城市污水管网地理信息系统设计

金建华　 曾德飞　 杨晓芳
武汉理工大学建筑学院市政工程　　　 430070

　　摘要：以地理信息系统(GIS)为技术支持，结合污水管网管理的实际需求，在VB环境下利用GeoMap控件进行二次开发，建立了污水管网地理信息系统。该系统充分发挥了GIS对空间、属性数据的编辑、管理、显示和查询的功能，并实现了在GIS环境下对污水管网流量的动态模拟和水质的分析预测功能。
　　关键词：污水管网；地理信息系统；水量模拟计算；水质分析

1 引言

　　利用GIS技术建立城市污水管网管理信息系统已经成为城市水环境综合治理的迫切需要。本文以武汉某经济开发区水环境综合治理工程为背景，建立一个应用型GIS系统。该系统建成后将有利于该地区的水环境综合治理工程顺利进行，能够提供包括及时的水量、水质报告，同时也可为城市的规划提供最新的资料，这些都将加快城市的现代化建设步伐。

2 系统的建立及其功能

　　信息系统的管理对象是图像信息和数据信息，信息量比较大而且精度要求很高，应根据实际的情况来制定不同的数据录入方案。
2.1 系统建立
　　该开发区已开发面积约为15.35平方公里，总人口约5.8万人；污水系统由约25公里管网、2个污水提升泵站、2000多个污水检查井和一座污水处理厂组成。
　　根据实际情况，制定如下数据录入方案：首先，图形资料选用污水管网电子图，为了提高系统中各个要素的检索速度，便于系统的灵活调用、更新、管理和输出，把与污水设施相关的图形数据分成4层，具体为：（1）污水管网层；（2）合流制管网层；（3）检查井层(点状)；（4）其他背景地物层(作为栅格文件插入调用)。在建立了AutoCAD和GIS图层之间的一一对应的关系后，通过GeoStar提供的数据类型转换功能将其转换成为GeoMap支持的图形数据格式；其次，按照信息系统对数据的不同管理要求分别处理各图层数据，即将其他背景地物层数据处理成地图库文件作为系统的参考背景信息，将污水管网层、合流制管网层和检查井层数据处理成具有拓扑关系的网络文件以模拟实际管网。属性数据的输入放到图形数据录入工作以后，为此，专门设计了一套用于输入属性数据的程序，该程序可直接对数据库进行操作，并提供了数据检查功能。
　　本系统在VB环境下利用GeoMap控件进行二次开发，数据库选用Microsoft Access，系统登录界面和主界面如图1和图2所示。

　　　　　 　　　　　　　

2.2 数据库设计
　　图形数据库主要贮存与污水管线相关的图形数据，它包括道路背景图、污水管线图、各管线对应的附属物（如检查井、泵站、污水处理厂等）以及各管线对应的注记等；图形数据用拓扑关系贮存管线之间的联接关系，包括节点位置、管线弧段等信息。属性数据库由泵站、污水处理厂、检查井、管段、水质、排水用户等多个数据库组成，包括各类管网及其附属物的位置、结构的属性信息，用E—R模型反映其间的联系如图3所示。

2.3 系统主要功能及实现
　　系统主要功能模块如图4所示。

　　(1) 建立污水流量模拟水力模型：实现污水管网流量的动态模拟，反映污水管网各管段污水流量随时间的动态变化情况。
　　GIS环境下污水管网流量的计算比较合适的方法是递归算法。污水管网是一种重力流的支状结构网络，整个网络可以抽象为由若干有向树构成的森林，对于每棵有向树而言，根节点表示污水处理厂，叶节点为污水收集节点，内节点（除根节点和叶节点以外的节点）是污水传输节点，同时也可能是污水收集节点（当有本段流量时），树枝代表污水管段，树的方向性表现在污水是从叶节点（或内节点）逐级往下游管段和节点流动，直至达到根节点的。
　　在计算管段流量之前，先建立反应污水管网中管段与管段、管段与节点相关信息的逻辑和量化关系的链式表，以便进行有效的递归运算，其内容包括：
　　1 管段索引号i；
　　2 父管段索引号Findex(i)（本段相邻的下游管段在链式表中的索引号）；
　　3 管段起始节点号FN(i) ；
　　4 管段终止节点号TN(i)；
　　5 集中流量Qcollect(i)（从工业企业或其他大型公共建筑物流过来的污水）；
　　6 本段流量Qarea(i) (从管段沿线街坊流过来的污水)；
　　7 管段平均流量 Q (i)；
　　8 管段最大时流量 Qmost(i)；
　　9 管段子管段数Cnumber(i)（本段上游管段数）；
　　10 管段计算未完成标志Unfinished(i)（1：未完成；0：已完成）。
　　建立属性表并将其初始化之后，开始用递归算法计算每根管段的流量。初始化主要包括以下主要步骤：
　　1 预置数据库表中的管段平均流量Q(i)为对应管段的集中流量Qcollect(i)和管段流量Qarea(i)之和； 2 预置数据库表中的管段父管段索引号、子管段数均为0；管段计算未完成标志为1。
　　3 建立管段之间的父­—子关系，计算出每根管的子管段数。
　　递归算法包括主调用和递归调用两个过程，主调用给出程序的入口的判断条件，递归调用完成流量的递归计算。其算法主要描述如下： (返回的Q(i)为管段平均流量,Qmost(i)为管段最大时流量);
　　1 主调用(mainprogram) 　　　　（n为污水管网总管段数）

　　　　　For i = 1 To n
　　　　　 If cnumber(i) = 0 ∧ unfinished(i) = 1
　　　　　Then　 recursion (i)　　　　　　　　　　　 ‘搜索子管段数为0且未计算完毕的管段，进入递归调用；

　　2 递归调用 recursion (i)

　　　　Unfinished(i) = 0　　　　　　　　 ‘置本次递归参数i对应的管段计算未完成标志为0；
　　　　F_index = Findex(i)　　　　　　　 ‘将该管段父管段索引号值赋给参数F_index；
　　　　Q(F_index) = Q(F_index) + Q(i)　 ‘将本次递归参数i对应的管段模拟计算流量累加到其父管段的模拟计算流量上；
　　　　Qarea(F_index) = Qarea(F_index) + Qarea(i) 　　　‘得出父管段的管段流量
　　　　Qcollect(F_index) = Qcollect(F_index) + Qcollect(i)　 ‘ 得出父管段的转输集中流量
　　　　Cnumber(F_index) = Cnumber(F_index) – 1 　‘由于上一步的原因，父管段的子管段数目应减少一个；
　　　　If Cnumber(F_index) = 0 Then 　recursion (F_index) ‘条件判断：若父管段的子管段数目已经为0，说明它的流量

　　计算过程已结束，因而应将其作为本段流量，通过递归调用将对应的流量累加到它的父管段流量上。

3 计算管段最大时流量(k为总变化系数)

　　简单的说递归算法的计算思路就是先计算子管段的流量，然后由计算出的子管段流量计算其父管段流量，然后再计算该父管段的父管段的流量，依次类推，直至计算出所有管段的流量。
　　(2)建立污水水质分析模型：能够对城市污水水质各项指标进行分析、对比，同时可以反映出污水的可生化性，为该地区的水环境治理提供依据。利用数据库技术对污水水质及时更新，并通过这些数据可以绘出水质各项指标的变化趋势图表（见图5）。

　　(3)查询功能：可按照管网中的实体空间位置、属性种类或根据SQL条件表达式进行检索。系统强大的图形、数据联动功能可以实现图形和属性数据的同时显示以使管网资料更为直观，如实现数——图、图——数两种方式的双向查询，并对查询的管段加亮显示，这大大的方便操作人员的使用。
　　(4)统计功能/专题图输出：可针对某个区域、某类管线或检查井进行各种形式的统计，不仅可以得到表现统计结果的各种统计图，而且可以得到各种所需的数据统计；也可通过流量和水质中任一项指标进行查询。
　　(5)排污单位管理：记录显示各单位排污量和污水中各项水质指标。
　　(6)泵站管理：记录泵站的工作运行情况和维修记录。
　　(7)添加/关闭注记：对图形添加注记功能，也可把属性转化为注记，并可根据需要决定是否显示注记。
　　(8)打印输出：对各种报表和图形提供了打印和预览功能，可以根据用户的要求自行定义打印格式。
　　(9)图形输出：可显示地图的比例，有放大、缩小、漫游、分层显示等功能；根据工作需要制作不同形式的报表，还可以根据需要决定是否加载地形背景图。
　　(10)用户管理：系统存储大量宝贵数据，有严格的安全权限设置，系统分为系统管理员和高级用户、一般用户三个等级，每个用户设有密码，不同级别用户对数据存取拥有不同权限；系统管理员可以增加或是删除用户，同时系统提供数据备份和数据修复功能，防止数据破坏。

3 结语

　 该系统的设计满足了污水管网的管理要求并实现了对污水水质的预测和对水量的动态模拟；同时还大大的减轻了工作人员的工作强度，提高了管网的管理水平，为该地区的水环境综合治理提供了一定的帮助。

参考文献：

[1]赵新华. 城市排水管网信息GIS管理系统设计[J] 中国给水排水. 2002 Vol.18 No.9
[2]孟令奎. GIS环境下污水管网设计流量的快速计算[J]. 武汉测绘科技大学学报. Vol.22. No.1. 1997.3[3]武汉吉奥信息工程技术有限公司. GeoStar用户手册系列[M]
[4]Ted Coombs. Jon Campbell. Microsoft Visual Basic Programming Tips, Second Edition [M]. 北京：中国水力水电出版社

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作者：曾德飞　 男　 25岁 武汉理工大学建筑学院市政工程系2001级硕士研究生，研究方向：给排水工程系统理论及优化

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