關于GIS城市排水管網管理系統設計與實現的思考

高峰

重慶市排水有限公司 重慶 400010

城市排水管網是城市不可或缺的基礎設施，關系到城市日常工作和生活是否能正常進行。隨著城市規模的擴大發展和城市化進程的加快，讓城市排水管網的規劃改造工作量大大增加。傳統的管理部門一般使用靜態的方式來管理，為了提升城市排水網在規劃設計中的動態控制，優化實施技術跟上經濟發展，需要對排水規劃的調整進行改變[1]。利用GIS系統更方便市政管理實現數據瀏覽、查詢分析、在線編輯等功能，同時維護和更新官網資料，保障圖文信息和管網狀態一致，優化規劃地形和道路等。

1 排水管網的設計優化

1.1 直接優化和間接優化。城市目前的排水系統設計運行和施工會由于造價高昂而受到約束，所以在規劃設計排水工程時，要充分結合排水管網的優化設計進行管網平面的最佳選擇。通過直接優化時，按照性能指標的變化，根據目標函數對方案進行一對一的比較，然后根據結果進行參數選擇、計算和調配，從而達到最佳解。而利用間接優化法則需要在構建最佳的數學模型基礎上再通過最佳計算得到最優解，傳統的間接優化方法包括動態規劃法、線性規劃法、遺傳算法和非線性規劃法等。可是管徑屬于離散變量，在設計其最小流速的約束條件非常復雜，無法通過數學公式來進行計算，因此在建立數學模型時來解決該問題的方式就較難實現。再加上間接優化法在計算時會忽略某些約束變量的條件，因此得到的最終解并不符合最優解[2]。

排水管道工程造價高昂的原因之一是由于埋深，而埋深又受到管底坡度的影響，根據污水管道水力計算的相關公式，可以得出在水力半徑不變的條件下，流速的平方和管底坡度是成正比的。另外，充滿度越大就能減少管徑，進而降低工程造價，在保障充滿度符合約束條件的情況下，可以選擇一個充滿都接近于最大設計的管徑。最后，若設計定型過于復雜坡度較大，僅僅按照計算管段的參數來完成優化設計和選擇，而不對下游各管道造成的影響以及整個管段的坡度與流速進行充分考慮，則可能導致下游管道的工程造價幅度增加過大，這就使得全面優化的設計布局得不到實現。

1.2 提高程序設計思路設計質量。一般常見的地形坡面較小，所以可以選擇一個符合約束條件的設計流速最小的選擇，然后按照流速與流量選擇相應管徑，保障管徑所計算出的充滿度符合該管徑的最大設計充滿度，若不符合條件，則重新選擇一個大一級的管徑計算，直到計算結果符合約束條件為止。

1.3 GIS環境下排水管網的流量計算。GIS環境下排水管網的流量可以選擇遞歸算法，遞歸算法的思路是先對子管段的流量進行計算，然后通過子管段流量來計算該父管段的流量，再利用父管段的流量來計算該父管段的流量，從而類推得到所有的管段流量。排水管網是枝狀結構的網絡，整個網絡可以看成是由許多樹木構成的森林，每一顆樹木都是表示污水處理廠，而葉片則可表示為污水收集節點，內節點既是污水傳輸節點，又是污水收集的節點。樹枝則表示污水道管段污水從葉節點逐漸向節點流動以及下游管段流動，直到到達根節節點。

2 構建GIS系統

2.1 用戶化開發。GIS平臺軟件分為很多種，其中美國MapInfo公司開發的桌面地圖信息系統MapInfo，其空間數據可視化的功能和分析以及定制開發能力非常強大，使得其應用十分廣泛。MapInfo還能進行二次開發，使得用戶可根據自身需求進行界面定制核心功能的添置。但是，Mapinfo的界面美觀設計、報表制作及計算功能相對于VB、VC而言比較遜色。所以，MapInfo可利用VB、VC等軟件來彌補自身的缺陷。圖1表示的是一個集成地圖應用程序的主要構成部分。

圖1 MapInfo集成地圖程序的主要構成

2.2 系統設計的思路。在設計城市排水管網GIS系統時，要重視下面幾個原則：第一，使用的軟件與硬件運行環境必須穩定，且能夠達到二次開發：第二，信息內容多樣、全面，必須包含管網的長度、深度、權屬單位、附屬信息、坐標、管徑等；第三，信息分類必須標準，進行規范化管理數據，對工程信息進行分類、編碼，盡量保持國家與行業標準，數據存儲的文本格式，要按照通用格式處理并保障數據的傳輸性能良好；第四，保障信息的實用性、科學性和現實性。

排水管網GIS系統也可根據功能劃分為多個子系統，包括水力計算子系統、圖形管理子系統、數據庫管理子系統。數據庫管理子系統會連接屬性數據庫的圖形和邊際之間的連接圖形，管理子系統則完成圖形文件的存儲工作，水力計算子系統把前兩個子系統中的計算方法進行整合，運用來完成水力計算并自動生成管段文件與節點文件。城市排水管網GIS系統的研究設計工作不是單個學科可以完成的，必須整合多個學科的技術，從而使其整個系統的設計與結構更加合理，滿足用戶功能需求。

3 結束語

在城市排水管網的管理和規劃工作中運用GIS技術，能夠使得工作效率得到大幅提升，在管網的優化設計方案以及管段流量計算的各個問題中運用遞歸算法和直接優化法等多種方式，能夠得到有效的方案和最佳的答案。當前，我國對GIS系統下的城市排水管網規劃管理系統的開發還非常淺顯，對相關軟件的運用與開發知識以及功能查詢、智能化和用戶界面的設計研究都需要得到不斷完善和提高。