滴灌工程設計CAD系統軟件研發

楊國英，余根堅，高占義，侯淑媛(中國水利水電科學研究院，北京 100048)

滴灌技術自20世紀70年代初引入我國以來，經過40多年的發展，已基本形成了適應我國國情的技術體系，加之國家對農業節水灌溉的高度重視，滴灌技術在應用過程中節水、節肥、省工、灌水均勻、增產增收的優勢愈發明顯。在其他行業計算機應用程序、軟件、模型使用程度越來越高的同時，我國大部分滴灌工程仍然靠手工設計方法進行，周期長效率低[1]。計算機程序輔助完成滴灌工程設計是未來設計的發展趨勢，開發一套適用于我國灌溉工程現狀的計算機輔助設計軟件，對于縮短設計時間、節省勞動力、提高效率等都有非常重要的意義。

自20世紀80年代中期，灌溉系統的計算機輔助設計在各發達國家中開始發展起來，目前比較有代表性的軟件是IRRICAD及RainCAD。新西蘭的IRRICAD[2]可用于農作物、果園、溫室、住宅及商業區、主題公園和高爾夫球場等的灌溉設計，具備版面設計、管徑計算、水力計算、圖表輸出打印等功能。RainCAD[3]是Software Republic專為灌溉設計和景觀園林設計開發的專業軟件，目前分為AutoCAD版本和BricsCAD版本，其數據庫中包含一些知名灌溉設備制造商(如耐特菲姆、雨鳥)的產品。國內滴灌系統在計算機輔助設計方面的開發，一般是借助計算機編程語言及相應的對AutoCAD二次開發的方式進行開發，多數軟件可以實現管網布置、計算、圖形繪制、材料表生成等功能。嚴雷等[4]2001年開發的管道式噴灌系統CAD軟件，是我國較早的灌溉計算機輔助設計軟件，利用VBA接口二次開發Access、Excel、AutoCAD、Word等常用軟件，集圖形處理、數據庫、計算等功能于一身。中國農業大學和北京市水利水電技術中心[5]合作開發的灌溉工程CAD軟件IrCAD4.0a，采用Visual C++語言和AutoCAD平臺，實現了與AutoCAD軟件的無縫連接，能按用戶要求完成從規劃到具體設計的全部工作。邱象玉等[6]基于AutoCAD平臺，結合ObjectARX二次開發工具，利用VC++編譯環境進行二次開發，構造了滴灌管網布置CAD模型(PIPE模型)。

雖然國外已有一些相關軟件在我國拓展應用市場，但目前鮮有中文版本，而且國外軟件產品數據庫中的滴灌材料、設備均為外國產品，選型受到限制，設計人員使用時存在語言和習慣上的不便。國內一些單位研制微灌及噴灌計算機輔助設計軟件的時間多在2000-2010年，應用不夠普及，目前大部分滴灌系統設計仍需手工完成。因此，根據我國實際情況，開發一款既適合滴灌工程設計又能得到廣泛應用的軟件尤為重要。

1 軟件設計

1.1 軟件開發技術

C#編程語言是由C和C++衍生而來的面向對象的編程語言，它在繼承C和C++強大功能的同時去掉了一些復雜特性(例如沒有宏以及不允許多重繼承)，又綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，是.NET開發的首選語言。AutoCAD是目前灌溉領域應用最廣泛的CAD繪圖軟件，它提供了包括AutoLISP/Visual LISP、VBA/COM、基于VC++或基于.NET的ObjectARX等多種形式的二次開發方式，其中AutoCAD.NET API完全面向對象，學習曲線平緩，受到了廣大開發者的歡迎，可以使用C#、VB.NET、Managed C++等任意一種語言開發，具有方便易用的特點，是較理想的AutoCAD二次開發工具。SQLite管理簡單，操作方便，能以多種形式嵌入到其他應用程序中，易于維護，是目前非常流行的開源嵌入式數據庫。

在對編程語言和開發技術進行分析的基礎上，針對我國滴灌工程設計的現狀和標準，采用人機交互方式，基于VS2008開發環境和AutoCAD2010運行環境，綜合利用C#語言、AutoCAD.NET API技術以及SQLite開源嵌入式數據庫，開發了滴灌工程設計CAD系統軟件。

1.2 軟件功能

滴灌工程設計一般包含基本資料收集、技術參數初定、灌水器選型、管網布置及系統工作制度確定、管網水力計算和管道設計、首部樞紐設計、材料設備用量統計等步驟，設計完成后需輸出管網布置圖、管網水力計算表、輪灌組劃分表以及材料設備用量表等圖表。作為滴灌工程設計的專業化軟件，本軟件依據傳統滴灌手動設計步驟開發，不僅能完成上述設計過程中的全部功能，還可以實現滴灌設計報告生成以及材料設備數據庫等功能，能按照用戶的要求完成滴灌工程設計的全部工作。

1.3 軟件特點

滴灌工程設計CAD系統軟件按照專業設計流程組織界面，系統界面便于操作、運行穩定，將國家現行的《微灌工程技術規范》植入軟件之中，符合滴灌設計人員的使用習慣，基本實現了滴灌工程設計全過程的計算機輔助設計。軟件在技術和使用上的特點主要體現在：①基于現行滴灌相關規范，將專業性與CAD平臺集成；②設計參數統一保存，便于提取；③根據地形圖自動計算管網高程值，通過參數及計算結果自動生成專業圖表及設計報告，自動化、可配置化程度較高；④采用數據庫技術將若干材料及設備統一管理；⑤適用范圍廣，可用于不同地形、不同作物的滴灌工程計算機輔助設計。

2 軟件開發

滴灌工程設計CAD系統軟件由27個窗體、14個類模塊、1個公共函數庫組成，源程序代碼達30萬行，把計算、設計、繪圖等工作結合在一起，減少了設計人員的繁瑣勞動。

2.1 軟件框架

考慮到軟件的功能必須滿足滴灌工程CAD的應用，同時要遵循設計人員的設計習慣和過程，采用模塊化結構方法設計軟件，軟件的總體框架見圖1。

圖1 軟件總體結構Fig.1 Overall structure of the software

軟件分滴灌工程設計和滴灌數據庫2大部分進行開發。滴灌工程設計部分由10大主功能模塊組成，每個主功能模塊下包含各自的子功能模塊，滴灌工程設計過程中所需的圖表和設計報告也在該部分生成。滴灌數據庫目前主要包括設計過程中用到的一些材料設備表，輔助軟件在設計過程中進行材料設備選型等工作。

2.2 軟件開發模塊組成

2.2.1滴灌工程設計

(1)工程設置。工程設置模塊主要是對圖層的設置，圖層設置分為專業圖層、CAD圖層、CAD顏色、CAD線型、CAD線寬5列。專業圖層為軟件默認圖層，CAD圖層為設計人員自設圖層，二者名稱可不相同，但在使用過程中要求設計人員將CAD圖層與專業圖層進行匹配，以便后期繪圖使用。CAD顏色、線寬、線型與CAD軟件自帶的顏色、線寬、線型相同。圖層設置分2種情況供設計人員使用，一種情況是，設計人員使用該軟件進行滴灌工程全套設計，在軟件打開的CAD界面中制圖，要求設計人員預先對圖層進行設置；另一種情況是，管網布置圖已經完成，需要用該軟件進行滴灌工程其他設計，設計人員可以在CAD圖層中選擇與專業圖層對應的圖層，設置完成后再進行其余設計。

(2)灌溉設計。灌溉設計模塊包含技術參數輸入、水量平衡與調蓄計算、毛管設計、灌溉制度4個子模塊。

技術參數模塊包含了滴灌設計過程中需要的基本參數，對于確定的以及必要的參數，可在該部分輸入，對于不確定的參數，可以在對應步驟中進行輸入。軟件提供參數保存文件，當對某一參數進行改動時，該參數在其他模塊中的值同時發生變動，保證參數只有一個存儲值。

水量平衡與調蓄計算模塊計算方式分為“以地定水”和“以水定地”2種，水源情況分為“供水流量穩定且無調蓄”以及“有調蓄能力”2種，設計人員選好計算方式和水源情況，輸入對應參數，軟件即可進行水量平衡計算，如果滿足水量平衡計算條件，則繼續進行設計，如不滿足，則要作出調整，直至滿足水量平衡計算條件為止。

毛管設計模塊是確定灌溉制度和管網布置前的準備工作，包含灌水器選型、毛管間距和長度2個必要步驟以及灌水器水力計算、壓力偏差分析、極限長度計算3個可選步驟。當根據灌區實際情況以及設計者經驗選擇毛管鋪設長度時，可越過可選步驟；當設計人員以毛管允許最大長度為參考選定毛管鋪設長度時，則要進行灌水器水力計算、壓力偏差分析以及極限長度計算。

灌溉制度模塊主要發揮了軟件的計算功能，設置最大凈灌水定額、設計灌水周期、設計灌水定額以及一次灌水延續時間4個窗口，每個窗口都設有參數輸入框，后臺根據公式自動進行計算。

(3)管網設計與布置。管網設計與布置模塊負責該軟件的繪圖功能，設計人員在導入的地形圖基礎上繪制管網布置圖，軟件供設計者設置管道編號、字體及字高，并將管道編號記錄在管道擴展數據中。

(4)管網計算數據檢查。用軟件繪圖時，為實現管網水力計算自動化，管網布置須按照系統設定規則繪制，系統自帶數據檢查功能，其界面見圖2。左側為4項檢查規則，點擊“檢查”按鈕，軟件自行檢測管網布置圖是否符合規則，并在檢查結果中列出違反規則的地方，點擊相應結果，軟件自動將繪圖焦點放置在圖中要修改的地方，直至數據檢查全部通過時才能進行下一步操作。

圖2 數據檢查界面Fig.2 The interface of data check

(5)管網流量及管徑計算。管網流量及管徑計算模塊主要包括各級管道流量、管徑計算，以及輪灌制度的確定和輪灌組劃分表的輸出。設計人員在使用時選擇管道，其流量可通過自動計算得出，毛管由設計人員根據當地實際情況和設計經驗選擇型號，其余管道根據流速推算出經濟管徑，從數據庫管材規格表中選擇相近管徑，選擇結果顯示在設計界面中。

為符合計算機運算順序，將輪灌制度放在支管和分干管管徑計算中間，計算完輪灌組數目后，進行輪灌組劃分，手動選擇支管，軟件自動生成輪灌組劃分表，并能導出Excel格式的表格。

(6)管道編輯。如果設計人員對之前的管道設計不滿意，可進行管道編輯，選擇相應管道，對管道編號、管徑以及管材進行更改。

(7)管網水力計算。管網水力計算模塊以灌溉設計和管網布置模塊為基礎，將設計人員完成的管網布置圖映射為計算機所識別的邏輯關系，進而提取管網中管材、管件的擴展數據，對管網水力性能進行計算。該模塊借助計算機在計算方面的優勢，同時與管網布置圖相結合，可以準確、高效地完成管網的水力計算，并能生成管網水力計算表。

(8)水泵選型。根據計算得出的滴灌系統流量、揚程數值，設計人員可從水泵、電機設備表中選擇相應水泵(見圖3)。

圖3 水泵選型界面Fig.3 The interface of pump selection

(9)材料設備表。軟件自行統計滴灌工程設計中選擇的管材、部分管件及設備，生成初步的材料設備表并輸出，設計者可在此基礎上添加管件及設備。

(10)生成設計報告。國內灌溉工程CAD軟件大多沒有生成設計報告的功能，需要設計人員在設計過程中單獨編制。本軟件提供滴灌工程設計報告的模板，待計算機輔助設計結束后，軟件從保存參數及設計結果的工程文件中讀取所需數據，替換到模板中相應位置，生成軟件設計初步報告，設計人員可在此基礎上進行潤色和修改。

2.2.2材料設備數據庫

如圖1所示，滴灌數據庫中共包含7個數據表，允許用戶對數據庫進行增加、刪除、修改、排序等操作。本軟件數據庫功能強大，包含眾多材料設備可供設計人員選擇，在設計過程中可實現實時調用，非常便利。以管材規格表為例，其數據庫設計界面見圖4。

3 軟件應用實例

3.1 示范區基本情況

示范區占地面積33.17 hm2，邊界為長方形，東西長約646m，南北長513 m，區內地形平坦，南北方向地面坡度在1%左右，東西方向地面坡度約為0.08%。地塊南側中心位置有一口機電井，估計動水位在40～50 m，出水量大于80 m3/h，水質良好，適宜灌溉，地下水埋深30～40 m。示范區種植枸杞，東西向種植，枸杞株距2 m，行距3 m，株高1 m左右。

圖4 管材規格表設計界面Fig.4 The design interface of pipe specification table

3.2 運行滴灌工程設計CAD系統軟件

3.2.1滴灌設計參數

根據軟件設計界面進行操作，輸入技術參數后進行水量平衡與調蓄計算。該示范區為“以地定水”的計算方式，水源供水流量穩定且無調蓄。經過計算，滿足水量平衡條件，可以進行后續計算。滴灌設計中的參數均保存于工程文件“大田枸杞滴灌設計.prj”文件中，每個子步驟名稱用拼音首字母代表，如LGQSM表示“輪灌區數目”，計算過程中的參數用滴灌常用表示字母代表，具體數值見表1。

表1 滴灌技術參數Tab.1 Technique parameters of drip irrigation

3.2.2管網設計與布置

在導入的示范區地形圖基礎上，結合軟件設計布置各級管道。該示范區地形規整，管網布置方式為豐字形，各級管道互相垂直，利用軟件進行的管網布置見圖5。

圖5 滴灌系統管網布置Fig.5 Pipe network layout of drip irrigation system

3.2.3管網水力計算及水泵選型

管網布置完成后，依軟件操作確定各級管道的流量及管徑，并在人機交互的情況下生成輪灌組劃分表。輸入各級管道局部水頭損失占沿程水頭損失的比值，軟件自動進行管網水力計算。滴灌系統設計流量應為輪灌組最大流量，本次設計各輪灌組流量相等，因此滴灌系統設計流量為91.73 m3/h。水泵選型中計算得出的滴灌系統設計工作水頭為79.04 m，據此選擇水泵型號為200QJ100-81，流量為100 m3/h，揚程81 m。

4 結 語

實例測試結果表明，使用滴灌工程設計CAD系統軟件進行滴灌工程設計的結果，與手工設計結果相吻合，該軟件能夠縮短設計周期，提升設計效率，有助于改變在滴灌設計領域依賴手工設計或者國外軟件的現狀。同時，滴 灌工程CAD系統軟件以AutoCAD作為開發平臺，與國內已有相關軟件相比，具備自動計算高程值和生成設計報告的優勢，是一款將滴灌系統設計、計算、制圖、圖表輸出融為一體的專業化設計軟件，具有較高的實用性和推廣價值。

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