利用ArcGISEngine建立暴雨水調(diào)蓄模型的三維分析系統(tǒng)

潘 雄，王俊雷，3，王 娜，戢 銳，楊 龍

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074;2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林541004;3.黃河水利委員會水文局黃河水文勘察測繪局，河南鄭州450000;4.中南財經(jīng)政法大學，湖北武漢430073;5.71621部隊，河南洛陽471100)

一、引 言

GIS經(jīng)過了40多年的發(fā)展，到今天已經(jīng)相當成熟，并且得到了極廣泛的應用。尤其是近些年，GIS更以其強大的地理信息空間分析功能活躍在各行各業(yè)，并且隨著計算機技術高速發(fā)展、空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和質(zhì)量的不斷增強，大量的空間信息可以集成到三維GIS中進行使用?；诔鞘蠫IS的輔助決策支持系統(tǒng)在城市暴雨水管理模型領域中的應用已成為一種趨勢［1］。

結(jié)構(gòu)和功能合理的城市暴雨管理系統(tǒng)，對提高管理效率、降低決策中的人為失誤、減少城市暴雨水的影響有著重要作用，可滿足對城市暴雨水管理模型建設的要求，借助GIS獨有的模型分析功能和可視化表達可提高城市暴雨水管理的效率和科學性［1］。有效進行GIS開發(fā)工作的理想平臺應該是一個跨平臺、基于標準的組件框架，該框架允許解決方案提供商或內(nèi)部開發(fā)人員快速構(gòu)建行業(yè)專用的GIS應用軟件［2］。ArcGISEngine就是這樣一個GIS框架，它是一個基于組件的軟件開發(fā)產(chǎn)品，用于建立和部署自定義GIS和制圖應用程序?；贏rcGISEngine可根據(jù)客戶需求開發(fā)出具有特定分析功能的GIS軟件。

二、試驗小區(qū)概況及其水容積—水位關系

試驗小區(qū)為江蘇揚州某小區(qū)，該小區(qū)占地面積為995 504.5 m2，小區(qū)內(nèi)有小山、河流、綠地、住宅建筑等要素，其基礎高程為7.46 m(黃海高程系)。小區(qū)內(nèi)有綜合服務區(qū)，小山面積大約占其1/3，是一個具有典型代表的綜合小區(qū)。小區(qū)排水管網(wǎng)縱橫交錯與市政管道相連，且大多沿小區(qū)內(nèi)道路建設，雨水在市政管道內(nèi)匯集后一起排入長江。

DEM數(shù)據(jù)包括平面位置和高程兩種信息，可以直接在野外通過全站儀或GPS、激光測距儀等進行測量，也可以間接地從航空影像或遙感圖像、既有地形圖上得到。具體采用何種數(shù)據(jù)源和相應的生產(chǎn)工藝，一方面取決于這些源數(shù)據(jù)的可獲得性，另一方面也取決于DEM的分辨率、精度要求、數(shù)據(jù)量大小和技術條件等。筆者先利用地形圖上的離散點生成等高線，再利用GIS的特定分析方法生成小區(qū)DEM模型。DEM是通過進行水文分析如匯水區(qū)分析、水系網(wǎng)絡分析、降雨分析、蓄洪計算、積水分析和徑流分析等來預測、模擬顯示小區(qū)積水區(qū)域，確立損失率和積水深度及各水歷時的函數(shù)關系，進一步分析積水損失，評估計算損失情況［1］。如圖1所示，筆者利用小區(qū)DEM模型建立了小區(qū)水容積與水位關系曲線。

圖1 小區(qū)水容積—水位關系曲線

三、暴雨過程線模型和調(diào)蓄過程模型的建立

1.暴雨過程線模型的建立

我國在城市排水及管道設計中常常使用的暴雨強度公式為

式中，i為暴雨強度，單位為L/(S·hm2);A為重現(xiàn)期為一年的設計降雨雨量;C為雨量變動參數(shù);P為降雨重現(xiàn)期;td為降雨歷時，單位為min;b、c為常數(shù)，根據(jù)各地區(qū)不同而不同。

由式(1)可知，i反映的是在一定降雨歷時td(min)、單位面積上的超過重現(xiàn)期P的降雨量?？梢酝ㄟ^各地實際情況設置降雨歷時和降雨重現(xiàn)期得到該地的暴雨強度。設167A(1+C lg P)為a，便可得到Hormer降雨強度公式

式中，i(t)為降雨強度隨時間變化的函數(shù)。

聯(lián)立式(2)、式(3)并對等式兩邊同時微分得

在芝加哥暴雨過程線模型中引入?yún)?shù)雨峰系數(shù)r(0＜r＜1)來描述降雨峰值發(fā)生時間，并通過大量項目驗證了芝加哥暴雨過程線模型和實測數(shù)據(jù)能很好吻合。芝加哥暴雨過程線模型在北美地區(qū)得到了很好的應用［3］。引入雨峰系數(shù)，由式(4)便得到以峰值時間點為零點的峰前降雨時間序列公式(即式(5))和峰后降雨時間序列公式(即式(6))。

2.調(diào)蓄過程模型的建立

在實際應用中應把握主要因素，在誤差范圍內(nèi)去除次要因素，即把次要的、偶然的因素去掉，保留其基本規(guī)律，根據(jù)這些條件建立的暴雨調(diào)蓄模型是邏輯嚴密、結(jié)構(gòu)完整的計算系統(tǒng)［1］。對于雨水變化過程可分為3個部分，即降雨、排水和匯流。由于筆者要分析研究的是強度暴雨，故在降雨過程中可將全部小區(qū)空間作為一個整體，不再對各個匯水區(qū)進行單獨分析。所以由式(5)、式(6)可得第i個時間段末的徑流流量

式中，Q入ti為第i時間的徑流流量，單位L/s;q為徑流系數(shù);S為小區(qū)面積，單位hm2。

由于小區(qū)內(nèi)的土壤、植被、鋪砌區(qū)、建筑區(qū)等都能直接影響小區(qū)的整體暴雨徑流系數(shù)，因此需查到各不同要素的面積，并利用加權平均的方法計算小區(qū)整體暴雨徑流系數(shù)。對于該小區(qū)，筆者通過計算得出其徑流系數(shù)q為0.62。

在排水過程中主要考慮雨水箅的過流能力，但是在國內(nèi)外的資料和現(xiàn)行的設計規(guī)范中都沒有雨水箅過流能力的詳細資料。浙江大學水工結(jié)構(gòu)與水環(huán)境研究所進行了雨水箅的流量與水位關系模型試驗，以建立各類雨水箅進水水頭與進水流量之間的關系［1］。其側(cè)立式雨水箅與水位關系公式為

式中，Q出為雨水箅的排水流量，單位為L/s;H為水位深度，單位為cm;A=0.56;B=1.51。

匯流過程就是建立徑流流量與排水流量的關系。在調(diào)蓄過程某個時段中，當雨勢漸強時雨水不能及時流入雨水箅中，還停留在建筑、草坪、道路上。調(diào)蓄過程模型就是在某一個時段起始的匯水量(等于上一個時段未的匯水量)與該時段末還停留在小區(qū)末排出的水量之和，即

式中，Vi+1為第i+1個時段末匯水量，單位為m3;Q入i+1為第 i+1個時段末的徑流流量;Q出i+1為第i+1個時段末的排水流量;T為時段，取300 s。

第i時段的排水量Q出i+1可由第2章中建立的小區(qū)容積—水位的關系，并利用第i時段末的匯水量Vi查找相對應的H，再利用式(8)對小區(qū)內(nèi)每個雨水箅的排水量進行計算進而求出小區(qū)內(nèi)總體雨水箅的排水量Q出i+1，這樣就建立了調(diào)蓄過程模型。該模型的建立有利于城市建筑、道路及排水工程建設，將在城市小區(qū)防洪減災中提供強有力的技術支撐。

四、暴雨調(diào)蓄模型的三維仿真

1.暴雨調(diào)蓄數(shù)據(jù)的定量顯示

在城市小區(qū)防汛應急決策中，實時、高效的數(shù)據(jù)預測能減少因決策失誤而造成的不可挽回的損失，提高城市型水災預警和正確處理能力，夯實城市小區(qū)應急管理基礎。針對本試驗小區(qū)可利用暴雨調(diào)蓄模型建立徑流流量與排水流量與時間的關系圖(如圖2所示)，它提供的定量數(shù)據(jù)為防汛決策指揮提供了依據(jù)。

圖2 調(diào)蓄過程圖

2.調(diào)蓄過程模型的三維實現(xiàn)

我們生活在一個充滿三維物體的三維世界中，為了使計算機能精確地模擬再現(xiàn)這些問題，必須能在三維空間描繪并生成這些物體［4］。基于ArcGIS Engine三維分析系統(tǒng)的實現(xiàn)是用一種直接的易于理解的方式準確地表達三維形體復雜的信息?？衫肁rcGISEngine開發(fā)包提供的ILayerExtensions、I3DProperties等接口對房屋圖層的所有房屋元素進行三維拉伸，并在ArcGISEngine組件庫提供的SceneControl控件中進行三維顯示。在系統(tǒng)中添加WaterPlan圖層，利用Timer控件模擬暴雨調(diào)蓄模型過程中不同時段的水位變化，并賦予WaterPlan圖層不同的水位高度，用于動態(tài)演示暴雨調(diào)蓄過程中試驗小區(qū)內(nèi)水位變化的整體過程，記錄水位變化的最大值并實現(xiàn)其三維效果(如圖3所示，圖中深色為WaterPlan圖層，設置的暴雨重現(xiàn)期為5年)，為防洪抗汛、指揮決策提供依據(jù)。

圖3 小區(qū)匯水效果圖

五、結(jié)束語

筆者基于.NET開發(fā)平臺，利用C#開發(fā)語言，使用ArcGISEngine開發(fā)包編程實現(xiàn)了暴雨水調(diào)蓄模型的三維分析系統(tǒng)(如圖4所示)。

圖4 暴雨水調(diào)蓄模型三維分析系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)將為小區(qū)防汛減災提供圖、數(shù)一體化的分析模式，為決策指揮的科學性、及時性發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)的使用者可在得到氣象部門發(fā)布的氣象信息后，利用該系統(tǒng)對積水深度、積水時間作出精確預報。暴雨水調(diào)蓄模型的三維分析系統(tǒng)將為城市防災減災能力的提高、人民生活的改善起到積極的推動作用。

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