管网模型数据库的构建是构建SWMM水力模型的基础,北京工业大学开发的软件可以实现在GIS平台完成管网图形数据和属性数据的转换,然后再将GIS管网模型数据转换为SWMM的输入文件inp文件。市政排水管网图纸多数是以AutoCAD文件格式存储的^[1],未考虑数据与数据的属性之间的关系,没有描述管网数据的拓扑关系,也不能体现排水管网空间关系的复杂性^[2]。构建GIS模型数据库时,首先进行图形数据的转换,然后再进行属性数据的录入,但属性数据的录入通常是用手工方法录入^[1~3],存在着许多不足之处。

　　 随着计算机技术的发展,现阶段国内的一些雨水管网设计计算软件能够输出雨水管网设计计算表,如通过鸿业CAD软件进行雨水管网水力计算,可以生成雨水管网设计计算书,计算书中包含了管网系统的属性信息数据,例如检查井的X、Y坐标,井底标高,地面标高,管段的上、下游节点编号,上、下游管底标高,管长,管径以及汇水区的折点坐标数据等^[4]。本文根据雨水管网设计计算表的数据存储情况,提出了基于CAD数据表处理系统(CADTable-Convert)和雨水管网设计计算表自动构建SWMM水力模型的方法,该方法实现了管网模型数据库图形数据和属性数据的同步自动化转化,避免了人工录入属性数据的缺陷,为构建水力模型带来便利。

　　 CADTableConvert(CAD数据表处理系统)软件是由北京工业大学给排水系统研究室自主开发的软件。该软件是一款基于ArcGIS平台的软件,软件采用GIS提供的嵌入式组件库ArcEngine进行开发^[4]。CADTableConvert软件包括浏览模块、选择模块、测量模块和数据表处理模块等,数据表处理模块的主要功能有:

　　 (1)读取雨水管网设计计算表。

　　 (2)将管网设计计算表进行GIS转化。

　　 (3)读取汇水区图层。

　　 (4)读取Inp文件,将Inp文件进行GIS转化。

　　 (5)输出Shape图层文件。

　　 (6)输出模型文件Inp文件。

　　 基于CADTableConvert和雨水管网设计计算表的SWMM水力模型的构建过程如图1 所示,主要包括以下步骤:

　　 (1)雨水管网设计计算表的处理。

　　 (2)雨水管网设计计算表的GIS转化。

　　 (3)CAD汇水区的GIS转换与处理。

　　 (4)SWMM模型转化。

　　 (5)输入降雨雨型,设置泵、水池、出水口等。

　　 通过雨水管网设计计算软件输出的雨水管网设计计算表(Excel表)必须包括管网系统的坐标数据和结构参数,表格中的信息包括管段编号、接入管段、管段长度、集流时间、重现期、暴雨强度、转输面积、汇流面积、设计流量、管径、宽度、坡度、流速、起点井坐标、终点井坐标、终点地面标高、起点管底标高、终点管底标高、起点管底埋深和管材,其中管段编号、管段长度、管径、宽度、起点井坐标、终点井坐标、终点地面标高、起点管底标高、终点管底标高、起点管底埋深数据列提供了整个管网模型数据库的属性数据。

　　 雨水管网设计计算表的处理,首先需要查看与管网模型属性数据相关的各列信息数据是否完整,其余各列单元格也不可为空,若为空,将其假设为0;然后将各列中存在的空格删除,保证CADTable-Convert能够正确读取各列数据;最后将Excel表数据复制到文本文档,并将文本文档命名,例如将文本文档名按工程项目取作其拼音缩写,在数据GIS转换时,通过读取文本文档名和管段编号来命名检查井ID和管段ID,如水泥路泵站项目的文本文档取作“SNL.txt”,则其节点和管段的编号在后续程序处理中,将自动增加“SNL”的字母缩写前缀,如原表格中管段编号为“1-2”的行数据,处理后将分为编号“SNL 1”和 “SNL 2”的节点以及编号为 “SNL 1-SNL 2”的管段。

　　 雨水管网模型数据的GIS转换通常包括图形数据转换和属性数据转换两部分。传统水力模型的构建,首先进行图形数据的转换,对于以CAD文件格式存储的管网图纸,通过将图纸进行分层处理,可以将各图层进行很好地转换,而对于检查井的井底高程、井深、管段的直径、渠宽等结构参数通常需要手工录入^[1~3],该方法制约了水力模型构建的效率。

　　 本文根据雨水管网设计计算表的数据存储特点,首先通过CADTableConvert软件读取步骤1保存的文本文档,然后通过软件的GIS转换功能读取文档中存储的管网坐标信息数据,自动化构建整个管网模型系统的矢量化拓扑结构,以点层数据构建检查井图层、以线层数据构建管段图层,并将管网系统的水力特征参数写入GIS属性数据库。检查井的水力特征参数有X坐标、Y坐标、编号、井底高程、井深,管段的水力特征参数有上游节点X、Y坐标,下游节点X、Y坐标,编号,进水节点,出水节点,长度,形状,直径,渠宽,进水偏移,出水偏移,实现管网图形数据和属性数据的同步转换,完成管网模型数据的自动化GIS转化。完成转化后将检查井和管段Shape图层输出。

　　 将CAD文件加载到ArcGIS软件中,通过GIS的图层导出功能将汇水区边界所在图层导出,转化为Shape文件加载到GIS中,此时汇水区图层为线层,通过GIS的Search工具查找与多边形操作相关的工具,选择“Feature to Polygon”工具,将汇水区线层转化为汇水区面层。然后将第2步输出的检查井图层加载到GIS中,通过“ArcToolbox”工具箱中Analysis Tools—Overlay—Spatial Join (空间连接工具)将检查井和汇水区进行连接。最后将汇水区的基础数据录入到汇水区属性表的各字段中,包括编号、雨量计编号、出水口、面积、人口密度、不透水区百分比、宽度、坡度,完成后将其加载到第2步所构建的GIS模型数据库中。

　　 CADTableConvert软件构建了GIS数据库与SWMM模型输入文件(Inp文件)之间的对应关系,如GIS数据库检查井图层的编号、井底高程、井深、初始水深、超载深度和积水面积字段对应Inp文件[JUNCTIONS]下的Name、Invert Elev.、Max.Depth、Init.Depth、Surcharge Depth、和Ponded Area,GIS数据库管段图层的编号、进水节点、出水节点、长度、粗糙系数、进水偏移、出水偏移、初始流量和最大流量字段对应Inp文件[CONDUITS]下的Name、Inlet Node、Outlet Node、Length、Man-ning N、Inlet Offset、Outlet Offset、Init.Flow和Max.Flow等。CADTableConvert实现了GIS模型数据库到Inp文件的转换,通过CADTableCon-vert软件读取GIS数据库的汇水区图层,然后通过软件的输出模型工具,将上述步骤所构建的检查井图层、管段图层和汇水区图层文件转化为Inp文件。此时生成的模型文件还需要输入降雨雨型,并设置出水口、水池、泵等即可运行。

　　 关于出水口、水池、泵等的设置参照文献[5]进行设置,在此不再赘述。降雨雨型既可以输入实测的降雨数据,也可输入人工合成的设计降雨过程线,参照文献[5]进行输入即可。

　　 本文以哈尔滨市水泥路泵站区域为例,水泥路泵站区域位于哈尔滨市主城区东侧阿什河排水分区,本管网系统的受纳水体为阿什河,最终汇入松花江。本工程流域总面积409.6hm²,雨水检查井共79个,管网系统总长度12.97km。

　　 水泥路区域雨水管网设计计算表通过鸿业设计软件生成,其形式如图2所示。

　　 如雨水管网设计计算表中集流时间、重现期、暴雨强度、转输面积、汇流面积、设计流量、坡度、流速、和管材数据列的单元格为空的,均将其设置为0,并将接入管段列整列删除。通过Excel的替换功能,统一将各单元格中存在的空格替换为空,然后从管段编号所在行开始,将表格数据复制到文本文档中,并将文本文档命名为“SNL.txt”。

　　 通过CADTableConvert软件的CAD数据表读取工具,读取“SNL.txt”文本文档,读取成功后,即可将检查井的编号、井底高程、地面标高、井深、X坐标、Y坐标和管段的编号、进水节点、出水节点、长度、形状、直径、渠宽、起点管底标高、终点管底标高、进水偏移、出水偏移所对应的数据读取到软件中,如图3所示。

　　 通过软件的GIS转换工具将管网数据进行自动化GIS转化,在构建管网系统矢量化拓扑结构的同时,将检查井和管段的属性数据同步写入检查井和管段的属性表中,转换结果如图4所示,转化完成后通过软件的Shape输出工具将检查井和管段图层输出。

　　 将水泥路区域的CAD文件加载到GIS中,按照2.3节所述方法将水泥路区域的汇水区进行GIS转化与处理,处理完成后将其加载到CADTable Convert软件的后台GIS数据库中。

　　 在CADTableConvert软件中通过读取汇水区工具,将软件后台GIS数据库中的汇水区图层读取到软件中,然后通过输出模型工具自动读取上述步骤所构建的检查井、管段和汇水区图层,自动将其转化为SWMM模型的输入文件,将其命名为SNL.inp。

　　 水泥路区域管网系统在排放口之前设置泵站共设有6台泵,因此需要在SWMM中设置泵与水池,还需要设置出水口与降雨雨型等。 在EPA SWMM中打开SNL.inp文件,参照文献[5]所示方法分别设置水池(Storage Unit)、泵(Pump)和出水口(Outfall)。本例水泥路区域的降雨雨型采用芝加哥雨型生成器生成降雨雨型,如图5所示。

　　 在芝加哥雨型生成器中设置哈尔滨市暴雨强度公式基础参数(A、C、b、n),同时设置重现期P(分别取1、2、3、5、10、20和50)、降雨历时t(取120min)、峰值比例r(取0.5)、降雨时间间隔T(取1)和径流系数,构建不同重现期的芝加哥降雨过程线,然后将其输入到SWMM模型中。

　　 本文从构建SWMM雨水管网模型的实际需求出发,介绍了基于CADTableConvert和雨水管网设计计算表自动构建SWMM水力模型的方法,该方法极大简化了管网图形数据转化和属性数据录入的工作量,只需对管网设计计算表进行简单的处理,即可将管网图形数据和属性数据进行同步的GIS转换,提高了建设管网模型的效率,为SWMM水力模型的构建带来了便利。