排水管网的平面图和纵剖面图存储着排水管网的空间数据和属性数据,是排水管网设计的主要图纸。由于AutoCAD具有简单易学、界面美观等优点,市政排水管网图纸绝大多数以CAD文件格式存储^[1]。CAD以图层的形式存储排水管网空间数据,以纵剖面图的形式存储了基本属性数据,但由于CAD软件不考虑数据的属性与数据之间的关系,缺少对管网数据拓扑关系的描述,因此无法体现排水管网复杂的空间关系^[2]。随着计算机技术的发展,ArcGIS在建立地理空间数据库方面的独特优势日益突出,在水力模型中的应用越来越多^[1]。

　　 水力模型3要素包括水力模型技术及软件、水力模型数据和水力模型操作人员,模型技术是水力模型的核心与基础,而模型数据是水力模型的灵魂与血液。基于CAD图纸的SWMM水力模型的构建通常包括CAD图纸预处理、构建GIS模型数据库、水力模型数据处理和模型输入与模型设置,水力模型数据处理的效果决定了水力模型的优劣。传统的水力模型构建中,通过对CAD图纸按要素进行分层处理,可以对空间数据进行很好的转换,但在处理属性数据时,通常是用手工方法录入^[1~5]。 对CAD数据进行分层处理的工作相对繁琐,同时由于城市排水管网错综复杂,数据量大,人工录入属性数据不仅工作量大,还容易出现错误,工作效率低,导致数据库的质量低,不能够保证水力模型的质量。为了避免传统水力模型构建中CAD数据分层处理和人工录入属性数据等缺陷,本文提出了基于CAD排水管网图纸信息自动构建SWMM水力模型的方法。

　　 基于CAD图纸信息的排水管网水力模型的构建,主要步骤为:(1) 基于水力模型软件对数据的需求,在ArcGIS平台建立相应的数据库文件(Shap-file文件);(2)在ArcGIS平台进行排水管网水力模型数据的处理;(3)将建立好的水力模型数据库输入到模型软件或将其转换为模型软件的输入文件,进行相关的模型设置。

　　 与传统水力模型数据库的构建方法相同,在ArcGIS中创建水力模型数据库所需的Shapfile文件,设置要素类型,添加属性表必备字段,如检查井、管道等。检查井的Feature Type设置为Point属性,管道的Feature Type设置为Polyline属性,检查井属性表字段包括编号、XY坐标、井底高程和井深等,管道属性表字段包括编号、进出水节点编号、上下游管底高程和管底埋深等。

　　 在进行排水管网模型数据处理前,需对原始CAD图纸进行处理,从而便于实现管网数据的转换。关于CAD图纸的处理,文献[1~5]均提出对CAD图纸进行分层处理,统一图纸的坐标系和比例尺,文献[1]和文献[3]对检查井图层进行了特定的处理。通过上述方法的处理,可以较为快捷地将CAD图形数据录入到GIS数据库,但其对CAD图纸的分层处理需要耗费大量的时间。

　　 为避免上述数据处理的缺陷,本文对CAD图层的处理所遵循的原则是使所有相关图层处于开启状态,无关图层可选择性关闭,如使检查井、管道等相关设施及其属性数据所在图层均处于开启状态,以便于识别各图层信息,房屋道路等图层可选择性地关闭。另外,统一所有CAD图纸的坐标系与高程基准,比例尺也要相同。

　　 图形数据的录入指将CAD图纸中的检查井、管道、蓄水池、泵等相关图层的图形数据录入到GIS数据库对应的图层要素中。与传统图形数据录入方法不同,本文根据处理后的CAD排水管网平面图纸,将检查井、管道等相关图层的图形数据按照和纵剖面图信息相对应的顺序依次录入到GIS数据库对应的图层要素中,如纵剖面图中检查井的编号为J1、J2、J3……Jn,需在GIS中按照对应的顺序依次添加检查井,管道的添加也按照顺序依次添加。

　　 属性数据录入指将CAD图纸提供的检查井、管道、蓄水池、泵等的相关基础数据录入到GIS数据库对应图层要素的各个字段。属性数据与图形数据一一对应。对于检查井的井底标高、地面标高、井深,管道的管底标高、管底埋深等属性数据,传统的处理方法是通过手工方法录入,该方法制约了水力模型构建的效率,而且容易出现错误。

　　 TrueTable软件是一款基于CAD平台的软件,能够在CAD和Excel间互导表格数据,能输出、更新CAD中的任意表格数据^[6]。排水管网的纵剖面如图1所示^[7],剖面图中地面标高、埋设深度、管内底标高和管道长度信息均是按行存储,根据纵剖面图数据存储情况,在CAD中,应用TrueTable软件分别选中井底标高、地面标高、井深、上下游管底标高、上下游管底埋深等属性数据,将其批量输出到Excel中,在Excel中转置后即可批量录入到GIS数据库对应字段。

　　 在数据转换完成后,需要进行相关的数据检查,以保证模型的质量。数据检查包括管网一般性拓扑关系检查、管道错位检查、管道逆坡检查以及管道上下游追踪^[2]。

　　 ArcGIS平台水力模型数据库建立完成后在其目标文件夹下存储的文件类型包括SHP文件、DBF文件等,其中DBF文件中存储了各要素的属性数据。应用自主开发的转换程序,读取GIS平台的模型数据库文件,生成SWMM模型的INP输入文件。

　　 模型设置包括泵曲线(Pump Curve)设置、蓄水设施曲线(Storage Curve)设置、模拟选项(Simula-tion Options)设置等^[8]。

　　 (1)泵曲线设置。水泵曲线类型有Type1(流量-容积曲线)、Type2(流量-深度曲线,流量随水深持续增加)、Type3(流量- 扬程曲线)和Type4(流量-深度曲线,流量随水深连续变化)。根据原始数据情况,选择相应的曲线类型。

　　 (2)蓄水设施曲线设置。蓄水池曲线有FUNC-TIONAL曲线和TABULAR曲线两种。FUNC-TIONAL曲线函数见式(1)。

　　 该函数用于描述面积(Area)与水深(Depth)的关系,式中系数A、指数B、常数C的值为表面积与储水深度之间函数的参数。TABULAR利用表格化来描述面积与水深关系。

　　 (3)模拟选项设置。模拟选项设置包括渗入模型(Infiltration)和演算模型(Routing Model)设置、模拟时间设置、时间步长(Time Steps)设置等。模型设置完成即可对排水管网系统进行相应的水力模拟计算。

　　 建模区位于宁波市鄞州区,根据《鄞州区排污专项规划(调整)2009~2020》,到2020年,排水主干管网收集系统规模将达219km、泵站39座,各乡镇的污水支管约为540km^[9]。

　　 根据SWMM模型对模型数据的需求,在GIS中创建相应的数据库要素(Shapfile),主要包括:污水检查井(T_SWELL)、污水管道(T_SWPIPE)、污水蓄水池(T_SWTANK)、污水泵(T_SWPUMP)和污水排放口(T_SWOUTFALL)。污水检查井、污水蓄水池、污水泵和污水排放口要素类型均为点属性,污水管道要素类型为线属性。在模型中,运用泰森多边形来确定污水检查井的服务区域,从而确定检查井的进流量(INFLOW),因此,在GIS中创建泰森多边形(TAISEN),要素类型为面(Polygon)属性。创建好各类要素后在其属性表中添加属性字段,以污水检查井为例,其属性表如表1所示。

　　 宁波市鄞州区的污水管网的原始数据大多数来源于CAD图纸,少部分来源于扫描文件,以PDF形式存储。在对图纸处理前,先将原始图纸归类。原始图纸分为3大类,分别为规划设计图纸、施工图纸和勘测(竣工)图纸。录入数据时,首先以勘测图纸和竣工图纸为主,没有竣工图纸时参照施工图纸,若两者都没有,则参照规划设计图纸。根据施工图纸和规划设计图纸录入的数据,在完成施工后,根据现场勘测图纸和竣工图纸更新数据库。对于以PDF形式存储的图纸,首先要将其矢量化,转换为Auto-CAD能够读取的格式。

　　 按1.3所述方法对鄞州区鄞西片区污水管网数据进行处理,鄞西片区污水管网系统如图2所示。

　　 完成管网基础数据的处理后,需要确定污水检查井的进流量(INFLOW)。鄞西片区分为9个服务区,如图3所示。

　　 由于在本项目实施过程中污水处理厂还在建设过程中,各种实测数据还不完善,所以采用规划数据作为建模依据。用鄞西片区各污水分区规划设计的日处理总水量(万m³)除以各个污水分区的面积(万m²),得到比流量即单位面积污水量[m³/(m²·d)]。在鄞西片区各系统分区内根据污水检查井地理位置生成泰森多边形,每个污水检查井对应1个服务面积,用此面积乘以比流量得到该污水检查井一天的总入流量,再除以24h,得到污水检查井每小时平均入流量,此流量作为检查井入流量基线数值(Baseline Value)输入到SWMM中,单位转换为L/s。鄞西片区各服务区比流量计算如表2所示。

　　 应用自主开发的转换程序读取各图层DBF文件数据,生成SWMM模型的INP输入文件,之后在SWMM平台下,进行以下4方面的设置:

　　 (1)污水泵曲线设置。根据原始数据情况,本模型选择Type3曲线类型,对应流量扬程数值根据原始数据设定。

　　 (2)蓄水池蓄水曲线设置。本模型蓄水曲线选择FUNCTIONAL函数曲线,将蓄水池的形状简化为矩形,曲线函数中系数A的值为蓄水池的平面面积、指数B与常数C的值均输入0。

　　 (3)节点直接入流的基线模式(Baseline Pat-tern)设置。基线模式包括月变化模式(MONTH-LY)、周末变化模式(WEEKEND)、日变化模式(DAILY)和时变化模式(HOURLY)。为模拟排水量24h变化情况,本模型基线类型选择HOURLY,其24h乘子(Multipilers)根据24h排水流量变化系数确定。由于缺乏实测资料,参考广州市居民节点流量的日变化模式^[10],设定本模型24h排水流量变化系数如表3所示。

　　 (4)模拟选项设置。本模型演算模型采用动态波(Dynamic)。模拟时间设定为24h。 演算步长1min,报告步长10min。模型设置完成后即可对整个管网系统进行模拟计算。

　　 本文从构建水力模型的实际需求出发,介绍了基于CAD排水管网图纸信息特点自动构建SWMM水力模型的方法,该方法简化了处理CAD原始图纸的工作量,实现了CAD排水管网剖面图属性数据的批量转换,通过自主开发的软件自动生成INP文件,为SWMM水力模型的构建提供了方便。与传统水力模型构建相比,该方法极大降低了模型构建的工作量,提高了模型构建的效率,同时保证了模型的质量。