許德合++左園園+楊成杰

摘要 我國傳統(tǒng)的園林灌溉設(shè)計多依靠CAD設(shè)計，雖一定程度上節(jié)省了時間，但CAD的分析和計算功能較弱。本文基于GIS平臺開發(fā)出一套園林灌溉設(shè)計系統(tǒng)，系統(tǒng)利用計算機輔助灌溉工程設(shè)計，解決了從管網(wǎng)設(shè)計計算到成果輸出的問題，充分發(fā)揮了計算機在繪圖、計算、文件處理等方面的優(yōu)勢，最大限度地節(jié)約了設(shè)計時間、提高了設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞 地理信息系統(tǒng)（GIS）；園林灌溉系統(tǒng)；軟件設(shè)計

中圖分類號 S274.2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）24-0157-03

Design of Garden Irrigation System Based on GIS

XU De-he ZUO Yuan-yuan * YANG Cheng-jie

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract The traditional garden irrigation design in China more depends on CAD，which may save some time，but the analysis and calculation function of CAD is weak.This paper developed a garden irrigation design system based on GIS platform，solved the problem from network design and calculation to the result output utilizing the computer to assist irrigation engineering design.Meanwhile，this system developed the advantage of computers on plotting，calculation，file processing，thus，we could save time to hilt and increase design efficiency.

Key words GIS；the system of garden irrigation；software design

水是生命之源，水資源短缺已經(jīng)成為影響當(dāng)今人類社會的一大問題。我國水資源極其匱乏，但在園林灌溉用水的利用上還存在著嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象。傳統(tǒng)的園林灌溉采用大面積漫灌，遠遠超出園林作物實際需水量，浪費嚴(yán)重。因此，發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)是現(xiàn)代園林發(fā)展的必然要求，也是現(xiàn)代園林灌溉技術(shù)的基本要求[1-3]。

園林灌溉工程設(shè)計不僅包括管網(wǎng)布置圖的繪制，還包括復(fù)雜的水力計算，具有多樣性、復(fù)雜性的特點。我國園林灌溉設(shè)計現(xiàn)在依靠CAD（Computer Aided Design）設(shè)計，雖然一定程度上縮短了設(shè)計工期，但是AutoCAD的設(shè)計分析、計算功能較弱[3]。GIS（Geographic Information System）技術(shù)是水利行業(yè)信息管理標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、空間化、可視化的有效工具。目前很多的GIS軟件系統(tǒng)與流行的CAD軟件有接口，支持圖形格式的輸入和輸出，實現(xiàn)自動制圖。目前，GIS在灌溉和節(jié)水方面的應(yīng)用非常廣泛，尤其是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方面，但是園林灌溉方面更多側(cè)重于管理方面，在設(shè)計方面偏少[4-9]。本文基于GIS平臺，綜合運用GIS二次開發(fā)技術(shù)、CAD二次開發(fā)技術(shù)和Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)園林灌溉設(shè)計系統(tǒng)，利用計算機輔助灌溉工程設(shè)計，發(fā)揮計算機在繪圖、計算、文件處理等方面的優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)設(shè)計的缺點，最大限度地節(jié)約了設(shè)計時間、提高了設(shè)計效率。

1 基于GIS的園林灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的一般原則，將GIS與CAD結(jié)合，綜合運用Access數(shù)據(jù)庫等軟件開發(fā)工具，基于GIS平臺，開發(fā)出一套基于GIS園林灌溉設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了作物管道灌溉需水模型計算的自動化，加快了灌區(qū)計劃用水的決策過程，方便了各種灌溉要素的直觀表達。

1.1 園林灌溉工程設(shè)計

園林灌溉工程設(shè)計主要包括：收集信息（園林植被資料、氣象、地形及土壤等資料）、信息采集端、管網(wǎng)布置、灌溉制度確定、管網(wǎng)水力計算和管徑計算、灌溉設(shè)備選型、設(shè)計方案驗證、工程投資概算、工程成果輸出。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

基于GIS的園林灌溉系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)方法進行設(shè)計。軟件從結(jié)構(gòu)上分解成許多功能相對獨立的模塊，可以獨立編譯和調(diào)試，但是在整體上相互聯(lián)系、缺一不可，最后按一定的原則通過裝配程序連接成系統(tǒng)[10]。模塊化程序設(shè)計將復(fù)雜的程序分工研制，能縮短設(shè)計周期，便于修改和擴充。系統(tǒng)設(shè)計總體框架如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)研究技術(shù)

針對我國灌溉工程設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，采用人機交互方式，基于GIS平臺和AutoCAD2010及以上版本的圖形平臺，利用C#語言及Access數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出園林灌溉設(shè)計系統(tǒng)軟件。

2 系統(tǒng)功能模塊研究

從園林灌溉設(shè)計軟件總體框架圖可知，軟件分為灌溉工程設(shè)計和材料設(shè)備數(shù)據(jù)庫兩大部分。

2.1 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

材料設(shè)備數(shù)據(jù)庫是園林灌溉工程設(shè)計系統(tǒng)軟件的主要組成部分。主要包括管材規(guī)格表、管道配件表、過濾設(shè)備表、水泵電機設(shè)備表、其他設(shè)備表，由Access數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一構(gòu)建，允許用戶對其進行增加、刪除、修改等操作。軟件通過數(shù)據(jù)庫接口函數(shù)，可在灌溉工程設(shè)計過程中實時調(diào)用各功能模塊所需的數(shù)據(jù)表。

2.2 管網(wǎng)設(shè)計與布置

依據(jù)灌溉設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)園林灌區(qū)的大小及地形進行管網(wǎng)布置。管網(wǎng)布置形狀一般呈樹狀，常見的形式有“工”字形、“土”字形等。本系統(tǒng)支持導(dǎo)入灌區(qū)平面布置圖，根據(jù)灌區(qū)地形、植被等進行管網(wǎng)布置；也支持直接導(dǎo)入管網(wǎng)布置CAD圖紙，進行管網(wǎng)水力計算。endprint

管道布置一般遵循以下原則。一是管道布置應(yīng)使管道總長度盡量短，造價少，有利于水錘防護。二是充分考慮地形條件、路和水渠等地物的影響。三是干管、分干管盡量沿路邊鋪設(shè)，便于管理和維修，盡量少穿障礙物；在山丘地，應(yīng)沿主坡方向布置。盡量利用地形落差實施重力輸水。

2.3 管網(wǎng)水力計算

管道布置完成以后，對整個區(qū)域的管網(wǎng)構(gòu)建拓撲關(guān)系，確保管網(wǎng)拓撲關(guān)系構(gòu)建正確。水力計算的前提是確保拓撲關(guān)系的正確以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入。水力計算是系統(tǒng)的重點，包括配件管理、設(shè)計管徑計算、水頭損失計算、管徑分色處理、方案檢測和計算最不利管道的功能。

2.4 工程設(shè)計成果輸出

系統(tǒng)提供灌溉工程設(shè)計成果的輸出，包括管網(wǎng)設(shè)計施工圖紙、水力計算表、工程概算表等[11]。

3 實例

實例選用汝陽縣濱河公園節(jié)水灌溉工程，采用噴灌技術(shù)。園林灌溉區(qū)資料收集，主要收集汝陽縣濱河公園植被種類、需水量、氣象及土壤等自然條件。汝陽縣濱河公園園區(qū)總面積為11.5 hm2；土壤為中壤土，土壤容重為1.40～1.55 g/cm3，田間最大持水量為25%～30%，田間花卉主要根系活動層深度為40～60 cm。園區(qū)內(nèi)交通便利，電力配套設(shè)施完備，電源可靠。根據(jù)汝陽氣象臺資料，該項目區(qū)處于溫?zé)釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫140 ℃，年均降水量668.1 mm，雨量主要集中在7—9月。園區(qū)瀕臨河道地下水資源豐富，擬新建淺水井4眼，單井出水量為20～50 m3/h。完全可以滿足植物的需水量，可用水泵直接提水至地面后通過干管和支管直接對植物進行灌溉。

分析汝陽縣濱河公園的資料，初步在系統(tǒng)中完成灌溉管網(wǎng)的布置。灌溉設(shè)備選型需要根據(jù)植被種類以及設(shè)計人員的經(jīng)驗進行確定。管網(wǎng)布置無一定的設(shè)計規(guī)程可循，設(shè)計人員在分析水源位置、地形、植被類型等因素的基礎(chǔ)上依據(jù)經(jīng)驗進行管網(wǎng)布置，具體如圖2所示。

灌溉制度應(yīng)根據(jù)水源條件、植被種類和灌溉能力確定，一般均多采用輪灌的工作制度，即將支管劃分為若干組，每組包括1個或多個閥門，灌水時通過干管向各組輪流供水。輪灌組的劃分是園區(qū)灌溉的重點，輪灌組劃分應(yīng)遵循以下原則。一是輪灌組的數(shù)目應(yīng)滿足需水要求，同時使控制灌溉面積與水源的可供水量相協(xié)調(diào)；二是每個輪灌組的總流量盡可能一致或相近，以確保水泵運行穩(wěn)定，提高動力機和水泵的效率，降低能耗；三是同一輪灌組中，選用一種型號或性能相似的噴頭，同時種植的品種一致或?qū)嗨囊笙嘟?；四是往往將同一輪灌組中的閥門分散布置，以最大限度地分散干管中的流量，減小管徑，降低造價。

根據(jù)以上原則，結(jié)合汝陽縣濱河公園水源條件、植被種類和灌溉能力，確定輪灌組的劃分。在每組安裝閥門，控制本組的灌溉。汝陽縣濱河公園節(jié)水灌溉工程輪灌閥門控制如表1所示。

管道布置完成以后，對整個區(qū)域的管網(wǎng)構(gòu)建拓撲關(guān)系，確保管網(wǎng)拓撲關(guān)系構(gòu)建正確。然后計算各級管道的流量及管徑，即按著管路的逆水流方向從支管往上逐級計算各管道的水頭損失和進口壓力。根據(jù)園區(qū)植被需水情況，在系統(tǒng)內(nèi)完成基本信息的錄入，如圖3所示，對某節(jié)點進行基本信息錄入。

進行水力計算，確定管網(wǎng)管徑，部分水力計算的結(jié)果如圖4所示，管徑分色處理如圖5所示。依據(jù)所選水泵的運行情況及輪灌制度來逐級計算支管各節(jié)點壓力水頭，驗證設(shè)計方案是否滿足灌溉需求。進行水壓計算后，系統(tǒng)高亮顯示不滿足條件的節(jié)點，即節(jié)點出現(xiàn)負壓。工作人員根據(jù)經(jīng)驗，修改部分管徑或者調(diào)整輪灌組，再次計算水壓，直至所有節(jié)點滿足條件。最后進行工程投資概算和工程成果輸出，是在設(shè)計工作完成之后對工程的完善。

試驗證明，應(yīng)用基于GIS的園林灌溉系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)，通過人機交互的方式，能夠根據(jù)灌溉區(qū)的資料，逐步完成園林規(guī)劃設(shè)計工作，根據(jù)用戶需求，直接輸出灌溉設(shè)計圖及設(shè)計成果。在一定程度上節(jié)省了設(shè)計時間和人力，提高了設(shè)計效率。

4 結(jié)論

基于GIS的園林灌溉系統(tǒng)，借助CAD輔助設(shè)計出圖功能，將灌溉系統(tǒng)設(shè)計、計算、制圖、圖標(biāo)輸出融為一體的專業(yè)化設(shè)計軟件，本系統(tǒng)具備設(shè)計分析、計算和輸出工程設(shè)計成果的能力。

結(jié)果表明，應(yīng)用基于GIS的園林灌溉系統(tǒng)進行灌溉工程設(shè)計，相對于傳統(tǒng)的CAD設(shè)計，本系統(tǒng)實現(xiàn)了從灌溉管網(wǎng)布置設(shè)計到最后成果輸出，節(jié)省了一定的時間和人力，提高了設(shè)計效率，具有較高的實用性。

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