金建華　 曾德飛　 楊曉芳
武漢理工大學建筑學院市政工程　　　 430070

　　摘要：以地理信息系統(tǒng)(GIS)為技術支持，結合污水管網(wǎng)管理的實際需求，在VB環(huán)境下利用GeoMap控件進行二次開發(fā)，建立了污水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了GIS對空間、屬性數(shù)據(jù)的編輯、管理、顯示和查詢的功能，并實現(xiàn)了在GIS環(huán)境下對污水管網(wǎng)流量的動態(tài)模擬和水質(zhì)的分析預測功能。
　　關鍵詞：污水管網(wǎng)；地理信息系統(tǒng)；水量模擬計算；水質(zhì)分析

1 引言

　　利用GIS技術建立城市污水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)已經(jīng)成為城市水環(huán)境綜合治理的迫切需要。本文以武漢某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)水環(huán)境綜合治理工程為背景，建立一個應用型GIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)建成后將有利于該地區(qū)的水環(huán)境綜合治理工程順利進行，能夠提供包括及時的水量、水質(zhì)報告，同時也可為城市的規(guī)劃提供最新的資料，這些都將加快城市的現(xiàn)代化建設步伐。

2 系統(tǒng)的建立及其功能

　　信息系統(tǒng)的管理對象是圖像信息和數(shù)據(jù)信息，信息量比較大而且精度要求很高，應根據(jù)實際的情況來制定不同的數(shù)據(jù)錄入方案。
2.1 系統(tǒng)建立
　　該開發(fā)區(qū)已開發(fā)面積約為15.35平方公里，總人口約5.8萬人；污水系統(tǒng)由約25公里管網(wǎng)、2個污水提升泵站、2000多個污水檢查井和一座污水處理廠組成。
　　根據(jù)實際情況，制定如下數(shù)據(jù)錄入方案：首先，圖形資料選用污水管網(wǎng)電子圖，為了提高系統(tǒng)中各個要素的檢索速度，便于系統(tǒng)的靈活調(diào)用、更新、管理和輸出，把與污水設施相關的圖形數(shù)據(jù)分成4層，具體為：（1）污水管網(wǎng)層；（2）合流制管網(wǎng)層；（3）檢查井層(點狀)；（4）其他背景地物層(作為柵格文件插入調(diào)用)。在建立了AutoCAD和GIS圖層之間的一一對應的關系后，通過GeoStar提供的數(shù)據(jù)類型轉換功能將其轉換成為GeoMap支持的圖形數(shù)據(jù)格式；其次，按照信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的不同管理要求分別處理各圖層數(shù)據(jù)，即將其他背景地物層數(shù)據(jù)處理成地圖庫文件作為系統(tǒng)的參考背景信息，將污水管網(wǎng)層、合流制管網(wǎng)層和檢查井層數(shù)據(jù)處理成具有拓撲關系的網(wǎng)絡文件以模擬實際管網(wǎng)。屬性數(shù)據(jù)的輸入放到圖形數(shù)據(jù)錄入工作以后，為此，專門設計了一套用于輸入屬性數(shù)據(jù)的程序，該程序可直接對數(shù)據(jù)庫進行操作，并提供了數(shù)據(jù)檢查功能。
　　本系統(tǒng)在VB環(huán)境下利用GeoMap控件進行二次開發(fā)，數(shù)據(jù)庫選用Microsoft Access，系統(tǒng)登錄界面和主界面如圖1和圖2所示。

　　　　　 　　　　　　　

2.2 數(shù)據(jù)庫設計
　　圖形數(shù)據(jù)庫主要貯存與污水管線相關的圖形數(shù)據(jù)，它包括道路背景圖、污水管線圖、各管線對應的附屬物（如檢查井、泵站、污水處理廠等）以及各管線對應的注記等；圖形數(shù)據(jù)用拓撲關系貯存管線之間的聯(lián)接關系，包括節(jié)點位置、管線弧段等信息。屬性數(shù)據(jù)庫由泵站、污水處理廠、檢查井、管段、水質(zhì)、排水用戶等多個數(shù)據(jù)庫組成，包括各類管網(wǎng)及其附屬物的位置、結構的屬性信息，用E—R模型反映其間的聯(lián)系如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)主要功能及實現(xiàn)
　　系統(tǒng)主要功能模塊如圖4所示。

　　(1) 建立污水流量模擬水力模型：實現(xiàn)污水管網(wǎng)流量的動態(tài)模擬，反映污水管網(wǎng)各管段污水流量隨時間的動態(tài)變化情況。
　　GIS環(huán)境下污水管網(wǎng)流量的計算比較合適的方法是遞歸算法。污水管網(wǎng)是一種重力流的支狀結構網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡可以抽象為由若干有向樹構成的森林，對于每棵有向樹而言，根節(jié)點表示污水處理廠，葉節(jié)點為污水收集節(jié)點，內(nèi)節(jié)點（除根節(jié)點和葉節(jié)點以外的節(jié)點）是污水傳輸節(jié)點，同時也可能是污水收集節(jié)點（當有本段流量時），樹枝代表污水管段，樹的方向性表現(xiàn)在污水是從葉節(jié)點（或內(nèi)節(jié)點）逐級往下游管段和節(jié)點流動，直至達到根節(jié)點的。
　　在計算管段流量之前，先建立反應污水管網(wǎng)中管段與管段、管段與節(jié)點相關信息的邏輯和量化關系的鏈式表，以便進行有效的遞歸運算，其內(nèi)容包括：
　　1 管段索引號i；
　　2 父管段索引號Findex(i)（本段相鄰的下游管段在鏈式表中的索引號）；
　　3 管段起始節(jié)點號FN(i) ；
　　4 管段終止節(jié)點號TN(i)；
　　5 集中流量Qcollect(i)（從工業(yè)企業(yè)或其他大型公共建筑物流過來的污水）；
　　6 本段流量Qarea(i) (從管段沿線街坊流過來的污水)；
　　7 管段平均流量 Q (i)；
　　8 管段最大時流量 Qmost(i)；
　　9 管段子管段數(shù)Cnumber(i)（本段上游管段數(shù)）；
　　10 管段計算未完成標志Unfinished(i)（1：未完成；0：已完成）。
　　建立屬性表并將其初始化之后，開始用遞歸算法計算每根管段的流量。初始化主要包括以下主要步驟：
　　1 預置數(shù)據(jù)庫表中的管段平均流量Q(i)為對應管段的集中流量Qcollect(i)和管段流量Qarea(i)之和； 2 預置數(shù)據(jù)庫表中的管段父管段索引號、子管段數(shù)均為0；管段計算未完成標志為1。
　　3 建立管段之間的父­—子關系，計算出每根管的子管段數(shù)。
　　遞歸算法包括主調(diào)用和遞歸調(diào)用兩個過程，主調(diào)用給出程序的入口的判斷條件，遞歸調(diào)用完成流量的遞歸計算。其算法主要描述如下： (返回的Q(i)為管段平均流量,Qmost(i)為管段最大時流量);
　　1 主調(diào)用(mainprogram) 　　　?。╪為污水管網(wǎng)總管段數(shù)）

　　　　　For i = 1 To n
　　　　　 If cnumber(i) = 0 ∧ unfinished(i) = 1
　　　　　Then　 recursion (i)　　　　　　　　　　　 ‘搜索子管段數(shù)為0且未計算完畢的管段，進入遞歸調(diào)用；

　　2 遞歸調(diào)用 recursion (i)

　　　　Unfinished(i) = 0　　　　　　　　 ‘置本次遞歸參數(shù)i對應的管段計算未完成標志為0；
　　　　F_index = Findex(i)　　　　　　　 ‘將該管段父管段索引號值賦給參數(shù)F_index；
　　　　Q(F_index) = Q(F_index) + Q(i)　 ‘將本次遞歸參數(shù)i對應的管段模擬計算流量累加到其父管段的模擬計算流量上；
　　　　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)　 ‘ 得出父管段的轉輸集中流量
　　　　Cnumber(F_index) = Cnumber(F_index) – 1 　‘由于上一步的原因，父管段的子管段數(shù)目應減少一個；
　　　　If Cnumber(F_index) = 0 Then 　recursion (F_index) ‘條件判斷：若父管段的子管段數(shù)目已經(jīng)為0，說明它的流量

　　計算過程已結束，因而應將其作為本段流量，通過遞歸調(diào)用將對應的流量累加到它的父管段流量上。

3 計算管段最大時流量(k為總變化系數(shù))

　　簡單的說遞歸算法的計算思路就是先計算子管段的流量，然后由計算出的子管段流量計算其父管段流量，然后再計算該父管段的父管段的流量，依次類推，直至計算出所有管段的流量。
　　(2)建立污水水質(zhì)分析模型：能夠對城市污水水質(zhì)各項指標進行分析、對比，同時可以反映出污水的可生化性，為該地區(qū)的水環(huán)境治理提供依據(jù)。利用數(shù)據(jù)庫技術對污水水質(zhì)及時更新，并通過這些數(shù)據(jù)可以繪出水質(zhì)各項指標的變化趨勢圖表（見圖5）。

　　(3)查詢功能：可按照管網(wǎng)中的實體空間位置、屬性種類或根據(jù)SQL條件表達式進行檢索。系統(tǒng)強大的圖形、數(shù)據(jù)聯(lián)動功能可以實現(xiàn)圖形和屬性數(shù)據(jù)的同時顯示以使管網(wǎng)資料更為直觀，如實現(xiàn)數(shù)——圖、圖——數(shù)兩種方式的雙向查詢，并對查詢的管段加亮顯示，這大大的方便操作人員的使用。
　　(4)統(tǒng)計功能/專題圖輸出：可針對某個區(qū)域、某類管線或檢查井進行各種形式的統(tǒng)計，不僅可以得到表現(xiàn)統(tǒng)計結果的各種統(tǒng)計圖，而且可以得到各種所需的數(shù)據(jù)統(tǒng)計；也可通過流量和水質(zhì)中任一項指標進行查詢。
　　(5)排污單位管理：記錄顯示各單位排污量和污水中各項水質(zhì)指標。
　　(6)泵站管理：記錄泵站的工作運行情況和維修記錄。
　　(7)添加/關閉注記：對圖形添加注記功能，也可把屬性轉化為注記，并可根據(jù)需要決定是否顯示注記。
　　(8)打印輸出：對各種報表和圖形提供了打印和預覽功能，可以根據(jù)用戶的要求自行定義打印格式。
　　(9)圖形輸出：可顯示地圖的比例，有放大、縮小、漫游、分層顯示等功能；根據(jù)工作需要制作不同形式的報表，還可以根據(jù)需要決定是否加載地形背景圖。
　　(10)用戶管理：系統(tǒng)存儲大量寶貴數(shù)據(jù)，有嚴格的安全權限設置，系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理員和高級用戶、一般用戶三個等級，每個用戶設有密碼，不同級別用戶對數(shù)據(jù)存取擁有不同權限；系統(tǒng)管理員可以增加或是刪除用戶，同時系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)修復功能，防止數(shù)據(jù)破壞。

3 結語

　 該系統(tǒng)的設計滿足了污水管網(wǎng)的管理要求并實現(xiàn)了對污水水質(zhì)的預測和對水量的動態(tài)模擬；同時還大大的減輕了工作人員的工作強度，提高了管網(wǎng)的管理水平，為該地區(qū)的水環(huán)境綜合治理提供了一定的幫助。

參考文獻：

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[2]孟令奎. GIS環(huán)境下污水管網(wǎng)設計流量的快速計算[J]. 武漢測繪科技大學學報. Vol.22. No.1. 1997.3[3]武漢吉奧信息工程技術有限公司. GeoStar用戶手冊系列[M]
[4]Ted Coombs. Jon Campbell. Microsoft Visual Basic Programming Tips, Second Edition [M]. 北京：中國水力水電出版社

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作者：曾德飛　 男　 25歲 武漢理工大學建筑學院市政工程系2001級碩士研究生，研究方向：給排水工程系統(tǒng)理論及優(yōu)化

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