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摘要 我国传统的园林灌溉设计多依靠CAD设计，虽一定程度上节省了时间，但CAD的分析和计算功能较弱。本文基于GIS平台开发出一套园林灌溉设计系统，系统利用计算机辅助灌溉工程设计，解决了从管网设计计算到成果输出的问题，充分发挥了计算机在绘图、计算、文件处理等方面的优势，最大限度地节约了设计时间、提高了设计效率。
关键词 地理信息系统（GIS）；园林灌溉系统；软件设计
中图分类号 S274.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）24-0157-03
Design of Garden Irrigation System Based on GIS
XU De-he ZUO Yuan-yuan * YANG Cheng-jie
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）
Abstract The traditional garden irrigation design in China more depends on CAD，which may save some time，but the analysis and calculation function of CAD is weak.This paper developed a garden irrigation design system based on GIS platform，solved the problem from network design and calculation to the result output utilizing the computer to assist irrigation engineering design.Meanwhile，this system developed the advantage of computers on plotting，calculation，file processing，thus，we could save time to hilt and increase design efficiency.
Key words GIS；the system of garden irrigation；software design
水是生命之源，水资源短缺已经成为影响当今人类社会的一大问题。我国水资源极其匮乏，但在园林灌溉用水的利用上还存在着严重的浪费现象。传统的园林灌溉采用大面积漫灌，远远超出园林作物实际需水量，浪费严重。因此，发展高效节水灌溉技术是现代园林发展的必然要求，也是现代园林灌溉技术的基本要求[1-3]。
园林灌溉工程设计不仅包括管网布置图的绘制，还包括复杂的水力计算，具有多样性、复杂性的特点。我国园林灌溉设计现在依靠CAD（Computer Aided Design）设计，虽然一定程度上缩短了设计工期，但是AutoCAD的设计分析、计算功能较弱[3]。GIS（Geographic Information System）技术是水利行业信息管理标准化、网络化、空间化、可视化的有效工具。目前很多的GIS软件系统与流行的CAD软件有接口，支持图形格式的输入和输出，实现自动制图。目前，GIS在灌溉和节水方面的应用非常广泛，尤其是农业节水灌溉方面，但是园林灌溉方面更多侧重于管理方面，在設计方面偏少[4-9]。本文基于GIS平台，综合运用GIS二次开发技术、CAD二次开发技术和Access数据库开发园林灌溉设计系统，利用计算机辅助灌溉工程设计，发挥计算机在绘图、计算、文件处理等方面的优势，弥补了传统设计的缺点，最大限度地节约了设计时间、提高了设计效率。
1 基于GIS的园林灌溉系统总体设计
根据系统设计的一般原则，将GIS与CAD结合，综合运用Access数据库等软件开发工具，基于GIS平台，开发出一套基于GIS园林灌溉设计系统，实现了作物管道灌溉需水模型计算的自动化，加快了灌区计划用水的决策过程，方便了各种灌溉要素的直观表达。
1.1 园林灌溉工程设计
园林灌溉工程设计主要包括：收集信息（园林植被资料、气象、地形及土壤等资料）、信息采集端、管网布置、灌溉制度确定、管网水力计算和管径计算、灌溉设备选型、设计方案验证、工程投资概算、工程成果输出。
1.2 系统开发流程
基于GIS的园林灌溉系统采用模块化的结构方法进行设计。软件从结构上分解成许多功能相对独立的模块，可以独立编译和调试，但是在整体上相互联系、缺一不可，最后按一定的原则通过装配程序连接成系统[10]。模块化程序设计将复杂的程序分工研制，能缩短设计周期，便于修改和扩充。系统设计总体框架如图1所示。
1.3 系统研究技术
针对我国灌溉工程设计规范和标准，采用人机交互方式，基于GIS平台和AutoCAD2010及以上版本的图形平台，利用C#语言及Access数据库，开发出园林灌溉设计系统软件。
2 系统功能模块研究
从园林灌溉设计软件总体框架图可知，软件分为灌溉工程设计和材料设备数据库两大部分。
2.1 数据库构建
材料设备数据库是园林灌溉工程设计系统软件的主要组成部分。主要包括管材规格表、管道配件表、过滤设备表、水泵电机设备表、其他设备表，由Access数据库统一构建，允许用户对其进行增加、删除、修改等操作。软件通过数据库接口函数，可在灌溉工程设计过程中实时调用各功能模块所需的数据表。
2.2 管网设计与布置
依据灌溉设计规范和标准，根据园林灌区的大小及地形进行管网布置。管网布置形状一般呈树状，常见的形式有“工”字形、“土”字形等。本系统支持导入灌区平面布置图，根据灌区地形、植被等进行管网布置；也支持直接导入管网布置CAD图纸，进行管网水力计算。 管道布置一般遵循以下原则。一是管道布置应使管道总长度尽量短，造价少，有利于水锤防护。二是充分考虑地形条件、路和水渠等地物的影响。三是干管、分干管尽量沿路边铺设，便于管理和维修，尽量少穿障碍物；在山丘地，应沿主坡方向布置。尽量利用地形落差实施重力输水。
2.3 管网水力计算
管道布置完成以后，对整个区域的管网构建拓扑关系，确保管网拓扑关系构建正确。水力计算的前提是确保拓扑关系的正确以及基础数据的录入。水力计算是系统的重点，包括配件管理、设计管径计算、水头损失计算、管径分色处理、方案检测和计算最不利管道的功能。
2.4 工程设计成果输出
系统提供灌溉工程设计成果的输出，包括管网设计施工图纸、水力计算表、工程概算表等[11]。
3 实例
實例选用汝阳县滨河公园节水灌溉工程，采用喷灌技术。园林灌溉区资料收集，主要收集汝阳县滨河公园植被种类、需水量、气象及土壤等自然条件。汝阳县滨河公园园区总面积为11.5 hm2；土壤为中壤土，土壤容重为1.40～1.55 g/cm3，田间最大持水量为25%～30%，田间花卉主要根系活动层深度为40～60 cm。园区内交通便利，电力配套设施完备，电源可靠。根据汝阳气象台资料，该项目区处于温热带大陆性季风气候区，年平均气温140 ℃，年均降水量668.1 mm，雨量主要集中在7—9月。园区濒临河道地下水资源丰富，拟新建浅水井4眼，单井出水量为20～50 m3/h。完全可以满足植物的需水量，可用水泵直接提水至地面后通过干管和支管直接对植物进行灌溉。
分析汝阳县滨河公园的资料，初步在系统中完成灌溉管网的布置。灌溉设备选型需要根据植被种类以及设计人员的经验进行确定。管网布置无一定的设计规程可循，设计人员在分析水源位置、地形、植被类型等因素的基础上依据经验进行管网布置，具体如图2所示。
灌溉制度应根据水源条件、植被种类和灌溉能力确定，一般均多采用轮灌的工作制度，即将支管划分为若干组，每组包括1个或多个阀门，灌水时通过干管向各组轮流供水。轮灌组的划分是园区灌溉的重点，轮灌组划分应遵循以下原则。一是轮灌组的数目应满足需水要求，同时使控制灌溉面积与水源的可供水量相协调；二是每个轮灌组的总流量尽可能一致或相近，以确保水泵运行稳定，提高动力机和水泵的效率，降低能耗；三是同一轮灌组中，选用一种型号或性能相似的喷头，同时种植的品种一致或对灌水的要求相近；四是往往将同一轮灌组中的阀门分散布置，以最大限度地分散干管中的流量，减小管径，降低造价。
根据以上原则，结合汝阳县滨河公园水源条件、植被种类和灌溉能力，确定轮灌组的划分。在每组安装阀门，控制本组的灌溉。汝阳县滨河公园节水灌溉工程轮灌阀门控制如表1所示。
管道布置完成以后，对整个区域的管网构建拓扑关系，确保管网拓扑关系构建正确。然后计算各级管道的流量及管径，即按着管路的逆水流方向从支管往上逐级计算各管道的水头损失和进口压力。根据园区植被需水情况，在系统内完成基本信息的录入，如图3所示，对某节点进行基本信息录入。
进行水力计算，确定管网管径，部分水力计算的结果如图4所示，管径分色处理如图5所示。依据所选水泵的运行情况及轮灌制度来逐级计算支管各节点压力水头，验证设计方案是否满足灌溉需求。进行水压计算后，系统高亮显示不满足条件的节点，即节点出现负压。工作人员根据经验，修改部分管径或者调整轮灌组，再次计算水压，直至所有节点满足条件。最后进行工程投资概算和工程成果输出，是在设计工作完成之后对工程的完善。
试验证明，应用基于GIS的园林灌溉系统设计系统，通过人机交互的方式，能够根据灌溉区的资料，逐步完成园林规划设计工作，根据用户需求，直接输出灌溉设计图及设计成果。在一定程度上节省了设计时间和人力，提高了设计效率。
4 结论
基于GIS的园林灌溉系统，借助CAD辅助设计出图功能，将灌溉系统设计、计算、制图、图标输出融为一体的专业化设计软件，本系统具备设计分析、计算和输出工程设计成果的能力。
结果表明，应用基于GIS的园林灌溉系统进行灌溉工程设计，相对于传统的CAD设计，本系统实现了从灌溉管网布置设计到最后成果输出，节省了一定的时间和人力，提高了设计效率，具有较高的实用性。
5 参考文献
[1] 刘扬.遗传算法和GIS技术在精细灌溉决策支持系统中的应用研究[D].保定：河北农业大学，2007.
[2] 李松明，耿兴隆.WebGIS在园林灌溉管理系统中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2011.
[3] 张成才，魏文秋，王先兵.基于网络的地理信息系统研究[J].计算机工程与应用，1999（4）：44-46.
[4] 冯小忠.基于GIS树状低压输水灌溉管网计算机辅助设计系统研究[D].扬州：扬州大学，2002.
[5] 韩达.计算机辅助设计[J].新技术新工艺，1983（2）：29-31.
[6] TAHER S A，LABDLE J W，MEMBER ASCE.Optional design of water-distrbution network with GIS[J].Journal of Water Resources Planung and Management，1996：301-311.
[7] 顾世祥，李远华，崔永来，等，灌溉管理应用软件的研究现状及前景[J].灌溉排水，1999，18（1）：61-64.
[8] WU YAWEN，LU TIEDING.A affine transformation method of geometric positioning based on RFM[J].Science of Surveying and Mapping，2015（4）：48-52.
[9] 周明耀，蔡勇，顾鹤鸣.农田水分管理决策支持系统研究[J].扬州大学学报（自然科学版），2000，3（4）：44-48.
[10] 周明耀，冯小忠，余长洪.树状低压输水灌溉管网线性规划优化模型及求解[J].水利与建筑工程学报，2005，3（1）：1-4.
[11] 童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京：中国标准出版社，2000：3-6.
关键词 地理信息系统（GIS）；园林灌溉系统；软件设计
中图分类号 S274.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）24-0157-03
Design of Garden Irrigation System Based on GIS
XU De-he ZUO Yuan-yuan * YANG Cheng-jie
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）
Abstract The traditional garden irrigation design in China more depends on CAD，which may save some time，but the analysis and calculation function of CAD is weak.This paper developed a garden irrigation design system based on GIS platform，solved the problem from network design and calculation to the result output utilizing the computer to assist irrigation engineering design.Meanwhile，this system developed the advantage of computers on plotting，calculation，file processing，thus，we could save time to hilt and increase design efficiency.
Key words GIS；the system of garden irrigation；software design
水是生命之源，水资源短缺已经成为影响当今人类社会的一大问题。我国水资源极其匮乏，但在园林灌溉用水的利用上还存在着严重的浪费现象。传统的园林灌溉采用大面积漫灌，远远超出园林作物实际需水量，浪费严重。因此，发展高效节水灌溉技术是现代园林发展的必然要求，也是现代园林灌溉技术的基本要求[1-3]。
园林灌溉工程设计不仅包括管网布置图的绘制，还包括复杂的水力计算，具有多样性、复杂性的特点。我国园林灌溉设计现在依靠CAD（Computer Aided Design）设计，虽然一定程度上缩短了设计工期，但是AutoCAD的设计分析、计算功能较弱[3]。GIS（Geographic Information System）技术是水利行业信息管理标准化、网络化、空间化、可视化的有效工具。目前很多的GIS软件系统与流行的CAD软件有接口，支持图形格式的输入和输出，实现自动制图。目前，GIS在灌溉和节水方面的应用非常广泛，尤其是农业节水灌溉方面，但是园林灌溉方面更多侧重于管理方面，在設计方面偏少[4-9]。本文基于GIS平台，综合运用GIS二次开发技术、CAD二次开发技术和Access数据库开发园林灌溉设计系统，利用计算机辅助灌溉工程设计，发挥计算机在绘图、计算、文件处理等方面的优势，弥补了传统设计的缺点，最大限度地节约了设计时间、提高了设计效率。
1 基于GIS的园林灌溉系统总体设计
根据系统设计的一般原则，将GIS与CAD结合，综合运用Access数据库等软件开发工具，基于GIS平台，开发出一套基于GIS园林灌溉设计系统，实现了作物管道灌溉需水模型计算的自动化，加快了灌区计划用水的决策过程，方便了各种灌溉要素的直观表达。
1.1 园林灌溉工程设计
园林灌溉工程设计主要包括：收集信息（园林植被资料、气象、地形及土壤等资料）、信息采集端、管网布置、灌溉制度确定、管网水力计算和管径计算、灌溉设备选型、设计方案验证、工程投资概算、工程成果输出。
1.2 系统开发流程
基于GIS的园林灌溉系统采用模块化的结构方法进行设计。软件从结构上分解成许多功能相对独立的模块，可以独立编译和调试，但是在整体上相互联系、缺一不可，最后按一定的原则通过装配程序连接成系统[10]。模块化程序设计将复杂的程序分工研制，能缩短设计周期，便于修改和扩充。系统设计总体框架如图1所示。
1.3 系统研究技术
针对我国灌溉工程设计规范和标准，采用人机交互方式，基于GIS平台和AutoCAD2010及以上版本的图形平台，利用C#语言及Access数据库，开发出园林灌溉设计系统软件。
2 系统功能模块研究
从园林灌溉设计软件总体框架图可知，软件分为灌溉工程设计和材料设备数据库两大部分。
2.1 数据库构建
材料设备数据库是园林灌溉工程设计系统软件的主要组成部分。主要包括管材规格表、管道配件表、过滤设备表、水泵电机设备表、其他设备表，由Access数据库统一构建，允许用户对其进行增加、删除、修改等操作。软件通过数据库接口函数，可在灌溉工程设计过程中实时调用各功能模块所需的数据表。
2.2 管网设计与布置
依据灌溉设计规范和标准，根据园林灌区的大小及地形进行管网布置。管网布置形状一般呈树状，常见的形式有“工”字形、“土”字形等。本系统支持导入灌区平面布置图，根据灌区地形、植被等进行管网布置；也支持直接导入管网布置CAD图纸，进行管网水力计算。 管道布置一般遵循以下原则。一是管道布置应使管道总长度尽量短，造价少，有利于水锤防护。二是充分考虑地形条件、路和水渠等地物的影响。三是干管、分干管尽量沿路边铺设，便于管理和维修，尽量少穿障碍物；在山丘地，应沿主坡方向布置。尽量利用地形落差实施重力输水。
2.3 管网水力计算
管道布置完成以后，对整个区域的管网构建拓扑关系，确保管网拓扑关系构建正确。水力计算的前提是确保拓扑关系的正确以及基础数据的录入。水力计算是系统的重点，包括配件管理、设计管径计算、水头损失计算、管径分色处理、方案检测和计算最不利管道的功能。
2.4 工程设计成果输出
系统提供灌溉工程设计成果的输出，包括管网设计施工图纸、水力计算表、工程概算表等[11]。
3 实例
實例选用汝阳县滨河公园节水灌溉工程，采用喷灌技术。园林灌溉区资料收集，主要收集汝阳县滨河公园植被种类、需水量、气象及土壤等自然条件。汝阳县滨河公园园区总面积为11.5 hm2；土壤为中壤土，土壤容重为1.40～1.55 g/cm3，田间最大持水量为25%～30%，田间花卉主要根系活动层深度为40～60 cm。园区内交通便利，电力配套设施完备，电源可靠。根据汝阳气象台资料，该项目区处于温热带大陆性季风气候区，年平均气温140 ℃，年均降水量668.1 mm，雨量主要集中在7—9月。园区濒临河道地下水资源丰富，拟新建浅水井4眼，单井出水量为20～50 m3/h。完全可以满足植物的需水量，可用水泵直接提水至地面后通过干管和支管直接对植物进行灌溉。
分析汝阳县滨河公园的资料，初步在系统中完成灌溉管网的布置。灌溉设备选型需要根据植被种类以及设计人员的经验进行确定。管网布置无一定的设计规程可循，设计人员在分析水源位置、地形、植被类型等因素的基础上依据经验进行管网布置，具体如图2所示。
灌溉制度应根据水源条件、植被种类和灌溉能力确定，一般均多采用轮灌的工作制度，即将支管划分为若干组，每组包括1个或多个阀门，灌水时通过干管向各组轮流供水。轮灌组的划分是园区灌溉的重点，轮灌组划分应遵循以下原则。一是轮灌组的数目应满足需水要求，同时使控制灌溉面积与水源的可供水量相协调；二是每个轮灌组的总流量尽可能一致或相近，以确保水泵运行稳定，提高动力机和水泵的效率，降低能耗；三是同一轮灌组中，选用一种型号或性能相似的喷头，同时种植的品种一致或对灌水的要求相近；四是往往将同一轮灌组中的阀门分散布置，以最大限度地分散干管中的流量，减小管径，降低造价。
根据以上原则，结合汝阳县滨河公园水源条件、植被种类和灌溉能力，确定轮灌组的划分。在每组安装阀门，控制本组的灌溉。汝阳县滨河公园节水灌溉工程轮灌阀门控制如表1所示。
管道布置完成以后，对整个区域的管网构建拓扑关系，确保管网拓扑关系构建正确。然后计算各级管道的流量及管径，即按着管路的逆水流方向从支管往上逐级计算各管道的水头损失和进口压力。根据园区植被需水情况，在系统内完成基本信息的录入，如图3所示，对某节点进行基本信息录入。
进行水力计算，确定管网管径，部分水力计算的结果如图4所示，管径分色处理如图5所示。依据所选水泵的运行情况及轮灌制度来逐级计算支管各节点压力水头，验证设计方案是否满足灌溉需求。进行水压计算后，系统高亮显示不满足条件的节点，即节点出现负压。工作人员根据经验，修改部分管径或者调整轮灌组，再次计算水压，直至所有节点满足条件。最后进行工程投资概算和工程成果输出，是在设计工作完成之后对工程的完善。
试验证明，应用基于GIS的园林灌溉系统设计系统，通过人机交互的方式，能够根据灌溉区的资料，逐步完成园林规划设计工作，根据用户需求，直接输出灌溉设计图及设计成果。在一定程度上节省了设计时间和人力，提高了设计效率。
4 结论
基于GIS的园林灌溉系统，借助CAD辅助设计出图功能，将灌溉系统设计、计算、制图、图标输出融为一体的专业化设计软件，本系统具备设计分析、计算和输出工程设计成果的能力。
结果表明，应用基于GIS的园林灌溉系统进行灌溉工程设计，相对于传统的CAD设计，本系统实现了从灌溉管网布置设计到最后成果输出，节省了一定的时间和人力，提高了设计效率，具有较高的实用性。
5 参考文献
[1] 刘扬.遗传算法和GIS技术在精细灌溉决策支持系统中的应用研究[D].保定：河北农业大学，2007.
[2] 李松明，耿兴隆.WebGIS在园林灌溉管理系统中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2011.
[3] 张成才，魏文秋，王先兵.基于网络的地理信息系统研究[J].计算机工程与应用，1999（4）：44-46.
[4] 冯小忠.基于GIS树状低压输水灌溉管网计算机辅助设计系统研究[D].扬州：扬州大学，2002.
[5] 韩达.计算机辅助设计[J].新技术新工艺，1983（2）：29-31.
[6] TAHER S A，LABDLE J W，MEMBER ASCE.Optional design of water-distrbution network with GIS[J].Journal of Water Resources Planung and Management，1996：301-311.
[7] 顾世祥，李远华，崔永来，等，灌溉管理应用软件的研究现状及前景[J].灌溉排水，1999，18（1）：61-64.
[8] WU YAWEN，LU TIEDING.A affine transformation method of geometric positioning based on RFM[J].Science of Surveying and Mapping，2015（4）：48-52.
[9] 周明耀，蔡勇，顾鹤鸣.农田水分管理决策支持系统研究[J].扬州大学学报（自然科学版），2000，3（4）：44-48.
[10] 周明耀，冯小忠，余长洪.树状低压输水灌溉管网线性规划优化模型及求解[J].水利与建筑工程学报，2005，3（1）：1-4.
[11] 童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京：中国标准出版社，2000：3-6.