基于arcgis的蒙城县农村供水管网优化研究 63页

'基于ArcGIS的蒙城县农村供水管网优化研究OptimizationonWaterSupplyNetworkBasedonArcGIS，MengchengCountry●2011年04月 本论文经答士学位论文质量答辩委员会签名：(工作单位、职称)主席：务妒伽工业大学融授委觅1吁安，傲省水文局高工导师：滞合肥工业大学教授矽疗玺合肥工业大学教授 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金世互业太堂或其他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谢意。学位论文作者签字：扣期刎年朔乡学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆工业态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金世兰些太堂—可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)⋯⋯名：哗翩躲膨月钐签字日期‘勿，『年矽月矽日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：签字日期够∥年彳．月夕日电话：J矽够9形。?邮编： 基于AreGIS的蒙城县农村供水管网优化研究摘要农村饮水安全工程在促进农村经济建设和保障民生事业发展中发挥了重要作用。受基础资料条件和设计水平等因素的限制，农村供水管网建设中，管材浪费、运行费用较高、供水水压不稳等问题比较普遍；另外，农村供水点多、面广的特点，使管网承载的信息量十分巨大，现行的信息管理方式难以适用未来供水系统运行管理要求。为此，开展基于AreGIS的农村供水管网优化研究十分必要。在对管网优化现状和进展进行概述的基础上，结合平原地区农村供水特点，提出构建基于ArcGIS的给水管网优化系统的设想，并重点探讨了AutoCAD、ArcGIS、EPANET三者之间数据转换以及AreGIS系统功能模块的实现办法。在充分分析当地供水现状和考虑未来发展需要的基础上，给出了系统的总体框架设计原则及目标。对ArcGIS系统在未来农村供水事业中的应用，提出了展望。以蒙城县某区域农村给水管网研究为例，以AreGIS为开发平台，导入蒙城县CAD电子地图，并建立了给水管网优化模型；通过调用EPANET管网优化引擎，利用AreGIS进行管网数据转换，最终实现了给水管网的优化设计；借助ArcGIS本身具有的强大数据管理功能，实现对相关信息的方便、快捷、有效表达，从而进一步实现管网配水优化调度和管网数据实时查询与管理，为当地供水事业的更好、更快发展提供有力支持和保障。就实际工程案例试运行效果，表明了文中方法的可行性和有效性。关键词：AreGIS；农村供水；EPANET；管网优化；数据转换 OptimizationonWaterSupplyNetworkBasedonArcGIS，MengchengCountryABSTRACTItisessentialthatRuralwaterdrinkingwatersafetyprojectineconomicdevelopmentandlivelihood．Therearelotsofproblemsintheconstructionofruralwatersupplyingnetwork，includinghighOperatingcosts，profligacyofpipeandinstabilityofthewaterpressure，aslackofbasicinformationandlimitofdesignlevel．Becauseoflotsstationsspreadona谢dearea，thepipenetworkcarryhugeamountofinformation．Itisthusthattheexistinginformationmanagementsystemisdifficulttosatisfyfuturewatersupplyoperationandmanagementrequirements．Therefore，itisverynecessarytostudytheoptimizationofruralwatersupplynetworkbasedonArcGIS．AssumptionaboutconstructionoftheArcGIS-basedoptimizationsystemofwaterdistributionnetworkwasproposed，basedonthesummarizationofnetworkoptimization’Scurrentsituationandprogressinruralareasandthefeaturesofruralwatersupplyinginplainareas．nledateconversionamongAutoCAD，ArcGISandEPANETandtherealizationmethodofArcGISsystemfunctionmodulewereemphasizedspecially．Thedesignprinciplesandobjectivesofthesystem"sgeneralfiamewo．rkalegivenbasedOllprofoundanalysisandconsiderationofthefuturedevelopmentrequirement．Atlasttheprospectthat．&reGISsystemwillbeusedforthefutureruralwatersupplynetworkWasraised．TakingtheruralwatersupplynetworkinMengchengCountyforinstance，usingplatformofArcGISexploitationandimportingCADelectronicmapofMengchengCounty,SOthatthewaterdistributionnetworkoptimizationmodelCanbeestablished．Ultimately,theoptimizationdesignofwaterdistributionnetworkaleaccomplishedbyemployingEPANETnetworkoptimizationEngineandusingArcGIStoconvernetworkdate．Withthepowerfuldatemanagementfunctionitcontained，ArcGIScallexpressrelatedinformationmoreconvenient,fastandeffective．Therefore，optimizationofwaterdistributionnetworkandinquireormanagementOnnetworkdateCanbefullerrealized，SOmorepowerfulendorsementandindemnificationCanbeprovidedformorebetterandfasterdevelopmentofwatersupplyca／eeLAlso，theeffectivelyandfeasibilityofthemethodinthisthesisareprovedbytheoperationresultofactualproject．Keywords：ArcGIS；Ruralwatersupply；EPANET；NetworkOptimization；DataConversion 致谢时间飞逝，岁月如梭。转眼间在合肥工业大学3年的研究生生活渐进尾声，此刻，留在我心中的是对这3年研究生生活的无限眷恋与依依不舍。能够师从陶月赞教授是我毕生最大荣幸，老师渊博的学识、宽广的胸怀、高尚的人格魅力、诲人不倦的高尚师德、严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风，使我受益匪浅。我不仅在学术上得到老师极大指导，最重要的是，我跟老师学会了如何做人。古人有云：师者，所以传道受业解惑也。在此，我想说的是，新时期，老师已经有了新的内涵，而我的老师，正在用他的一言一行，诠释21世纪老师的深刻含义：老师，是学生学习的引路人，是生活的指导者，是学生人生的方向标!从论文从选题、撰写到最终的定稿，老师花费了大量的心血和精力，并提出了许多宝贵意见，为论文的圆满完成提供了极大的保障。在此，我要向老师致以最诚挚而崇高的敬意!老师，您辛苦了!感谢我的同门郭增辉、刘猛、丁赛、吴丹、张杰、王长森以及师兄师弟师妹们。在学习上，我们共同探讨、共同进步；在生活中，他们犹如我的兄弟姐妹，我们感情深厚、情同手足；感谢我的舍友，你们的友好和宽容，使我们的集体生活融洽而美好。感谢我的父母、哥哥和姐姐，你们的关心、支持，是我不竭的动力；你们的期望，将会给我继续向前的勇气1．最后，再次感谢所有关心、支持和帮助我的老师、同学和朋友们!谢谢你们!作者：王郁超2011年3月20日 第一章1．11．21．3绪论⋯⋯⋯⋯选题依据及研究国内外研究概况问题的提出⋯⋯．1．4本文主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．5研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯．：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6第二章理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．1管网优化算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82．2ArcGIS简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l2．3ArcGIS与供水管网⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15第三章数据格式交换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．1数据对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．2数据的交互⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．20第四章工程案例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯264．1工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯264．2管网概况及数据整理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284．3管网优化及其结果输出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．334．4优化结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．38第五章管网优化系统的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．415．1系统设计的原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4l5．2界面与功能介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42第六章总结与研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．496．1总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．496．2研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．49参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．j山⋯50攻读硕士学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．54 插图清单图1．1论文技术路线示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯．．7图3．1ArcGIS工具箱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．20图3—2FeatureClassToShapefile命令⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l图3—3SpecifyInputDateSource对话框⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l图3—4FormatsGallery对话框⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．22图3．5QuickImport对话框⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．22图3．6蒙城县范集镇shp格式电子地图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23图3．7数据转换流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24图3—8INP数据转化操作过程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25图4．1管网布局图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29图4．2管网水流流向图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’36图4．3管网自由水压等值线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36图4—4管网需水量区域图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“⋯⋯⋯．36图4．5管段信息查询⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．37图4．6节点信息查询⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯工⋯⋯37图5．1文件菜单栏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42图5．2系统成果展示图⋯⋯⋯⋯。．．-⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．48 表格清单表1．1不同年代管网模型求解方式表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3表3．1INP文件数据类型与节点关键词列表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19、表4．1节点需水量表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31表4—2不同管材对应的C值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31表4．3管段管长信息表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯32表4．4管网节点输出信息表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33表4．5管网管段输出信息表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．34表4．6节点信息输出表(原设计)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。38表4．7管段信息输出表(原设计)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．39 第一章绪论1．1选题依据及研究意义水是生命之源、生产之要、生态之基【l】。人口基数大，水源总量有限、水资源时间、空间严重分布不均是我国的基本水情。我国水资源总量占世界水资源总量的6％，总量居世界第四。但由于我国人口众多，人均水资源量仅为世界平均水平的30％。目前，全国年平均缺水约400亿立方米，三分之二的城市不同程度缺水，六分之一的城市缺水严重，地下水超采区面积达20万平方公里，水功能区达标率仅42％。《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》中明确指出，确保水资源可持续利用，必须实行最严格的水资源管理制度，促进全社会科学用水、合理用水、节约用水【l】。而在21世纪国际水资源学术大会上，有13个国家被联合国列为水资源紧缺的国家，其中中国已经赫然在列。目前我国的人均用水量仅占世界平均用水量的30％，水资源形式本身已经非常严峻，而日益严重的水污染问题使得当前形势更加不容乐观，甚至还有恶性循环之势。所以保护水资源、实现经济合理的城镇乡村供水、促进水资源可持续综合利用已经成为迫在眉睫的任务，‘水资源短缺问题已经成为制约我国社会和经济发展的颈瓶。随着我国社会经济的迅猛发展，尤其得益于近年来开展的农村饮水安全工程建设，农村集中供水事业得到了十分迅速的发展。在我国，农村供水工程其发展过程大体上可分为三个阶段【21。第一阶段是以分散式供水方式为主的供水阶段，其主要手段是通过宣传、教育等途径，建造包括水井、简单饮泉工程等多种方式，实现人畜饮用水分离，这是最初阶段。第二阶段是以发展农村集中供水方式为主的规模供水阶段。随着经济的不断发展，政府对农村饮水安全的不断重视，以及农村居民自身安全意识的提高，国家加大了对农饮水工程的投入，建立了一系列的集中供水工程，农村受益人口已达5．67亿。大规模的农村集中供水，为实现第三阶段的安全饮水和可持续发展打下了坚实的基础。第三阶段是实现农村安全饮水和可持续发展的新阶段。该阶段要求我们对农村饮水、环境卫生、健康教育三方面同步展开实施，共同发展，并在可持续发展的同时，更加注重工程的经济效益、环境效益和社会效益，全面实现和谐社会的可持续发展。未来，农村的供水事业必将向着集中化、安全化、经济化、自动化、市场化、可持续化的方向发展。农村供水点多、，面广，随着供水事业的发展，自来水率迅速提高；由于建设不同步，出现诸如不同建设期管网材质、规格等诸多不同，甚至在一定区域上出现供水范围重叠、管网交叉等现象，而且这些问题随着供水事业的发展，出现的机率越来越多，这将带造成极大浪费，甚至给饮水安全工程带来极大隐患。为此，根据已有供水管网的现状，结合当地近期和远期规划，开展农村供水管网优化设计，具有一定的现实意义。 给水管网建设是给水系统建设的重要环节，给水管网设计是否合理，直接关系到用户的用水安全性和工程建设的经济性，如若出现事故，将会对社会生产和人民生活带来巨大影响。众所周知，给水管网及其附件建设在给水工程总投资中占很大比例，有时甚至多达80％，因而，给水管网优化对降低工程成本和提高供水安全品质显得尤为必要。其具体体现在t通过优化设计，计算合理管径，降低工程总投资；在保证最小供水压力的情况下，使管网压力合理分布，减小可能因为部分管段压力过大而造成的爆管几率，从而减少管网的维修成本；缩短水塔放空和溢流时间，以保证水泵长时间在高效区稳定运行，降低运行中的电力成本。因此，给水管网的优化设计，对于降低工程总投资、减少管网运行费用和提高工程经济效益和社会效益等有主要意义。相对城镇供水而言，由许多小水厂所支撑的农村供水管网，其覆盖范围和管网长度更大、用户更零散且人口流动性大，再考虑到建设不同步所造成信息繁琐复杂，相关研究中所要表达的信息量十分巨大；为了实现对信息的方便、快捷、有效表达，有必要开展基于GIS管网优化研究，实现设计阶段的管网优化。将上述GIS系统进一步开发，可为供水的高效管理提供便捷；对已建的GIS系统可再嵌入其他模块管，以实现其他有关功能，如管网配水优化调度，实现对管网配水的实时管理。综上所述，开展本项研究，对蒙城县农村供水管网优化和供水的高效管理，具有一定的现实意义；对类似地区的相关研究，．具有一定的参考价值。1．2国内外研究概况．1．2．1国内研究概况我国在给水管网优化设计方面的研究起步较晚，但是在近几年也取得了很大的进展。目前国内采用较多的是利用遗传算法来对给水管网进行优化，它具有全局优化能力，但是对于局部，其收敛速度较慢。也有利用广义简约梯度法(GRG)来实现管网优化，但不能保证搜索点位于全局最优点?由于两种方法各有其优缺点，所以国内有学者提出将上述二种方法相结合，充分发挥遗传算法以较大概率搜素全局最优的优点，以及广义简约梯度法搜素速度快的特点，给出一种高效的混合遗传算法，该法成功克服了上述两种方法的缺点，并在多处新建环状管网优化设计工程中成功应用。方永忠利用生成树变换法求输配水系统最短供水线路，解决了多水源输配水系统中有一个以上节点流量为负值的最短供水路线问题；王荣和、顾国维等人通过编制HYPNW和PCAD软件系统，对青岛高科技开发园区内等多处的给水管网进行优化，建立了该区内的管网优化模型，由于此供水区域地形起伏大、水源点较多，从而实行分区供水，在建立给水管网优化设计数学模型过程中，对输入、输出数据进行特殊处理，建立图形菜单和数据库，并绘制出水利计算图、等压线图等多种成果图，且在给定2 平面图和相关地形管道等标高数据的情况下自动生成纵剖面图，从而给设计者带来了极大的便利，进一步提高了工作效率【3】。俞国平教授等人则提出了一种线性规划的数学模型，即是以管长为决策变量，在满足节点流量方程为约束条件的前提下，将整个管网划分成为若干个供水区域，各个区域管长未知，然后再以管长为决策变量，来实现管网的优化。此模型采用单纯形方法求解较为简便。此外，人工神经网络优化算法也是一个热门的前沿课题。由于其具有大规模并行处理能力，并且自组织、自适应能力较强，因而它已经逐渐成为解决复杂管网优化问题的重要方法，对解决工程中的许多复杂的非线性问题，起了重大作用，目前也已经在许多新建、在建管网优化和改扩建工程中应用。1．2．2国外研究概况国外在给水管网优化设计方面，在算法上，相对国内而言，其起步较早，目前研究深度较深；在计算方式上，由于计算机的应用，国内计算机技术水平近几年突飞猛进，国内外在管网优化计算方式上均采用计算机方法，因此计算速度和精度差异不大。在求解方法上，国外大致经历了以下几个阶段：如表l-1所示：表1．1不同年代管网模型求解方式时间段管网模型求解方式特点哈代一克罗斯(Hardy—Cross)计算繁琐，迭代次数多，易出30年代、法，手工求解错，精度低。’’计算速度有所提高，精度仍然40—50年代电子管计算机求解较低开发计算机程序，晶体管计算计算速度大幅提高，操作界面60～70年代机求解人性化和其他软件对接，大规模集成计算速度快，功能强大，计算80年代～至今电路微型计算机精度高在优化算法上，Suribabu(India)及其研究小组利用微分进化算方法(DifferentialEvolutionalgorithm)，对包含流量(Q)、水头损失(h)’和管道尺寸(D)的多目标函数进行了优化，成功的应用于其国内四个知名的供水工程，并取得了较好的优化结果；Formiga(Brazil)等人利用honey．beematingoptimization方法，在保障系统可靠性、安全性的前提条件条件下，降低基建费用成本，较好的实现了控制输配水成本费用的目标，并且在巴西有成功应用的案例；Alperovits(Israel)等人运用计算机程序，实现了线性规划方法在给水系统优化设计中的应用，开创了线性方法给水管网优化设计的先河；Eigeretal也对哈代一克罗斯(Hardy．Cross)法进行了改进，提出利用广义二元论方法计算管网普通优化解的下限值，从而确定了最优值的下限，得出满足要求的最小管径；3 Alperovits和Shamir二位学者提出了给水管网的线性规划优化方法(Linearprogramminggradient．LPG)，而且之后还给出了在较为复杂的给水管网系统中的具体应用办法【41。LPG算法的提出具有重大的意义，它为后来的两阶段优化方法的实现提供了理论基础，同时也被普遍认为是近代给水管网优化的算法的一个里程碑，其提出的具体研究思路，对现代给水管网优化设计有着深刻的影响。此外，枚举法在给水管网优化设计中也有一定的应用。Gessler在枚举法的基础上，按照其设计经验，提出了缩小管径空间的方法，采用此方法，计算量虽然相对减小，但是其不能保证最优解仍然在所缩减的管径范围之类，因此，枚举法的应用还是受到了一定的限制。此后，Loubser等在1990年在前人的基础上，编制出管径缩小的原则，在一定的程度上弥补了枚举法的有关最优解的不足，但是其优化结果还不是很理想，所以在实际工程中的应用并不广泛；P．V．NiranjanReddy和K．Sridharan研究出了基于Gauss．Newton最小化技术的最小平方权重法(WLS)来估计给水管网的参数，该项研究的一个重要特点就是详细考虑了参数估计中选择不同权重的影响。对于给水管网的优化问题，目前国内外学者的研究大多都偏重于优化算法的更新和改进，而GIS技术的成熟，已经完全可以应用到实际的给水管网优化工程中，目前关于ArcGIS和管网优化相结合进行系统研究的文献较少。但是ArcGIS在农村给水管网优化的中应用，却有着广阔的前景。1．3问题的提出ArcGIS作为一个功能强大的软件，就其本身本身而言，对空间数据的管理只是最基本的功能，它有着统一完整的数据库管理系统，这就使得GIS具有数据信息共享和系统集成优点。GIS还有强大的图形处理功能，能够快速方便的对各种空间数据进行录入、编辑、查询及分析，从而实现对各种图形管网要素的仿真模拟，输出更加直观化的地形及管网模拟图形。此外，GIS还具有其独特的空间分析功能，其主要是利用GIS内部的属性数据库和空间数据库，结合其内部高效的信息算法进行空间分析，对管网中可能出现的诸如爆管、水压过高等突发事故，进行实时分析，进而提供多种应急预案或是最佳应急方案。这种功能是其他信息系统难以实现的。GIS内部属性数据库和空间数据库的完美结合，为实现管网属性查询和信息检索提供了基础。．而现阶段的给水管网优化设计过程中，实际上存在很多问题，其主要表现在以下几点垆】：(1)空间分析功能无法得以实现。．其主要原因是系统缺乏全面的基础数据，无法对现有管网数据进行全面的汇总分析，缺少基本的分析要素，．故而空间分析功能难以实现。(2)管网设计开发阶段与管理阶段相脱节，主要表现在给水管网开发阶段往4 往过于依赖设计人员依据，从而导致了开——～，而在后来的供水管理阶段显得盲目或因缺乏相关的管理发阶段和供水阶段脱节。(3)此外，在与其他部门之间的公共信息共享方面，缺乏必要的、完善的交流方法。因为埋设在地下的管线种类繁多，错综复杂，因而在设计和施工过程中，可能因为无法获取准确、足够的地下相关信息，造成不必要的事故，带来严重的损失，从而带来安全隐患。，虽然GIS系统有如此诸多的优点，但是，它与市政工程专业结合不够紧凑，目前GIS还是主要侧重于信息采集、录入、管理和统计，而针对上述在给水管网设计及运行管理阶段出现的问题，GIS则为解决问题提供了有效的工具。而GIS更为深刻的内涵则在于开发其管理、模拟、动态分析甚至预测功能，因此要使它与专业理论、专业方法有机结合，进行深度开发，为给水管网优化设计等提供决策支持。因此GIS在给水管网应用中具有广阔的前景。1．4本文主要内容通过对地理信息系统、数据库技术、EPANET等相关知识的学习，查阅了大量的相关资料，并结合蒙城县给水现状和未来的供水规划方案要求，对相关资料数据进行分析。本文主要研究和讨论以下几个问题：●对基于AreGIS的农村供水管网进行优化的可行性进行探讨，提出了具体设计思路和总体实现方案。+‘●对蒙城县电子地图进行转换，对其转换方法进行重点讨论，并给出了具体实现湖整。●数据转换是管网优化过程重要一环。文章讨论了ArcGIS与EPANET数据格式的转换，并给出了具体过程，为ArcGIS调用EPANET数据，实现管网优化提供基础资料。◆设计并实现了系统的操作界面，具有地图读取、数据显示、各节点管段信息查询和管网优化等多种功能。本文共分为6章，各个章节内容概况如下：(1)第一章绪论主要介绍了本文的研究意义、目前国内外给水管网优化研究现状、研究目的、及研究内容，并提出了本文的技术路线。(2)第二章理论基础7本章节主要介绍了管网优化的几种方法，对地理信息系统和EPANET软件进行了系统的介绍，并提及了目前GIS系统存在的问题，对GIS系统未来发展趋势做出分析，并对ArcGIS与EPANET集成框架设计提出构想。其中主要提及到ArcGIS在供水管网的应用，以及在应用过程中的特点。其在现代给水管网建设中表现出的优势和存在的不足，是探讨的重点。5 (3)第三章数据本章节讨论了ArcGIS地图及木．sh优化的前提，数据转化成功与否，直接影响到优化结果。在本章节中，提出多种转换方法，并列出各自优缺点。最后对转换后的数据和图层，需进行了必要的修改，本章节中，对具体的修改内容，进行了详细的说明。(4)第四章案例分析案例以蒙城县某乡镇为工程背景，对该镇给水管网进行优化设计。文中对该地的社会经济概况、现阶段供水情况、及农村供水特点等，做了详细的说明和介绍。重点详述管网相关数据和参数的获取过程，并利用ArcGIS系统，实现了管网优化，同时获取优化结果。最后，以原设计方案所得优化结果作为比较对象，在满足用户需求的情况下，从管段经济性角度出发，对两种优化结果进行比较，并得出了用基于ArcGIS的给水管网优化系统优化管网是切实可行的结论。(5)第五章系统实现本章节主要介绍了ArcGIS优化系统的界面设计、功能模块以及其实现过程，并给出了部分功能模块的代码。(6)第六章结论与建议本章对全文的研究成果进行了概况和总结，对基于‘ArcGIS的给水管网优化提出了展望。并为今后进一步的研究提出了一些建设性的建议。其中，文章重点研究了如何基于ArcGIS平台，利用EPANET计算引擎，结合前人研究成果，并将两者结合，实现给水管网的优化。此外，对未来ArcGIS在给水管网中的进一步应用，提出了一些想法和思路。1．5研究技术路线本课题研究主要包括两方面的内容，一是CAD格式数据和GIS格式数据、GIS格式数据和EPANET格式数据之间的相互转换，二是将管网优化引擎与ArcGIS结合，能够在ArcGIS中实现管网优化的目标，使其更加直观的展示在设计人员的眼前。首先对给水管网相关信息数据，包括地形图、供水规模、供水区域范围、水源地信息等进行收集，然后再对上述数据进行处理。具体的讲，就是对CAD电子地图进行转换处理，供ArcGIS读取；利用GIS地形图，根据设计规范的水源地信息等，选择最优供水路径，绘制供水管网图；将节点信息、管段信息、水源地信息等录入数据库，并对有关信息数据进行转换，以供EPANET计算引擎读取，完成供水管网优化；与实际工程对比，着重从经济效益方面对两者优化结果进行比较，对基于ArcGIS的给水管网优化系统做出初步的评估。6 在ArcGIS原有的界面基础上进行二次开发，创建一些包括管网信息查询、属性查询等功能模块，使得管网优化信息输出形式更加多样化，管网信息表达更加高效。．本次管网优化研究是以蒙城县农村安全饮水工程为案例，首先对给水管网进行优化计算，然后将采集的数据输入到ArcGIS中，通过ArcGIS中的相关命令，从而实现真正意义上的利用软件对实际给水管网工程进行优化的目的。本论文技术路线如图1．1所示。图1．1论文技术路线示意图7 第二章理论基础2．1管网优化算法，2．1．1算法概述‘管网的水力计算通常采用的是哈代一克罗斯(Hardy—Cross)法来解环状网的水力平差问题，但该法往往只适用于规模较小的环状网水力计算，对于大型复杂的环状管网，其用时较多，计算过程非常繁琐复杂，计算精度往往也较低。此外，哈代一克罗斯法对初始节点流量分配精度和原始数据的收集等要求较高，不同精度的数据将对平差结果产生较大的影响。所以，对于现在日趋复杂的大型供水工程来说，其劣势不断凸显[61。然而随着现代计算机技术的不断发展，计算水平的不断提高，计算繁琐问题已不再是管网优化设计平差过程的瓶颈，其中以WATERCAD、EPANET、WatNET等为代表的许多软件，均能够很好的解决大型复杂管网的水力平差问题，通过反复的迭代，从而精度问题也迎刃而解，并且用时极短。梯度算法[7】也是在有压给水管网平差中沿用较多的一种算法。早在20世纪50年代初，美国科学家Hestenes和Stiefel首次提出了共轭梯度算法的概念，该概念一直沿用至今，在航空、地质勘探、市政建设、机械制造等诸多领域中应用广泛，并且在许多工程实践中得以良好的效果。’共轭梯度法是一种算法简单、数据易于处理的算法，。其收敛速度较快91对解决大型线性和非线性方程组最优解特别有效【8"9】。正是由于梯度算法具有这些优点，所以在给水管网平差中，在给出一定的约束条竹獭目标函数的情况下，能够迅速找出最优解。共轭梯度法克服了之前环状网平差过程中，平差效率低，收敛速度慢的缺点，并能达到一定精度。正是由于共轭梯度法具有上述优点，故而在供水管网平差中应用较多。目前国内外很多软件开发公司也是基于该算法，开发出许多平差软件，其中EPANET就是其中一款。随着GIS技术的不断发展并趋于成熟，其强大的数据管理能力、空间分析功能、可视化功能等优势不断的显现出来，这样以GIS为平台，在此基础上对数据进行组织和管理，极大的简化了建模的过程。由此，将GIS系统的集成开发并与水力计算模型相结合，实现给水管网的优化设计和运行实时管理及动态模拟，必将成为未来给水工程设计的一个趋势。2．1．2EPANET简介．t、。EPANET软件是由美国环保署(USEPA)开发的一款集水力及水质模拟功能于一身的软件，是广个可以执行有压管网水力和水质特性延时模拟的计算机程序【10,11,12】。具有管网分析、管网平差、水质分析、运行模拟、信息管理等方面的功能【13】。此外EPANET可以实时跟踪管道的节点流量、节点水压以及供水8 管网中化学物质浓度变化情况，从而实现对管网水力和水质的模拟。EPANET除了对供水管网进行延时阶段的水质模拟外，还可以对水龄进行模拟，并对源头进行跟踪。在利用EPANET时，其对管网的大小复杂程度没有限制，对每个节点和管段都有自己的属性，并且可以通过加入时间步长函数，实现对管网信息的实时查询管理和分析。对于其水质模拟功能，EPANET也具有诸多优点，可以对整个供水管网水龄进行模拟，分析水厂出水后，在整个供水过程中，水体余氯的含量。利用零级或是一级反应动力学模拟管壁处的反应，且可考虑质量转移的限量。目前国外主要将其应用于供水管网的水质追踪、模拟及分析，但是其方便性和直观性使其越来越广泛的应用于有压管网的平差计算。2．1．3EPANET算法原理EPANET软件采用Todini．Pilati法作为标准算法，最终归结为求解稀疏矩阵，因而，极大的提高了算法的稳定性，其涉及的管网基本方程114,15,16]有：假设具有M个连接点和MK个一直水头节点(包括水池和水库)的管网。在节点f和．，之间的管道流量一水头损失关系为：吩，=q一日，=，．Q，”+mQl，2(2．1)式中H一节点水头；卜流量；h——水头损失；f。r——阻力系数；刀——流量指数：m——局部损失系数。阻力系数值取决于使用的沿程水头损失公式，而对于局部水头损失，其是由增加的紊流造成的，发生在弯头和配件处。这些损失的大小取决于管网的布置及流速等多种因素。在EPANET中所采用的水损公式为：，，1，2、．吃=5l÷I(2-2)＼zg／式中c——局部损失系数；v——流速；g二～重力加速度。对于水泵，水头损失(获得负的水头)能够表示为：护一矿M％)”]式中h口——水泵的虚总扬程；W——相对转速；，，咒——水泵曲线系数。9(2．3) 此外，Q驴还必须满足第二组方程，即所有节点的流量连续性方程：∑g‘一岛=0，f_1，2，3⋯一N．(2—4)在利用梯度法求解问题的每一次迭代过程中，通过求解矩阵方程找到节点水头：么日=F(2．5)式中彳——雅克比矩阵(MxM)日——未知节点水头的向量(Mx1)，——右侧向量(M×1)雅柯比矩阵的对角线元素为：鸣=∑Pu(2—6)且非零、非对角线项为：4，=嘞式中P{，——节点i和歹之间管段水头损失关于流量求导的倒数。对于管道，鳓2币翩Q彳’而对于水泵：岛2丽抒Q罐’右侧每一项包含了节点中净流量的不平衡与流量校正因子之和：鼻=(∑乌一岛)+∑均+∑乃q(2—9)式中最后一项用于任何将节点，连接到已知水头节点．厂的管段，流量校正因子yf，对于管道为：均=聊(，嗡l”+mlgl2)啷(岛)(2．10)对于水泵：耽=一PuW。(％一，(Q／w))(2-11)式中sgn俐，当x>O时为1，当x(4)鹰眼功能模块的实现鹰眼是全图按照一定比例的电子地图，眼，可以迅速查找当前窗口在全图的位置，研究区域。其程序实现的部分代码如下：PrivateSubForm—Resize()是电子地图的缩略图。通过查看鹰这样可以更好的从全局角度，把握MapControl1．Width=Me．WidthMapControl1．Height=Me．Height’加鹰眼⋯DimiAsIntegerDimcountAsIntegerWithfrmMDIMap．MapControlcount=．LayerCountFori=0Tocount．1frmEye．MapControl1．AddLayerfrmMDIMap．MapContr01．Layer(i)，i45 NextEndWithMe．MapControl1．Extent=Me．MapControl1．FullExtentMapControl1．refreshfrmMDIMain．ActiveBar．ReleaseFocus’refr．eshEndSub5．2．3调用EPANET计算引擎如前所述，EPANET是一款执行水力分析，从而进行流量分配、管网优化的系统软件。EPANET程序工具包具有动态链接库(DLL)功能，用户可以根据自己特殊的需要，对其进行调用。可以通过C／C++、DelphiPascal、VisualBasic或是其他语言，实现调用，极大的方便使用并不同程度的满足了用户需求。在系统的设计过程中，必须借助EPANET计算引擎，实现给水管网优化。因此，可以借助VB语言，实现对EPANET的调用。本系统设计中，利用以下语言实现了EPANET水力计算的调用功能。’AddEPANET2．BASasacodemoduletoyourprojectSubHydrantRating(ByValMyNodeasString，NasLong，一D0asSingle，P0asSingle)DimiasLongDimnodeindexasLongDimtasLongDimpressureasSingle。‘·’OpentheEPANETtoolkitandhydraulicssolverENopen”example2．inp”，”example2．rpt”，””ENopenH’GettheindexofthenodeofinterestENgetnodeindexMyNode，nodeindex’Iterateoveralldemands．Fori=ltoN．’Setnodaldemand，initializehydraulics，makea’singleperiodrun，andretrievepressureENsetnodevaluenodeindex，EN—BASEDEMAND，D(i)‘ENinitH0’·ENrunHtENgetnodevaluenodeindex，EN—PRESSURE，pressureP(i)=pressure46 Next1’Closehydraulicssolver&toolkitENcloseHENcloseEndSub5．2．4系统成果展示最终系统成果如下图所示。系统实现了管网信息查询，主要包括节点信息查询和管段信息查询；图形放大、缩小、全局显示以及漫游功能，方便对地图操作；鹰眼功能，实现了对全局地图上某块区域迅速定位；删除、画线、编辑等基本操作功能，实现了对地图和数据的基本操作；管网优化功能，完成了对蒙城县某供水区域的管网优化工作；优化结果输出功能。系统提供多种输出形式，可根据用户不同需求，选择输出适合类型的输出形式。47 鑫∞寸～口墨霉罱再m8=～匝幅噬眯镁螺峨N-S匝珂霉ot啄一仑妙X嚣◇e移万||，。．I～+一己譬一×蟹盛焉嘧田氆圃鲁鹰鼯禽一口佃(I)城Ha一<鞲8四释@骥媚@莲枞 6．1总结农村给水管网建设作为市政基础设施，直接影响到农村城市化进程。给水工程建设，对于保障人们饮水安全、促进农村经济发展、保障民生有着重大意义。本文依托于《蒙城县农村饮水安全工程》项目，结合作者对地理信息系统与管网优化的思考，以ArcGIS为平台，利用EPANET作为计算引擎，对蒙城县给水管网建设项目进行研究和探讨，并得出如下结论：(1)文章从国内外目前基于的ArcGIS给水管网优化的具体现状出发，结合蒙城县当地具体给水现状和未来发展需求，分析了基于ArcGIS的蒙城县给水管网优化的必要性和紧迫性。(2)对蒙城县电子地图进行格式转换，转换成ArcGIS可读的宰．shp文件，文中提及有2种转换方法。对于管网信息，则可通过直接输入或是完善GIS数据库方式，并将数据库进行转换成EPANET可读的}．inp文件，事实证明，后者具有较高的精度和可操作性。(3)通过对工程案例的分析，证明了基于ArcGIS平台和梯度算法的管网优化方法比传统的管网优化方法更加高效合理，且通过其输出的区域压力等值线图能够快速方便的查看对管网区域的压力，并对最不利点水压做出判断。(4)论文对系统框架设计提+出了初步设想，操作界面简洁、人性化、便于使用，且功能强大。6．2研究展望本文基于ArcGIS平台，借助EPANET计算引擎实现了对蒙城县管网优化。鉴于作者计算机水平和时间所限，该给水管网优化系统中还有很多扩展空间，主要有以下几个方面：(1)系统架构主要实现了从GIS文件到INP文件的单向数据流转化，而调用优化计算引擎后得出的结果，论文主要通过手动输入完善ArcGIS数据库，这种方法对海量数据查询的应用是一个阻碍。如何使其批量化、智能化地交互数据，是下一步研究的方向。(2)动态模拟功能。农村管网供水特点之一就是供水规模较小，而时变化系数较大，因而各供水时段流量变化较大，可考虑通过输入时变化系数或时间步长等方式，预测未来各时间段的管网信息。(3)实现管网信息的三维显示和漫游。ArcGIS本身作为一种地理信息系统，可实现对地下管道的三维显示，在描述管道时更加形象、具体。49 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