基于GIS的灌區(qū)規(guī)劃計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

華黎利，徐 琳

1.常州市武進(jìn)區(qū)水利工程建設(shè)處，江蘇常州 213159

2.常州衛(wèi)生高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校, 江蘇常州 213002

隨著全國各地灌區(qū)的續(xù)建配套和節(jié)水改造工作的有序進(jìn)行，為計(jì)算機(jī)技術(shù)在灌區(qū)規(guī)劃中的推廣和應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間。由此，開發(fā)一種實(shí)用、快捷、滿足水利行業(yè)有關(guān)規(guī)范的基于GIS 的灌區(qū)規(guī)劃計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)就具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用情況

1.1 在水利工程規(guī)劃中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用廣泛，在灌區(qū)規(guī)劃也展現(xiàn)了其優(yōu)越性及便利性。主要可運(yùn)用于以下兩方面：1）用于灌區(qū)決策管理層，例如針對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的“內(nèi)蒙古河套灌排信息管理決策支持系統(tǒng)”〔1〕等；2）為對灌區(qū)進(jìn)行科學(xué)管理，提高工作效率，設(shè)計(jì)人員會開發(fā)一些針對性的計(jì)算機(jī)軟件，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，為這些軟件的開發(fā)提供了平臺。

1.2 GIS 技術(shù)的概念及應(yīng)用

GIS 就是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對整個(gè)或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析和可視化表達(dá)的信息處理與管理系統(tǒng)〔4〕。

系統(tǒng)利用MapInfo 公司的MapX4.0 組件將地理信息系統(tǒng)軟件MapInfo 引入應(yīng)用程序中，能夠幫助不同數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中建立關(guān)聯(lián)，采用雙數(shù)據(jù)庫存儲模式，用“空間實(shí)體+空間索引”模型通過一定的索引機(jī)制將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 基本情況

通過良好的人機(jī)對話機(jī)制輔以地理信息技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)規(guī)劃人員對灌區(qū)進(jìn)行全過程規(guī)劃設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)包括：設(shè)計(jì)代表年的計(jì)算、灌水率計(jì)算、作物灌溉制度計(jì)算、排水流量計(jì)算、排水溝道GIS 實(shí)時(shí)規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)分析等的生成輸出。

2.2 設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)嚴(yán)格按照《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》、《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》和《農(nóng)田水利學(xué)》等相關(guān)規(guī)定，從規(guī)劃設(shè)計(jì)步驟到具體的計(jì)算方法均對照相應(yīng)的各種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行的。

該系統(tǒng)第一次將GIS 技術(shù)和灌區(qū)規(guī)劃計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相結(jié)合，真正使設(shè)計(jì)人員能夠在面向?qū)ο蟓h(huán)境中對實(shí)際灌區(qū)現(xiàn)狀圖地圖進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)的操作，對灌區(qū)規(guī)劃部分實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集及灌區(qū)的實(shí)時(shí)規(guī)劃等功能。

2.3 系統(tǒng)的研發(fā)

1）系統(tǒng)整體開發(fā)。系統(tǒng)把數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)作為系統(tǒng)的第一階段任務(wù)，將地理信息系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)分別作為系統(tǒng)的第二、三階段，同時(shí)在整個(gè)程序運(yùn)行期都運(yùn)行錯(cuò)誤監(jiān)控系統(tǒng)及在線幫助系統(tǒng)；

2）開發(fā)數(shù)據(jù)輸入糾錯(cuò)模塊。該模塊具體有3 種類型：第1 種類型是實(shí)時(shí)提醒，第2 種類型是被動糾錯(cuò)，第3 種類型是自定義對象糾錯(cuò)；

3）開發(fā)數(shù)據(jù)輸出模塊。該系統(tǒng)使用MapInfo 電子地圖來實(shí)時(shí)繪制灌區(qū)的規(guī)劃圖、使用Word 來編寫設(shè)計(jì)說明書、使用Excel 來編制工程概算表；

4）開發(fā)地理信息模塊。系統(tǒng)第一次把GIS 技術(shù)融入灌區(qū)規(guī)劃，在灌區(qū)現(xiàn)狀地圖上，讓設(shè)計(jì)人員能夠在面向?qū)ο蟓h(huán)境中開展實(shí)時(shí)動態(tài)設(shè)計(jì)操作，系統(tǒng)自動獲得渠系、排水溝道、骨干建筑物等信息，為灌區(qū)規(guī)劃中渠道流量計(jì)算、斷面計(jì)算等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 基本資料

某自流灌區(qū)總面積2066 畝，土質(zhì)砂土導(dǎo)致渠道坍塌且漏水，當(dāng)?shù)卣疀Q定改造該灌區(qū)。

3.2 規(guī)劃方案

改造后原灌區(qū)規(guī)劃面積不變，計(jì)劃對該灌區(qū)干、支、斗渠三級渠道進(jìn)行襯砌，同時(shí)在斗渠112 與斗渠121 之間新增一條斗渠、一條排水溝，最后在支渠11 與干渠1 分水口建一節(jié)制閘。

3.3 規(guī)劃設(shè)計(jì)成果

1）灌區(qū)規(guī)劃基本數(shù)據(jù)確定

在使用系統(tǒng)過程中進(jìn)行人機(jī)對話，需用戶確定以下參數(shù)：灌溉設(shè)計(jì)保證率75%；歷年降雨資料；代表年的氣象資料和日降雨資料；水稻生育期調(diào)節(jié)水層、雨后最大蓄水深、各生育期天數(shù)；泡田期灌水定額80m3/畝、泡田期7 天、稻田滲漏量4mm/d、生育期起始水層10.1mm、水稻作物系數(shù)1.2；小麥允許最大含水率和最小含水率；小麥作物系數(shù)為0.8；降雨入滲系數(shù)；土壤田間持水率；小麥計(jì)劃濕潤層；灌區(qū)水稻種植比80%；灌水延續(xù)時(shí)間為24h。

成果輸出：設(shè)計(jì)代表年1989 年；水稻灌溉定額506m3/畝；小麥灌溉定額153m3/畝；灌水率為1.85m3/（s*萬畝）。

2）地理信息子系統(tǒng)成果

渠系規(guī)劃成果：新增斗渠113 設(shè)計(jì)成果：樁號0+555，渠道長度586m，控制面積387 畝。斗渠112 的控制面積由659 畝更新為272 畝；渠道流量設(shè)計(jì)：干渠續(xù)灌，支渠輪灌，斗渠輪灌，干渠設(shè)計(jì)流量0.228m3/s，支渠設(shè)計(jì)流量0.205m3/s,斗渠111 設(shè)計(jì)流量0.054m3/s, 斗渠112 設(shè)計(jì)流量0.054m3/s, 斗渠113 設(shè)計(jì)流量0.081m3/s, 斗渠121 設(shè)計(jì)流量0.094m3/s, 斗渠122 設(shè)計(jì)流量0.095m3/s。渠道斷面設(shè)計(jì)：以斗渠113 為例，采用最優(yōu)斷面，梯形渠道，邊坡1∶0.85，渠道比降1：2000,糙率系數(shù)為0.014,渠道設(shè)計(jì)底寬為0.22m，設(shè)計(jì)水深0.32m，加大水深0.35m，安全超高0.29m，堤頂寬度0.65m。

3）經(jīng)濟(jì)分析成果

該工程總投資62.2 萬元，我們?nèi)》治銎?0 年來看，那么社會折現(xiàn)率即是7%，則可得到如下國民經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)：IRR（內(nèi)部報(bào)酬率）即15.12%，ENPV（經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值）為5.24 萬，由此可知R（效益費(fèi)用比）為1.22.

4 結(jié)論

基于GIS 的灌區(qū)規(guī)劃計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能優(yōu)越性是其他常設(shè)計(jì)無法比擬的，用戶在使用時(shí)，把全新的GIS 技術(shù)盡量融入到人機(jī)交互方式中，從而快速、高效的實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的規(guī)劃工程。

[1]宋松柏，李世卿，等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)灌排信息管理決策支持系統(tǒng).灌溉排水，2001，3(1).

[2]楊自明.渠道土方計(jì)算程序.寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(3).

[3]齊銳，屈韶琳，等.用MapX開發(fā)地理信息系統(tǒng).清華大學(xué)出版社.