基于GIS树状低压输水灌溉管网计算机辅助设计系统研究
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摘要
低压管道输水灌溉技术作为一项重要的节水工程措施，与传统的渠道输水方式比较，具有节水、节能、节地、输水速度快、适应性强等诸多优点，已经为世界各国所推广应用。在我国，北方井灌区的低压管道输水灌溉技术发展很快，在管灌工程规划、管材、管件生产、管理等方面都比较成熟，并已形成一定的体系，水利部已经编制了适合北方井灌区的低压管道输水灌溉工程规划设计技术规范。近十年，我国北方已经推广使用面积达530余万hm~2，而我国南方地区低压管道输水灌溉技术发展缓慢且不平衡。由于南方地区灌区面积大，管灌系统规模大，与其相配套的大口径管材、管件规格少，配套建筑物较多，灌区类型多样，压力变化范围大，技术难度高，基层工程技术人员了解和掌握不充分，至今尚无适合南方地区低压管道输水灌溉工程设计的规范，这些是影响南方低压管道输水灌溉技术发展的因素。
本文主要针对当前南方地区低压管道输水灌溉规划设计中存在的技术难点，开发研究先进实用的树状低压输水灌溉管网计算机辅助设计系统。首次提出了将GIS(地理信息系统)和图论技术应用于低压管道输水灌溉规划设计及灌溉管网优化中，在GIS支持环境下，应用图论中的最小生成树法和120°规划进行管道的最优化布置。建立以管道输水灌溉系统的年折算费用最小为目标函数的管径优化线性规划模型，并将内点法应用于线性优化模型的求解。
本文应用当今流行的地理信息系统、CAD软件及数据库等软件开发工具，根据节水灌溉工程技术规范，开发的低压管道输水管网计算机辅助设计系统。该系统可以实行作物需水量计算，系统设计流量推算、管道水力计算、工程投资概算，经济效益分析等功能，建立了常用的数据库(管材、管件、水泵和电机等)并对其进行管理和维护，可以实现包括管道布置、管径优化、管材选择等多种参数选择在内的多种方案比较、优选。系统能提供图形、文本、表格等多种形式的成果输出，人机交互界面友好，操作方便。使用该系统可保证规划设计方案的合理性，大大地减少人工劳动，提高了工作效率。在系统设计中应用组件式地理信息系统(ComGIS)MapX，方便了系统开发，无需计算机专业或GIS专业技术人员来完成，克服了以往开发者与专业人员分离、所开发软件实用性差的弊端。将本系统应用于扬州市蒋王节水农业示范区低压管道输水灌溉工程规划设计，生成方案迅速，规划结果准确、可靠，取得了良好的效果。
In north China, the low pressure pipeline irrigation, was mostly used and it was advanced developed in project design, the industry of pipe and pipefitting, the irrigation management, and had formed some system. The ministry of water resource had put forward the standard of Low pressure pipeline irrigation project design and engage in construction for north China. But the low pressure pipeline technique is not widely used in north China, the main reasons are the irrigation are is more larger the north China, and the low pressure pipeline irrigation system is very large , the corresponding pipe, pipefitting is very lack, all these make the use of low pressure irrigation in south China very little, and now there is still not the standard of low pressure pipeline irrigation for south China.
The low pressure pipe line irrigation is a kind very important water saving project method, it's many merits such as water saving, energy saving, saving field high adaptability and so on compared with the traditional channel irrigation method. The low pressure pipe line irrigation technique has been accepted by many countries and been widely used. Aimed at the current problem of pipeline layout optimization technique ,The research of irrigation pipeline layout and pipe diameter optimization has been done , the GIS(Geography Information System ) and graph theory were first put forwarded to applyed to the design of low pressure pipeline irrigation project in the paper .With the support of GIS , the minimal spanning tree theory of graph theory and 120 project theory can be applied to irrigation pipeline's layout optimization .At the aspect of pipe diameter optimization, simplicial method and interior-point method are been used in solve liner optimization model of pipe diameter to reach minimum project cost or a
nnual working cost of low pressure pipeline irrigation. On the basis of thinking above.
Base on the thought above, it's very necessary to development the software of computer aided design (CAD) system of low pressure pipeline based on GIS. In the paper , the research of that has been done, and the software of CAD system of low pressure pipeline based on GIS had been developed by using develop tools such as Delphi, MapX, AutoCAD and Access. The function of the software is useful, it has provided many functions such as the calculate of crop water requirement , pipeline
layout(automatic layout and manual operation )and its optimization , pipe diameter optimization .investment budgetary estimate and economic beneficial result can be result .and can rapid create plan and do plan comparison, the software provides many kinds of result output such as graph .text, table and so on. The software can greatly reduce the manual labour, improve the efficiency of the project design.
本文主要针对当前南方地区低压管道输水灌溉规划设计中存在的技术难点，开发研究先进实用的树状低压输水灌溉管网计算机辅助设计系统。首次提出了将GIS(地理信息系统)和图论技术应用于低压管道输水灌溉规划设计及灌溉管网优化中，在GIS支持环境下，应用图论中的最小生成树法和120°规划进行管道的最优化布置。建立以管道输水灌溉系统的年折算费用最小为目标函数的管径优化线性规划模型，并将内点法应用于线性优化模型的求解。
本文应用当今流行的地理信息系统、CAD软件及数据库等软件开发工具，根据节水灌溉工程技术规范，开发的低压管道输水管网计算机辅助设计系统。该系统可以实行作物需水量计算，系统设计流量推算、管道水力计算、工程投资概算，经济效益分析等功能，建立了常用的数据库(管材、管件、水泵和电机等)并对其进行管理和维护，可以实现包括管道布置、管径优化、管材选择等多种参数选择在内的多种方案比较、优选。系统能提供图形、文本、表格等多种形式的成果输出，人机交互界面友好，操作方便。使用该系统可保证规划设计方案的合理性，大大地减少人工劳动，提高了工作效率。在系统设计中应用组件式地理信息系统(ComGIS)MapX，方便了系统开发，无需计算机专业或GIS专业技术人员来完成，克服了以往开发者与专业人员分离、所开发软件实用性差的弊端。将本系统应用于扬州市蒋王节水农业示范区低压管道输水灌溉工程规划设计，生成方案迅速，规划结果准确、可靠，取得了良好的效果。
In north China, the low pressure pipeline irrigation, was mostly used and it was advanced developed in project design, the industry of pipe and pipefitting, the irrigation management, and had formed some system. The ministry of water resource had put forward the standard of Low pressure pipeline irrigation project design and engage in construction for north China. But the low pressure pipeline technique is not widely used in north China, the main reasons are the irrigation are is more larger the north China, and the low pressure pipeline irrigation system is very large , the corresponding pipe, pipefitting is very lack, all these make the use of low pressure irrigation in south China very little, and now there is still not the standard of low pressure pipeline irrigation for south China.
The low pressure pipe line irrigation is a kind very important water saving project method, it's many merits such as water saving, energy saving, saving field high adaptability and so on compared with the traditional channel irrigation method. The low pressure pipe line irrigation technique has been accepted by many countries and been widely used. Aimed at the current problem of pipeline layout optimization technique ,The research of irrigation pipeline layout and pipe diameter optimization has been done , the GIS(Geography Information System ) and graph theory were first put forwarded to applyed to the design of low pressure pipeline irrigation project in the paper .With the support of GIS , the minimal spanning tree theory of graph theory and 120 project theory can be applied to irrigation pipeline's layout optimization .At the aspect of pipe diameter optimization, simplicial method and interior-point method are been used in solve liner optimization model of pipe diameter to reach minimum project cost or a
nnual working cost of low pressure pipeline irrigation. On the basis of thinking above.
Base on the thought above, it's very necessary to development the software of computer aided design (CAD) system of low pressure pipeline based on GIS. In the paper , the research of that has been done, and the software of CAD system of low pressure pipeline based on GIS had been developed by using develop tools such as Delphi, MapX, AutoCAD and Access. The function of the software is useful, it has provided many functions such as the calculate of crop water requirement , pipeline
layout(automatic layout and manual operation )and its optimization , pipe diameter optimization .investment budgetary estimate and economic beneficial result can be result .and can rapid create plan and do plan comparison, the software provides many kinds of result output such as graph .text, table and so on. The software can greatly reduce the manual labour, improve the efficiency of the project design.
引文
[1]．刘迎春 严寒冰．基于Mapinfo的GIS应用系统开发技术．计算机系统应用．2001．1
[2]．刘迎春 严寒冰．基于Mapinfo的GIS应用系统开发技术．计算机系统应用．2001．1
[3]．金永堂．国外低压管道输水灌溉技术发展概况．全国低压管道输水灌溉技术科技情报网第一次技术交流研讨会论文选编(一)．
[4]．王晓峰．给水管网优化设计研究综述．陕西工学院学报．1999．6
[5]．哈森．阿布代尔．马盖德等．用有限元分析管网水流．水利水电快报．1991．1
[6]．沈耀良．城市污水管道设计的一种简化方法．给水排水．1996．3
[7]．灌溉配水网的设计和最优化．北京．中国农业科技出版社 1992
[8]．白丹．树状给水管网的优化．水利学报．1995．5
[9]．楼世博．图论及其应用[M]．北京．人民邮电出版社．1982
[10]．石继 张丰周 魏永曜．图论法用于供水管网水力计算的研究．水利学报．1999．2
[11]．基于图论的列车运行径路分析与构造．西南交通大学学报．2000．3
[12]．肖位枢．图论及其算法[M]北京：航空工业出版社．1993
[13]．Delphi程序设计[M]北京 人民邮电出版社，2000
[14]．龚时宏 廖永诚等．丘陵区管网压力分布特征数值模拟的研究．灌溉捧水．1996．3
[15]．段文泽 刘士荣．城市供水系统建模方法研究．系统工程学报．1988．7
[16]．莫晓英．机械CAD技术的发展．河北农业技术师范学院学报．1997．6
[17]．刑福生．CAD在水利水电工程设计工作中应用．水利水电技术．1998．7
[18]．王塔．水利水电工程电气CAD技术的应用．甘肃水利水电技术．1999．7
[19]．陆林广 陈玉明．泵装置优选型设计软件．排灌机械．1999．04
[20]．陈权．翻板闸计算机辅助设计软件开发
[21]．孟令奎 边馥苓 陈晓宁．基于GIS的城市雨水管网优化设计模型研究．武汉测绘科技大学学报 1996．12
[22]．白丹 党志良．不规则微灌田间管网的优化．农业机械学报．1997．2
[16]．周云．一般流出型环状管网的水力计算．水利学报．1995．9
[17]．龚时宏 廖永城．丘陵坡地井灌区管灌工程配套技术优化研究．灌溉排水．1996．2
[18]．刘德有 索丽生．复杂给水管网恒定流计算新方法—特征线法．河海大学学报．1996．3
[19]．郑耀泉．微灌系统田间管网设计的一种模拟模型农业工程学报．1992．3
[20]．赵竞成 王彦军．井灌区管网优化计算模型的改进．水利学报．1999．3
[21]．王荣和 顾国维．给水管网多工况优化设计的实用性中国给水排水．1999．4
[22]．吕谋 赵洪宾 李红卫．扩建给水管网的直接优化计算方法给水排水．1998．7
[23]．白丹．网中水塔树状给水管网优化设计．系统工程学报．1996．9
[24]．白丹．微灌管网系统优化设计．系统工程学报．1997．12
[25]．孙文深 黄字阳 韩德宏．深圳市给水管网水力计算模型的建成立．给水排水 1997．2
[26]．魏永曜 王雪珍．树状输配水管网的优化设计．水利学报．1992．5
[27]．俞国平 王晓东．给水管网动态模拟中水塔水位的计算方法给水排水．1999．12
[28]．梁慧冰 李梅谭 湘强．供水系统优化调度问题的模拟退火算法探讨．给水排水．1998．8
[29]．方永忠．生成树变换法求输配水系统最短供水路线．中国给水排水，1996(4)
[30]．朱东海 BP神经网络用于给水管网模拟试验时的构造参数设计 给水排水 2001．2
[31]．刘敏南．供水管网水力计算与优化调度．水利学报．1995．9
[32]．王友贞．淮北河灌区低压管道输水灌溉管网优化布置研究．安徽水利科技．1996．2
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[36]．王仁超 张立岗 杭仁兵．渠灌区管网输水系统优化设计问题研究．水利学报．1999．2
[37]．王仁超 张立岗 杭仁兵．农田管道输水系统管径选择问题研究．水利学报．1999．1
[38]．张丰周 石继 魏永曜．应用图论及广义简约梯度法进行压力管网优化设计．水利学报．1999．1
[39]．李子富 王晏平．多水源管网水力计算的新方法．给水排水 1995．1
[40]．李永顺．树状管网管么优化的线性规划法．给水排水 1997．2
[41]．杨振刚．低压管网规划设计的几个问题．水利学报．1992．2
[42]．王艳慧 曹红杰 张学庄．Mapinfo与VB数据共享的实现．北京测绘．2000．2 李德仁 龚健雅．地理信息系统导论．测绘出版社．1992
[43]．毋河海 龚健雅．地理信息系统(GIS)空间数据结构与处理技术．测绘出版社．1997
[44]．严煦世 赵洪宾．给水管网理论和计算．中国建筑工业出版社．1986
[45]．水利部科技教育司．低压管道输水灌溉技术．水利水电出版社．1992
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[63]．顾世祥，李远华，崔永来，袁宏源．灌溉管理应用软件的研究现状及前景．灌溉排水．1999，18．
[64]．齐学斌．农田输配水管网优化设计研究．海河水利．1996．4．
[65]．周福国．高占义．在渠灌区发展低压管道输水灌溉技术的几点体会．灌溉排水．1998，17(增)
[66]．[67]．刘群昌，张欣堂．李旭洲等．薄壁PVC管在寒冷地区适应性研究．灌溉排水．1998，17(增)．
[67]．周明耀，蔡勇．顾鹤鸣．农田水分管理决策支持系统研究．扬州大学学报(自然科学版)，2000，4．
[68]．张海曙，周明耀．汤建熙．农田灌溉管道工程自动化测控系统研究．扬州大学学报(自然科学版)，2000，4．
[69]．城市地理信息系统[M]北京 1998．希望电脑公司出品
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[73]．王海 常迪．广州市供水管网管理系统的设计与实现．计算机系统应用．1999．4
[74]．姜乃昌 韩德宏．配水管网的解析宏观模型．中国农村水利水电．1996．2
[75]．邹林 马光文．给水管网管径优化设计的遗传算法．四川联合大学学报．1998．1
[2]．刘迎春 严寒冰．基于Mapinfo的GIS应用系统开发技术．计算机系统应用．2001．1
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[75]．邹林 马光文．给水管网管径优化设计的遗传算法．四川联合大学学报．1998．1