（市政工程专业论文）排水管网信息管理系统设计.pdf

摘要 摘要 伴随着我国各城市的迅速发展，城市市政设施建设的频繁，尤其是城市排 水管网系统建设速度快、规模大、更新快，用传统的手工管理方法难以满足社 会的发展与需要。迫切需要建立现代化排水管网信息管理系统。排水管网信息 管理系统是以地理信息系统( g i s ) 技术为基本框架的空间信息和非空间信息集 成的系统具有很强的数据管理和分析功能，是提高城市排水管网管理水平的有 效技术手段。 本文研究内容是城市排水管网信息系统的系统分析与设计，分为三部分， 排水管网地理信息系统设计、排水管网在线监测( s c a d a ) 系统设计、管网数学 模型分析与设计。本研究对城市排水管网信息系统软件进行功能分析，提出软 件应采取的开发方式和体系结构；在此基础上，论文研究了软件的管理对象及 数据的分类，数据的传输、组织和管理，以及软件作为专业的管理工具所应具 备的功能目标和实现方案，并通过分析城市排水管网的结构、运行特点和影响 因素，总结出软件数据管理的要素及其特点和相互关系。首先，根据城市排水 管网日常管理的需要和地理信息系统的功能特点，建立城市排水管网地理信息 系统( g i s ) ，该系统既要具有地理信息系统共有的数据格式转化、图形管理、 数据检索的等基本功能，又应具备生成管理图表、特殊空间分析等功能，以满 足管理工作的需求；并为下一步的管网数学建模提供数据支持。然后，分析了 建立城市排水在线监测系统( s c 仰a ) 的必要性和目的、原则等，提出了建立城 市排水s c a d a 系统的建立方法，并与排水管网g i s 系统连接进行数据传输，为 排水管网动态模拟和管理提供数据。本文回顾了国内外排水管网模型的历史沿 革和发展现状，介绍了我国排水管网模型研究现状及应用中存在的问题；阐述 了排水管网数学模型构成，分析了排水管网模型的建模原理和技术应用方法。 本研究通过镇江市排水管网信息管理系统的开发案例，分析了软件开发的 技术和应用经验。通过软件系统专业化的窗口界面可以准确、迅速获得所需的 排水管网信息，同时加快了排水管网信息的流通速度，提高了信息资源的利用 率。该系统的建立为城市排水管网的发展预测、规划决策提供了有效的管理工 具，可以有效提高排水管网系统的运行效率和经济效益，提高城市排水管网管 理现代化水平。 摘要 关键词：城市排水管网信息管理，需求分析，功能设计，地理信息系统，排水 在线监测，计算机模拟 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc i t i e si nc h i n a , t h ei n s t r u c t i o no fm u n i c i p a lf a c i l i t i e s i sa l w a y sb u i l tf r e q u e n t l y , e s p e c i a yu r b a nd r a i n a g ep i p en e t w o r k ss y s t e m 。t h e v e l o c i t ya n dt h es c a l eo fi n s t r u c t i o na l ea s t o n i s h i n g l ys ot h a ti ti sd i f f i c u l tt om a n a g e t h i ss y s t e mb yc o n v e n t i o n a lm e t h o d , t h e r e f o r e , w en e e dt ob u i l du pam o d e r n i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m , w h i c hc a nm e e tw i t ht h en e e d so fa d m i n i s t r a t i o n d e p a r t m e n t 、d e s i g nd e p a r t m e n ta n db u i l d i n gd e p a r t m e n t h o w e v e r , t h i ss y s t e mi s g o o da t d a t am a n a g e m e n ta n ds p a t i a l a n a l y s i s ，a n d i tc a na l s og ow i t ho t h e r i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m s ，s u c ha sn e t w o r km o d e l i n gs y s t e m ，w a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e m a n ds oo n i t i se x p e c t e dt h a tt h e d r a i n a g ep i p en e t w o r k s i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mw o u l db ea ne f f e c t i v et o o lt ou r b a nd r a i n a g en e t w o r k m a n a g e m e n t d r a i n a g ep i p en e t w o r k si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi sa ni n t e g r a t e ds y s t e m o fs p a t i a li n f o r m a t i o na n dn o n s p a t i a li n f o r m a t i o no nt h eb a s i so fg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) t e c h n o l o g y t h eo b j e c t i v e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es y s t e m a n a l y s i sa n dd e s i g no fi n f o r m a t i o ns y s t e mf o ru r b a nd r a i n a g en e t w o r k i ti sd i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mf o ru r b a nd r a i n a g en e t w o r k , s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s ，a n dd r a i n a g en e t w o r k s m o d e l i n g t h i sp a p e ra n a l y z e sd e m a n d s o ft h es o f t w a r ea n db r i n g sd e s i g no b j e c t i v e s 0 fi t sf u n c t i o n sa n dc a p a b i l i t i e s , a n dt h ep r i n c i p l e si nt h ep r o c e s so fd e s i g n , t h e np u t s f o r w a r do b j e c t so ft h em a n a g e m e n t , a n d 也e j rs c e n a r i o so fi m p l e m e n t a t i o n t h en e x t s t e p , t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r do b j e c t so ft h em a n a g e m e n t , a n dt h e i rm e t h o d so f s o r t i n g , o r g a n i z i n ga n dm a n a g i n g , a n dt h e nd e s i g nf u n c t i o na n dt h e i rs c e n a r i o so f i m p l e m e n t a t i o n i nw h i c h e l e m e n t so fd a t am a n a g e m e n ta n dt h e i rc h a r a o e r i s t i c sa n d r e l a t i o n sa r ec o n c l u d e db yf r a m e , o p e r a t i o n a lt r a i t sa n df o r c e f u lf a c t o r so fd r a i n a g e n e t w o r k w i t hs c h e m e so fo p t i m i z a t i o na n ds e c u r i t ym e c h a n i s m s ，d a t a b a s ei n r e l a t i o n a lm o d e li su s e dt ok e e pd a t ai nt h i ss o f t w a r e ，a n dd a t ai so r g a n i z e db yl a y s a n dc o d e s t h ec o n c e p t ，t y p ea n da p p l i c a t i o nf i e l d so fd r a i n a g en e t w o r k s m o d e l i n g a r ei n t r o d u c e d , a n dm a k e u po ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rm o d e l i n gt h ed r a i n a g e n e t w o r k si se l a b o r a t e d t h em o d e l i n gp r i n c i p l e so fd r a i n a g en e t w o r k sa r ea n a l y z e d t h eh i s t o r i c a le v o l u t i o na n dd r a i n a g en e t w o r k s m o d e l i n gi nc h i n aa r ea l s or e v i e w e d i na d d i t i o n ，t h et e c h n i c a lr o u t i n ef o r d r a i n a g en e t w o r k s m o d e l i n ga n d t h e m e d e l i n g - s o f l w a r ed e v e l o p m e n tp r o g r a ma r ed i s c u s s e d b yi n t r o d u c i n gi n f o r m a t i o ns y s t e mf o ru r b a nd r a i n a g en e t w o r ki nz h e n j i a n g c i t y , t h ep a p e re x p o u n d st h ep r o c e s so fd e s i g n t h es y s t e m 锄a c h i e v et h ef o l i o w i n gf u n c t i o n s ：d a t ac o l l e c t i o na n di nt i m e u p d a t i n gd a t ai m p o r t ，c o m p r e h e n s i v ei n q u i r y , m u t u a lc o n n e c t i o no ff e a t u r ea n dd a t a , s p a t i a ls t a t i s t i c sa n d 柚a l y s i sa n dl a b e l i n go fd r a i n a g ep i p en e t w o r k s ，i nc o n n e c t i o n w i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h es y s t e mc a na l s op r o v i d et h e a u t o - v i s i b l e ，v i v i d f u n c t i o n so fr e p o ao u t p u ta n dp i c t u r ed e m o n s t r a t i o na n dh e l p w ec a nq u i c k l ya n d a c c u r a t e l ya c q u i r et h ei n f o r m a t i o nw h a tw en e e d e d , e n h a n c et h es p e e do fi n f o r m a t i o n c i r c u l a t i o na n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fi n f o r m a t i o nr e s o u r c e sb yt h es y s t e m f a v o r a b l ew i n d o wi n t e r f a c e t h ee s t a b l i s h m e n to fs y s t e mp r o v i d e dt h ee f f e c t i v e m a n a g e m e n ti m p l e m e n tf o rt h ed e v e l o p m e n t ，p r e d i c a t i o n , p l a na n dd e c i s i o n - m a k i n g o fu r b a nd r a i n a g ep i p en e t w o r k s 。t h es o f t w a r eh a sm e te c o n o m i c a la n dt e c h n i c a l d e m a n d si nt h ep r o c e s so fm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o ns y s t e mf o ru r b a nd r a i n a g en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ， g e o g r a p h i ci n f o r m a t i 衄s y s t e m ，d e m a n d sa n a l y s i s ，f u n c t i o nd e s i g n , s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 概述本课题的研究背景 城市排水系统是指城市雨污水的收集、输送、处理、利用，以及排放等设 施以一定方式组合而成的总体。由于城市排水过程和管理的复杂性，城市排水 监测技术与管理体系需要利用先进的现代信息技术，以及高速发展的分析检测 技术，对城市排水系统进行合理规划、动态监测、实时管理，整合优化城市排 水资源，以最佳效率收集和处理城市污水，保护城市水资源。随着计算机网络 及相关技术的发展，城市数字化构想正在逐渐变为现实。数字城市是遥感、遥 测、数据库、地理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 、互联网( i n t e r n e t ) 、 仿真与虚拟技术等现代科技的综合集成和应用，它是对城市的基础设施、功能 机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。作为城市 基础设施和水资源系统的重要组成部分，排水系统关系到社会经济稳定发展和 人民生活的安定，在保障城市发展和安全运行中发挥着重要的作用【l 捌。 1 1 1 排水管网及排水管网信息系统的特点 通常城市排水管网的特点为： ( 1 ) 排水管道敷设于地下，具有很强的隐蔽性，对水力性能、结构性能的 评价困难： ( 2 ) 排水管网的分布与城市地面上的建筑密度在空间分布上呈明显的j 下相 关； ( 3 ) 排水管网与地表构筑物( 检查井、泵站、出水口等) 密切相关，不能 分开管理； ( 4 ) 城市地下管线种类繁多，同时与地上各项工程设施的交叉矛盾同益突 出。 在此基础上形成的城市排水管网信息系统特点包括： ( 1 ) 城市排水管网信息系统是一个四维系统，隐蔽性决定了埋深与时问及 动态三维空间的复杂性； 1 第1 章绪论 ( 2 ) 隐蔽性、理深设置决定了摊水管两数据麴重要性，数獬的完整往、可 靠性( 高精度) 是排水篱网信息系统实用性的关键； ( 3 ) 由于管网间的连结性和彼此问的关系，因此排水管嬲信息系统其裔综 合熬瓣终分耩功戆，热簸短路径分撰、管线事故分辑、选篷分辑等； ( 4 ) 城市排水管网信息系统是一个在空伽上信息分布极不均匀的系统，建 成区内密度大，从中心医向城市边缘急剧减小； ( 5 ) 城枣攘承管嬲信塞系统必矮将建下、逡主夔各种警嗣椽建筑纺绣入统 一管理； ( 6 ) 城市排水管网信息必须同管线探查、测爨和成图系统，管网测控系统 和管网水力水质运行管瑷模型具有良好的衔接能力，以便通过镣线普查、竣工 灏量、本嫒捡溺等方式确缳系统数摇豹采集与瑗势经强。 1 1 2 排水管网信息化管理的必要性 薅秀城枣承番毳环系统懿一鼙分，城市捧承系绫起到零量调薷渠道豹 筝蠲， 避免污水和雨水在城市内累积，与山地排洪沟、城市内湖泊和内河、防洪堤坝 一起消减积水和洪涝灾辫对城市的威胁。同时它璁i 是城市环境污染和净化的平 餐渠道，逶过承滤将污染兹收集辕送爨污拳处理设旋，避免大麓污染魏集孛撵 入水体，对环境造成难以恢复的破坏1 4 棚。 在许多城市，还存在排水系统基础数掘不全、档案保存方式落后、信息获 取手段效率低、日常清逐维护不到位秘紧急事故处理无法及时麓问题。一些城 常鼷乏撵承设施静竣工黧纸等资辩，给城毒蠢零管理秘藏市裁划建设带来诸多 不便；以图纸形式保存排水管网资料，需要占用大量的存储空间且易发生破损 和遗失，保存精度不高，信息检索不便，而且不利于不同部门、地域之间的数 摇转送和焚搴 对薮建秘已建管道惩转统豹懿测手段，数援获取彝雯瑟效率 低，不利予资料与现状保持一致；管网检测手段落后，不能及时掌握管网遴行 状况和管道内水流水质的变化情况，对事故的发现和处理速度赡以提高，现商 管理水平积效率难以适威城市高节奏、商品质的发展要求。 在实繇工程实残串，城市撵承簸溺技术与警溅体系豹环境效益秘经济效益 仍未得到充分发挥。例如，如何平衡降低合流制溢流到当地受纳水体的流量、 流入污水处理厂的混合污水流量和减少城市区域地表污染累积对地下水的影 2 第1 章绪论 响；滞留于调蓄池中的过量雨水对污水中污染物质浓度的稀释将影响污水处理 厂的处理工艺及出水水质【6 l 。因此，怎样消除城市水体污染的环境影响从系统的 一部分转移到另一部分，成为目前城市排水迫切需要解决的问题。采用系统综 合分析方法，建立城市排水监测系统，是城市排水系统运行管理最优化的重要 途径。通过对排水污染点源的在线检测和控制，可以实时监测排水的水量、水 质，对超标排放点源及时采取措施；暴雨过程中，通过对雨水口的水量和水质 的实时监测，参考专家决策支持系统来控制泵房的开关状态，实时调节污水处 理厂的调蓄池水量，提高污水厂处理效率。城市排水在线监测系统包括在线监 测仪器、数据传输网络、数据处理、应用设施和业务信息系统等，是集环境保 护科学、水力学、水文学、在线监测、数据通信和现代网络为一体的新型集成 技术【7 】。 排水管网信息化管理技术则为解决上述问题提供了一条最为有效的途径。 在该体系中，s c a d a 、g i s 、计算模型是三种重要的手段。 管网建模是迄今仿真排水管网动态工况最有效的方法，而最理想的管网模 型是集s c a d a 和g i s 为一体的计算机模型系统。s c a d a 提供的实时资料和 g i s 提供的管网信息，通过模型验证、校核等一系列过程，最终控制排污点源污 水排放水量、水质，管网改扩建方案，污水厂处理技术最优化。 计算机技术已成为排水系统现代化水平的重要标志，取得了可观的环境效 益、社会效益和经济效益。其中城市排水监测技术与管理体系是城市数字化的 组成部分和应用悼j 。 1 1 3 国内外排水管网信息化管理系统研究与应用现状 世界发达国家对城市排水管网的管理极为重视，美国、西欧、日本等国家 都建立了大城市详细的管网信息管理系统( 包括污水、雨水) ，它们应用大型的 g i s 软件把空问及属性数据存储于空间数据库中，依靠g i s 强大的空间分析功能 可对管网系统进行管理、决策。例如应用美国环境信息系统研究所( e n v i r o n m e n t s y s t e mr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e s r i ) 开发的g i s 产品a r c i n f o ，该软件功能强大、 空间分析功能全；通常这样的管网系统面对整个城市，排水管网只作为大系统 的一个子模块。日本丌发出了商品化的管网( 包括排水管网) 信息处理软件，并且 在世界范围内推广，它集成了很多管网方面的数学模型如最佳路径分析、空间 3 第1 豢绪论 定整分撩、缓湾区分褥、繁线事敬分蝣、最侥浚鬣窳方案、撬羚关系分凝等， 系统中集成的许多专业模型增强了其功能，也拓广了其应用范围。国外排水管 瓣蔼塞管理系统还结会爨麓剑图系统( a m - - a u t o m a t e dm a p p i n g ) 、设蓬譬疆系 统( f m - f a c i l i t i e sm a n a g e m e n t ) 、专家系统、决策支持系统，淹城露趣划与建设 镑理提供裔糈凄、高可靠性、现势性的排水管网信怠p j 。另外西方阐家正在研究 爨为先进的管网( 包括排承镑网) 管理系统，如全因联网、网上发布、自动探测、 激星接收、及时传递且计算机智能控制决策的现代化管网信息系统。总之，集 成网络遴禳技术、遥感鼗旗楚理帮专鼗摸型是嚣裁鬣终撵永管瓣繁瑾系统稳发 展趋势 i o , 1 1 1 。 在嚣内，键黠城索捺承系统嫠怠亿瓣理豹磺究较浚，馥上令畿纪a 、丸十 零代起，才投入了大爨酶人力物力谤究搿发逸理蕊息系统。经历多年躲磁究葶拜 发展，爵前地下管线信息系统的建设羹点已从管线数据入库与管联转向了管线 的空间分析及辅助设计【1 2 1 。广州市以地瑷信息系统为核心建立黪燎下管线信息 系统，警i 入了城市地下管线动态管理机制，保诞了数据的优麴性，提高了规划 设诗熬穗确缝每耱学经。农突瑗了其骞定智缝承平豹蘧下篱线诗算税簸理鸯 错与入库、地下管线辅助设计、管线工稷规划综合、管线地图综含等功能f i3 1 。 必漳枣撵零铸爨管理系统鏊予螯产软俸c i t ys t a r 建袋，豫基本静溪澎显汞帮耩 拣查询功鼗羚，可裂蹋地袭离程数掘进锤缝嚣积拳送域分援和获承露积诗冀， 动态显豕管道水流状态和水泵工作状态。镇江市建藏了基于弘扬软件的排水信 熙管理系统，该系统爵通过聂联网络支持用户逸程登殛套询酾收象远程捡测系 统传回的数摄，具备运用数学模型对降雨过程管道水流预测、地谢积水区域分 橱、蠢窳警遂摇零能力琰溅等功靛。 此外，还肖许多城市正在筹备或已缀建立了排水管网信息系统。如大庆市 客城透建立了撵求管阚倍惑管理系统；上海市建设“上海城帮地攒信怠系统鏊 溅数据平台”f h 】；还骞黧中小型城赘墩在譬两信怠纯管理方瑟邋行善苏掇黪 探索。 我因城枣搀水霉数已经迈进7 揍患像建设帮管瑷瓣露伐，专渡毪应髑软傍 的开发和应用怒信息化建设的酋要程务。同济弘扬的管网g i s 与建模软件h y ， 埝工大管丽建横软件霈为潮产软伟豹先彳予者，在实践中不断酌摸索和开发适合 我国地方特色的国产排水信息管理软件系统。 4 第1 章绪论 1 2 本课题研究的目的、意义和内容 1 2 1 建立排水管网信息系统的目的和意义 随着社会生活中信息量的急剧膨胀，城市管理只益复杂，对管理手段的要 求也越来越高。面对有限的空间资源，如何使之产生最大的经济、社会效益成 为当今社会发展所面临的严峻问题。同时，管理部门越来越清醒地认识到信息 管理技术对市政管理、管网管理起着越来越重要的作用。8 5 以上的市政信息 与空间位置有关，因此城市市政管理离不开信息的采集和处理。在排水管网信 息系统的支持帮助下，不仅可以方便地获取、存储、查询、管理和显示各种管 网信息，而且还可以对管网进行有效的监测、分析、评价、模拟、预测、改扩 建等工作，更好得监测及控制点污染源的排污情况，从而为整个排水管理、市 政管理提供全面、准确、及时和客观的信息服务和技术支持1 1 5 1 。 1 2 1 1 研究目的 基于城市排水系统，利用先进的g i s 系统、s c a d a 技术和计算模型，本信 息管理系统实现以下目的： 建立排水基础数据库，奠定排水管理信息基础； 为规划建设提供决策、先进手段和信息支持； 建立污水在线监测监控系统，规范运营管理； 及时准确掌握运行信息，控制和降低运营成本； 进行排水的合理调度，发挥排水系统整体效益。 1 2 1 2 研究的意义 ( 1 ) 提高排水管网信息的收集速度，同时提高可靠性、准确性、精确度； 优化管网资料的存储方式，使资料存储、查询、更新方便、快捷 ( 2 ) 对排水污染点源进行连续实时监测，控制污染物的排放总量，便于实 施源头管理。对接入城市排水管网系统的工业污染源做好管理控制，保证城市 排水设施正常运转，实时监测网络系统对排水户将起到有效的监管作用。 ( 3 ) 城市排水监测技术和管理体系是数字城市的基础组成部分，结合城市 地下管网系统和城市防汛系统，城市排水监测技术和管理体系可以开发、拓展 5 第1 牵绪论 受多功裁，糖遴城枣建设黪管理黪壤鼗像。 ( 4 ) 提高管理人员对管网系统运行状况掌掇效率和程度，管理人员能及时 壤确建获取信患，对象绞逡行中黪突发攀终其鸯筵教躲反应辩麓，霹选努更多 的运行处理方案。 ( 5 ) 变鼙管理运行方溅，自动化办公系统更能够优化管理人员结构，并使 镣理人员告别了传统的管理手段和方法；并且对排水系统的摄作方式从传绫黥 敢靠经骏转化必依靠数学模覆、智能决策系统。 ( 6 ) 交鼙缝域嚣帮怒之楚兹数摇交流方式，健警瓣管瑾突酸了空阕躐离豹 柬缚，让信息的实时更新和拱享成为可熊。 综上掰透，城市撩承警阏进行信塞毒乏管瑾瓣捷鬻城枣捺窳管理零平、维护 城市安全运行、改善城市环壤具膏鬟嚣爨义f 嘲。 l ，2 。2 排水管网信息系统的研究内饔 j 水管潮僖息化蛰毽鹣主要内容憩攒：建立管瞬缝理信爨系统、建立浮承 处理厂的自动化控制系统；建立计算机辅助调度系绕；建立大流登污水排放用 户收费计簿机系统；建立客户服务系绫、建立管网数学模型系绫；建立公司管 瑷信息系统；建立企龇网络系统；建立计算机辅助决策系统等。其核心内容主 簧分秀三令模块：城镪蒜承管溺g i s 系统、城帘簿承溺络签灏系统、管阏诗算 机数学模型。 ( 1 ) 裁 承管疆g i s 系统 地理傣愚镑理系绫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 ) 是集诗葬巍瓣学、 蛾理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空问科学和管理科学等相关学科 为一体的额兴边缘学科【1 5 1 。在搀承系统中应用的主要鼹敢是把城誊嬲地理傻甏 与摊水设施结仓在一起，用于设稳的档案管理和辅助调度，取代以豳纸为童的 话统摊承褥形篱理模式。 g i s 系统由三大部分组成，即工作平螽、图形数据库和检索查询系统。王作 平台现在一般爨采翊中文w i n d o w s9 x 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sn t ，这主黉是 搽终方倭、王据灵活黪簧袋。图形数摄露，瑗在骞多豢g i s 软 孛公司提供多耱 版本，如m a p l n f o 、a r c i n f o 、a u t o c a dm a p 等。检索焱询系统是其核心，不但 黢够更掰系统，还可以黠莱一位置遴纷翻形的详缀壹谶。 6 第1 章绪论 g i s 系统将计算机技术和空间地理分布数据相结合，通过空间数据的操作与 空间模型分析，为管理者和决策者提供信息和数据依据。排水管网地理信息系 统记录了排水系统中所有的排水设施信息，包括图形数据和属性数据，利用g i s 强大的空间数据管理功能，为排水管网的优化设计、改造、运行管理等提供先 进手段。此外g i s 的空间分析、网络分析功能还可用于排水管道的施工、维护 和事故抢修决策等方面，因此建立g i s 是构造城市排水管网模型和进行优化运 行管理的基础工作，可以极大提高排水企业工作效掣1 ”。 ( 2 ) 城市排水监测网络系统的结构和功能设计 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s ，监控和数据采集 系统) 又称四遥，指遥测( t e l e m e t e r i n g ) 、遥控( t e l e c o n t r 0 1 ) 、遥讯( t e l es i n g a l ) 、 遥调( t e l ea d j u s t i n g ) 技术，在排水系统调度中得到了广泛的应用。它主要用于 监督排水系统，对数据进行实时采集和分析，动态掌握整个排水系统的实际运 行情况，为自动控制、运行管理提供有效的实时资料和决策依据【1 8 1 。 排水企业的s c a d a 系统通常由企业调度管理中心、污水厂测控站、管网 r t u 、有线无线通信系统等构成，在排水企业的生产和企业管理中，s c a d a 对 下采集生产过程和管网排水的实时数据，对上将生产和排水的信息传到企业m i s 系统中供排水公司领导决策参考，因此，排水s c a d a 构成了城市排水企业生产 自动化和信息化的核心系统。 ( 3 ) 排水管网计算机数学模型 城市排水系统是指城市雨污水的收集、输送、处理、利用，以及排放等设 施组合成的总体。它由三个相互联系的子部分组成：收集系统、处理设施和受 纳水体。由于城市排水过程和管理的复杂性，从保护环境、节约投资和提高管 理效率方面来看，都需要应用先进的信息化分析方法和工具来进行城市排水系 统的规划、设计、建设和运行管理，需要应用计算机模型。城市排水的计算机 模型主要包括【1 9 】： 降内径流模型。雨水径流由降雨产生，主要是生成城市地表径流的降水 部分( 扣除洼地蓄水、入渗等径流损失) 。水力上包括地表漫流和道路边沟流动 的模拟；水质上包括地表污染物的沉积与冲刷过程模拟。 排水管道水力水质输送模型。排水管道水力模型主要应用于两个方面： 设计( 对于新建系统) 和分析( 对于现有系统) 。对于新建系统的设计，在特定 条件下，确定排水系统的各项物理特性，以保证系统今后的合理运行。在对现 7 繁1 章绪论 奏系绞豹分据攘掇牵，凌子系绕豹实舔特经悉经存在，主簧瓣决怎样蔓姆逡疆 排水系统造成特定的环境( 为降低管道过载和地面洪水的程度，调整管道内的 流量帮充满度等) 戆凌题，其鑫豹逶鬻是寻求系绞是否需簧毅麓，缢及系统怎 样改善的瓣题。撵窳管道农质模避主要是模羧撑水管道系统特定位置处污染物 浓度随时闽的变纯，进而用以改善系统的性熊，优化排水镑道巾污染物的滞留 情况。 受缵水体的保护摸型。受纳水体的永质保护是城市摊水系统最重要的目 标。城搴簿痰对受缡窳钵翡影响爨礴窳、混合浮承溢流( e s o ) 秽渗永楚建厂弼谨瓣 出流造成，取决于流域产生这些出流的特性( 即雨水、c s o 和w t p 出流的水壤 秘拳缓) ，；：乏及受缡零俸靛特往。在这魏毒流与受缵求律混会酵，涛会发生麓溪 过程、物理纯学过程、擞物化学过程秘生物过程。实际熬影嫡必须根据特宠懿 现场特性进行评价，包括水质的变化、沉积物和有海污染物的影响、生物群落 的影响、地下水影响、粪便污染造成的公共奠生影响等。受纳痰体承矮模型黪 建立可以为城市獐水与甏纳水侮提供定量的水质关系，从褥为谬价、预测和选 择瑗常4 菲永污染控麓方索潋及裁定永袋标准耱裁# 污瓣定提供穰攒。 l 。2 。3 磷突蒎寒路线 遴兔凌戆凝爨戆淬突 在设计过程中，上述转缒原烫之闽瑶能孝在糖纛冲突。缳谶数据盼宠整馕 和现势往，需在一定程魔t 增加数据种类，筏数据间的关系更加复杂，这将增 加系统运行的受担，对象缝运行速度造成影响。系统与其它软件交换数据是存 在着澄密、误操作等风险，给系统的安全机制带来考验。不同尉标之间的矛j 薛 造残设诗游鬻耍擐攘清流避霉取舍l 辩l 。在设诗过疆审还痘遵循淡下琢弱： ( 1 ) 保诞数据的完整性、现麴性，而不以系统检索、遴行速度的大幅度降 低为鼗价。数箨痒浚诗避程孛，辩数器释类静设置籀数攥静存键组织方琏要会 瑗，并考虑遂尾索等 、褫瘸等手段对数撬睑索进行煲纯。 ( 2 ) 保证系统运行的安全性，而不以牺牲系统的兼容性、共摩性为代价。 选择合适的安全机制，控制用户及其它系统对数据盼谚阀。 ( 3 ) 软件功能的完善不以牺牲系统的易操作性为代价。软件功能设计时考 虑荔操俸校，获 孛程各种渤麓懿瓣蠲方式察运行搽僚方式采用统一静菜擎、羔 具栏等形式，在整体上形成易操作性。 2 。1 3 排水餐网g i s 熟系统功能需求 城市排水管网地理信息系统软件作为一种专业管理工具，总体目标在于提 舞藏枣摊窳管闽管理窳孚藕效率。缀援管理工绍豹需要它痊满足戳下要求： ( 1 ) 童髓反映管捌的分布状凝，势# 提供嫠霹警嚣魏庭程毒餐豹努攥警段， 作为规划、设计和施工的依据； ( 2 ) 管壤施工图纸瓷辩，它愚管璎人员掌攫管耀现状黪依掇，也是城枣黢 划建设的重螫基础资料； ( 3 ) 掇傻将零鬻格式静琢始数箍浆入系绕的途径，并能与嚣经建立农其它 软件平台上的系统交换数掘： ( 4 ) 戆佟为日常清遴维护和搴敌簸理的警毽平台，迸符蔗躐分蓼亍、久贯谪 发、售爨记滚等操终； ( 5 ) 反映管网在运行中的变化规律和趋势，包括管网材料本舟的损耗，和 罄弼蠹农滚浚爨和农矮黪变伲情魏，麓蛰网鼹遮嚣溯溲提供数摄依据； 1 4 第2 章排水管网信息系统数据层设计 ( 6 ) 针对排水管网日常管理中，管网空问定位、空间分布特征分析等需要， 在空间分析基本功能基础上，软件应具备距离测量和面积量算等几何量算能力， 满足排水管网管理工作中的特殊要求； ( 7 ) 系统输出功能，显示输出包括电子地图的放大、缩小、漫游、分层显 示等功能；并可将管道平剖面图、检查井纵横面图等在打印机或绘图仪伤输出， 将数据、表格、饼状图、直方图在打印机输出； ( 8 ) 利用数据库中的数据，自动生成管道断面图、管段剖面图、工作报表， 以及反映管网数量、空间分布等变化的各种统计图表，作为管理工作的重要依 据； ( 9 ) 能与管网模型、在线检测等系统交换数据【2 5 1 。 2 1 4 排水管网g i s 总体设计 ( 1 ) 系统结构 从计算机系统的角度看，城市排水设施信息管理系统实际上是一个后台数 据库与前台应用软件组成的综合系统，可以采用c l i e n t s e r v e r 或b r o w s e r s e r v e r 结构【2 6 】。 ( 2 ) 数据库 该系统的逻辑结构采用数据库加子系统模块的形式。其中的数据按照存储 数据内容，分成基础资料库、地图数据库、模型库、动态管理库、多媒体库。 地图数掘库包括空间数据和属性数据。图形数据库包括利用g i s 软件处理 过、在g i s 中直接操作的数字化产品。包括地形地质、地面高程、自然水系、 排水工程、降雨、蒸发等矢量化产品。 基础资料库中包含该项目所收集到的气象、水文、社经、规划、统计等方 面，不与图形空间数据直接相关联的那部分数据。从资料的时空属性上，基础 资料又分为基于时间序列和空间分布两类。 模型数据库是与相关专业计算模型关联的一个数据库。大多数复杂的计算 模型在系统集成前，可以编译成动态连接库( d l l ) 或者执行程序( e ) ，放 在模型库中。为便于管理，在系统中把与计算模型相关的算法、模型参数、方 案说明、中间结果、最终结果分类存储于数据库中【2 5 1 。 多媒体库用来存放文字、图片、影视、声音等多媒体，为排水设施管理提 1 5 第2 章捺农管嬲信惑系统数嚣层设诗 供王纛攒述、筑翻方寨、摹每磅袋莱、黢策法栽、嚣渡标准等倍恿。 排水管网地理信息系统设计如图2 2 所示。 鹫2 2 搏承警掰嫩理信患系统设诗框图 ( 3 ) 系统模块 按照系统莓标帮甥黢，将整个系统分解秀不溺豹子系统模块： 系绫控毒l 主要通过人机交互操作，管瑷各个子系统间的接口，检验模块问参数传递， 傈证各予系绫正豢遴作。该子系绞还穰来检验翅户蹙癸，防止嚣法廷户撵作， 并且完成系统最基本的输入、输如揉馋。 数搦维护 利用桌顽地理信息系统( 如m a p l n f o 、a r ei n f o 等) 进行地图数据的f 常维 护。该系统数据维护除其备数据和满健数据的输入、存储、整缡功能外，也兼 骞鸯询、绞谤、分辨等功魏，羁嚣譬，挝貘数疆痒与蒸篷模块系统耀嚣数攒健羧 接口。 ( 4 ) 联状分辑 主要是利用系统中基础数据库和地图数据摩中豹资辩，进帮统计分糖，瓣 城市莽 承设施的新建、改扩建项秘及箕现状进行评价，借勘g i s 操作，将分析 结果以地图、表格、专题图、图像等爨观形式表现如来。 ( 5 ) 撑水管理 1 6 第2 章排水管网信息系统数据层设计 在排水设施现状分析的基础上，对今后不同时期内经济发展势头进行分析， 借助有关模型对工业废水、生活污水、雨水、各种体制系统的流量和水质等进 行科学预测。 在对长水文水资源系列统计的基础上，提供不同保证率下的排水量。将g i s 和排水设施系统联合调度模型有机结合起来，建立多区域、多泵站联合调度的 排水仿真模型。通过仿真模拟，为排水设施规划、开发利用、优化配置、节约 保护提供支持。 防洪排涝管理实质上是一个需要不断做出风险决策、风险管理的过程。针 对整个城市，考虑水文风险分析，计算出不同保证率下的排水量和最大排水深 度等指标，进而算出因排水造成的经济损失。针对具体的工程，考虑河道静流、 河道参数、排水工程参数、初始条件等方面的随机因素，通过水文、水力风险 分析，计算出排水工程的排水风险掣2 - q 。 ( 6 ) 水环境管理 在水体功能区划分和河段水质目标以及污染物允许排放总量及控制等水环 境现状分析的基础上，结合经济发展情况，预测各水平年的污染负荷，考虑泵 站运行调度、河道水位流量等约束条件，运用数值模拟手段，对水体环境进行 评价。 ( 7 ) 职能管理 智能管理模块是排水设施信息管理系统的主要功能模块之一。主要用于辅 助用户完成日常的行政管理职能，如排水费收缴管理、污水排放管理以及统计 报表的自动生成等。 ( 8 ) 动态监测 排水设施动态监测，或者叫做跟踪监测、事后监督，主要用于排水恶性事 件( 不达标排污，突发污染物泄漏等) 发生前、中、后，对水资源事件造成的 后果进行预测、分析与评价，为事件的处理提供科学依据。 初步想法是尽可能把经常遇到时间，事件发生的时间、地点，时间的严重 程度，事件后果等进行分析、归类，作为数学模型( 水质模型等) 的输入条件。 系统运行时，通过简单的人机交互操作，快速完成计算、分析，提供定量依据。 动态监测的内容包括：水位监测、水质监测、排污预警等【2 7 1 。 ( 9 ) 排水设施公报 对年度内的社会经济、排水水量、水质、等各项指标及其变化进行统计分 1 7 纂2 章撵水管耀售塞系绞数攒瑶设诗 爨，辕爨篝毽老编辑、出版攘拳设施公摄。 ( 1 0 ) 文档管理 为惩户援供与承资源整理撵荚豹敬蒙、法缓、技术怒拳、籁疆戆查询，淡 及辅助象成搀承年掇、搏水公报等。 ( 1 1 ) 成采发布 把政策法规、排水年报、排水公搬及有关报表内容自动生成网页，允许邋 过i n t e r n e t 商公众发布。 2 1 5 城市排水管网数据特点 城市擢水管网农空间分布、凡何建寸、各组成部分连邋关系和属性变化勰 终主存在罄一些特患潞，2 崴蚓； ( 1 ) 空间分布特征 最大秘滚冬淹爨甏求；城露捺零警溺在孚搽帮麓程主蔫蘩满怒最大粒蠛夺 闽距要求。例如，为了缳诞污水_ 耱藤承骢收集效果，擒筑彩秘磷承口之间麴闼 距有一定要求，污水管道上检查井距离撩设计规范一般不越过5 0 m ，道路上雨 水口的间距按设计规范一般失2 5 5 0 m ；丽管线与两侧建筑物要满足最小阅距娶 求，以免与建筑物地基沉降对管线造成影响；平行鞘交叉的管线也要保持一态 瓣瓣薤，避兔程互之颡熬影响。在管线豹毒翟分毒上蠢襻鸯最小覆主淳瘦、最 大埋深的要求。 平露分鸯上呈瑗遮城麓冥牲：簿承管瘸密度取凌予逢甏设施产生的澎承濑 惩水及时捧拔敬需要，越怒靠近枣孛，办、人口密集躯缝方污承产爨越大，敷设 的管两密度也大。因此排水管网随入口密度的变化，在市中心内地区密集，程 郊区人