一种基于管网位置和地表流向的排水管网模型汇水分区划定方法与流程

本发明涉及一种基于管网位置和地表流向的排水管网模型汇水分区划定方法，属于市政排水工程。

背景技术：

1、排水管网系统是重要的城市基础设施，担负着收集和输送城市污水和城市降雨、融雪产生的径流的任务，具有保护环境和城市减灾双重功能，被称作城市的“生命线”和“血脉”，在城市规划、建设和运行中的作用不容忽视。近年来受全球气候变化和城市快速发展等影响，城市内涝问题频发，受到国家、社会的广泛关注，如何保障城市排水排涝安全，成为城市发展亟待解决的热点和难点问题。针对城市内涝顽疾，国家有关部门相继发文，提出了系统提升城市内涝防治水平等一系列的要求，包括编制城市内涝风险图、提升暴雨洪涝预报预警能力等。2021年版《室外排水设计标准》明确提出当汇水面积大于2平方公里时，应采用数学模型法确定雨水设计流量，各地在城市规划和设计中，也提出了应用排水防涝模型的有关要求，可见排水防涝模型的应用已被正式提上了日程。

2、雨水管网的设计流量为设计暴雨强度、径流系数及汇水面积三者的乘积。排水管网模型的建设包括管网拓扑结构的搭建、属性数据的转换或录入、管网模型汇水分区的划定、降雨边界的输入、参数的设置等过程。由此可见，汇水区的有效合理划定对雨水设计流量计算以及排水管网模型模拟计算意义重大。目前排水管网模型建设中，最常用的汇水分区划定方法是在arcgis中基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法，目前主流的模型软件中自带的汇水区划定方法也均是基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法。该方法虽然划定简单，但该方法受限于节点位置的影响，无法准确的划定对应排水管网的服务分区，尤其是当一条道路上有2条或多条管道以及在路口位置有多条管道交叉或连接时，该方法划定的汇水分区的误差将进一步增大，甚至出现划定错误的情况，例如当一条道路上有2条雨水管道时，会出现道路一测管道的服务范围划定到道路另一侧，结果将导致模型模拟结果的错误。在实际工程规划设计中，受限于管网勘测精度的限制，根据排水管网模型的建设需求，通常会对排水管网进行一定程度的概化，对于概化后的模型，受限于概化程度以及概化后节点位置的分布，对应的基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法会对结果造成较大的影响。因此目前在排水管网模型和排水防涝模型建设中，在基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法基础上，仍需大量的人工手动调整工作，效率低而且误差较大，不能有效保证排水管网模型的质量。

3、城市雨水排放过程包括降雨、地表渗透、地表产流、地表汇流、管网排水等过程，如能合理识别雨水管道对应的雨水地表汇流范围，则可为管网汇水区的准确划定提供技术支撑。基于上述排水管网模型构建过程中模型汇水区划定存在的缺陷，本发明从排水管网模型构建的需求出发，根据雨水排放特征和地表流向特征，提出了一种基于管网位置和地表流向的排水管网模型汇水分区划定方法，避免了传统基于检查井节点位置的泰森多边形法划定汇水分区存在的弊端，无需进行大量的人工修正工作，主要数据处理过程均通过计算机自动化和批量化的实现，可大幅提高模型汇水区划定的工作效率，保证排水管网模型数据的质量，从而有效提高构建排水管网模型的质量。

技术实现思路

1、本发明主要为准确有效划定排水管网模型的汇水分区，提出了一种基于管网位置和地表流向的排水管网模型汇水分区划定方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于管网位置和地表流向的排水管网模型汇水分区划定方法，所述方法依次包含以下步骤：

4、(1)排水管网模型数据的导出

5、在划定模型汇水区之前，已经完成了排水管网模型图形数据和属性数据的转换，并构建好了排水管网模型的管网拓扑结，包括节点数据和管网数据，节点数据包括检查井节点、出水口节点等，节点数据属性字段包括节点编号等，管网数据属性字段包括管道编号、上游节点编号、下游节点编号等。

6、首先将排水管网模型中的管网数据导出为shapefile格式文件，命名为“排水管网”，管网数据属性字段需包括“上游节点编号”。

7、(2)排水管网模型数据的预处理

8、在arcgis中加载步骤(1)的“排水管网”文件，通过arcgis的“add field”即添加字段工具，为“排水管网”添加“value”字段，字段类型设置为双精度。通过“fieldcalculator”即字段计算器工具，采用vb脚本设置“value＝[fid]+1”，为各段排水管网自动增加唯一标识码。

9、(3)地形模型的创建和地形栅格数据的处理

10、(3.1)在arcgis中基于地形高程数据创建浮点型地形高程栅格数据，命名为“dem”。

11、(3.2)通过arcgis的“fill”即填洼工具，将步骤(3.1)创建的“dem”数据填充为无凹陷点的栅格数据，其中“输入表面栅格数据”选择步骤(3.1)创建的“dem”，“输出表面栅格”命名为“fill_dem”。

12、(3.3)通过arcgis的“flow direction”即流向工具，基于d8算法，创建基于无凹陷点栅格数据的流向栅格数据，其中“输入表面栅格数据”选择步骤(3.2)输出的“fill_dem”，“输出流向栅格数据”命名为“flowdir”。

13、(4)三级排水分区的预处理

14、在模型建设过程中，如果建模范围只有一个三级排水分区，则可直接基于步骤(2)处理后的排水管网和步骤(3)处理后的地形栅格数据识别模型的汇水分区。但在实际模型建设中通常有多个三级排水分区，通过手动方法逐个进行各三级排水分区内汇水分区划分的方法工作量相对较大，如能通过计算机程序自动选择各三级排水分区进行汇水分区划分，可大幅提升工作效率。为此，本发明通过迭代方法实现各三级排水分区内汇水分区的自动划分。三级排水分区为面层数据，以cad或shapefile格式存储，对于cad格式数据，需将其转为shapefile格式面层数据。

15、本步骤首先在arcgis中通过数据转换功能将三级排水分区数据转为shapefile格式面层数据，命名为“三级排水分区”，然后通过“add field”即添加字段工具，添加“id”字段，字段类型设置为字符串，最后通过“field calculator”即字段计算器工具，采用vb脚本设置“id＝[fid]+1”，为各三级排水分区自动增加唯一标识码。

16、(5)迭代要素设置

17、在arcgis的“model builder”即模型构建器中，插入“迭代要素选择”迭代器，通过迭代器按照“三级排水分区”文件的id字段逐个选择各三级排水分区，其中在“迭代要素选择”迭代器的“输入要素”中选择步骤(4)的“三级排水分区”，“按字段分组”选择“id”。通过本步骤依次选择的各三级排水分区将自动命名为“i_三级排水分区_id”。

18、(6)各三级排水分区内排水管网数据的栅格化转换

19、(6.1)在arcgis的模型构建器中，通过“select layer by location”即按位置选择图层工具，按照步骤(5)迭代选择三级排水分区的次序，依次自动在“i_三级排水分区_id”范围内选择步骤(2)处理后的“排水管网”数据，其中“输入要素图层”选择步骤(2)的“排水管网”，“关系”选择“within”，“选择要素”选择步骤(5)的“i_三级排水分区_id”，“选择类型”选择“new_selection”。通过本步骤选择的各三级排水分区内的“排水管网”数据将自动命名为“排水管网(2)”。

20、(6.2)在arcgis的模型构建器中，通过“feature to raster”即要素转栅格工具，创建基于步骤(6.1)生成的“排水管网(2)”数据和步骤(3)“dem”栅格数据的排水管网栅格数据，命名为“link”，其中“输入要素”选择“排水管网(2)”，“字段”选择“value”，“输出像元大小”设置为和步骤(3)“dem”像元大小相同的值，环境设置中的“范围”选择“dem”。

21、(7)各三级排水分区内管网汇水分区的自动识别

22、在arcgis的模型构建器中，通过“watershed”即分水岭工具，基于各三级排水分区内的排水管网栅格数据和地表流向栅格数据自动识别各三级排水分区内的管网的汇水分区，其中“输入流向栅格数据”选择步骤(3.3)的“flowdir”，“输入栅格数据或要素倾泻点数据”选择步骤(6.2)的“link”，“倾斜点字段”选择“value”，“输出栅格”命名为“watersh_flow”。

23、(8)各三级排水分区内管网汇水分区的转换和处理

24、通过步骤(7)生成的雨水系统三级排水分区数据为整型栅格格式数据，其“value”属性字段与排水管网“value”属性字段对应，即为各段排水管网的汇水分区。

25、(8.1)在arcgis的模型构建器中，通过“raster to polygon”即栅格转面工具，将栅格类型的管网汇水分区数据转换为面类型的数据，命名为“watersh_polygon”，其中“输入栅格”选择步骤(7)的“watersh_flow”，“字段”选择“value”。管网汇水分区栅格数据各像元的“value”属性值将自动转换至“watersh_polygon”的“gridcode”属性字段中。

26、(8.2)在arcgis的模型构建器中，通过“dissolve”即融合工具，自动合并“watersh_polygon”中“gridcode”属性值相同的面要素，即可生成各段排水管网的汇水分区范围。其中“输入要素”选择“watersh_polygon”，“融合_字段”选择“gridcode”，“输出要素类”命名为“子分区”。

27、(8.3)在arcgis的模型构建器中，通过“clip”即裁剪工具，提取位于步骤(6.1)中“i_三级排水分区_id”范围内的“子分区”图层范围，其中“输入要素”选择“子分区”，“裁剪要素”选择“i_三级排水分区_id”，“输出要素类”命名为“子分区_clip”。

28、(9)各三级排水分区内管网汇水分区的合并

29、通过步骤(5)-(8)依次生成了各三级排水分区内的管网汇水分区数据，但在迭代过程中生成的“子分区_clip”数据将替换上一次生成的数据，因此需将每次生成的数据自动保存在固定的文件中。

30、(9.1)通过arcgis的创建要素功能，创建新的shapefile格式文件，命名为“管网汇水分区”，要素类型设置为“polygon”，通过“add field”即添加字段工具，添加“gridcode”字段，字段类型设置为双精度。

31、(9.2)在arcgis的模型构建器中，通过“append”即追加工具，将步骤(8.3)生成的“子分区_clip”数据添加至步骤(9.1)创建的“管网汇水分区”图层中，其中“输入数据集”选择“子分区_clip”，“目标数据集”选择“管网汇水分区”，“方案类型”选择“no_test”。通过本步骤可将各三级排水分区内的管网汇水分区数据依次保存至“管网汇水分区”中，其中“子分区_clip”中“gridcode”字段的属性信息也将自动存储于“管网汇水分区”的“gridcode”字段中。

32、根据“gridcode”字段和“value”字段的对应关系，即可通过arcgis的“空间连接”功能与排水管网的“上游节点编号”进行关联，从而可将“管网汇水分区”数据导入模型并与对应的检查井节点进行有效连接。

33、本发明所述一种基于管网位置和地表流向的排水管网模型汇水分区划定方法的有益效果主要体现在：

34、1.采用本发明所述的方法，能够根据雨水排放特征和地表流向特征，基于排水管网位置信息和地表流向有效划定模型汇水分区，避免了传统基于检查井节点位置的泰森多边形法划定汇水分区存在的弊端，无需进行大量的人工修正工作，主要数据处理过程均通过计算机自动化和批量化的实现，可大幅提高模型汇水区划定的工作效率，保证排水管网模型数据的质量，从而有效提高构建排水管网模型的质量。

35、2.本发明所述方法具有可操作性，无需进行复杂的程序编写，只需基于arcgis既有工具即可完成各个步骤，操作简单，容易实现，保证了本发明的可实施性。