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(GIS)為技術支持，結合污水管網管理的實際需求，在VB環境下利用GeoMap控件進行二次開發，建立了污水管網地理信息系統。該系統充分發揮了GIS對空間、屬性數據的編輯、管理、顯示和查詢的功能，并實現了在GIS環境下對污水管網流量的動態模擬和水質的分析預測功能。
　　關鍵詞：污水管網；地理信息系統；水量模擬計算；水質分析

1 引言

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

2 系統的建立及其功能

　　信息系統的管理對象是圖像信息和數據信息，信息量比較大而且精度要求很高，應根據實際的情況來制定不同的數據錄入方案。
2.1 系統建立
　　該開發區已開發面積約為15.35平方公里，總人口約5.8萬人；污水系統由約25公里管網、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。
　　根據實際情況，制定如下數據錄入方案：首先，圖形資料選用污水管網電子圖，為了提高系統中各個要素的檢索速度，便于系統的靈活調用、更新、管理和輸出，把與污水設施相關的圖形數據分成4層，具體為：（1）污水管網層；（2）合流制管網層；（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提供的數據類型轉換功能將其轉換成為GeoMap支持的圖形數據格式；其次，按照信息系統對數據的不同管理要求分別處理各圖層數據，即將其他背景地物層數據處理成地圖庫文件作為系統的參考背景信息，將污水管網層、合流制管網層和檢查井層數據處理成具有拓撲關系的網絡文件以模擬實際管網。屬性數據的輸入放到圖形數據錄入工作以后，為此，專門設計了一套用于輸入屬性數據的程序，該程序可直接對數據庫進行操作，并提供了數據檢查功能。
　　本系統在VB環境下利用GeoMap控件進行二次開發，數據庫選用Microsoft Access，系統登錄界面和主界面如圖1和圖2所示。

　　　　　 　　　　　　　

2.2 數據庫設計
　　圖形數據庫主要貯存與污水管線相關的圖形數據，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；圖形數據用拓撲關系貯存管線之間的聯接關系，包括節點位置、管線弧段等信息。屬性數據庫由泵站、污水處理廠、檢查井、管段、水質、排水用戶等多個數據庫組成，包括各類管網及其附屬物的位置、結構的屬性信息，用E—R模型反映其間的聯系如圖3所示。

2.3 系統主要功能及實現
　　系統主要功能模塊如圖4所示。

　　(1) 建立污水流量模擬水力模型：實現污水管網流量的動態模擬，反映污水管網各管段污水流量隨時間的動態變化情況。
　　GIS環境下污水管網流量的計算比較合適的方法是遞歸算法。污水管網是一種重力流的支狀結構網絡，整個網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，根節點表示污水處理廠，葉節點為污水收集節點，內節點（除根節點和葉節點以外的節點）是污水傳輸節點，同時也可能是污水收集節點（當有本段流量時），樹枝代表污水管段，樹的方向性表現在污水是從葉節點（或內節點）逐級往下游管段和節點流動，直至達到根節點的。
　　在計算管段流量之前，先建立反應污水管網中管段與管段、管段與節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 管段起始節點號FN(i) ；
　　4 管段終止節點號TN(i)；
　　5 集中流量Qcollect(i)（從工業企業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Cnumber(i)（本段上游管段數）；
　　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 預置數據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 預置數據庫表中的管段父管段索引號、子管段數均為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。
　　遞歸算法包括主調用和遞歸調用兩個過程，主調用給出程序的入口的判斷條件，遞歸調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 主調用(mainprogram) 　　　　（n為污水管網總管段數）

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

　　2 遞歸調用 recursion (i)

　　　　Unfinished(i) = 0　　　　　　　　 ‘置本次遞歸參數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F_index；
　　　　Q(F_index) = Q(F_index) + Q(i)　 ‘將本次遞歸參數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目已經為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)

　　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)建立污水水質分析模型：能夠對城市污水水質各項指標進行分析、對比，同時可以反映出污水的可生化性，為該地區的水環境治理提供依據。利用數據庫技術對污水水質及時更新，并通過這些數據可以繪出水質各項指標的變化趨勢圖表（見圖5）。

　　(3)查詢功能：可按照管網中的實體空間位置、屬性種類或根據SQL條件表達式進行檢索。系統強大的圖形、數據聯動功能可以實現圖形和屬性數據的同時顯示以使管網資料更為直觀，如實現數——圖、圖——數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)統計功能/專題圖輸出：可針對某個區域、某類管線或檢查井進行各種形式的統計，不僅可以得到表現統計結果的各種統計圖，而且可以得到各種所需的數據統計；也可通過流量和水質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；根據工作需要制作不同形式的報表，還可以根據需要決定是否加載地形背景圖。
　　(10)用戶管理：系統存儲大量寶貴數據，有嚴格的安全權限設置，系統分為系統管理員和高級用戶、一般用戶三個等級，每個用戶設有密碼，不同級別用戶對數據存取擁有不同權限；系統管理員可以增加或是刪除用戶，同時系統提供數據備份和數據修復功能，防止數據破壞。

3 結語

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

參考文獻：

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[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：給排水工程系統理論及優化

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