（市政工程专业论文）小城镇排水管网信息管理系统技术与应用研究.pdf

摘要 摘要 城市排水管网系统是重要的城市基础设施 其任务是收集与输送城市污水和 城市降雨 融雪产生的径流 它具有保护环境和城市减灾的双重功能 随着城市 建设步伐的加快 市政排水事业也得到了迅速发展 随之带来了大量 复杂 繁 琐的管理工作 原来仅凭经验 图纸的管理方法已不能适应当前排水管理的需要 随着计算机技术 网络技术和通信技术等信息技术的飞速发展 给城市排水管网 信息化 现代化管理带来了新的机遇和挑战 建立城市排水管网信息化管理系统 是实现城市排水管网信息化管理的重要途径 本文根据排水行业日常管理的特点和信息化管理的需要 研究并建立了基于 地理信息系统 g i s 和暴雨管理模型 s 删 的小城镇排水管网信息管理系统 系统具有对排水管网进行日常管理 水力计算模拟 动态生成显示横纵剖面图等 功能 首先 研究了小城镇排水管网信息管理系统的框架 结构和系统应具备的功 能 其次 分析了排水管网图形数据和属性数据的特点 研究了排水管网图形数 据和属性数据的来源 获取和转换的方式 介绍了系统数据库的组织模式和结构 并在图形数据和属性数据之间建立了连接和双向更新机制 然后 研究了g i s 与 s 删各自的数据接口和两者之间数据传递与转换的方式 并将两者紧密地结合 在一起 最后 分析了绘制排水管网横 纵剖面图所需的数据和算法 并结合 g i s 强大的数据存储和空间分析功能 开发了基于g i s 技术动态生成 显示横纵 剖面图的功能 该系统成功的应用于张家口市主城区排水管网信息化管理中 实践证明该系 统能用于排水管网的日常管理和系统的风险评估 改变了以往落后的管理模式 为排水管网的信息化 科学化管理提供了一种新的思路和方法 关键词排水管网 地理信息系统 g i s 暴雨管理模型 s w m m 信息化管理 数据库 a b s t r a c t 量 量罾 l i i 皇曼量量曼量 鲁量皇囊 量量皇鲁 毒量量皇曼皇量罾 皇量皇皇奠 a bs t r a c t u r b a nd r a i n a g es y s t e mi sa l li m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r et oac i t y i ti st oc o l l e c ta n dd e l i v e rt h e u r b a nw a s t ew a t e ra n dr u n o f fc a u s e b yr a i n f a l la n ds n o w m e l t w h i c hh a st h ed u a lf u n c t i o n a l i t yo f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dd i s a s t e rm i t i g a t i o n t h em u n i c i p a ld r a i n a g es y s t e md e v e l o p e d r a p i d l yd u et ot h ea c c e l e r a t i o no ft h eu r b a n i z a t i o n m e a n w h i l e h u g ea m o u n to fe f f o r th a sb e e n a d d e dt om 甜l a g es u c hb i ga n dc o m p l e xd r a i n a g es y s t e m s o l df a s h i o n e de x p e r i e n c ea n dh a r dc o p y p a p e rd r a w i n gw a yo fm a n a g e m e n tc a nn o tc o p ew i t ht h el e v e lo fn e e d sf o rt h eu pt o d a t e m a n a g e m e n to ft h ed r a i n a g es y s t e ma n di sn o tt h es t a t eo ft h ea r tt e c h n o l o g y w i mt h es p e e d y d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t a t i o nt e c h n o l o g y i n t e r n e tt e c h n o l o g y i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yo c t o p p o r t u n i t ya n dc h a l l e n g e sh a db e e ng i v e nt ot h ei n n o v a t i o na n dm o d e r n i z a t i o n f o rt h em a n a g e m e n to ft h ed r a y a g es y s t e mu s m gn e wi c t st e c h n o l o g y t oe s t a b l i s ha n i n f o r m a t i o nm a n a g e m e ms y s t e mo m s f o rt h ed r a i n a g es y s t e mi sav i t a la p p r o a c ht oa c h i e v e m a n a g i n gt h ed r a i n a g es y s t e m i nt h i sp a p e r b a s e do nt h en e e d sf o rt h es p e c i a l t yo ft h ed a i l ym a n a g e m e n to ft h ed r a i n a g e s y s t e m s o m er e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h ei n t e g r a t i o no fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m o l s a n ds t o r mw a t e rm a n a g e m e n ts y s t e m s w m m o nt h ed r a i n a g ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e m s y s t e m w h i c hh a st h ef u n c t i o no f d a i l ym a n a g i n go f t h ed r a i n a g en e t w o r k h y d r a u l i cm o d e l i n ga n d d y n a m i cg e n e r a t i o nf o rt h en e t w o r kp r o f i l e f i r s t l y i n v e s t i g a t i o nh a db e e nd o n eo nt h ed r a i n a g en e t w o r ks y s t e m ss t r u c t u r ea n ds y s t e m f u n c t i o n s e c o n d l y a n a l y s i sh a db e e nc a r r i e do u to nt h en e t w o r k sg e o m e t r i c a li n f o r m a t i o na sw e l l a si t sp r o p e r t i e s t h es o u r c e s p r o c e s so fo b t a i n i n ga sw e l la st h et r a n s f o r m a t i o nm e t h o d s a d a t a b l es c h e m aa n ds q m c t u r eh a db e e ni n t r o d u c e d ac o n n e c t i o nb e t w e e nn e t w o r k sg e o m e t r i c a l i n f o r m a t i o na n dp r o p e r t yi n f o r m a t i o nh a db e e ne s t a b l i s h e da n dc o u l db eu p d a t e di nb o t hd i r e c t i o n s t h e n t h et r a n s f o r m a t i o n a n dt r a n s m i s s i o n p r o c e s sb e t w e e ng i sa n ds w m mo f i t s i n t e r c o n n e c t i o np r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e d l a s t i y c o m b i n gw i t hg i s an e wf u n c t i o n a l i t yo f g i sf o rd y n a m i cg e n e r a t i o no ft h el o n g i t u d i n a la n dv e r t i c a lp r o f i l eo ft h ed r a i n a g en e t w o r kw a s c r e a t e d t h i sm o d e lh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nt h em a n a g e m e mo ft h ed r a i n a g es y s t e mo f z h a n g j i a k o u i th a sb e e np r o v e db yp r a c t i c et h a tt h i sm o d e lc a nb eu s e da st h ed a i l ym a n a g e m e n t a n ds c i e n t i f i ce v a l u a t i o nf o rt h ed r a i n a g es y s t e m a ni n n o v a t i v ea p p r o a c hf o rt h es c i e n t i f i c i n f o r m a t i o n i z a t i o nm a n a g e m e n to f t h ed r a i n a g es y s t e mh a sb e e nr a i s e d k e y w o r d sd r a i n a g en e t w o r ks y s t e m g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m g i s s t o r m w a t e rm a n a g e m e n tm o d e l s w m m i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t d a t a b a s e n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 关于论文使用授权的说明 n 5 o 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 膨咀导师签名 期 趟 互期 型 二互 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 第1 章绪论 城市排水管网系统是重要的城市基础设施 其任务是收集与输送城市污水和 城市降雨 融雪产生的径流 它具有保护环境和城市减灾的双重功能 随着城市 建设步伐的加快 市政排水事业也得到了迅速发展 随之带来了大量 复杂 繁 琐的管理工作 原来仅凭经验 图纸的管理方法已不能适应当前排水管理的需要 i l 随着计算机技术 网络技术和通信技术等信息技术的飞速发展 给城市排水 管网信息化 现代化管理带来了新的机遇和挑战 在排水设施基础资料数字化 现代化 动态信息的自动化 信息化基础上 实现排水设施数字化信息管理 调 度 事故处理 规划设计的集成化 并逐步扩大规模 开发功能模块 实现排水 系统数字化 智能化的专家管理运营调度 对排水设施进行科学的长期规划 合 理安排 准确调度 全面监控已成为城市排水系统发展的一种新趋势 2 3 小城镇排水管网的特点 小城镇排水管网与城市排水管网相比有自身的一些 特点 l 排水设施规模较小 数据量小 与城市排水管网相比 小城镇排水管网 由于地域面积较小 人口较少 所以排水管网长度 断面 埋深与城市排水管网 相比都 3 q l 曼多 2 管理相对落后 由于小城镇现代化水平相对较低 科技水平有限 相关 行业从业人员文化素质水平相对较低 所以小城镇排水管网管理水平相对落后 往往仍停留在靠大量图纸和经验管理的阶段 3 排水设施更新速度较快 近年来 小城镇城市化速率越来越快 城镇化 人口越来越多 城镇排水设施的改建 扩建速度越来越快 大量更新的排水设施 对排水管网的管理水平提出了新的要求与挑战 所以 小城镇排水设施的管理必须借助现代信息化管理的理念对其进行管 理 我国城市排水行业信息化管理现状 在各个城市的发展过程中 城市排水系 统正在经历逐步的改造和完善过程 城市排水系统建设越来越得到城市管理部门 的重视 但当前排水行业管理信息化的发展又存在许多问题 主要表现在以下几 个方面 4 1 l 排水管理部门还没有建立较为全面的数据库系统 由于城市中部分排水 设施年代久远 缺乏准确 全面 系统的运营及施工数据 导致无法对排水系统 进行科学地评价与预测 造成排水系统规划和设计不合理 北京工业大学工学硕士学位论文 1 置舅舅舅 量皇曼曼舅曼暑皇舅曼量量 曼量曼曼皇皇曼量曼量 量寡鼍皇罾 鼍量皇鼍皇曼曼量量 皇曼皇舅 置舅璺邑量量量鼍璺曼皇量皇 2 没有建立自下而上的应用管理系统 由于运营企业和排水管理部门之间 缺乏信息沟通的渠道和手段 管理部门无法及时掌握和监视排水系统的运行情 况 3 没有利用g i s g e o 铲a p n c 砌o n n a f i o ns y s t e m 技术强大的数据管理与 空间分析功能建立较为全面的设施管理系统 不能为排水运营与管理提供技术支 撑 4 虽然在排水系统工程建设中逐步建立了监控系统 但是各个系统没有与 管理系统连接 监控系统采集的大量运行信息没有能够充分发挥作用 5 由于缺乏市政管理行业信息化管理的相关规范和标准 不利于实现行业 内部的信息共享 实现城市排水管理信息化的意义与要求 5 l 搭建信息交换与共享平台 实现行业内信息共享 信息交换与共享平台是信息共享的基础 除了主要的网络体系搭建之外 基 础数据库构建则是重中之重 g i s 技术可以提供行业内以地理空间为基础的信息 共享平台 使行业内各种不同设施相关信息统一在地理空间位置之上 保证统一 的调度 规划与决策 2 分级分层建立相应的应用管理系统 实现排水行业信息化 管理部门将要求能够及时 准确 全面地掌握相关信 息 以研究现状 指导和规范行业管理 因此需要分级分层建立相应的应用管理 系统 应用管理系统搭建首先是强调面向业务管理的需要 纵向以管理为主 与 业务过程紧密结合 形成从基层到管理部门的一体化的管理系统 覆盖信息采集 管理决策 公众服务的全过程 横向着重于部门之间的信息共享和数据库的统一 建立 城市排水管理内容大多与地理空间信息有关 为了使应用管理系统具有直观 图形化的功能 将以g i s 为主要的开发工具 3 依托g i s 技术手段 借助水力学模型计算 优化排水管理决策 优化排水系统规划与设计 对排水系统进行科学的调度管理 是排水管理信 息化的目的所在 地理空间数据库和排水网络模型建立为城市排水管理提供了良 好的数字基础 g i s 强大的空间分析能力又为排水系统网络分析提供了可能 在 水力学模型的支持下 可以对现有排水系统能力进行评价 预测积水的发生 分 析污染排放起因 模拟调度方案 进而为城市排水管理决策提供科学的依据和高 层次的技术支持 第l 章绪论 1 2 国内外研究现状 近年来 国内外排水行业采用计算机信息化管理已比较普遍 一些发达国家 研发了一些g i s 软件平台 如a r e g i s 和m a p i n f o 并在许多城市地下管网管理中得 到应用 国内外研究部门还根据现有的排水数据 水力学 水文学的知识开发了 排水管网水力模型 对排水管网进行科学地评价与预测 分析排水设施规划和设 计中的不足之处 近几年来 国内外将g i s 数据平台与排水管网水力模型集成结 合 已经出现了既能进行排水管网日常管理又能对排水管网进行科学模拟评价的 商业模型 并已经在典型城市得到应用 1 2 1g i s 技术的发展及其在排水管网管理中的应用 g i s 即地理信息系统 是在计算机硬 软件系统支持下 对现实世界 资源 与环境 各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集 储存 管理 运算 分析 显示和描述的技术系统 它作为集计算机科学 地理学 测绘遥感 学 环境科学 城市科学 空间科学 信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学 科而迅速地兴起和发展起来 地理信息系统中 地理 的概念并非指地理学 而是 广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据 属性数据以及以此为基础而演义出来 的知识 本世纪5 0 年代 随着电子计算机科学的兴起和它在航空摄影测量学与地图 制图学中的应用以及政府部门对土地利用规划与资源管理的要求 使人们开始有 可能用电子计算机来收集 存贮 处理各种与空间和地理分布有关的图形和有属 性的数据 并通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务 导致了现代意 义上的地理信息系统的闯世 1 9 6 3 年 加拿大测量学家r ft o m l i m o n 首先提出了搿地理信息 这一术语 并于1 9 7 1 年建立了世界上第一个g i s 加拿大地理信息系统 c g i s 用于自 然资源的管理和规划 稍后 美国哈佛大学研究出s 山蟑系统软件 由于当时 计算机水平的限制 使得g i s 带有更多的机助制图色彩 地学分析功能极为简单 与此同时 国外许多与g i s 有关的组织和机构纷纷建立 进入本世纪7 0 年代以后 由于计算机硬件和软件技术的飞速发展 促使g i s 朝着实用方向迅速发展 一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和 地理信息系统1 6 1 与此同时 一些商业公司开始活跃起来 软件在市场上受到欢 迎 许多大学和研究机构开始重视g i s 软件设计及应用的研究 8 0 年代 由于计算机行业推出了图形工作站和p c 机等性能价格比大为提高 的新一代计算机 为g i s 普及和推广应用提供了硬件基础 g i s 软件的研制和开 北京工业大学工学硕士学位论文 发也取得了很大成绩 涌现出一些有代表性的g i s 软件 如a r c i n f o m a p i n f o g e n a m a p s y s t e m 9 等 g i s 的普及和推广应用又使得其理论研究不断完善 使 g i s 理论 方法和技术趋于成熟 开始有效地解决全球性的难题 例如全球沙漠 化 全球可居住区的评价 厄尔尼诺现象 酸雨 核扩散及核废料等问题 近些年来 g i s 技术也逐步应用到排水行业的管理当中 国内外一些研究者 认为 利用地理信息系统 g i s 技术 建立城市管网信息系统是一条行之有效 的途径 刀 欧美发达国家对城市排水系统的管理工作进行了一些研究 很多城市 已经建立了较为完善的信息管理系统 h 我国g i s 技术研究起步较晚 到7 0 年代末才提出开展g i s 研究的倡议 进 入8 0 年代后迅速发展 在理论探索 规范探讨 实验技术 软件开发 系统建 立 人才培养和区域性试验等方面都取得了突破和进展 迄今为止 已经涌现了 一批优秀的国产g i s 软件 如m a p g i s s u p e r m a p c j e o s t a r v r m a p 等 近年来 g i s 技术在我国部分城市排水管网的信息化管理中得到了应用 2 0 0 6 年 上海市建立了上海城市排水管线地理信息系统1 3 2 0 0 4 年 郑一江基 于m a p l n f o 开发了排水管网地理信息系统p s n e t g i s t 加l 王淑莹等人通过v b 6 0 二次开发t o p m a p 建立了大庆市给水排水管网g i s 系统 1 1 1 王瑞等人通过v b 6 0 二次开发m a p x 结合a c c e s s 2 0 0 2 开发了鞍山市排水地下管网地理信息系统i 翻 陈勇民二次开发m a p l n f o 建立了城市排水管网o i s 系统 并把该系统应用到城市 排水管网的规划与管理中i l 扣1 4 j 1 2 2 排水管网水力模型的发展及应用 2 0 世纪6 0 年代开始 一些基于计算机技术开发的水文 水力模型在国外陆 续推出 1 9 6 9 1 9 7 1 年由美国环境保护署 e p a 资助 梅特 卡夫 埃迪公司 m e 美国水资源公司 啪 和佛罗里达大学 o o f 等联合开发了s w m m 模 型 1 5 随后 伊利诺城市排水区域模拟模型 i l l u d a s 辛辛那提大学城市径 流模型 u c l 瓜m s t o r m 等模型也相继问世 此后 国外研究者还开发了许 多城市雨洪过程线模型和城市雨洪模拟模型 如伊利诺雨水管道系统模拟模型 i s s 水文计算模型 h s p 等 l 引 我国在城市排水管网模型的研究方面起步较晚 但是近年来在消化吸收国外 研究成果的基础上 也出现了一些结合我国国情的试验性研究成果 1 9 9 3 年 岑国平 詹道江建立了雨水管道径流计算和设计模型一城市雨水管道计算模型 s s c m 它由暴雨 地表产流 地表汇流 管网汇流和雨水管道设计等子模 型组成 1 7 1 该模型主要用于雨水管道系统的设计和校核 也可作为城市雨洪模拟 模型 用于城市雨洪的控制和雨水污染防治等 1 9 9 8 年 周玉文建立了城市排 第1 章绪论 水管网非恒定流模拟模型 c s p s m 将非恒定流模拟技术应用于我国城市捧水 系统的规划设计和运行管理中 为后续的排水系统动态模拟奠定了基础 1 甜 1 9 9 8 年 徐向阳提出了一个适合平原城市水文过程模拟的数学模型 由地表产流 地 表汇流 管网汇流 河网汇流四个子模型组成 对北京市太平湖排水小区雨洪过 程模拟的验证表明 结果是可靠和合理的f 1 9 1 2 3g i s 平台与排水管网水力模型结合的发展及应用 2 0 世纪9 0 年代开始 城市排水管网模型中开始整合g i s 及图形预处理和后 加工模块 大大加强了模型的输入和输出功能 但模型的内部结构或模型的理论 基础变化不大 譬如 x p s w m m 就有一个图形界面用于对e p as w m m 4 0 获 得的输入或输出数据进行预处理或后加工的模块 建模手段的进步虽然不影响模 型的精度或理论基础 但提高了模型的使用效率 之后 随着视窗图形界面操作 系统的出现 使得城市排水管网模型软件的用户界面更加友好 有利于城市水文 分析方法的普及 商业化运作的城市排水管网模型软件也相继出现 加速了城市 排水管网模型的应用进程 许多学者在g i s 与城市水文 水力模型的连接 整合方面进行了研究 g r e e n e 和c r u i s e 将流域的地形 土壤 土地利用 透水或不透水区域 雨水管网 河道 以及街道网络等信息分别数字化为g i s 的图层 并将每一个图层的属性信息创建 成属性数据表凹 m e y e r 等采用光栅式的g i s 软件对科罗拉多州柯林斯的城市区 域进行研究 证实基于g i s 的水文模型优于缺少g i s 支持的水文模型 2 l s h a m s i 对g i s 与模拟模型的信息交换形式进行了分析 并认为二者之间的信息交换主要 有三种类型 互换 i n t e r c h a n g e 界面 i n t e r f a c e 和整合 i n t e g r a t i o n l 2 2 1 v a s a m s e t t i 2 3 b r y a n t 2 4 s l a v i c e k l 2 5 g i l l e s l 2 6 1 也研究证实g i s 能够提 高水文建模研究的效率 近年来 基于g i s 的城市排水管网模型商业化软件在国内外发展迅速 丹麦 水力研究所 d h i d e n m a r kh y d r ai n s t i t u t i o n 先后推出了m o u s e 和m i k e u r b a n 4 2 刀 提供了一个集成化的工作环境 能够方便快捷的对给排水管网的数 据进行管理 提供了给水管网模拟计算的e p a n e t 引擎和雨污水管网模拟计算 的s w m m 引擎 美国奔特力 b e n t l e y 公司的s e w e r g e m s 是全动态 多平台 g i s c a d 和s t a n d a l o n e 市政排水系统综合模型1 2 8 1 可以对雨水系统 污 水系统以及合流制系统进行全面完整的技术分析 并且在执行这些分析时可以选 用美国环境保护署s w m m 水力模型或奔特力公司先进的圣维南方程隐式解水力 模型 英国w a l l i n g f o r d 公司的i n f o w o r k sc s 具有自己的计算引擎 2 9 1 能够用于 对城市完整水循环的水文模拟 包括城市污水泛溢及污染情况的预测以及水质模 北京t 业大学工学硕士学位论文 拟和沉积物在管网中的转移情况 最多节点数为1 0 0 0 0 0 1 3 课题的来源和内容 1 3 1 本课题的来源 本研究课题来源于 十一五 国家科技支撑计划 城市市政管网规划建设与 运营管理关键技术研究与示范 2 0 0 6 b a j l 6 8 0 4 的子课题 城市市政管网信息 管理系统及可视化动态管理系统研究 本文主要研究市政排水管网信息管理系 统部分 同时 本课题也是张家口鸿泽排水有限公司与北京工业大学的合作课题 张 家口市城市排水地理信息系统 的重要组成部分 1 3 2 主要研究内容 根据小城镇排水管网信息化建设与管理的需要 本课题主要研究搭建小城镇 排水管网信息管理系统的核心技术 并使该系统在张家口排水管网的信息化管理 中得到应用 本课题主要研究内容包括 研究小城镇排水管网信息管理系统的需求与总体 框架 排水管网地图与数据库的获取与建立存储方式 g i s 平台与排水管网水力 模型的集成 基于g i s 技术实现排水管网横纵剖面图的可视化等 该成果在张家 口排水管网信息化管理中已经得到应用 第2 章系统总体设计 2 1 系统整体框架 第2 章系统总体设计 城市排水管网信息管理系统由若干个模块组成 系统的核心是城市排水管网 的静态数据和城市的各种动态信息以及在这些静态 动态数据的基础上根据各种 实际应用搭建的各种管理模型 水力模型等 从而构成了一个完整的城市排水管 网信息管理系统 排水管网信息管理系统的整体框架见图2 1 管网测绘图l l 管网竣工圈 城市d e m 数据ll 城市地图l一城市气象 雨量数据l illl 士00 城市土壤 植被数据一 管网图形库l 管网数据库城市g i s 地图 上 上 城市人口数据 一 i 一 城市捧水管网静态数据城市动态信息数据 rl s c a d a 监测数据 士 士0 城市捧水管网设施管理模型城市暴雨管理模型择水管网断面动态化显示模型 li 城市捧水管网信息管理系统 图2 1 捧水管网信息管理系统的整体框架 f i g 2 1b a s i cf r a m es t r u c t u r eo f s m a l lt o w nd r a i n a g en e t w o r ki n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 首先 根据城市排水管网的竣工图 部分年代久远或数据不全的地段需要管 网测绘图 提取管网的图形数据和与之对应的管网属性数据 获取城市排水管网 静态数据 根据城市数字高程模型 d e m d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s 和城市电 子地图 获取城市g i s 地图 在相关部门获取城市的气象 雨量数据 城市的土 壤的性能 包含透水性等 城市人口数据 s c a d a 系统获取的监控数据等 从而得到城市的各种动态信息数据 城市排水管网静态数据数量巨大 人为管理 比较复杂 根据日常管理的需要抽象出各种排水设施的管理模型 可以极大地提 高管理效率 根据城市排水管网静态数据和城市的各种动态信息数据 根据各种 水力学 水文学 土壤学的知识开发城市暴雨管理模型 就能及时地预报某场降 雨对城市排水设施的影响 及时地对道路积水等不利影响作出预报并交付有关部 北京工业大学工学硕士学位论文 罾鼍曼皇 曼量曼曼曼鼍量曼曼罾 一l i i i in 量皇量蔓鼍 门进行及时地处理 根据绘制排水管网横 纵剖面图所需的数据和算法 并结合 g i s 强大的数据存储和空间分析功能 开发基于g i s 技术动态生成显示横纵剖面 图的功能 能够具体细致的表达排水管网的平面和立体空间分布 在上述三个模 型的基础上 将三者紧密结合搭建城市排水管网信息管理系统 2 2g i s 平台与排水管网水力模型的选择 城市排水管网信息管理系统以g i s 平台强大的空间数据管理能力为基础 在 海量数据的基础上 辅以专业化的水力学 水文学的知识建立水力模型 就能为 捧水系统的现代化管理与评估提供依据 如今 成品的商业化g i s 平台很多 而 且大部分提供了很好的二次开发的接口 在这些g i s 平台上的基础结合水力模型 开发是一种快捷的方法 以下是选择g i s 平台和水力模型的依据 2 2 1g i s 平台的选择 目前国外比较流行的g i s 平台主要有e s 甜公司的a r c l n f od e s k t o p m a p o b j e c t s a r c i m s 等 m a p i n f o 公司的m a p i n f o m a p x m a p x t r e m e 等和 i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a m g e 等 国内主要有中地公司的m a p g i s 超图公 司的s u p e r m a pg i s 灵图公司的v r m a p 吉奥公司的g e o s t a r 等 在这些g i s 软件平台中 a r c i n f od e s k t o p m a p l n f op r o f e s s i o n a l 和m a p g i s 是目前国内应用最广泛的 以下对这三种软件进行分析和比较 l a r c i n f od e s k t o p e s r i 公司的a r c o i s 软件家族包括a r c i n f o a r c e d i t o r a r c v i e w 等桌面产 品和a r c g i ss e r v e r a r c i m s a r c s d e 等服务器产品 是一个庞大的软件家族 其中a r c l n f o 是a r c g i s 桌面产品中功能最强大 最全面的 它包含了a r c v i e w 和a r c e d i t o r 的全部功能 a r c i n f od e s k t o p 是e s r i 的旗舰产品 其定位是专业化的a m f m g i s 平台 系统庞大 技术层次较高 面向专业化的地理信息使用部门 该软件支持多种方式地理数据的输入 编辑并自动建立拓扑关系 支持基本 的空间数据关系和拓扑结构分析 支持国际通用投影方式 用户可自定义符号进 行地图的显示和绘图输出 可以与多种流行数据格式进行转换 可以通过表达式 或图形交互方式进行属性信息和空间信息的一体化查询 a r c l n f o 除了提供a m l 二次开发语言之外 还提供了开放的开发环境 o d e 在u n i x 上以共享库 s o 方式 可用c c 等开发工具进行二次开发 在 第2 章系统总体设计 葛 皇鼍 量 e 皇曼吕国 皇詈i i i 一 一 i m e 皇鼍詈墨皇 皇皇皇曩i 一 w m d o w s 以动态连接库 d 1 1 提供a r d n t o 的命令和功能 可用v b v c d e l p h i p b 等开发工具进行二次开发 该软件支持地理相关模型和面向对象的数据模型 避免了数据的不一致性 便于管理和调用 处理大型数据库及分布式能力强 数据冗余小 空间分析能力 强 适合企业级乃至全社会的g i s 应用 该软件除了基本模块外 还推出了扩展 模块 t i n 地表模型生成 显示 分析模块 g r i d 栅格分析处理模块 n e t w o r k 网络分析模块 a r c s c a n 扫描矢量化模块等 另外 e s r i 公司还推出了a r c i m s 互联网地图服务器系统 该软件没有d e m 和插值计算 t a b l e s 属性数据处理功能有限 且不具备 统计图表分析功能 除基本模块外 还有多个扩展模块 价格昂贵 投资较大 通常用在大型的专业地理信息平台建设当中 2 m a p i n f op r o f e s s i o n a l m a p i n f op r o f e s s i o n a l 是m a p i n f o 公司的基于矢量数据结构的标准桌面地理信 息系统软件 它采用混合型空间数据库 分别使用不同的模块存储空间数据和属 性数据 具有强大的地图编辑 数字化及专题分析等数据可视化功能 支持c l i e n t s e r v e r 体系结构及无缝图层 可直接访问和更新数据源而不需要 下载大量文件 对于本地存储的数据类型可提供直接读 写功能 如d b a s e m i c r o s o f t a c c e s s m i c r o s o f te x c e l 等 同时也提供对于远程数据库的实时访问 如o r a c l e 9 i s y b a s e m md b 2 s q ls e r v e r 等 m a p l n f op r o f e s s i o n a l 可嵌入已存在的应用系统内或完整地集成到商业系统 中 o l ea u t o m a t i o n 技术使开发者能够将其集成到普通编程语言开发的应用系 统中 如v c v b p b 等 另外软件提供m a p b a s i c 语言 可创建特定应用 的用户界面 添加菜单和选项 增强特性和功能 实现过程的自动调用和把 m a p i n f o 集成到其他应用中 它还提供了i n t e r n e t 栅格图像的支持 视图关联等 功能 m a p l n f op r o f e s s i o n a l 数据采集功能的简单使数据精度受到限制 软件对连接 的外部数据库处理功能和三维功能也较弱 缺乏拓扑关系表达 数据编辑功能少 但与a r c i n f o 相比 它使用简单 价格便宜 容易进行二次开发 性价比较高 并且完全能够满足小型和中型专业地理信息系统建设的需要 而且和a r c l n f o 一 样 成为了事实上的g i s 标准数据格式 几乎所有的g i s 软件都可以接受m a p l n f o 格式的数据 同时输出成为m a p i n f o 格式的数据 3 脚g i s m a p g i s 是优秀的国产g i s 软件 可对数字 文本 地图 遥感图像 航 片等多源地理数据进行有效采集 一体化管理 综合空间分析及可视化分析 北京工业大学工学硕士学位论文 m a p g i s 具有扫描矢量化和数字化输入等手段 具有误差校正功能 采用矢 量和栅格数据混合结构 两种结构的信息可以互相转换 准确套合 并且具有多 源图像分析和处理功能 可制作具有出版精度的复杂地质图 能进行海量无缝地 图数据库管理以及高效的空间分析 m a p g i s 支持v c v b d e l p h i a c t i v e x 等集成开发环境 提供开发函 数库 具有三维绘制功能 处理大型数据库及分布式能力较强 数据冗余较小 电子沙盘系统提供了强大三维交互地形可视化环境 利用d e m 数据与专业图像 数据 可以生成近实时的二维和三维透视景观 另外 m a p g i s 还推出来w e b g i s 解方案m a p w e b 基于a s p 的w e b g i s 基于i s a p l a c t i v e x 的w e b g i s 但该软件性能不够稳定 在对内存空间的释放方面还有所欠缺 不能脱离硬 件平台运行 从而限制了其开发应用领域的推广 表2 l 常用g i s 软件性能对比表 t a b l e 2 1t h ec o m p a r eo fg i ss o f t w a r e 软件名称适用性 费用使用复杂度功能及特点 a r c l n f o大型较高封装粒度适中 有 功能较强 包括特征查询 地图 d e s k t o p 系统4 5 个对象 易于使缩放和移动 文本标注 专题制 用 同时具备灵活图 性 m a p l n f o中小型较低封装粒度适中 有功能较强 包括地图编辑 空间 系统5 6 个对象 易于使分析 专题制图 文本注释 投 用 影和坐标系 统计分析等 m a p g i s大中型 适中 封装粒度适中 有功能较弱 包括图形与属性编辑 系统7 0 个对象 易于使拓扑处理 空间分析 专题制图 用布局打印等 由于m a p i n f op r o f e s s i o n a l 与a r c i n f od e s k t o p 和m a p g i s 相比 使用简单 价格便宜 容易进行二次开发 性价比较高 在中小型地理信息系统构建中比较 适用 所以在搭建排水管网地理信息系统中选择了m a p l n f op r o f e s s i o n a l 作为g i s 平台 2 2 2 排水管网水力模型的选择 排水管网水力模型指的是根据圣维南方程组 曼宁公式 推求面平均降雨量 第2 章系统总体设计 的泰森多边形法 等流时线法 单位线法 瞬时单位线法 霍顿下渗公式等一系 列水文学 水力学的理论公式抽象出的有关降雨 地表径流 管网汇流的一整套 数学模型 模型代表流域中某一水流变化过程的数学描述 它将现实状况中的物 理概念 状态方程等概化为一个数学计算式 按照现象的时序关系空间关联建立 起有序的 逻辑协调的计算模式 模型必须表现为一个逻辑上严密完整的计算系 统 城市排水管网系统模型包括三部分 水文模拟 水力模拟和水质模拟 2 0 世纪6 0 年代开始 一些基于计算机技术开发的水文水力模型陆续推出 以下介绍世界上比较著名的几个模型 3 0 1 s t o r m 模型 s t o r m 模型是美国工程师协会水文工程中心研发的蓄水 处理 溢流 径 流模型 能够模拟城市流域的径流和污染负荷 适用于规划阶段对排水流域长期 径流过程的模拟 这是一个运用小时时间步长的连续模型 同时也可以用于单一 事件模拟 某个流域的径流仅仅是上游子流域径流的累积 不能演算该流域的径 流过程线 用小时降雨资料来模拟七个暴雨管理组成成分 降雨 径流 旱季流 量 污染物累积和冲刷 地表腐蚀处理率和截流蓄水 s t o r m 模型是一个准动态模型 应用修正推理公式法进行水文计算 提供 三种径流计算方法 系数方法 土壤综合覆盖法和单位过程线法 该模型有三个 主要功能 计算污染负荷和污染浓度 模拟地表腐蚀 辅助设计蓄水和处理设施 但是其参数与观测水文过程线校准很困难 往往不容易收集模拟所需要大量基础 资料 2 公路研究所模型 t r r i 该模型由英国的w a t k i n s 于1 9 6 2 年发表 它是英国公路研究所的科学与工 业研究部综合研究计划中的一个城市汇水区域模型 通常称为t r r l 该模型在 美国称为r r l 自发布之日起 该模型在英国获得了广泛地应用 t r r l 以城市区域的降雨过程作为输入 根据时间一面积径流演算方法 等 流时线法 计算地表径流过程线 该模型可以用于连续模拟 但更多的是作为基 于降雨事件的模拟模型使用 该模型的一个缺点是它假设对地表径流有贡献的排 水区域面积仅仅是与管道系统直接相连的不透水区域 因此 该模型对于峰值流 量和径流总量的估计可能会偏低 它的一个重要特点是它能够很容易地应用到尚 未城市化的排水流域 3 m o u s e 模型 m o u s e m o d e l i n go f u r b a ns e w e r 是丹麦水力学研究所 d h i 开发的排 水管网模拟软件包 m o u s e 拥有多种模块 可用来计算雨水径流 实现实时监 控和s c a d a 系统的在线分析等 m o u s e 的主要模块包括降雨入渗流模块 地 北京工业大学工学硕士学位论文 表径流模块 管流模块 长期统计模块 实时控制模块等一系列独立模块 4 沃林福特模型 w a l l i n g f o r dm o d e l 沃林福特模型早期于1 9 8 7 年由英国沃林福特水力学研究机构开发 包括降 雨径流模型 简单管道演算模型和完整管道演算模型以及水质模拟模块 模型可 以模拟暴雨和污水系统或者雨污合流污水系统 时间步长为1 5 分钟 早年就广 泛应用于暴雨设施的运行 设计和