一種基于開源GIS的城市非點源污染負(fù)荷模型
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作者；鄭曉敏
非點源污染主要包括城市和農(nóng)業(yè)非點源污染，隨著城市化進(jìn)程加快，城市非點源污染占的比重也在逐步增大。城市非點源污染模型是研究城市非點源污染的重要手段和工具，主要的模型有SWMM模型、SLAMM模型、HSPF模型、STORM模型、DR3M -QUAL模型、HydroWorks模型等，其中SWMM模型在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用于城市暴雨洪水、排水管道等的規(guī)劃和設(shè)計以及城市非點源污染負(fù)荷的計算。SWMM模型具有適用性好的特點，能模擬單場或連續(xù)降雨徑流以及水質(zhì)變化情況。
GIS具有強(qiáng)大的空間分析及數(shù)據(jù)處理能力，將GIS與SWMM模型集成，不僅使得模型參數(shù)獲取變得更方便，而且能將空間圖形與表格相結(jié)合，加強(qiáng)模擬可視化效果，使研究更加直觀。GIS與SWMM模型集成方式主要有松散集成、緊密集成、完全集成3種方式。目前SWMM模型與GIS集成的軟件主要有國外的PCSWMM、MIKE SWMM、XP-SWMM，國內(nèi)的DigitaIWaterTM DrainageSystem，但這些軟件都是商業(yè)軟件，存在應(yīng)用成本高的問題，同時國內(nèi)還有許多學(xué)者也對SWMM與GIS集成做了研究，主要是基于ESRI提供的ArcGIS Engine，雖然集成后能提供豐富的功能，但與模型集成存在開發(fā)成本高、開發(fā)靈活度比較低的缺點。本文基于開源GIS集成SWMM模型，并以MongoDB數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了滇池流域城市非點源污染負(fù)荷模擬系統(tǒng)，節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)成本，同時加強(qiáng)了模擬結(jié)果的空間可視化效果。
1 系統(tǒng)相關(guān)概述
1.1 開源GIS
開源GIS具有免費、源代碼開放、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行定制開發(fā)，部分開源GIS產(chǎn)品還具有跨平臺的特點。開源GIS應(yīng)用研究主要包括軟件應(yīng)用和組件二次開發(fā)，前者主要有MapWindow、GRASS、QGIS、UDIG、SAGA、Sharp -Map等軟件，組件二次開發(fā)主要為MapWindow項目的MapWinGIS、DotSpatial組件。MapWinGIS是基于COM組件開發(fā)的，其核心庫是MapWinGIS提供的ActiveX控件，而DotSpatial是MapWinGIS的升級控件，完全基于.Net實現(xiàn)的GIS功能類庫，能提供圖形顯示操作和空間分析功能接口。系統(tǒng)采用DotSpatial組件進(jìn)行開發(fā)．開發(fā)成本低、效率高。
1.2 MongoDB數(shù)據(jù)庫
MongoDB數(shù)據(jù)庫是文檔型非關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，一個MongoDB實例由多個權(quán)限控制完全獨立的數(shù)據(jù)庫組成，每個數(shù)據(jù)庫包含多個數(shù)據(jù)集合，每個集合又由大量的文檔組成，集合與文檔類似于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表與記錄。文檔由多個鍵和其值組成，支持?jǐn)?shù)組與文檔，可以存儲復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，主要是以Bason格式存儲的。MongoDB具有無模式、易擴(kuò)展、高性能的特點，并且提供地理空間索引，方便存儲空間數(shù)據(jù)。利用MongoDB數(shù)據(jù)庫可以解決城市非點源污染模型涉及多種數(shù)據(jù)格式存儲的問題，減小數(shù)據(jù)庫設(shè)計難度，提高建庫效率。
2 系統(tǒng)分析與設(shè)計
2.1 系統(tǒng)目標(biāo)
系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是解決構(gòu)建滇池流域城市非點源污染模型（SWMM模型）過程中部分參數(shù)難以獲取、模型模擬結(jié)果可視化表達(dá)差、模型空間分析能力弱的問題，利用GIS的空間分析能力，自動獲取部分模型參數(shù)，提高SWMM模型構(gòu)建的效率，快速得到污染物遷移過程及時空分布狀況，加強(qiáng)模擬結(jié)果可視化效果，使研究結(jié)果更加形象直觀。
2.2 總體設(shè)計
根據(jù)城市非點源污染模型構(gòu)建以及模型模擬結(jié)果可視化表達(dá)的需求，系統(tǒng)采用實用性與易用性相結(jié)合、開放性與標(biāo)準(zhǔn)性相結(jié)合、可擴(kuò)展等原則，確定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，劃分功能模塊并確定模塊間的關(guān)系，設(shè)計系統(tǒng)的總體設(shè)計（圖1）。系統(tǒng)首先對收集的城市不透水表面資料（土地利用數(shù)據(jù)、排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、匯水區(qū)數(shù)據(jù)、污染物累積沖刷數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等）進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并以屬性數(shù)據(jù)或空問數(shù)據(jù)2種方式存到Mon-goDB數(shù)據(jù)庫中。從數(shù)據(jù)庫中讀取模型所需數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)平臺中對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯操作，運行模型，最后利用DotSpatial組件對模型模擬結(jié)果進(jìn)行空間可視化表達(dá)。
SWMM模型與開源GIS集成的方式如圖2所示。利用GIS對數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成inp文件，再調(diào)用SWMM計算引擎得到模擬結(jié)果，通過DotSpatial對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析和空間可視化分析。
2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計
系統(tǒng)采用MongoDB數(shù)據(jù)庫，它支持GIS豐富類型數(shù)據(jù)存儲，并且提供海量數(shù)據(jù)高效訪問。數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)如圖3所示。屬性數(shù)據(jù)庫包含氣象數(shù)據(jù)和模型模擬計算結(jié)果數(shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)包括研究范圍內(nèi)各雨量站的降雨數(shù)據(jù)，模擬計算結(jié)果包括模擬計算時各個時刻上每個構(gòu)筑物的水力和水質(zhì)信息�？臻g數(shù)據(jù)包含排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、匯水區(qū)數(shù)據(jù)。排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)包含節(jié)點（鉸點、出水口、排放口、蓄水設(shè)施等）的標(biāo)高、井深以及管段的幾何形狀、管徑、長度等。土地利用數(shù)據(jù)為矢量格式，是研究區(qū)內(nèi)土地利用分類現(xiàn)狀圖。匯水區(qū)數(shù)據(jù)主要包括匯水區(qū)的滲透性、面積、坡度等。數(shù)據(jù)庫中存儲屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)主要是以BSON格式存儲的（圖4），它是類似JSON的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，所有數(shù)據(jù)類型可以分為基本數(shù)據(jù)類型、數(shù)字、數(shù)組、日期、內(nèi)嵌文檔和_id。
2.4 功能設(shè)計
系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、地圖基本功能、管網(wǎng)概化、水力、水質(zhì)、模擬選項、結(jié)果展示、系統(tǒng)幫助等模塊，系統(tǒng)功能設(shè)計如圖5所示。
2.4.1 數(shù)據(jù)管理模塊
數(shù)據(jù)管理模塊主要數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載兩個部分。數(shù)據(jù)庫管理主要包括數(shù)據(jù)庫連接，對屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的添加、刪除、修改操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載包括矢量文件、柵格文件的加載，已有模型文件的加載、新建模型文件，其中加載模型文件會自動根據(jù)文件中的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建節(jié)點、管段、匯水區(qū)圖層并給每個圖層附上屬性值，將SWMM模型文件與空間地理實體聯(lián)系起來，擴(kuò)充SWMM模型的空間分析能力。
2.4.2 地圖基本功能模塊
基于Mapwindow提供的DotSpatial組件進(jìn)行開發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點，實現(xiàn)地圖的基本操作�？梢酝ㄟ^菜單欄，實現(xiàn)對矢量、柵格圖層的放大、縮小、漫游、全圖、平移、選擇，編輯圖層屬性信息，屬性查詢，長度、面積量算功能。
2.4.3 管網(wǎng)概化模塊
根據(jù)研究區(qū)地形和管網(wǎng)分布情況，以及土地利用類型、地面坡度等城市下墊面資料，對研究區(qū)進(jìn)行匯水區(qū)的劃分和管網(wǎng)的概化，繪制研究區(qū)節(jié)點、管段、匯水區(qū)圖層，在繪制圖層時通過編程實現(xiàn)部分參數(shù)自動賦值，比如匯水區(qū)的面積、滲透性、特征寬度、坐標(biāo)，平均坡度；管道的長度、坐標(biāo)；節(jié)點的坐標(biāo)以及各個匯水區(qū)土地利用占比等。
2.4.4 水力模塊
該模塊主要對節(jié)點（鉸點、排放口、分流器、蓄水設(shè)施）、管段（管渠、水泵、孔口、堰、出水口）、匯水區(qū)、雨量計、積雪、含水層、LID控制等參數(shù)的添加、修改、刪除操作。
2.4.5 水質(zhì)模塊
水質(zhì)模塊是該系統(tǒng)的核心之一，主要設(shè)置污染物的類型以及各個污染物在不同土地利用類型中的累積和沖刷函數(shù)。污染物累積模型集成了冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、飽和增長函數(shù)模型，沖刷模型集成了指數(shù)函數(shù)、流量特性沖刷曲線、次降雨平均濃度模型，用戶可以根據(jù)研究區(qū)實際情況選擇累積和沖刷函數(shù)。
2.4.6 模擬計算模塊
模擬計算模塊包括模擬條件設(shè)置、時間序列、時間模式、模擬計算4個部分。模型模擬需要選擇人滲模型、演算模型、模擬時間長度、時間步長、有壓管道計算公式等。模擬計算功能根據(jù)當(dāng)前加載的模型，從數(shù)據(jù)庫中生成模型輸入文件，同時調(diào)用SWMM En-gme計算引擎，運行模擬。
2.4.7 結(jié)果展示模塊
結(jié)果展示模塊包括結(jié)果圖表、統(tǒng)計圖表、結(jié)果總報表、縱斷面、專題圖制作、結(jié)果動態(tài)展示。結(jié)果圖表模塊將管網(wǎng)中每個要素（包括所有檢查井、管段、匯水區(qū)等）在模擬時間內(nèi)各個時刻的所有結(jié)果數(shù)據(jù)以曲線圖和表格表示，同時可將結(jié)果導(dǎo)出為圖片和Excel文件；統(tǒng)計功能可以對任意對象的不同結(jié)果變量進(jìn)行均值、峰值、總量、歷時等項目統(tǒng)計，同時可以生成頻數(shù)和累積頻率圖，并能統(tǒng)計數(shù)據(jù)導(dǎo)出為表格及通用的圖片格式；結(jié)果總報表為用戶提供各種模擬結(jié)果統(tǒng)計信息，包括徑流水質(zhì)水量統(tǒng)計、模擬誤差信息、節(jié)點水深、節(jié)點流量、節(jié)點溢流、管線過載、系統(tǒng)蓄水、出水口水質(zhì)水量統(tǒng)計等內(nèi)容；縱斷面模塊顯示選擇的起始節(jié)點和終止節(jié)點之間管段的縱剖面圖。
專題圖制作模塊根據(jù)模擬結(jié)果，制作節(jié)點、管段、匯水區(qū)各個時刻TN、TP、COD等污染物的負(fù)荷分布圖，為治理非點源污染提供數(shù)據(jù)支撐；動態(tài)顯示模塊能在地圖上動態(tài)顯示各個時刻不同構(gòu)筑物的水力及污染負(fù)荷變化信息，顯示匯水區(qū)內(nèi)TN、TP、COD、徑流量等隨著降雨變化的分布狀況。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
在Visual studi0 2010平臺上，利用Mapwindow提供的DotSpatial組件，結(jié)合MongoDB數(shù)據(jù)庫，使用C#語言開發(fā)實現(xiàn)了滇池流域城市非點源污染負(fù)荷模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)界面主要由五大部分組成(圖6(a))：第1部分是系統(tǒng)主菜單欄，采用選項卡方式；第2部分是工具欄，為用戶提供地圖的基本功能、城市非點源污染模型模擬功能以及結(jié)果的動態(tài)展示；第3部分是左側(cè)的圖層控制和工具箱，圖層控制負(fù)責(zé)管理矢量與柵格圖層，工具箱提供簡單的空間分析功能，如裁剪、坡度分析、矢柵互轉(zhuǎn)等；第4部分是中間的地圖窗口，用于顯示地圖；第5部分是右側(cè)的數(shù)據(jù)庫管理，負(fù)責(zé)連接MongoDB數(shù)據(jù)庫，讀取數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)庫。在模型構(gòu)建時，需要對管網(wǎng)屬性(圖6(b))、水力參數(shù)(圖6(c》、水質(zhì)參數(shù)(圖6(d))進(jìn)行編輯，最后模擬計算研究區(qū)的污染負(fù)荷。
4 應(yīng)用案例
以昆明市東風(fēng)西路片區(qū)作為示范區(qū)域，研究區(qū)包括53個檢查井節(jié)點（含出水口）和52條管段，管段總長約3 074 m，管徑范圍為400-1 400 mm，出水管段管徑為1400 mm;匯水區(qū)總面積約為31 hm2，被劃分為66個子匯水區(qū)域，各子匯水區(qū)的徑流作為節(jié)點人流量連接到檢查井。以2007年7月23日實測的降雨數(shù)據(jù)作為氣象數(shù)據(jù)輸入文件，運行系統(tǒng)得到研究區(qū)內(nèi)各個時間段的污染負(fù)荷，對結(jié)果以圖表、縱斷圖、總報表、專題圖、動態(tài)展示等顯示（圖7）。
5 結(jié)論
城市非點源污染負(fù)荷模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了開源GIS與SWMM模型的緊密集成，以MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲多格式的模型數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，并且以昆明市東風(fēng)東路片區(qū)為例驗證了系統(tǒng)的實用性。系統(tǒng)完全脫離SWMM平臺，與GIS功能有效結(jié)合，實現(xiàn)空間信息與模型數(shù)據(jù)的交互，提高了模型構(gòu)建效率，加強(qiáng)了SWMM模型模擬結(jié)果的空間可視化表達(dá)，為治理城市非點源污染提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。由于是基于MongoDB數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，未來可以考慮采用分布式存儲模型數(shù)據(jù)和分布式計算提高模型運算效率。
6摘 要：隨著點源污染不斷得到控制，非點源污染在城市水污染中所占的比重逐步增大，通過建立城市非點源污染負(fù)荷模擬系統(tǒng)，可以從空問上了解城市非點源污染產(chǎn)生和擴(kuò)散過程，為治理非點源污染提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該研究在借鑒目前城市非點源污染模型與GIS集成應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對商業(yè)GIS組件開發(fā)成本較高、開放性較差、開發(fā)靈活性較弱以及SWMM模型本身空間分析能力弱和空間可視化表達(dá)效果差等問題，借助開源GIS組件DotSpatial和MongoDB數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)GIS與SWMM模型的緊密集成，并以MongoDB數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)
交互中心管理模型數(shù)據(jù)，開發(fā)出具有開發(fā)出低成本、擴(kuò)展性強(qiáng)、高開放、靈活度高等特點的城市非點源污染負(fù)荷模擬系統(tǒng)。該研究選擇昆明市東風(fēng)東路片區(qū)作為研究區(qū)域，并用實測降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的實用性。
