存,SWMM软件无法直接读取现状管网水力计算所必需的信息(断面尺寸、敷设坡度和管道长度等),再加上后期频繁的改造和错综复杂的私拉乱接,构建可靠的城市排水管网SWMM模型极其复杂而繁琐。虽然有研究表明对SWMM进行针对性的二次开发可以简化建模过程,但这需要一定的专业知识和编程能力,对设计人员技术要求较高,不易推广。而GIS具有强大的空间分析能力和完善的数据管理功能,有望在SWMM和现状管网资料之间架起一座桥梁,使SWMM模型的创建过程便捷化、高效化^[2]。因此,笔者以某排水区为例,在不对软件进行二次开发的情况下,仅利用ArcGIS10.2和SWMM5.1的既有功能,依据现状管线测量所得的数据库文件及原设计CAD图形文件快速构建其管网SWMM模型。

案例区地处中部某城市的滨江地带,地势平坦,以3%的平均坡度自北向南倾斜。现状排水系统为分流制,共有雨水检查井372座(含排口),雨水管道371根,管径为500～2 200 mm,雨水管网建设时间跨度大、改造频繁、运维困难。案例区总面积为210.06 hm²,其中荒地占13.9%,建筑占26.7%,铺装占17.8%,道路占24.8%,绿地占16.1%,水域占0.7%,不透水率约为46%(见图1)。

以案例区现状管线测量资料为数据库文件,对于数据库文件,空间位置信息是创建管网模型的关键。检查井必需的信息有:XY坐标、井底高程、井地面高程;管道必须需的信息有:起止点XY坐标、起止点内底高程。检查井编号、管道长度、管道所在道路名称等可作为属性信息酌情添加,数据处理好之后另存为.csv格式的表格文件。为了在GIS中导入检查井,需利用显示XY数据工具导入检查井离散点,表格文件的表头即为属性表的字段名称。管道的导入基本类似,在管道起止点的XY坐标匹配好之后,利用要素工具集下属的XY转线工具导入。排水管网创建完成后,通过连接和关联工具分别以起点坐标和止点坐标将管道图层与检查井图层连接,利用字段计算工具即可快速检索和匹配管道起止点检查井编号。

案例区原始设计资料为CAD图形文件,对于CAD图形文件,检查井和管道空间位置信息的导入仅需在GIS中加载dwg格式的图形文件。属性的导入有两种方法:一则先导入CAD图形文件,然后利用距离检索工具进行字段计算;二则利用EXCEL表格进行字段计算,基本操作同数据库文件。这两种方法对原始资料质量要求较高,需仔细检查,尤其是在管道汇合处。此外,需特别注意的是,CAD图形文件中的无用信息需予以“删除”,以增加距离检索的准确性和快速化,关闭或冻结图层不起作用。

基础资料良莠不齐导致管网实际情况无法准确反映的现象屡见不鲜,因此雨水管网的GIS网络创建完成后,应对其进行结构合理性检查。首先,利用删除同类项工具快速删除重复检查井和管道。然后,利用位置选择工具和反向选择工具快速查找孤立检查井和管道并予以删除。最后,利用拓扑分析工具做进一步的检查和调整。拓扑关系的建立主要基于要素的空间位置关系、几何形状及大小,GIS提供了多种可供直接使用的拓扑原则。实际操作中使用较多的拓扑原则主要有Endpoint of Line Must Be Covered By Point和Point Must Be Covered By Endpoint of Line,通过这两重检查可进一步规范检查井和管道的位置关系^{[3,4]3, 4]}。在调整过程中,若检查井和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。

排水区的划分可利用GIS地面模型和盆域分析工具根据分水线自动划分,也可以在CAD中人工手动划分。鉴于案例区无明显地形起伏,人工手动划分排水区。子排水区的划分则利用泰森多边形工具自动划分,输入要素为检查井,检查井编号则自动成为子排水区多边形的编号。然后,利用裁剪工具对其予以修正,并利用要素折点转点工具快速提取子排水区多边形的节点坐标信息,为下一步建模做准备,调整后的雨水管网系统要素见图2。

计算模块主要由水文、水力、水质和低影响开发模块组成,要素主要有点、线、面和事件4类,点要素又可分为检查井、排放口(Outfall)、分流井及贮水设施4种,线要素可细分为管(渠)道、水泵、孔口及出水口(Outlet)4种^[5,6]5,6],雨水管网SWMM组成要素见表1。在SWMM模型中,事件的模拟被简化为水流在各组成要素之间的迁移和转化。因此,模型的各要素之间需建立必要的链接关系,如子排水区要指定雨量计和出水口(检查井或排放口),而前者又要指定降雨事件,从而使雨水从雨量计依次转移到子排水区、检查井、管道和排放口。在SWMM软件中先新建一个工程文件并设定好相关计量单位,然后利用计算机自带的记事本工具和GIS预处理后的基础资料按照表1的结构形式编辑.inp文件,创建好的SWMM模型见图1。需要注意的是,在创建子排水区时,其名称(即编号)不宜直接使用出口检查井或排放口名称,否则数据读取过程中易发生紊乱,如子排水区无法自动指向出水口。

雨水一般是重力流,工程实际中大多要求末端管道底高程低于起端管道底高程、下游管道直径大于上游管道直径。因此,必须对模型中创建好的网络进行工程合理性检查。SWMM软件可以快速创建管道纵断面图,在纵断图中设计人员得以直观地研究管道的流向和衔接问题,并根据复核结果如实调整模型参数,具体应用见图3。此外,SWMM软件自带状态报告工具,能够对模型进行全方面系统性合理性检查,设计人员可以根据检查报告逐条核实、修改。

与推理公式法不同,SWMM模型中地块产流过程更接近水文学中地表径流的原理,产流量为下垫面接受的降雨量扣除土壤入渗量(填洼和生物滞留损失量暂不考虑)之后的裕量,因此在运行SWMM模型前还应完善水文计算模块参数设置。参考国内外相关文献的报道^{[5,7]5, 7]},案例区的N-Imperv设定为0.24、N-Perv设定为0.012,管道的Roughness设定为0.014,其他参数采用软件默认参数;渗透模型采用Horton模式,最大渗透率为76.2 mm/h、最小渗透率为5.08 mm/h, 入渗递减率为4.0/h。

利用芝加哥雨型降雨过程(P=1年)对构建好的案例区雨水管网系统SWMM模型进行模拟,地表径流演算连续性误差为-0.032%,流量演算连续性误差为-0.066%,模型演算合理^[5]5]。从图4a可以看出,P252和P357两条管道流量过程曲线的峰形及峰值流量发生的时间与降雨曲线的峰形和雨峰时间都比较接近,即模拟结果和降雨事件吻合较好,证明了构建的SWMM模型的合理性和可靠性。从图4b可以看出,流量最大时YS1-YS21段管道的水力坡度小于管道的敷设坡度,表明该段雨水管道设计排水能力大于实际输水量,设计合理。

目前,针对GIS和SWMM联合使用的研究很多,但大都是基于软件的二次开发,对设计人员提出很高的技术要求,难以推广。本研究以实际工程为例,在仅利用GIS和SWMM既有基本功能的前提下,实现了SWMM模型的快速构建。研究结果表明,通过利用GIS自带的空间分析和数据管理功能、拓扑分析和属性关联等功能,实现了对原始资料的合理性检查,提高了数据处理效率和准确度,保证了SWMM模型模拟分析的可靠性。该方法技术可行且易于掌握,有助于研究人员利用SWMM更好地研究降雨径流特征、下垫面产流规律和管网排水能力等问题。