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(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院，湖北武漢430074;2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004;3.黃河水利委員會(huì)水文局黃河水文勘察測(cè)繪局，河南鄭州450000;4.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，湖北武漢430073;5.71621部隊(duì)，河南洛陽(yáng)471100)

一、引 言

GIS經(jīng)過(guò)了40多年的發(fā)展，到今天已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且得到了極廣泛的應(yīng)用。尤其是近些年，GIS更以其強(qiáng)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(jì)算機(jī)技術(shù)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(qiáng)，大量的空間信息可以集成到三維GIS中進(jìn)行使用。基于城市GIS的輔助決策支持系統(tǒng)在城市暴雨水管理模型領(lǐng)域中的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)［1］。

結(jié)構(gòu)和功能合理的城市暴雨管理系統(tǒng)，對(duì)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(duì)城市暴雨水管理模型建設(shè)的要求，借助GIS獨(dú)有的模型分析功能和可視化表達(dá)可提高城市暴雨水管理的效率和科學(xué)性［1］。有效進(jìn)行GIS開發(fā)工作的理想平臺(tái)應(yīng)該是一個(gè)跨平臺(tái)、基于標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用軟件［2］。ArcGISEngine就是這樣一個(gè)GIS框架，它是一個(gè)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(yīng)用程序。基于ArcGISEngine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(yàn)小區(qū)概況及其水容積—水位關(guān)系

試驗(yàn)小區(qū)為江蘇揚(yáng)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(chǔ)高程為7.46 m(黃海高程系)。小區(qū)內(nèi)有綜合服務(wù)區(qū)，小山面積大約占其1/3，是一個(gè)具有典型代表的綜合小區(qū)。小區(qū)排水管網(wǎng)縱橫交錯(cuò)與市政管道相連，且大多沿小區(qū)內(nèi)道路建設(shè)，雨水在市政管道內(nèi)匯集后一起排入長(zhǎng)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(guò)全站儀或GPS、激光測(cè)距儀等進(jìn)行測(cè)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(yīng)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(shù)條件等。筆者先利用地形圖上的離散點(diǎn)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(guò)進(jìn)行水文分析如匯水區(qū)分析、水系網(wǎng)絡(luò)分析、降雨分析、蓄洪計(jì)算、積水分析和徑流分析等來(lái)預(yù)測(cè)、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(shí)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步分析積水損失，評(píng)估計(jì)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(guān)系曲線。

圖1 小區(qū)水容積—水位關(guān)系曲線

三、暴雨過(guò)程線模型和調(diào)蓄過(guò)程模型的建立

1.暴雨過(guò)程線模型的建立

我國(guó)在城市排水及管道設(shè)計(jì)中常常使用的暴雨強(qiáng)度公式為

式中，i為暴雨強(qiáng)度，單位為L(zhǎng)/(S·hm2);A為重現(xiàn)期為一年的設(shè)計(jì)降雨雨量;C為雨量變動(dòng)參數(shù);P為降雨重現(xiàn)期;td為降雨歷時(shí)，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(shí)td(min)、單位面積上的超過(guò)重現(xiàn)期P的降雨量。可以通過(guò)各地實(shí)際情況設(shè)置降雨歷時(shí)和降雨重現(xiàn)期得到該地的暴雨強(qiáng)度。設(shè)167A(1+C lg P)為a，便可得到Hormer降雨強(qiáng)度公式

式中，i(t)為降雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化的函數(shù)。

聯(lián)立式(2)、式(3)并對(duì)等式兩邊同時(shí)微分得

在芝加哥暴雨過(guò)程線模型中引入?yún)?shù)雨峰系數(shù)r(0＜r＜1)來(lái)描述降雨峰值發(fā)生時(shí)間，并通過(guò)大量項(xiàng)目驗(yàn)證了芝加哥暴雨過(guò)程線模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能很好吻合。芝加哥暴雨過(guò)程線模型在北美地區(qū)得到了很好的應(yīng)用［3］。引入雨峰系數(shù)，由式(4)便得到以峰值時(shí)間點(diǎn)為零點(diǎn)的峰前降雨時(shí)間序列公式(即式(5))和峰后降雨時(shí)間序列公式(即式(6))。

2.調(diào)蓄過(guò)程模型的建立

在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)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(yán)密、結(jié)構(gòu)完整的計(jì)算系統(tǒng)［1］。對(duì)于雨水變化過(guò)程可分為3個(gè)部分，即降雨、排水和匯流。由于筆者要分析研究的是強(qiáng)度暴雨，故在降雨過(guò)程中可將全部小區(qū)空間作為一個(gè)整體，不再對(duì)各個(gè)匯水區(qū)進(jìn)行單獨(dú)分析。所以由式(5)、式(6)可得第i個(gè)時(shí)間段末的徑流流量

式中，Q入ti為第i時(shí)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(quán)平均的方法計(jì)算小區(qū)整體暴雨徑流系數(shù)。對(duì)于該小區(qū)，筆者通過(guò)計(jì)算得出其徑流系數(shù)q為0.62。

在排水過(guò)程中主要考慮雨水箅的過(guò)流能力，但是在國(guó)內(nèi)外的資料和現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中都沒(méi)有雨水箅過(guò)流能力的詳細(xì)資料。浙江大學(xué)水工結(jié)構(gòu)與水環(huán)境研究所進(jìn)行了雨水箅的流量與水位關(guān)系模型試驗(yàn)，以建立各類雨水箅進(jìn)水水頭與進(jìn)水流量之間的關(guān)系［1］。其側(cè)立式雨水箅與水位關(guān)系公式為

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

匯流過(guò)程就是建立徑流流量與排水流量的關(guān)系。在調(diào)蓄過(guò)程某個(gè)時(shí)段中，當(dāng)雨勢(shì)漸強(qiáng)時(shí)雨水不能及時(shí)流入雨水箅中，還停留在建筑、草坪、道路上。調(diào)蓄過(guò)程模型就是在某一個(gè)時(shí)段起始的匯水量(等于上一個(gè)時(shí)段未的匯水量)與該時(shí)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(gè)時(shí)段末匯水量，單位為m3;Q入i+1為第 i+1個(gè)時(shí)段末的徑流流量;Q出i+1為第i+1個(gè)時(shí)段末的排水流量;T為時(shí)段，取300 s。

第i時(shí)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(guān)系，并利用第i時(shí)段末的匯水量Vi查找相對(duì)應(yīng)的H，再利用式(8)對(duì)小區(qū)內(nèi)每個(gè)雨水箅的排水量進(jìn)行計(jì)算進(jìn)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(guò)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(shè)，將在城市小區(qū)防洪減災(zāi)中提供強(qiáng)有力的技術(shù)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(yīng)急決策中，實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)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(zāi)預(yù)警和正確處理能力，夯實(shí)城市小區(qū)應(yīng)急管理基礎(chǔ)。針對(duì)本試驗(yàn)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(shí)間的關(guān)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(guò)程圖

2.調(diào)蓄過(guò)程模型的三維實(shí)現(xiàn)

我們生活在一個(gè)充滿三維物體的三維世界中，為了使計(jì)算機(jī)能精確地模擬再現(xiàn)這些問(wèn)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(shí)現(xiàn)是用一種直接的易于理解的方式準(zhǔn)確地表達(dá)三維形體復(fù)雜的信息。可利用ArcGISEngine開發(fā)包提供的ILayerExtensions、I3DProperties等接口對(duì)房屋圖層的所有房屋元素進(jìn)行三維拉伸，并在ArcGISEngine組件庫(kù)提供的SceneControl控件中進(jìn)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(guò)程中不同時(shí)段的水位變化，并賦予WaterPlan圖層不同的水位高度，用于動(dòng)態(tài)演示暴雨調(diào)蓄過(guò)程中試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)水位變化的整體過(guò)程，記錄水位變化的最大值并實(shí)現(xiàn)其三維效果(如圖3所示，圖中深色為WaterPlan圖層，設(shè)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(yǔ)

筆者基于.NET開發(fā)平臺(tái)，利用C#開發(fā)語(yǔ)言，使用ArcGISEngine開發(fā)包編程實(shí)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(zāi)提供圖、數(shù)一體化的分析模式，為決策指揮的科學(xué)性、及時(shí)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(duì)積水深度、積水時(shí)間作出精確預(yù)報(bào)。暴雨水調(diào)蓄模型的三維分析系統(tǒng)將為城市防災(zāi)減災(zāi)能力的提高、人民生活的改善起到積極的推動(dòng)作用。

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