基于GIS技術(shù)的劉大灌區(qū)用水管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(遼寧省大連市普蘭店區(qū)劉大水庫(kù)管理局，遼寧 大連 126207)

劉大灌區(qū)位于大連市大沙河流域，其主要供水水源地是大沙河干流上游修建的劉大水庫(kù)。該水庫(kù)是大連市的大型水庫(kù)之一，壩址以上集雨面積278.3km2,水庫(kù)死庫(kù)容480萬(wàn)m3，正常水位88.25m，正常庫(kù)容 6700 萬(wàn)m3，總庫(kù)容 1.89億m3，多年平均供水量4600余萬(wàn)m3。目前水庫(kù)水量能夠滿足劉大灌區(qū)的灌溉用水需求。然而，近年來(lái)隨著工業(yè)和生活用水的持續(xù)增加，再加上灌區(qū)灌水方式落后，渠道滲漏等問(wèn)題嚴(yán)重，導(dǎo)致水資源嚴(yán)重浪費(fèi)，出現(xiàn)水資源緊缺的趨勢(shì)。因此，加強(qiáng)灌區(qū)節(jié)水管理，提高灌溉水利用率，是解決該問(wèn)題的唯一途徑。本研究采用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，設(shè)計(jì)了劉大灌區(qū)用水管理系統(tǒng)，使農(nóng)田灌溉更具有科學(xué)性，提高系統(tǒng)精確度，并大大節(jié)省人力和物力，同時(shí)提出了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和存在的問(wèn)題，以期為灌區(qū)管理提供科學(xué)的方法和依據(jù)。

1 系統(tǒng)需求分析

灌區(qū)管理的核心在于水的管理。灌區(qū)用水包括用水定額、運(yùn)行成本、水質(zhì)等幾個(gè)方面，這些都直接或間接影響著灌區(qū)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益的發(fā)揮。劉大灌區(qū)屬中型灌區(qū)。多年來(lái)，該灌區(qū)在防洪治澇、規(guī)劃等方面做了大量工作。但是至今劉大灌區(qū)的管理還相當(dāng)落后，最前線的管理人員為了保證灌區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，每天要實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)多次，到了防汛時(shí)期管理人員的工作強(qiáng)度就更大了，而且觀測(cè)數(shù)據(jù)存在很大的誤差。為了跟上時(shí)代的發(fā)展，劉大灌區(qū)急需一套現(xiàn)代化的管理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)用水?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、自動(dòng)保存、匯總和分析，提出適宜的用水管理計(jì)劃，供灌區(qū)管理者采用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)灌區(qū)需求分析，該系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄，并進(jìn)行灌區(qū)用水調(diào)配等計(jì)劃的制作。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集硬件部分包括數(shù)據(jù)采集傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、太陽(yáng)能供電裝置或移動(dòng)電源裝置等部分；軟件設(shè)計(jì)部分主要是對(duì)硬件設(shè)備的控制，包括電壓水位轉(zhuǎn)換程序、灌區(qū)用水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、地圖屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、灌溉制度設(shè)計(jì)、流量計(jì)算程序及用水報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。

具體功能設(shè)計(jì)如下：

a.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌區(qū)用水，并能夠自動(dòng)記錄用水?dāng)?shù)據(jù)。

b.具有灌區(qū)地圖的瀏覽，編輯、打印等功能。

c.查詢灌區(qū)的用水及空間信息，實(shí)現(xiàn)SQL查詢及地圖上的點(diǎn)查詢。

d.通過(guò)屬性來(lái)進(jìn)行地圖查詢。

e.具有根據(jù)屬性制作專題圖的功能(如柱狀圖，餅狀圖，區(qū)域填充圖等)。

f.具有圖層控制功能。

g.同農(nóng)田水利相結(jié)合，能夠做出灌區(qū)水的調(diào)配計(jì)劃。

h.形成用水量的月、年度報(bào)表。

i.通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線通信技術(shù)匯集灌區(qū)各個(gè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為灌區(qū)管理中心決策提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件包括兩個(gè)部分，一部分是灌區(qū)內(nèi)水位、閘門、流量等的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)硬件，另一部分是控制中心綜合操作臺(tái)所需硬件。具體實(shí)現(xiàn)如下。

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控包括灌區(qū)內(nèi)水位、流量、閘門啟閉、開(kāi)合度等數(shù)據(jù)的采集和傳輸，以及灌區(qū)圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控兩個(gè)方面。

3.1.1 水位、流量、閘門啟閉、開(kāi)合度等硬件設(shè)計(jì)

水位監(jiān)控主要是為灌區(qū)供水運(yùn)行狀況、輸水量的計(jì)量提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采用的設(shè)備是WFX-D系列浮子式自收纜水位計(jì)，并配備太陽(yáng)能供電、無(wú)線傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)采集和傳輸。

流量監(jiān)控主要是測(cè)定灌區(qū)干、支、斗、農(nóng)渠道內(nèi)水流的速度和流量，為灌區(qū)用水管理提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采用的設(shè)備是SKLD系列電磁流量計(jì)，并配備太陽(yáng)能供電、無(wú)線傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)采集和傳輸。

閘門啟閉、開(kāi)合度監(jiān)控等主要是對(duì)進(jìn)水閘、攔沙閘等的啟閉和開(kāi)度進(jìn)行電動(dòng)控制，為灌區(qū)的調(diào)水、配水提供支持。采用的是KS-10Z閘位傳感器，是一種獨(dú)立的閘門開(kāi)度測(cè)量?jī)x，與太陽(yáng)能供電、無(wú)線傳輸裝置相連接，實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)及手動(dòng)控制和數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.2 灌區(qū)圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控

本系統(tǒng)主要是借助視頻機(jī)、監(jiān)視器或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控灌區(qū)運(yùn)行的監(jiān)控圖像畫面，及時(shí)掌握情況。因此，圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控由前端設(shè)備、傳輸通道和終端設(shè)備組成。前端設(shè)備包括圖像采集攝像機(jī)、鏡頭、電動(dòng)云臺(tái)和防護(hù)罩，傳輸通道采用無(wú)線傳輸通道，包括圖像和指令傳輸通道，采用了KS型微波無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)GPRS傳輸系統(tǒng)。

3.2 控制中心硬件設(shè)計(jì)

控制中心主要是對(duì)整個(gè)灌區(qū)用水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)布管理指令的地方，設(shè)置在灌區(qū)管理中心。主要布設(shè)有操作臺(tái)1套。所需硬件有兩部分，一部分是視頻監(jiān)控方面，包含嵌入式硬盤錄像機(jī)2臺(tái)、液晶顯示器1臺(tái)，用于視頻監(jiān)控，并通過(guò)畫面分割功能分別顯示閘門、灌區(qū)各部位的運(yùn)行視頻圖像；另一部分是裝配計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1套，上面裝配有GIS軟件平臺(tái)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和用水管理。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件設(shè)計(jì)功能

基于GeoStar強(qiáng)大的功能和GeoMap模塊功能的可開(kāi)發(fā)性，以GeoMap作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，采用GIS軟件二次開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能。本系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)了以下幾個(gè)功能：

a.按照工作區(qū)分層、地物類組織地圖數(shù)據(jù)。

b.分層、地物類顯示地圖。

c.地圖的漫游與縮放。

d.顯示地圖注記。

e.點(diǎn)查詢方式選中地物。

f.利用SQL表達(dá)式選中地物。

4.2 軟件功能的實(shí)現(xiàn)

采用GIS二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)下述功能。

4.2.1 灌區(qū)需水量計(jì)算功能

需水量計(jì)算程序段的作用是根據(jù)田間水分狀況和有關(guān)灌溉制度計(jì)算出田間的需水情況。具體功能實(shí)現(xiàn)如下：基于現(xiàn)有條件，田間信息主要通過(guò)人工監(jiān)測(cè)并控制輸入的方法獲得。如果將來(lái)有條件的話，可以實(shí)現(xiàn)田間信息的自動(dòng)采集功能。有關(guān)灌溉制度的資料則是通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)得來(lái)。

計(jì)算需水量的原理如下：系統(tǒng)先將當(dāng)天的日期值讀到“日期”文本框內(nèi)，再根據(jù)“日期”文本框內(nèi)的日期值(該日期值是可以改變的)由數(shù)據(jù)庫(kù)讀取與“日期”文本框內(nèi)的日期值相同日期有關(guān)的資料，如今日耗水量、最小水深、最大水深、適宜水深等。昨日田面水層深度值和今日降水情況則需要應(yīng)用者根據(jù)實(shí)際情況輸入。這樣就可以計(jì)算田間需水量，不過(guò)，為了能進(jìn)一步計(jì)算出田間靜流量和相應(yīng)渠道的流量，需要輸入和計(jì)算流量有關(guān)的資料，如：灌水延續(xù)時(shí)間、每天灌水歷時(shí)和灌溉面積等。每天灌水歷時(shí)默認(rèn)為24h，這個(gè)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況由決策者決定并輸入。灌溉面積的輸入是在“面積”輸入框中輸入。

至此，所有需要輸入的資料都已錄入，接下來(lái)就開(kāi)始進(jìn)行需水量的計(jì)算。采用的計(jì)算原理是水田灌溉制度計(jì)算的原理，即當(dāng)田面水層深度大于最大水深時(shí)，則需要排水，排水量為田面水層深度減去最大水深所得的值；當(dāng)田面水層深度小于最小水深時(shí)則開(kāi)始灌水，灌水量等于適宜水層深度減去田面水層深度的差值取整所得的值。這樣就可以計(jì)算田間需水情況，即灌排水情況。在此基礎(chǔ)上引入灌溉面積即可算出灌溉面積上的總需水量。

在計(jì)算完總的需水情況之后，再計(jì)入渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)就可算出田間凈流量進(jìn)而得出相應(yīng)渠道的流量。計(jì)算田間凈流量的過(guò)程包括了一些小的計(jì)算程序，如：灌水定額、灌水率計(jì)算程序等。

4.2.2 信息查詢功能

包括點(diǎn)查詢和SQL查詢兩種方法，主要通過(guò)GeoMap調(diào)用GeoStar自帶的地圖屬性查詢功能和SQL查詢語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。

4.2.3 生成報(bào)表功能

此功能是針對(duì)渠道量水而設(shè)的一項(xiàng)功能，將某天記錄的渠道內(nèi)流過(guò)的流量和這一天內(nèi)流過(guò)的總水量以報(bào)表的形式記錄下來(lái)，并將每天流過(guò)的水量累加起來(lái)進(jìn)行記錄。本功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀數(shù)和將數(shù)據(jù)寫入電子表格兩個(gè)程序塊。從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的數(shù)據(jù)是相應(yīng)時(shí)段的流量值。具體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句如下：

While Day(mdate)>Day(rst!日期)

rst.MoveNext

Wend

Do While Not rst.EOF

For i = 1 To 12

If Day(mdate)= Day(rst!日期)And Hour(rst!日期)= Hour(bbshj(i))And Minute(rst!日期)= Minute(bbshj(i))Then

bbflow(i)= rst!流量

lseIf Day(mdate)= Day(rst!日期)-1 And Hour(rst!日期)= Hour(bbshj(i))And Minute(rst!日期)= Minute(bbshj(i))Then

bbflow(i)= rst!流量

End If

Next i

rst.MoveNext

Loop

由于每天需要讀取的就是幾個(gè)有數(shù)時(shí)段的數(shù)據(jù)，各時(shí)間點(diǎn)附近一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的流量的平均值，構(gòu)成了一天的報(bào)表數(shù)據(jù)。因此，只需利用12個(gè)存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀數(shù)即可，在此基礎(chǔ)上定義了一個(gè)12維數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)讀取的數(shù)據(jù)。

在讀完數(shù)后，往電子表格中寫數(shù)據(jù)時(shí)，涉及到打開(kāi)電子表格的程序。先介紹一下如何引用Excel及打開(kāi)電子表格，語(yǔ)句如下：

Dim ex As New Excel.Application

該語(yǔ)句是定義一個(gè)變量，作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)Excel的引用類型。

Dim exwbook As Excel.Workbook

該語(yǔ)句的功能是定義一個(gè)變量為Excel的工作表類型。通過(guò)此語(yǔ)句就可以打開(kāi)或新建一個(gè)電子表格了。下面的語(yǔ)句就是打開(kāi)一個(gè)表格的語(yǔ)句。

Set exwbook = ex.Workbooks.Open(App.path &"報(bào)表ook1.xls")

至此，電子表格就打開(kāi)了，下面開(kāi)始往表格里寫數(shù)據(jù)，語(yǔ)句如下：

For i = 1 To 12

rangestr = "d" &CStr(i + 1)

exsheet.Range(rangestr)= bbflow(i)

Next i

以上四句將各時(shí)段的流量對(duì)應(yīng)著寫到打開(kāi)的電子表格中，其中exsheet.Range(rangestr)代表的是要寫入數(shù)據(jù)的位置。Rangestr代表一個(gè)字符串，它的內(nèi)容指明了寫入的位置。

exsheet.Range("b2")=mdate

該語(yǔ)句的作用是將生成報(bào)表的日期記錄到報(bào)表中，實(shí)現(xiàn)了查看報(bào)表功能。

4.2.4 情景展示功能

是指計(jì)算結(jié)果的表示形式以情景的方式表示出來(lái)，使得決策者能直觀地了解田間和渠道相關(guān)信息，以便快速作出決策。主要通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)含水量模擬程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)某個(gè)地塊的含水量低于一定值時(shí)，該地塊就會(huì)以紅色加亮顯示，以告訴決策者該地塊需要灌水了。同時(shí)控制該地塊的閘門也加亮顯示并閃動(dòng)，說(shuō)明需要開(kāi)啟該閘門進(jìn)行灌水。

4.2.5 報(bào)警功能

報(bào)警功能是在系統(tǒng)應(yīng)用于渠道量水過(guò)程中提出的，渠道中有一個(gè)警戒水位，當(dāng)水位達(dá)到警戒水位時(shí)，對(duì)渠道及相關(guān)建筑物就會(huì)產(chǎn)生威脅，因此需要設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)時(shí)鐘控件進(jìn)行控制的，通過(guò)時(shí)鐘的工作與否來(lái)控制報(bào)警器的開(kāi)關(guān)，當(dāng)控制報(bào)警器的時(shí)鐘開(kāi)始工作時(shí)，報(bào)警器就會(huì)響；當(dāng)控制報(bào)警器的時(shí)鐘停止工作時(shí)，報(bào)警器也會(huì)停。報(bào)警器采用背景音樂(lè)報(bào)警的方式，背景音樂(lè)的播放器是Windows Media Player。具體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句如下：

If Val(Tzqh.Text)>1.75 Then

Timer2.Enabled = True

End If

這幾句是將控制報(bào)警器的時(shí)鐘打開(kāi)，即當(dāng)閘前水深大于1.75m時(shí)打開(kāi)時(shí)鐘。該時(shí)鐘一打開(kāi)就觸發(fā)了背景音樂(lè)播放，進(jìn)行報(bào)警，具體語(yǔ)句如下：

Private Sub Timer2_Timer()

If mainfrm.StatusBar1.Panels(3)= "報(bào)警器：開(kāi)" Then

If Timer1.Enabled = True Then

If Val(Tzqh.Text)>1.75 Then

MPlay1.Play

End If

Else

MPlay1.Stop

MPlay1.SelectionStart = 0

End If

End If

End Sub

以上語(yǔ)句的主要意思是當(dāng)由傳感器讀入的閘前水深大于1.75m時(shí)就播放音樂(lè)進(jìn)行報(bào)警。

5 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)是在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境下對(duì)GeoStar的模塊GeoMap進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)形成的，主要組成部分包括水位變送器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)采集卡和軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是灌區(qū)用水?dāng)?shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控、地理信息系統(tǒng)的查詢、形成報(bào)表以及形象化的結(jié)果顯示，為管理者提供決策依據(jù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求，得到了灌區(qū)管理者的認(rèn)可。該系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)為GIS技術(shù)引入到灌區(qū)管理中做了一次嘗試，同時(shí)也為灌區(qū)管理工作的完善提供了一個(gè)可行的方案。