作者；郑晓敏
非点源污染主要包括城市和农业非点源污染，随着城市化进程加快，城市非点源污染占的比重也在逐步增大。城市非点源污染模型是研究城市非点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模型在国内被广泛应用于城市暴雨洪水、排水管道等的规划和设计以及城市非点源污染负荷的计算。SWMM模型具有适用性好的特点，能模拟单场或连续降雨径流以及水质变化情况。
GIS具有强大的空间分析及数据处理能力，将GIS与SWMM模型集成，不仅使得模型参数获取变得更方便，而且能将空间图形与表格相结合，加强模拟可视化效果，使研究更加直观。GIS与SWMM模型集成方式主要有松散集成、紧密集成、完全集成3种方式。目前SWMM模型与GIS集成的软件主要有国外的PCSWMM、MIKE SWMM、XP-SWMM，国内的DigitaIWaterTM DrainageSystem，但这些软件都是商业软件，存在应用成本高的问题，同时国内还有许多学者也对SWMM与GIS集成做了研究，主要是基于ESRI提供的ArcGIS Engine，虽然集成后能提供丰富的功能，但与模型集成存在开发成本高、开发灵活度比较低的缺点。本文基于开源GIS集成SWMM模型，并以MongoDB数据库作为系统数据库，开发了滇池流域城市非点源污染负荷模拟系统，节约系统开发成本，同时加强了模拟结果的空间可视化效果。
1 系统相关概述
1.1 开源GIS
开源GIS具有免费、源代码开放、可扩展性强的特点，用户可以根据自己的需求进行定制开发，部分开源GIS产品还具有跨平台的特点。开源GIS应用研究主要包括软件应用和组件二次开发，前者主要有MapWindow、GRASS、QGIS、UDIG、SAGA、Sharp -Map等软件，组件二次开发主要为MapWindow项目的MapWinGIS、DotSpatial组件。MapWinGIS是基于COM组件开发的，其核心库是MapWinGIS提供的ActiveX控件，而DotSpatial是MapWinGIS的升级控件，完全基于.Net实现的GIS功能类库，能提供图形显示操作和空间分析功能接口。系统采用DotSpatial组件进行开发．开发成本低、效率高。
1.2 MongoDB数据库
MongoDB数据库是文档型非关系数据库系统，一个MongoDB实例由多个权限控制完全独立的数据库组成，每个数据库包含多个数据集合，每个集合又由大量的文档组成，集合与文档类似于关系数据库的表与记录。文档由多个键和其值组成，支持数组与文档，可以存储复杂的数据类型，主要是以Bason格式存储的。MongoDB具有无模式、易扩展、高性能的特点，并且提供地理空间索引，方便存储空间数据。利用MongoDB数据库可以解决城市非点源污染模型涉及多种数据格式存储的问题，减小数据库设计难度，提高建库效率。
2 系统分析与设计
2.1 系统目标
系统设计的目标是解决构建滇池流域城市非点源污染模型（SWMM模型）过程中部分参数难以获取、模型模拟结果可视化表达差、模型空间分析能力弱的问题，利用GIS的空间分析能力，自动获取部分模型参数，提高SWMM模型构建的效率，快速得到污染物迁移过程及时空分布状况，加强模拟结果可视化效果，使研究结果更加形象直观。
2.2 总体设计
根据城市非点源污染模型构建以及模型模拟结果可视化表达的需求，系统采用实用性与易用性相结合、开放性与标准性相结合、可扩展等原则，确定系统总体结构，划分功能模块并确定模块间的关系，设计系统的总体设计（图1）。系统首先对收集的城市不透水表面资料（土地利用数据、排水管网数据、汇水区数据、污染物累积冲刷数据、气象数据等）进行数据预处理，并以属性数据或空问数据2种方式存到Mon-goDB数据库中。从数据库中读取模型所需数据，在系统平台中对数据进行编辑操作，运行模型，最后利用DotSpatial组件对模型模拟结果进行空间可视化表达。
SWMM模型与开源GIS集成的方式如图2所示。利用GIS对数据库中存储的数据进行预处理，生成inp文件，再调用SWMM计算引擎得到模拟结果，通过DotSpatial对模拟结果进行统计分析和空间可视化分析。
2.3 数据库设计
系统采用MongoDB数据库，它支持GIS丰富类型数据存储，并且提供海量数据高效访问。数据库建设包括属性数据库和空间数据库的建设如图3所示。属性数据库包含气象数据和模型模拟计算结果数据，其中气象数据包括研究范围内各雨量站的降雨数据，模拟计算结果包括模拟计算时各个时刻上每个构筑物的水力和水质信息。空间数据包含排水管网数据、土地利用数据、汇水区数据。排水管网数据包含节点（铰点、出水口、排放口、蓄水设施等）的标高、井深以及管段的几何形状、管径、长度等。土地利用数据为矢量格式，是研究区内土地利用分类现状图。汇水区数据主要包括汇水区的渗透性、面积、坡度等。数据库中存储属性数据和空间数据主要是以BSON格式存储的（图4），它是类似JSON的二进制数据格式，所有数据类型可以分为基本数据类型、数字、数组、日期、内嵌文档和_id。
2.4 功能设计
系统包括数据管理、地图基本功能、管网概化、水力、水质、模拟选项、结果展示、系统帮助等模块，系统功能设计如图5所示。
2.4.1 数据管理模块
数据管理模块主要数据库管理和系统数据加载两个部分。数据库管理主要包括数据库连接，对属性数据库和空间数据库的添加、删除、修改操作。系统数据加载包括矢量文件、栅格文件的加载，已有模型文件的加载、新建模型文件，其中加载模型文件会自动根据文件中的数据，创建节点、管段、汇水区图层并给每个图层附上属性值，将SWMM模型文件与空间地理实体联系起来，扩充SWMM模型的空间分析能力。
2.4.2 地图基本功能模块
基于Mapwindow提供的DotSpatial组件进行开发，结合系统数据的特点，实现地图的基本操作。可以通过菜单栏，实现对矢量、栅格图层的放大、缩小、漫游、全图、平移、选择，编辑图层属性信息，属性查询，长度、面积量算功能。
2.4.3 管网概化模块
根据研究区地形和管网分布情况，以及土地利用类型、地面坡度等城市下垫面资料，对研究区进行汇水区的划分和管网的概化，绘制研究区节点、管段、汇水区图层，在绘制图层时通过编程实现部分参数自动赋值，比如汇水区的面积、渗透性、特征宽度、坐标，平均坡度；管道的长度、坐标；节点的坐标以及各个汇水区土地利用占比等。
2.4.4 水力模块
该模块主要对节点（铰点、排放口、分流器、蓄水设施）、管段（管渠、水泵、孔口、堰、出水口）、汇水区、雨量计、积雪、含水层、LID控制等参数的添加、修改、删除操作。
2.4.5 水质模块
水质模块是该系统的核心之一，主要设置污染物的类型以及各个污染物在不同土地利用类型中的累积和冲刷函数。污染物累积模型集成了幂函数、指数函数、饱和增长函数模型，冲刷模型集成了指数函数、流量特性冲刷曲线、次降雨平均浓度模型，用户可以根据研究区实际情况选择累积和冲刷函数。
2.4.6 模拟计算模块
模拟计算模块包括模拟条件设置、时间序列、时间模式、模拟计算4个部分。模型模拟需要选择人渗模型、演算模型、模拟时间长度、时间步长、有压管道计算公式等。模拟计算功能根据当前加载的模型，从数据库中生成模型输入文件，同时调用SWMM En-gme计算引擎，运行模拟。
2.4.7 结果展示模块
结果展示模块包括结果图表、统计图表、结果总报表、纵断面、专题图制作、结果动态展示。结果图表模块将管网中每个要素（包括所有检查井、管段、汇水区等）在模拟时间内各个时刻的所有结果数据以曲线图和表格表示，同时可将结果导出为图片和Excel文件；统计功能可以对任意对象的不同结果变量进行均值、峰值、总量、历时等项目统计，同时可以生成频数和累积频率图，并能统计数据导出为表格及通用的图片格式；结果总报表为用户提供各种模拟结果统计信息，包括径流水质水量统计、模拟误差信息、节点水深、节点流量、节点溢流、管线过载、系统蓄水、出水口水质水量统计等内容；纵断面模块显示选择的起始节点和终止节点之间管段的纵剖面图。
专题图制作模块根据模拟结果，制作节点、管段、汇水区各个时刻TN、TP、COD等污染物的负荷分布图，为治理非点源污染提供数据支撑；动态显示模块能在地图上动态显示各个时刻不同构筑物的水力及污染负荷变化信息，显示汇水区内TN、TP、COD、径流量等随着降雨变化的分布状况。
3 系统实现
在Visual studi0 2010平台上，利用Mapwindow提供的DotSpatial组件，结合MongoDB数据库，使用C#语言开发实现了滇池流域城市非点源污染负荷模拟系统。系统界面主要由五大部分组成(图6(a))：第1部分是系统主菜单栏，采用选项卡方式；第2部分是工具栏，为用户提供地图的基本功能、城市非点源污染模型模拟功能以及结果的动态展示；第3部分是左侧的图层控制和工具箱，图层控制负责管理矢量与栅格图层，工具箱提供简单的空间分析功能，如裁剪、坡度分析、矢栅互转等；第4部分是中间的地图窗口，用于显示地图；第5部分是右侧的数据库管理，负责连接MongoDB数据库，读取数据以及管理数据库。在模型构建时，需要对管网属性(图6(b))、水力参数(图6(c》、水质参数(图6(d))进行编辑，最后模拟计算研究区的污染负荷。
4 应用案例
以昆明市东风西路片区作为示范区域，研究区包括53个检查井节点（含出水口）和52条管段，管段总长约3 074 m，管径范围为400-1 400 mm，出水管段管径为1400 mm;汇水区总面积约为31 hm2，被划分为66个子汇水区域，各子汇水区的径流作为节点人流量连接到检查井。以2007年7月23日实测的降雨数据作为气象数据输入文件，运行系统得到研究区内各个时间段的污染负荷，对结果以图表、纵断图、总报表、专题图、动态展示等显示（图7）。
5 结论
城市非点源污染负荷模拟系统实现了开源GIS与SWMM模型的紧密集成，以MongoDB数据库存储多格式的模型数据，降低了系统开发成本，并且以昆明市东风东路片区为例验证了系统的实用性。系统完全脱离SWMM平台，与GIS功能有效结合，实现空间信息与模型数据的交互，提高了模型构建效率，加强了SWMM模型模拟结果的空间可视化表达，为治理城市非点源污染提供了数据依据。由于是基于MongoDB数据库开发的，未来可以考虑采用分布式存储模型数据和分布式计算提高模型运算效率。
6摘 要：随着点源污染不断得到控制，非点源污染在城市水污染中所占的比重逐步增大，通过建立城市非点源污染负荷模拟系统，可以从空问上了解城市非点源污染产生和扩散过程，为治理非点源污染提供数据依据。该研究在借鉴目前城市非点源污染模型与GIS集成应用的基础上，针对商业GIS组件开发成本较高、开放性较差、开发灵活性较弱以及SWMM模型本身空间分析能力弱和空间可视化表达效果差等问题，借助开源GIS组件DotSpatial和MongoDB数据库，实现GIS与SWMM模型的紧密集成，并以MongoDB数据库为数据
交互中心管理模型数据，开发出具有开发出低成本、扩展性强、高开放、灵活度高等特点的城市非点源污染负荷模拟系统。该研究选择昆明市东风东路片区作为研究区域，并用实测降雨数据进行模拟分析，结果表明系统具有良好的实用性。
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