CN102592008B - 基于gis技术的城市排水管网设计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GIS技术的城市排水管网设计系统，包括管网要素绘制、污水量预测、管网优化设计等模块。本发明还提供一种基于GIS技术的城市排水管网设计系统的运作方法，在充分利用地理信息系统的制图编辑、数据管理、储存等功能基础上，进行管道的布局绘制和调整，对设计方案中的管道进行相应的水力计算和管径优化，便于科学合理的设计排水管网规划方案。

Description

基于GIS技术的城市排水管网设计系统及方法

技术领域

本发明涉及市政建设的设计领域，具体地说是一种基于GIS技术的城市排水管网设计系统及其运作方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，城市建设步伐不断加快，城市排水管网的规划及管理工作也日趋复杂。长期以来，各城市的排水规划管理部门都采用人工方式来管理大批排水管网设计、施工、竣工的图件和表册资料。这种人工方式处理规模庞大而复杂的管线系统需要大量的时间、人力、物力和财力，管理方式效率的低下，难以适应快速发展的数据库要求，阻碍了维护效率和服务水平的进一步提高。

我国北京、广州、中山等多个城市开发建立起城市排水管网信息系统，在运行中为城市建设带来了巨大的经济效益和社会效益。但是，这类系统很多存在以下缺点：很多系统实现了对管网数据进行编辑、浏览、查询、统计分析和输出等功能，停留在对数据的管理效率上；系统大部分引入地理信息系统（GIS） 技术，但污水量的预测影响管道的排布，系统缺乏；很多系统集中在对整个排水管网方案的直观显示上，未能考虑对整个方案进行管径优化，还有泵站的设置所带来的造价成本。

另外，传统的城市排水管网规划具有短期性和静态性，忽视了规划过程具有动态性以及规划对实施过程的长期影响性，因为规划中还要涉及人口、经济、环境等多个变量。很多城市排水管网规划系统存在管道水力计算和方案设计制图相互分离的问题。方案绘制完成后，手工进行管网的参数调整，每一次调整，都带来大量计算工作。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术存在的问题，提供一种基于GIS技术的城市排水管网设计系统及其运作方法，在充分利用GIS的制图编辑、数据管理、储存、检索、统计、分析等功能基础上，设计管道的布局，结合污水量预测、水力计算和管径优化模块，对管道进行水力计算和管径优化，进行相应调整，得出更科学合理的设计方案；保证排水规划的实施在经济和环境效益上始终处于优化状态，提高了城市排水管网在规划和建设过程中的动态控制和辅助决策作用。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于地理信息系统（GIS）技术的城市排水管网设计系统，包括：

区域地理数据库，以Arccatalog软件创建，其储存居民区、街区图、水系图、道路规划图、地面高程点图等背景图层及其属性数据；

管网要素设计数据库，以Arccatalog软件创建，其储存污水管道、检查井、排水泵站、污水处理厂、排水系统等要素设计图层及其属性数据；

参数设置数据库，其存放一系列参数表，如编码参数、模型预测参数、水力计算参数等；

管网要素绘制模块，主要完成平面图的绘制，包括检查井、污水管道、排水泵站、污水处理厂、排水区域等要素的绘制、修改、删除、保存，管道流向的自动表达； 

污水量预测模块，包括生活污水量预测和工业废水量预测；

管网优化设计模块，包括管道水力计算和管径优化计算；

成果表达模块，在地图上显示排水管网的平面图、管道纵断面图、导出管道水力计算结果Excel表和排水管网的AtuoCad图。

所述参数设置数据库的编码参数包括：检查井编码、污水管道编码、污水泵站编码、污水处理厂编码及排水系统编码；模型预测参数包括：规划年限、预测生活污水参数及预测工业废水参数；水力计算参数包括：起始流速、最大流速、控制点埋深、冰冻线深度、最小覆土厚度及最大埋深。

本发明提供一种基于GIS技术的城市排水管网系统的运作方法，包括以下步骤：

步骤一：从区域地理数据库和管网要素设计数据库中加载区域背景图层和管网要素设计图层；

步骤二：在加载的背景图层和管网要素设计图层上划分排水区域，然后绘制主干管道、细化分支管道，节点视为检查井的插入，其中，绘制过程中管道与检查井自动建立拓扑关系，管道流向按高程自上而下自动生成；

步骤三：对各个排水区域进行污水量预测，包括生活污水和工业废水两部分，然后污水量平均分配到每个排水区域对应的检查井中；

其中，所述步骤三中的生活污水量预测提供两种方法：一种污水量时间序列预测，即根据历年污水量数据，采用预测模型预测该市未来污水量，每个排水区域的生活污水量按下列公式计算：

；

一种人口数时间序列预测，即根据历年人口数据，预测未来该市人口，再根据设定的生活污水定额，计算生活污水量，每个排水区域的生活污水量按下列公式计算： 

；

其中，涉及到的预测模型参数从参数设置数据库中读取，计算结果对应保存到管网要素设计数据库的排水区域和检查井数据库中。

工业废水量预测采用单位生产总产值排水当量来计算，公式如下：

步骤四：为了管道水力计算能顺利进行，先对管网数据进行检查，保证“检查井——排水管道——排水区域”之间拓扑对应，错误部分以消息框提出，再进行水力计算参数与设计参数的初始化；

步骤五：管道水力计算过程中，根据管道流向自上而下逐管进行计算，得到管径、充满度、坡度、上下管底标高、上下管底埋深、管段流速等参数；

步骤六：步骤二、三、四、五形成的管网设计方案，在地图上整体显示，根据需要导出平面布置图、管道的纵断面图、管网水力计算出的设计参数表和CAD图。

本发明的优越性在于：利用预测模型对人口和工业废水量进行预测，兼顾了城市排水管网规划过程具有动态性以及规划对实施过程的长期影响性，与GIS技术的结合，提高了管道排布的有效性；方案设计制图、管道水力计算和管径优化融合在一起，在每一次管网参数调整后，结合GIS的查询分析功能，可解决调整所带来的大量计算工作；通过本发明可以在平面图绘制阶段建立“检查井——排水管道——排水区域”的拓扑对应关系，通过水力计算得到各管道的相关参数，对相关参数进行调整，然后再次进行调整后的管道水力计算，将排水管道的规划布局、管道水力计算以及设计方案的调整优化集于一体，适应了快速发展的城市排水管网规划的建设需要，提高了城市排水管网规划设计的工作效率和质量。

附图说明

图1为本发明城市排水管网设计系统框图；

图2为本发明城市排水管网系统的运作方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明。以下实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

参阅图1，本发明的设计系统包括：

区域地理数据库，储存居民区、街区图、水系、道路、地面高程点等背景图层及其属性数据，各属性数据包括编码和名称；

管网要素设计数据库，储存污水管道、检查井、排水泵站、污水处理厂、排水系统等规划要素图层及其属性数据；污水管道的属性包括：代码、管道等级、所在道路名称、管径、管材、管长、起终点管底标高等；检查井的属性包括：代码、地面高程、所在道路名称、井深、长度、宽度等；排水泵站的属性包括：代码、地址、设计排水能力、现有排水能力、设计装机容量、现有装机容量、泵站总功率等；污水处理厂的属性包括：代码、占地面积、服务面积、服务人口数、污泥量等；排水系统的属性包括：代码、管理单位代码、汇水面积、规划污水排放量、生活污水量标准、工业污水量标准及人口密度等。

参数设置数据库，储存模型预测参数、造价计算参数，水力计算参数等需要用于计算的参数表；模型预测参数包括规划年限、预测生活污水参数及预测工业废水参数；水力计算参数包括起始流速、最大流速、控制点埋深、冰冻线深度、最小覆土厚度及最大埋深；参数设置数据库中的数据用于污水量计算、管道水力计算，根据需要可以更新。

管网要素绘制模块，主要完成平面图的绘制，包括检查井、污水管道、排水泵站、污水处理厂、排水区域等要素的绘制、修改、删除、保存，管道流向的自动表达。

污水量预测模块，根据规划区域的历年数据计算该区域的未来生活污水量和工业废水量。

管网优化设计模块，包括管道水力计算和管径优化计算；进行管道水力计算时，先进行水力计算参数和设计参数的初始化，并将参数保存到参数设置数据库中，根据管道流向计算出管径、充满度、坡度、上下管底标高、上下管底埋深、管段流速等参数，以Excel表形式导出；基于水力计算结果，对管径参数调整，调整后再次满足水力计算。 

成果表达模块，在地图上显示排水管网的平面图、管道纵断面图、导出管道水力计算结果Excel表和排水管网的AtuoCad图。

参阅图2，本发明系统的运行方法包括：

步骤一：从地理数据库中加载居民区、街区、水系、道路规划、地面高程点等基础信息图层；从管网要素设计数据库中加载污水管道、检查井、排水泵站、污水处理厂、排水系统等规划图层。

步骤二：根据上述加载的图层信息绘制排水区域，然后绘制主干管道、再细化分支管道，每根管道的起点与终点自动生成检查井。管道流向按高程自上而下自动表达。其中，绘制过程中管道与管道，管道与检查井之间建立对应关系，编码自动生成并依次排序保存到管道与检查井数据库中，用于以后的管道水力计算和管径优化计算。

步骤三：对排水区域进行生活污水和工业废水量预测，然后污水量平均分配到排水区域对应的检查井中。

生活污水量预测方法：⑴、污水量时间序列预测，计算公式： 

；

⑵、人口数时间序列预测，计算公式： 

；

生活污水定额、该市居民区总面积是自定义，并保存到参数设置数据库中；预测计算时涉及到的模型参数从参数设置数据库中读取；某个排水区域面积从排水区域数据库中自动读取，计算得到的该区域生活污水总量保存到排水区域数据库中。

工业废水量预测采用单位生产总产值排水当量来计算，计算公式：

。

实施例

以规划设计山东省寿光市某区排水管网为例，预测生活污水时，选定：生活污水量时间序列预测，从数据库中导入历年污水量数据，在文本框中输入该市居民区总面积；鼠标在地图上选取各个排水区域，会出现排水区域对应的编号、面积，在文本框中会显示出对应区域的生活污水量预测值；计算工业废水时，在文本框中输入各个排水区域工业总产值，通过下拉框选择对应区域所在的工业类型，单位生产总产值排水当量会从参数设置数据库中自动读取，单位（万吨/亿元)，各行业值见表1所示，通过计算按钮，得到对应区域工业废水预测值；然后各个区域的生活污水量、工业废水量存储到排水区域数据库中，污水总量平均分配到排水区域对应的检查井中，并保存到检查井属性数据库中，便于以后的管段流量计算。

注：根据国家统计局2008-2010年《中国统计年鉴》发布的2007-2009年工业生产总值及指数、环境相关数据，计算出的39个行业的单位工业总产值废水排放当量。

步骤四：管道水力计算前，先对管网数据进行检查，保证“检查井——排水管道——排水区域”之间拓扑对应，并以消息框提出错误部分，根据提示在地图上做出修改，保证三者关系对应。

步骤五：在管道水力计算时，进行水力计算参数与设计参数的初始化。

参照我国《室外排水设计规范》（GB50014-2006）规定，设置参数，起始流速：0.6米/秒；最大流速：5米/秒；控制点埋深：0.7米；冰冻线深度：0.15米；最小覆土厚度：0.7米；最大埋深：5米。根据不同城市或区域实际情况可以自定义参数值。

步骤六：利用管网优化设计模块，调整部分管道的管径，使管网造价尽可能低，再进行调整后的管道水力计算，得出方案中各个污水管道的管径、充满度、管道坡度、上下管底标高、上下管底埋深、管段流速等参数，同时将结果以Excel表格导出。

实例中，通过以上步骤，在未设置泵站的前提下，算出山东省寿光市某区排水管网规划设计中部分管道的参数如表2、表3所示。

步骤七：基于以上述所有步骤形成的管网规划设计方案，在地图上整体显示，可导出方案的平面布置图、管道的纵断面图、管网水力计算的结果和CAD图。

如上所述根据城市的基础地理信息，考虑规划中涉及人口、经济等因素，设计管道的布局，通过对规划方案中的管道进行水力计算和管径优化，进行相应调整，降低整个排水管网的经济费用，便于科学合理的选择最终设计方案。

Claims (2)

1.一种基于GIS技术的城市排水管网设计系统，其特征在于，该系统包括：

区域地理数据库，以Arccatalog软件创建，其储存居民区、街区图、水系图、道路规划图、地面高程点图的背景图层及其属性数据；

管网要素设计数据库，以Arccatalog软件创建，其储存污水管道、检查井、排水泵站、污水处理厂、排水系统要素设计图层及其属性数据；

参数设置数据库，其存放一系列参数表，即编码参数、模型预测参数、水力计算参数；

管网要素绘制模块，完成平面图的绘制，包括检查井、污水管道、排水泵站、污水处理厂、排水区域要素的绘制、修改、删除、保存，管道流向的自动表达； 

污水量预测模块，包括生活污水量预测和工业废水量预测；

管网优化设计模块，包括管道水力计算和管径优化计算；

成果表达模块，在地图上显示排水管网的平面图、管道纵断面图、导出管道水力计算结果Excel表和排水管网的AtuoCad图；其中：

所述参数设置数据库的编码参数包括：检查井编码、污水管道编码、污水泵站编码、污水处理厂编码及排水系统编码；模型预测参数包括：规划年限、预测生活污水参数及预测工业废水参数；水力计算参数包括：起始流速、最大流速、控制点埋深、冰冻线深度、最小覆土厚度及最大埋深；

所述生活污水量预测包括：

ⅰ）污水量时间序列预测，即根据历年污水量数据，预测该市未来污水量，每个排水区域的生活污水量按下列公式计算： 

ⅱ）人口数时间序列预测，即根据历年人口数据，预测未来该市人口，再根据设定的生活污水定额，计算生活污水量，每个排水区域的生活污水量按下列公式计算： 

；

工业废水量预测采用单位生产总产值排水当量来计算，计算公式如下：

。

2.一种权利要求1所述系统的运作方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一：从区域地理数据库和管网要素设计数据库中加载区域背景图层和管网要素设计图层；

步骤二：在加载的背景图层和管网要素设计图层上划分排水区域，然后绘制主干管道、细化分支管道，节点视为检查井的插入，其中，绘制过程中管道与检查井自动建立拓扑关系，管道流向按高程自上而下自动生成；

步骤三：对各个排水区域进行污水量预测，包括生活污水和工业废水两部分，然后污水量平均分配到每个排水区域对应的检查井中；

其中，所述步骤三中的生活污水量预测提供两种方法：一种污水量时间序列预测，即根据历年污水量数据，采用预测模型预测该市未来污水量，每个排水区域的生活污水量按下列公式计算：

；

一种人口数时间序列预测，即根据历年人口数据，预测未来该市人口，再根据设定的生活污水定额，计算生活污水量，每个排水区域的生活污水量按下列公式计算： 

；

其中，涉及到的预测模型参数从参数设置数据库中读取，计算结果对应保存到管网要素设计数据库的排水区域和检查井数据库中；

工业废水量预测采用单位生产总产值排水当量来计算，公式如下：

；

步骤四：为了管道水力计算能顺利进行，先对管网数据进行检查，保证“检查井——排水管道——排水区域”之间拓扑对应，错误部分以消息框提出，再进行水力计算参数与设计参数的初始化；

步骤五：管道水力计算过程中，根据管道流向自上而下逐管进行计算，得到管径、充满度、坡度、上下管底标高、上下管底埋深及管段流速参数；

步骤六：步骤二、三、四、五形成的管网设计方案，在地图上整体显示，根据需要导出平面布置图、管道的纵断面图、管网水力计算出的设计参数表和CAD图。

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