破解城市内涝难题：水文水动力模拟技术的智慧策略，复杂城市排水系统模型的建立

随着计算机的广泛应用和各类模型软件的发展，将排水系统模型作为城市洪灾评价与防治的技术手段已经成为防洪防灾的重要技术途径。本次培训将聚焦于综合利用GIS及CAD等工具高效地进行大规模城市排水系统水力模型的建立，利用SWMM实现排水系统水力模拟。讲解SWMM深度应用方法，包括在水质模拟、线控制功能、水质处理功能等。在讲解过程中会以案例的形式演示与其他软件（如AutoCAD、ArcGIS、MS Office）进行数据交换与协作的方法，以便学员在今后的工作中更加高效的进行多种软件之间的协同工作，以提高建模效率并拓展排水模型的使用广度。

本教程免费提供的慧天[HTWATER]软件。慧天排水数字化分析平台针对城市排水系统基础设施数据管理的需求，以及水文、水力及水质模拟对数据的需求，实现了以数据库方式对相应数据的存储。可以对分流制排水系统及合流制排水系统进行地表水文、管网水力、水质过程的模拟计算。可以对城市低影响开发措施的水文、水力、水质过程进行模拟计算。可以实现城市内涝一维二维耦合模拟计算，给出地面内涝水体的淹没深度、流动方向、流动速度的模拟结果。完全兼容SWMM模型格式，可以在本平台模型与SWMM模型之间实现转换。本平台模型数据及模拟结果以主流GIS数据库格式保存，可以利用ArcGIS、MS office等常用软件进行查看、编辑、制图，使用户可以更加灵活的对模型数据及结果数据进行扩展应用。

着重讲解利用慧天[HTWATER]软件进行城市内涝水文水动力耦合模拟及海绵城市关键控制指标计算方法。通过城市内涝模拟方法的应用获得指定降雨强度下城市内涝的水文水力计算结果，直观展示淹没深度、淹没进程、敏感地带水深变化等关键信息，为城市内涝防治规划提供有力的数据支撑。同时，慧天[HTWATER]软件还具有海绵城市关键控制指标的一键分析功能，可以在水力水质模拟结束后一键获得整体、单个汇水子面积的年径流总量控制率及污染物削减率的结果，极大提高海绵城市关键控制指标的计算效率。

通过学习，让参训学员掌握GIS、CAD数据为基础进行城市排水系统水力建模方法，能够完成复杂城市排水系统模型的建立。同时掌握水力模拟在排水防涝、海绵城市设计等工程实践领域的应用方法。了解城市内涝一维二维耦合水力计算原理，利用软件工具实现城市内涝模拟。

【城市内涝水文水动力模型介绍】

在城市排水防涝规划过程中，水文水动力耦合模型已经成为一种不可或缺的分析工具。在模型建立、城市内涝风险评估、排水系统性能诊断以及海绵城市规划等方面，内涝耦合模型提供了相应的模拟及分析工具：

1.1 丰富的数据处理功能，兼容CAD、GIS数据格式：慧天排水数字化分析平台兼容多种主流GIS数据格式(shape、geodatabase、raster等）。
1.2 丰富的模拟结果展示功能：利用慧天排水数字化分析平台的一维模型计算结果，结合GIS丰富的渲染及制图能力，制作排水系统性能评价专题图。可根据一维模拟计算结果，提供丰富的结果查看功能。
1.3 城市内涝一维二维耦合模拟：利用慧天排水数字化分析平台实现城市内涝耦合模拟，给出地面内涝水体的淹没深度、流动方向、流动速度等模拟结果，并提供丰富的结果查看及统计分析功能。
1.4 采用CUDA框架实现耦合模型并行求解：使用GPU进行二维模型求解，显著提高模型求解效率。
1.5 模拟结果精确可靠：通过与主流耦合模拟软件模拟结果都对比，慧天排水数字化分析平台的城市内涝耦合模拟结果精度高，并且与实际内涝结果相吻合。

以慧天排水数字化分析平台为基础工具开展科学研究，已发表多篇研究论文：

1.基于改进垂向流量交换的城市内涝模拟方法, 水科学进展, 2023,34(2): 218-226
2.基于弱耦合求解方法的排水管网底泥输运模拟, 同济大学学报(自然科学版),2020, 48(08): 1179-1187
3.基于CUDA架构的内涝一维二维耦合模型求解方法, 中国给水排水, 2020,36(17): 103-109
4.基于水力模型的城市排水系统评估与规划方法研究, 中国给水排水, 2016, (13): 136-139
5. Optimal Design of Combined Sewer Overflows Interception Facilities Based on the NSGA-III Algorithm, WATER, 2021,13(23)

第一部分数据准备及模型建立

通过标准化的步骤，利用CAD数据、GIS数据，在建模的不同阶段发挥不同软件的优势，实现高效的数据处理、准确的参数赋值、模型的快速建立。在不增加成本的情况下，利用常用的软件实现水力模型建模数据的生成与处理。

慧天排水兼容多种主流GIS数据格式(shape、geodatabase、raster等）。建模数据在GIS软件及慧天排水软件之间无缝切换，充分利用GIS软件及慧天软件各自的优势。

案例1.1 建模数据的前处理

建模数据准备过程中，慧天排水[HTWATER]软件的数据前处理功能可以高效的对建模数据进行快速的生成与组织。极大提高模型数据准备效率。慧天排水[HTWATER]软件的数据前处理功能可以实现：
①通过满足要求的管段数据自动生成节点；
②建立管网拓扑关系；
③读取节点地面高程；
④计算井底高程、井深；
⑤检查检查井异常数据并自动修正；
⑥按照流域进行汇水子面积划分；
⑦汇水子面积与出口节点自动关联。

案例1.2 一维模型快速建模方法

利用GIS数据实现城市排水系统一维模型(SWMM模型)的快速建模。通过对SWMM模型文件格式的分析，实现SWMM模型文件的快速编辑，从而快速的实现大规模管网模型的建立。