一 技术描述
1 基于SWMM的汇水量计算
城市内涝是一个动态变化的过程，涉及众多的自然和人工设施要索，如地表街道、雨水管网、污水管网、合流制管网、明渠、水库、天然河道等，因此各种城市内涝模拟模型具有结构复杂和模拟参数多的特点。通常，把城市内涝的产汇流计算归纳为城市内涝产流计算、城市内涝地面汇流计算以及城市内涝地下管流计算三方面内容。 1.1 SWMM模型计算流程
—般来讲，使用SWMM模型构建一个较为完整的城市内涝模型需要准备以下几个方面的数据：
(1) 水文资料：对于模拟计算历史降雨径流，首先需要收集当时当地的降雨数据，至于蒸发数据，有的话更好，没有也影响不大。如果建模是用来评估当地的排水情况，也可以只用当地的城市设计暴雨公式，结合实际城市内涝情况来得到设计暴雨过程，代入模型进行计算。
(2) 管网资料：管网数据是最基本的数据，这类数据主要包括研究区域内地下排水管道的长度、管径（或长与宽）、管道始末端的高程，还有雨水井或者检查井深度、高程等数据。如果考虑双层排水，即街道也算作排水通道，则需要街道的宽度，高程之类的数据。除了这些，还需要收集当地一些排水设施如泵站、水闸等的基础数据和运行方式。
(3) 下垫面数据：主要包括土地利用类型、地形数据等，用来计算子汇水区透水率、确定土壤下渗率以及子汇水区坡度等参数。另外，如果有建筑物的分布则更好，可以结合管道流向来划分子汇水区。这些数据如果没有，也可以在谷歌，
百度地图上获取遥感图，在配准后，用一些遥感解析软件来提取透水率，建筑物的分布等数据。
(4) 边界数据：排水出口的边界，即下游排水末端与河道或者其它水体相连的排水口的边界，可以是潮位或者河道水位等。如果没有这些数据，只能当作自由出流处理，但这未必符合实际。另外，如果研究区域与外部其它排水区有水里交换，而且不可忽略时，则还需要准备这部分的边界条件。
有了以上数据以后，我们就可以进行SWMM建模了，其建模的主要流程如下图所示。
图 1 建模流程
1.2 SWMM模型结果输出
模型建立后，在SWMM软件中运行模型，结果会以报表格式进行输出，给出各个管网节点的城市内涝溢流量，如下图所示。
图 2 WMM模型软件界面（左图）及结果输出界面（右图）
我们也可以通过SWMM软件的断面图对于管网内的连通管段进行查看，模型可以给出该管段上不同位置节点处的检查井积水水位。
但是当降雨强度比较大，使得水位高出检查井上边界时，模型就无法计算出水位，只能给出溢流水量，我们不能利用SWMM模型直接得到地表的淹没范围和淹没水深分布。
2 基于“等体积”法城市道路淹没范围计算 2.1 算法原理
图 3 软件给出管段内不同的横截面
根据水的流体特性可以知道水的流动总是从高处向低处汇集。随着水量的不断增大，在某个集水区内水位不断上升，该集水区内高程值低于该水位的所有地面点即为受淹区域。
通常计算淹没范围方式分为有源淹没和无源淹没。无源淹没比较简单，即在研究区内给定一个水位平面，然后对研究区内所有地面点进行遍历，将低于水位的地面点加入受淹堆栈，遍历结束后，将受淹堆栈中的所有地面点进行淹没显示及得到淹没范围。无源淹没不考虑各地面点的连通特性，即不管水流是否可以到达该区域，只要该区域满足水位条件及加入受淹堆栈（例如环形山内部，水位只要不漫过环形山，环形山内部不可能有水，但无源淹没则会将该区域也加入淹没区）。而有源淹没是指在流域中某特定位置给定一个水位，然后首先通过计算在该水位条件下与该位置处相连通的区域，即连通域分析。根据水流的重力特性计算水会流到哪些区域，得到给定位置的连通域，则淹没过程就只会发生在连通域内，不在连通域内的区域不会被淹没。有源淹没比较符合水流的自然流动规律，也能很好避免水位未及山顶而环形山内部积水的情况，因此被广泛应用于内涝淹没分析研究中。
有源淹没还分为给定内涝水位H计算淹没范围和给定内涝水量Q计算淹没 范围两种，前者比较简单，只要计算出给定水位H下的连通域就可以得到淹没 范
图 4 水位库容对应关系示意图
围，后者首先需要根据内涝水量Q、集水区的水位库容曲线，找到对应的内涝水位H，才能计算连通域进而得到淹没范围。实际应用中我们不可能得到每一个积水点的水位库容曲线，但根据水量Q我们知道有且只有一个水位H与Q进行对应。对于特定集水区内，例如一个水库，一个库容Q必定对应一个水位H，增加或减小库容Q，相应水位也必定随之升高和降低；反之，抬高或降低水位H，库容Q也必定随之增加或减小。它们之间的关系可以用水库特性曲线中的水位库容曲线来表示，如图所示。
相同的，一个水位H必定对应一个淹没范围S，根据研究区DEM栅格大小将集水区分为一个个小的格网，分别计算每个格网内水的体积，然后将所有格网内水的体积相加得到总体积V，如下图所示。 2.2 二分法水位快速逼近
我们己知溢流点位置P和溢流量Q的情况下，在高精度DEM数据的基础上，根据上述方法，理论上可以求得淹没范围S和和内涝水位H，但在实际情况中往往需要找寻一种快速的方法进行水位的快速逼近。
对于区间[a，b]上连续不断且f(a)*f(b)<0的函数y=f(x)，通过不断地把函数 f(x)的零点所在的区间一分为二，使区间的两个端点逐步逼近零点，进而得到零 点近似值的方法叫二分法。使用二分法需要满足两个前提条件，首先函数f(x) 需
在区间[a，b]上连续，[a，b]区间中存在存在f(Xl)与f(x2)异号，从而确保了在 [a，b]区间中一定存在零点X。使得f(x0)=0。
图 5 DEM格网计算图示
2.3 搜索连通域
有源淹没算法的关键是寻找连通域，目前寻找连通域的方法一般采用种子 蔓延算法。种子蔓延算法首先需要在研究区的DEM中设置种子点（Seed)位置和种子点水位，然后基于四方向或八方向进行搜索，将种子周围点高程值与种子点水位进行比较，若种子点水位大于周围某点高程则将该点加入连通域，并将该点作为新的种子循环上述过程，直到没有新的种子点停止循环。其蔓延过程如果所示：
图 6 种子蔓延过程
对于给定内涝水位floodLevel，若初始种子点高程小于floodLevel则将其添 加到淹没堆栈中，并将该点的淹没属性isFlood标记为TRUE,然后对该点周围8个邻域单元网格进行判断若demAntilLihfloodLevel则将其添加进淹没堆栈中， 将其淹没属性isFlood设置为TRUE,判断完毕后弹出堆栈的第一个元素进行下个循环，直至淹没堆栈中没有元素为止，这样最后得到的iSFloodU[]数组中值为 TRUE的元素所对应的栅格组成的区域即为所要找的连通域。
该过程中，每次判断邻域高程点是否小于内涝水位floodLevel前需要首先判断该栅格的isFlood是否为TRUE，若为TRUE，则说明该栅格己经被添加入淹没堆栈中，跳过该栅格继续判断下一个栅格，这样避免了重复判断陷入死循环。
2.4 寻找初始积水点
实际降雨过程中，雨水会在所有的DEM格网内降落，根据水流的重力特性， 我们知道水流会沿着DEM格网最陡峭的一条或多条路径汇集到一个区域最低洼 的地方，并在该点开始向周围蔓延扩散，该点即为种子蔓延算法的初始种子点 (Seed)。要想寻找初始种子点，我们要知道DEM各个栅格内水流的方向。。
单流向算法假定每个单元格的水流只能从一个方向流出，一般选择单元格 间落差最大的方向作为流向。由于城市地形受人工干预比较大，地形相对自然地表光滑平整许多，很少有小的洼地出现，可将DEM数据中小的洼地看做异常数据进行处理，在计算城市路面水流方向时单流向算法即能满足要求。单流向算法包括D8方法、R1iq8方法、Lea方法、DEMON方法和D〇d法等，目前应用最广泛的是D8方法。
DS算法最早由O’Callaghan和Mark于1984年提出，算法将自然界的水流流向按照45°进行划分，共分S个方向，水流只能按照这8个方向进行流动，对于3x3的DEM格网，中间栅格水流方向为与周围8邻域栅格距离权落差最大的格网方向[63]。其具体过程如图4。9所示，首先根据原始DEM计算中心栅格与周 围8个邻域栅格的高差，然后计算距离权高差（距离权高差计算方法为：水平和竖直方向等于高差，对角方向为高差除以)，最后最大距离权落差方向即为水流方向。
图 7 算法流程
二 应用讲解
1 积水点添加 1.1 技术细节描述
城市建设大数据应用系统，系统初始状态时，通用将地形影像、高程数据、GIS数据等多层数据叠加。为了实现与现状相吻合的三维模拟场景，通过采用世界通用的坐标系，系统支持多种坐标种类，如：北京54，西安80，大地坐标等。积水点的添加主要是基于三维模拟场景的操作，通过拾取兴趣点进行标注，已达
到积水点标注的效果。系统触发积水点添加事件绑定鼠标点击事件拾取坐标的API与业务表单相结合将坐标信息，表单信息一并提交保存。 1.2 界面设计
1.3 功能项说明
功能项 描述 在系统中选定一处位置坐标，输入积水名称、积水点添加 积水位置、积水深度、积水程度及积水原因积水点信息并保存 1.4 代码实例
2 积水点分布管理 2.1 功能技术描述
城市建设大数据应用系统可以实现对历史积水点及现状积水点的分布查询，用户触发积水点分布查询事件，基于GIS技术，将数据库中的积水点信息进行三维表达，实现在地图上对廊坊市主城区主要易积水点位置进行标注，形成城市建设大数据积水点分布图，并将历史积水点及现状积水点按照积水程度轻度、中度和重度三个等级不同颜色进行标注。该过程为坐标对应过程，大致流程为：触发积水点分布事件与应用系统GIS技术相关系实现坐标一一对应并标注实现数据的三维展示。 2.2 界面设计
2.3 功能项说明
功能项 描述 检索系统中对应的积水点信息，并按积水程度积水点信息检索 轻度积水、中度积水和重度积水三个等级，用不同颜色进行标注 基于GIS技术，在地图上对廊坊市主城区主要易积水点位置进行标注，形成廊坊市积水点分布图，并将历史积水点及现状积水点按照积水程度轻度、中度和重度三个等级不同颜色进行标注。 2.4 代码实例
3 积水点模拟 3.1 应用技术描述
城市建设大数据应用系统内涝分析，根据“等体枳”法计算道路淹没范围和淹没水深值，在三维场景中进行三维可视化，分别对所有PlaneGeometry进行判断，若i行j列的PlaneGeometry[i][j]的淹没标记isFlood[i]的值为TRUE，则为该格网平面添加淹没水面，否则不添加，所有格网平面判断后即得到淹没范围，在浏览器中淹没范围的浏览效果如下图所示。
基于SWMM的汇水计算公式对整个降雨时间序列的节点溢流水分别进行计算，转化为淹没范围和水深值然后在三维场景中添加动态水面，得到相应时间序列的积水深度值和积水面积，就可以模拟整个降雨过程的淹没情况。根据计算结果模拟城市内涝，如下图所示。 3.2 界面设计
图 8 雨洪动态模拟
3.3 功能项说明
功能项 描述 检索系统中对应的积水点信息，并按积水程度积水点信息检索 轻度积水、中度积水和重度积水三个等级，用不同颜色进行标注 3.4 代码实例
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