1. 概述
近年来各地城市内涝频发, 成为制约城市发展的主要问题, 受到政府和人民的广泛关注。住房和城乡建设部[2013]98号文件《城市排水 (雨水) 防涝综合规划编制大纲》要求各地编制防涝规划, 并建议采用水力模型法进行城市内涝情况的评估和规划分析廊坊市排水防涝模拟信息共享服务平台研发与工程示范 (2015-S5-022) 。根据廊坊市现状排水系统实际数据, 利用Arg GIS和暴雨管理模型 (SWMM) 构建廊坊市主城区排水防涝模型, 在排水防涝模型的基础上开发出模拟信息共享服务平台, 对城市积水内涝点、流量监测点、降雨事件、道路积水内涝风险等进行统一的维护、管理并及时预警。
2. 平台系统框架
根据排水防涝模拟信息共享服务平台的业务需求特点, 采用C/S系统架构, 按照系统分层和软件构件的模式进行设计。
排水防涝模拟信息共享服务平台自上而下划分为系统表现层、业务逻辑层、数据访问层、数据库四层。其中最上面一层为表现层, 与系统用户直接接触, 根据排水防涝模拟相关业务需求, 设计了本系统的功能界面, 用户在功能界面上, 可以进行友好的交互操作;第二层为本系统的业务逻辑层, 实现了提供给用户的各功能的业务逻辑, 包括内涝风险图、排水模型导入与合成、降雨事件管理及模型模拟运行等功能模块;第三层是数据访问层, 完成排水管网、易涝点、监测点等数据的数据库存取的功能, 该层能否提供高效的数据存取服务直接影响着整个系统的性能和稳定性;第四层是数据库, 包括基础地形、排水管网、在线监测点、易涝点等数据。
廊坊市排水防涝模拟信息共享服务平台研发与工程示范 (2015-S5-022)
3. 平台系统功能
3.1 内涝风险图
内涝风险图是整个系统所反映当前城市内涝现状, 通过易涝点图层直观体现城市各个区域的内涝风险级别。通过监测点图层能够快速实时的查询各个敏感位置的液位和流量数据。而底层叠加的基础地形图能方便用户快速定位风险区域。将易涝点图层、液位监测点、流量监测点、道路、水系、建筑物等基础地形数据都按顺序叠加在一起便形成内涝风险一张图。
3.1.1 易涝点管理。
易涝点管理是对内涝风险图中易涝点图层进行增删改管理, 维护易涝点空间与属性信息, 属性信息包括易涝点具体位置、发生的易涝事件。具体见图3所示:
3.1.2 监测数据查询。
监测数据查询通过在地图上选择液位监测点或流量监测点, 来查询该监测点当天对应液位或流量数据。同时, 当前时刻的监测实时数据会在地图上进行标注, 标注会随着时间推移而动态地进行刷新, 保持监测数据的实时性, 也便于排水行业专业用户根据管网的网络连通性以及当前监测数据来分析上下游的内涝风险。
3.2 降雨事件管理
降雨事件根据数据来源分为历史降雨事件、气象降雨事件、设计降雨事件。历史降雨事件管理的是往年的各场降雨数据, 气象降雨事件则是管理近期预测的各场降雨数据, 规划降雨事件是根据当地城市暴雨公式来生成一年一遇到五十年一遇的模拟降雨事件。
下图是一年一遇的降雨雨型:
3.3 平台中排水防涝模型的导入与合并
3.3.1 模型导入。
本系统支持EPA (美国环境保护署) SWMM (storm water management model) 暴雨洪水管理模型的数据导入, 支持SWMM的INP文件格式。系统通过读取SWMM的INP文件中相关段, 完成排水管网数据导入, 参见图4及图5:
3.3.2 模型合并。
针对排水管网模型往往是分区建立的特点, 提供分区管网模型合成功能可以极大地提高建模工作者的工作效率。另外, 随着目前管网建设工作的开展, 后期大量新增管线, 也可以通过模型合成功能进行快速建模。
下图6和图7分别显示合并前两个分区模型和合并后模型:
3.4 平台模拟运行
选择某个管网模型, 再设置一场降雨事件, 即可通过运行模型进行模拟。管网模拟后将会得到各个管网节点水位以及溢流情况, 将节点与道路图层进行空间叠加分析, 并建立溢流风险的等级, 然后可将节点溢流的情况按风险等级进行划分后落实到道路的风险等级字段, 最后通过对道路图层内涝风险等级字段进行分段渲染形成道路内涝风险专题图。
3.4.1 平台模拟情景设置
管网模型+降雨事件=管网模拟情景。这是较为灵活的一种交互方式, 通过剥离模型与降雨数据之间耦合关系, 用户可自由选择模型和降雨事件。快速形成模拟情景, 类似:分区一的一年一遇模拟情景, 分区二的五年一遇模拟情景等等。
3.4.2 道路溢流风险等级设置。
通过道路与节点之间的空间关系叠加分析, 将节点溢流数据关联到所在道路, 同时根据溢流数据中的积水时间和积水深度来划分道路风险的四个等级:安全、有积水、大量积水以及严重积水。
4. 平台应用
4.1 数据组织要求。
排水防涝模拟信息共享服务平台运行程序目录下, 有一个Data文件夹, 该文件夹的数据组织结构如下。
(1) Map文件夹, 存储现状地图的基础地形数据以及内涝风险的结果专题图的基础数据;
(2) Monitor文件夹, 存储液位和流量监测点的实时数据;
(3) Rain文件夹, 存储历史降雨事件 (History) 、气象降雨事件 (Climate) 、设计降雨事件 (Design) ;
(4) Model文件夹, 存储导入及合成模型的输入 (inp) 、输出文件 (out) 以及模型的管网地图数据文件。
4.2 平台应用流程
平台主要的工作流程:
(1) 模型导入。首先需要准备好要导入模型的输入文件 (SWMM的INP文件) , 然后将该文件拷入到Model文件夹下。
(2) 模型合成。通过第一步将整个城市按区域建立的多个子模型全部导入后, 将各个子模型进行合并。
(3) 降雨事件导入。将降雨数据对应的TXT按照一定的格式组织后, 把该TXT文件放到对应Rain文件夹下, 重新打开系统后, 系统会自动识别降雨事件。
(4) 模型运行。模拟情景=管网模型+降雨事件, 因此模拟运行前, 请设置好要模拟的管网模型, 以及选择对应降雨事件。
(5) 模拟结果专题显示 (道路溢流风险专题) 。运行模拟产生模拟结果后, 系统会以三维展现方式和风险等级设置渲染方式对道路溢流风险进行安全、有积水、大量积水、严重积水的渲染显示, 以向用户直观地表达城市的内涝风险情况。
4.2 平台应用
通过道路溢流风险等级设置, 便可将节点中溢流数据最终关联到道路图层, 并将计算结果对应的风险等级设置到道路图层的相应字段。然后通过Arc GIS Engine的Scene Control将道路溢流风险专题图以三维的表达方式展现给用户。
摘要：廊坊市排水防涝模拟信息共享服务平台是集城市排水防涝设施数据集成与显示、内涝点的编辑与维护、设施监测状态以及利用排水模型评估道路溢流风险为一体的综合性排水防涝模拟信息管理平台。排水防涝模拟信息共享服务平台综合运用地理信息系统、SWMM模拟引擎集成等技术和方法, 充分发挥GIS技术的优势, 利用GIS提供的空间数据浏览管理和空间分析能力, 开发了排水防涝设施GIS高级应用内核技术。
关键词：ArcGIS,SWMM,排水防涝模拟,信息共享服务平台
参考文献
[1] 国务院办公厅《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》 (国办发[2013]23号)
[2] 住房和城乡建设部[2013]98号文件《城市排水 (雨水) 防涝综合规划编制大纲》.