滴灌工程设计CAD系统软件研发

杨国英，余根坚，高占义，侯淑媛(中国水利水电科学研究院，北京 100048)

滴灌技术自20世纪70年代初引入我国以来，经过40多年的发展，已基本形成了适应我国国情的技术体系，加之国家对农业节水灌溉的高度重视，滴灌技术在应用过程中节水、节肥、省工、灌水均匀、增产增收的优势愈发明显。在其他行业计算机应用程序、软件、模型使用程度越来越高的同时，我国大部分滴灌工程仍然靠手工设计方法进行，周期长效率低[1]。计算机程序辅助完成滴灌工程设计是未来设计的发展趋势，开发一套适用于我国灌溉工程现状的计算机辅助设计软件，对于缩短设计时间、节省劳动力、提高效率等都有非常重要的意义。

自20世纪80年代中期，灌溉系统的计算机辅助设计在各发达国家中开始发展起来，目前比较有代表性的软件是IRRICAD及RainCAD。新西兰的IRRICAD[2]可用于农作物、果园、温室、住宅及商业区、主题公园和高尔夫球场等的灌溉设计，具备版面设计、管径计算、水力计算、图表输出打印等功能。RainCAD[3]是Software Republic专为灌溉设计和景观园林设计开发的专业软件，目前分为AutoCAD版本和BricsCAD版本，其数据库中包含一些知名灌溉设备制造商(如耐特菲姆、雨鸟)的产品。国内滴灌系统在计算机辅助设计方面的开发，一般是借助计算机编程语言及相应的对AutoCAD二次开发的方式进行开发，多数软件可以实现管网布置、计算、图形绘制、材料表生成等功能。严雷等[4]2001年开发的管道式喷灌系统CAD软件，是我国较早的灌溉计算机辅助设计软件，利用VBA接口二次开发Access、Excel、AutoCAD、Word等常用软件，集图形处理、数据库、计算等功能于一身。中国农业大学和北京市水利水电技术中心[5]合作开发的灌溉工程CAD软件IrCAD4.0a，采用Visual C++语言和AutoCAD平台，实现了与AutoCAD软件的无缝连接，能按用户要求完成从规划到具体设计的全部工作。邱象玉等[6]基于AutoCAD平台，结合ObjectARX二次开发工具，利用VC++编译环境进行二次开发，构造了滴灌管网布置CAD模型(PIPE模型)。

虽然国外已有一些相关软件在我国拓展应用市场，但目前鲜有中文版本，而且国外软件产品数据库中的滴灌材料、设备均为外国产品，选型受到限制，设计人员使用时存在语言和习惯上的不便。国内一些单位研制微灌及喷灌计算机辅助设计软件的时间多在2000-2010年，应用不够普及，目前大部分滴灌系统设计仍需手工完成。因此，根据我国实际情况，开发一款既适合滴灌工程设计又能得到广泛应用的软件尤为重要。

1 软件设计

1.1 软件开发技术

C#编程语言是由C和C++衍生而来的面向对象的编程语言，它在继承C和C++强大功能的同时去掉了一些复杂特性(例如没有宏以及不允许多重继承)，又综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率，是.NET开发的首选语言。AutoCAD是目前灌溉领域应用最广泛的CAD绘图软件，它提供了包括AutoLISP/Visual LISP、VBA/COM、基于VC++或基于.NET的ObjectARX等多种形式的二次开发方式，其中AutoCAD.NET API完全面向对象，学习曲线平缓，受到了广大开发者的欢迎，可以使用C#、VB.NET、Managed C++等任意一种语言开发，具有方便易用的特点，是较理想的AutoCAD二次开发工具。SQLite管理简单，操作方便，能以多种形式嵌入到其他应用程序中，易于维护，是目前非常流行的开源嵌入式数据库。

在对编程语言和开发技术进行分析的基础上，针对我国滴灌工程设计的现状和标准，采用人机交互方式，基于VS2008开发环境和AutoCAD2010运行环境，综合利用C#语言、AutoCAD.NET API技术以及SQLite开源嵌入式数据库，开发了滴灌工程设计CAD系统软件。

1.2 软件功能

滴灌工程设计一般包含基本资料收集、技术参数初定、灌水器选型、管网布置及系统工作制度确定、管网水力计算和管道设计、首部枢纽设计、材料设备用量统计等步骤，设计完成后需输出管网布置图、管网水力计算表、轮灌组划分表以及材料设备用量表等图表。作为滴灌工程设计的专业化软件，本软件依据传统滴灌手动设计步骤开发，不仅能完成上述设计过程中的全部功能，还可以实现滴灌设计报告生成以及材料设备数据库等功能，能按照用户的要求完成滴灌工程设计的全部工作。

1.3 软件特点

滴灌工程设计CAD系统软件按照专业设计流程组织界面，系统界面便于操作、运行稳定，将国家现行的《微灌工程技术规范》植入软件之中，符合滴灌设计人员的使用习惯，基本实现了滴灌工程设计全过程的计算机辅助设计。软件在技术和使用上的特点主要体现在：①基于现行滴灌相关规范，将专业性与CAD平台集成；②设计参数统一保存，便于提取；③根据地形图自动计算管网高程值，通过参数及计算结果自动生成专业图表及设计报告，自动化、可配置化程度较高；④采用数据库技术将若干材料及设备统一管理；⑤适用范围广，可用于不同地形、不同作物的滴灌工程计算机辅助设计。

2 软件开发

滴灌工程设计CAD系统软件由27个窗体、14个类模块、1个公共函数库组成，源程序代码达30万行，把计算、设计、绘图等工作结合在一起，减少了设计人员的繁琐劳动。

2.1 软件框架

考虑到软件的功能必须满足滴灌工程CAD的应用，同时要遵循设计人员的设计习惯和过程，采用模块化结构方法设计软件，软件的总体框架见图1。

图1 软件总体结构Fig.1 Overall structure of the software

软件分滴灌工程设计和滴灌数据库2大部分进行开发。滴灌工程设计部分由10大主功能模块组成，每个主功能模块下包含各自的子功能模块，滴灌工程设计过程中所需的图表和设计报告也在该部分生成。滴灌数据库目前主要包括设计过程中用到的一些材料设备表，辅助软件在设计过程中进行材料设备选型等工作。

2.2 软件开发模块组成

2.2.1滴灌工程设计

(1)工程设置。工程设置模块主要是对图层的设置，图层设置分为专业图层、CAD图层、CAD颜色、CAD线型、CAD线宽5列。专业图层为软件默认图层，CAD图层为设计人员自设图层，二者名称可不相同，但在使用过程中要求设计人员将CAD图层与专业图层进行匹配，以便后期绘图使用。CAD颜色、线宽、线型与CAD软件自带的颜色、线宽、线型相同。图层设置分2种情况供设计人员使用，一种情况是，设计人员使用该软件进行滴灌工程全套设计，在软件打开的CAD界面中制图，要求设计人员预先对图层进行设置；另一种情况是，管网布置图已经完成，需要用该软件进行滴灌工程其他设计，设计人员可以在CAD图层中选择与专业图层对应的图层，设置完成后再进行其余设计。

(2)灌溉设计。灌溉设计模块包含技术参数输入、水量平衡与调蓄计算、毛管设计、灌溉制度4个子模块。

技术参数模块包含了滴灌设计过程中需要的基本参数，对于确定的以及必要的参数，可在该部分输入，对于不确定的参数，可以在对应步骤中进行输入。软件提供参数保存文件，当对某一参数进行改动时，该参数在其他模块中的值同时发生变动，保证参数只有一个存储值。

水量平衡与调蓄计算模块计算方式分为“以地定水”和“以水定地”2种，水源情况分为“供水流量稳定且无调蓄”以及“有调蓄能力”2种，设计人员选好计算方式和水源情况，输入对应参数，软件即可进行水量平衡计算，如果满足水量平衡计算条件，则继续进行设计，如不满足，则要作出调整，直至满足水量平衡计算条件为止。

毛管设计模块是确定灌溉制度和管网布置前的准备工作，包含灌水器选型、毛管间距和长度2个必要步骤以及灌水器水力计算、压力偏差分析、极限长度计算3个可选步骤。当根据灌区实际情况以及设计者经验选择毛管铺设长度时，可越过可选步骤；当设计人员以毛管允许最大长度为参考选定毛管铺设长度时，则要进行灌水器水力计算、压力偏差分析以及极限长度计算。

灌溉制度模块主要发挥了软件的计算功能，设置最大净灌水定额、设计灌水周期、设计灌水定额以及一次灌水延续时间4个窗口，每个窗口都设有参数输入框，后台根据公式自动进行计算。

(3)管网设计与布置。管网设计与布置模块负责该软件的绘图功能，设计人员在导入的地形图基础上绘制管网布置图，软件供设计者设置管道编号、字体及字高，并将管道编号记录在管道扩展数据中。

(4)管网计算数据检查。用软件绘图时，为实现管网水力计算自动化，管网布置须按照系统设定规则绘制，系统自带数据检查功能，其界面见图2。左侧为4项检查规则，点击“检查”按钮，软件自行检测管网布置图是否符合规则，并在检查结果中列出违反规则的地方，点击相应结果，软件自动将绘图焦点放置在图中要修改的地方，直至数据检查全部通过时才能进行下一步操作。

图2 数据检查界面Fig.2 The interface of data check

(5)管网流量及管径计算。管网流量及管径计算模块主要包括各级管道流量、管径计算，以及轮灌制度的确定和轮灌组划分表的输出。设计人员在使用时选择管道，其流量可通过自动计算得出，毛管由设计人员根据当地实际情况和设计经验选择型号，其余管道根据流速推算出经济管径，从数据库管材规格表中选择相近管径，选择结果显示在设计界面中。

为符合计算机运算顺序，将轮灌制度放在支管和分干管管径计算中间，计算完轮灌组数目后，进行轮灌组划分，手动选择支管，软件自动生成轮灌组划分表，并能导出Excel格式的表格。

(6)管道编辑。如果设计人员对之前的管道设计不满意，可进行管道编辑，选择相应管道，对管道编号、管径以及管材进行更改。

(7)管网水力计算。管网水力计算模块以灌溉设计和管网布置模块为基础，将设计人员完成的管网布置图映射为计算机所识别的逻辑关系，进而提取管网中管材、管件的扩展数据，对管网水力性能进行计算。该模块借助计算机在计算方面的优势，同时与管网布置图相结合，可以准确、高效地完成管网的水力计算，并能生成管网水力计算表。

(8)水泵选型。根据计算得出的滴灌系统流量、扬程数值，设计人员可从水泵、电机设备表中选择相应水泵(见图3)。

图3 水泵选型界面Fig.3 The interface of pump selection

(9)材料设备表。软件自行统计滴灌工程设计中选择的管材、部分管件及设备，生成初步的材料设备表并输出，设计者可在此基础上添加管件及设备。

(10)生成设计报告。国内灌溉工程CAD软件大多没有生成设计报告的功能，需要设计人员在设计过程中单独编制。本软件提供滴灌工程设计报告的模板，待计算机辅助设计结束后，软件从保存参数及设计结果的工程文件中读取所需数据，替换到模板中相应位置，生成软件设计初步报告，设计人员可在此基础上进行润色和修改。

2.2.2材料设备数据库

如图1所示，滴灌数据库中共包含7个数据表，允许用户对数据库进行增加、删除、修改、排序等操作。本软件数据库功能强大，包含众多材料设备可供设计人员选择，在设计过程中可实现实时调用，非常便利。以管材规格表为例，其数据库设计界面见图4。

3 软件应用实例

3.1 示范区基本情况

示范区占地面积33.17 hm2，边界为长方形，东西长约646m，南北长513 m，区内地形平坦，南北方向地面坡度在1%左右，东西方向地面坡度约为0.08%。地块南侧中心位置有一口机电井，估计动水位在40～50 m，出水量大于80 m3/h，水质良好，适宜灌溉，地下水埋深30～40 m。示范区种植枸杞，东西向种植，枸杞株距2 m，行距3 m，株高1 m左右。

图4 管材规格表设计界面Fig.4 The design interface of pipe specification table

3.2 运行滴灌工程设计CAD系统软件

3.2.1滴灌设计参数

根据软件设计界面进行操作，输入技术参数后进行水量平衡与调蓄计算。该示范区为“以地定水”的计算方式，水源供水流量稳定且无调蓄。经过计算，满足水量平衡条件，可以进行后续计算。滴灌设计中的参数均保存于工程文件“大田枸杞滴灌设计.prj”文件中，每个子步骤名称用拼音首字母代表，如LGQSM表示“轮灌区数目”，计算过程中的参数用滴灌常用表示字母代表，具体数值见表1。

表1 滴灌技术参数Tab.1 Technique parameters of drip irrigation

3.2.2管网设计与布置

在导入的示范区地形图基础上，结合软件设计布置各级管道。该示范区地形规整，管网布置方式为丰字形，各级管道互相垂直，利用软件进行的管网布置见图5。

图5 滴灌系统管网布置Fig.5 Pipe network layout of drip irrigation system

3.2.3管网水力计算及水泵选型

管网布置完成后，依软件操作确定各级管道的流量及管径，并在人机交互的情况下生成轮灌组划分表。输入各级管道局部水头损失占沿程水头损失的比值，软件自动进行管网水力计算。滴灌系统设计流量应为轮灌组最大流量，本次设计各轮灌组流量相等，因此滴灌系统设计流量为91.73 m3/h。水泵选型中计算得出的滴灌系统设计工作水头为79.04 m，据此选择水泵型号为200QJ100-81，流量为100 m3/h，扬程81 m。

4 结 语

实例测试结果表明，使用滴灌工程设计CAD系统软件进行滴灌工程设计的结果，与手工设计结果相吻合，该软件能够缩短设计周期，提升设计效率，有助于改变在滴灌设计领域依赖手工设计或者国外软件的现状。同时，滴 灌工程CAD系统软件以AutoCAD作为开发平台，与国内已有相关软件相比，具备自动计算高程值和生成设计报告的优势，是一款将滴灌系统设计、计算、制图、图表输出融为一体的专业化设计软件，具有较高的实用性和推广价值。

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[1] 张红丽.农业设施群的滴灌工程规划辅助设计[D].福建：福建农林大学，2005.

[2] IRRICAD Pro-irrigation software[EB/OL]. http:∥www.irricad.com/irricadpro/irricad-pro-version.

[3] RainCADTM-landscape and irrigation design software for professionals[EB/OL]. http:∥www.raincad.com/raincad.

[4] 严 雷，罗金耀，陈大雕.管道式喷灌系统CAD软件的研究[J].节水灌溉，2001，(3)：11-12.

[5] 宋其龙.喷灌工程计算机辅助设计软件IrCAD4.0a通过专家鉴定.北京水利，2003，(2):8.

[6] 邱象玉，王福军.滴灌系统CAD管网布置模型及应用[J]. 2008，24(8)：10-14.

[7] 宰松梅，郭冬冬，仵 峰，等.滴灌系统CAD技术的研究与开发[J].节水灌溉，2009，(12)：24-26.

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[13] (美)Karli Watson, Christian Nagel. C#入门经典[M].5版. 齐立波，译.北京：清华大学出版社，2010.

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