基于GIS的城市給排水管網(wǎng)管理

劉良棟
（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院軍事環(huán)境系 南京 210007）

　　摘要：隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，給排水管線(xiàn)架構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，更新越來(lái)越頻繁，造成原有管理模式效率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，管理工作壓力大。GIS作為一種集地理空間特征和各種統(tǒng)計(jì)信息為一體的信息系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的空間分析與信息管理能力。因此，利用GIS的先進(jìn)手段，探索基于GIS的城市給排水管網(wǎng)管理新方法將會(huì)大大提高管線(xiàn)管理的規(guī)范化、科學(xué)化、信息化水平，更好的適應(yīng)更新管線(xiàn)不斷更新完善的需要和城市長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃目標(biāo)。本文對(duì)地理信息系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)及其功能作了概述，分析了GIS用于城市給排水管網(wǎng)管理的主要功能優(yōu)勢(shì)、可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并就將來(lái)的前景進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞：給排水 管網(wǎng) GIS 信息化

引言

　　隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和現(xiàn)代化程度的不斷提高，城市各類(lèi)管線(xiàn)越來(lái)越密集，尤其是給排水管線(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜，管網(wǎng)負(fù)擔(dān)越來(lái)越重。城市給排水管網(wǎng)由于架構(gòu)、鋪設(shè)年代不一，施工水平不盡相同，各類(lèi)停水、泄漏等管線(xiàn)事故時(shí)有發(fā)生，管網(wǎng)改造、搶修補(bǔ)漏工作壓力大，嚴(yán)重影響了人們的生活與工作秩序。加強(qiáng)城市給排水管網(wǎng)的管理工作迫在眉睫。
　　城市給排水管網(wǎng)原有的人工管理模式效率低，資料更新工作量大，造成了人力、物力和資源的極大浪費(fèi)。為了提高城市給排水管線(xiàn)管理水平,利用計(jì)算機(jī)高新技術(shù),探索基于GIS的管線(xiàn)管理新方法將會(huì)大大提高管線(xiàn)管理的科學(xué)性,定量性和現(xiàn)代化程度，節(jié)約大量的人力、物力，極大地提高管理工作效率，更好的適應(yīng)城市長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃目標(biāo)和現(xiàn)代快節(jié)奏的生活需求。

1 地理信息系統(tǒng)

1.1 GIS的概念
　　地理信息系統(tǒng) (Geographic Information System,簡(jiǎn)稱(chēng) GIS)是建立在地球科學(xué)基礎(chǔ)之上的邊緣學(xué)科，是一種以采集、貯存、管理、分析等手段來(lái)描述整個(gè)或部分地球表面與空間地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。是融地理學(xué)、幾何學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及各類(lèi)應(yīng)用對(duì)象為一體的綜合性高新技術(shù)。在現(xiàn)代信息社會(huì)里 ,GIS作為一種集地理空間特征和各種統(tǒng)計(jì)信息為一體的特殊信息系統(tǒng) ,是信息高速公路上的節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施 ,受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注 ,成為目前國(guó)內(nèi)外地學(xué)領(lǐng)域熱門(mén)的研究課題。
1.2 GIS的特點(diǎn)及功能
　　GIS利用屬性、空間數(shù)據(jù)將地理空間模型化，將社會(huì)生活中的各種信息與反映地理位置的圖形有機(jī)地結(jié)合在一起,根據(jù)用戶(hù)的需求實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的快速查詢(xún)、空間分析，達(dá)到對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行描述、模擬和預(yù)測(cè)并將結(jié)果作為領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)決策參考的目的。GIS能進(jìn)行空間分析而更能全面、直觀、動(dòng)態(tài)地采集和利用信息，相對(duì)于常規(guī)意義上的信息系統(tǒng)而言，GIS更加完備、更加成熟、更加有用。
　　GIS具有以下特點(diǎn)：1、空間分析能力強(qiáng)。對(duì)空間信息進(jìn)行各種復(fù)雜的空間運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)多元地理信息的迭加分析，以及圖形與屬性的雙向查詢(xún)，幫助人們了解空間實(shí)體的空間分布特征及其關(guān)系。2、信息來(lái)源多樣。GIS的數(shù)據(jù)源可以通過(guò)遙感、測(cè)量、GPS等多種手段獲得。3、應(yīng)用范圍廣。由于能同時(shí)使用、綜合分析屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，因此能為需提供空間查詢(xún)、分析功能要求的領(lǐng)域所采用，如：城市規(guī)劃、地籍管理、水資源查找開(kāi)發(fā)、城市給排水管網(wǎng)管理等。4、工作方式直觀。GIS能直觀地反映處理對(duì)象的空間分布和特征，根據(jù)用戶(hù)需要，GIS可以輸出文字報(bào)告、專(zhuān)題地圖、電子地圖、多媒體信息等多樣化的數(shù)字產(chǎn)品。5、信息利用速度快，管理決策周期短。一方面，GIS與遙感、GPS結(jié)合集成，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的實(shí)時(shí)利用；另一方面，超強(qiáng)的信息檢索和綜合能力使領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)管理、決策的周期大大縮短。
　　GIS具有以下功能：1、多種地學(xué)空間信息的采集、管理、分析和輸出能力，具有非常明顯的空間性和動(dòng)態(tài)性。2、以地學(xué)研究和地學(xué)決策為目的、以地學(xué)模型方法為手段的區(qū)域空間分析、多要素綜合和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)高層次、高質(zhì)量的地學(xué)信息的派生。3、由計(jì)算機(jī)支持空間數(shù)據(jù)管理，并由計(jì)算機(jī)程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT(mén)的地學(xué)分析模型，作用于空間數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有用信息，快速、準(zhǔn)確地提供科學(xué)決策依據(jù)。
1.3 GIS的主要應(yīng)用領(lǐng)域
　　GIS始于六十年代，由加拿大人Tomlinson率先提出。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，在最近的二十多年時(shí)間里GIS的研究與應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。尤其是在應(yīng)用方面 ,目前 GIS已經(jīng)被應(yīng)用到環(huán)境信息模型建立、城市規(guī)劃與管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)與分析、土地、地籍測(cè)繪與管理、城市給排水等地下管道管理等與空間信息有密切關(guān)系的各個(gè)領(lǐng)域。

2 給排水管網(wǎng)管理信息化

2.1 原有管線(xiàn)管理存在的問(wèn)題
　　我國(guó)城市給排水管網(wǎng)原有的管線(xiàn)埋設(shè)、編制缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。與其它地下管線(xiàn)的綜合布局考慮不夠，缺乏科學(xué)預(yù)測(cè)，出現(xiàn)故障后的互相干擾多，給故障排查、水管搶修補(bǔ)漏工作帶來(lái)不少麻煩。另外，原始的城市給排水管線(xiàn)竣工驗(yàn)收資料不全或歸檔要求不高，加上管理不善，容易造成資料丟失或有關(guān)數(shù)據(jù)不全，給城市管網(wǎng)建設(shè)與管理帶來(lái)很大壓力。
　　原始的管理方法對(duì)各種比例尺圖形以及歷史圖文資料的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和分析困難。上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)需要的各類(lèi)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、方案圖、專(zhuān)題圖也全部由手工計(jì)算和繪制完成。導(dǎo)致工作效率低，業(yè)務(wù)管理不規(guī)范。
　　如何進(jìn)一步加強(qiáng)和規(guī)范城市給排水管線(xiàn)的綜合管理，加快信息化進(jìn)程，成為城市建設(shè)管理部門(mén)的一項(xiàng)重要任務(wù)。
2.2 城市給排水管網(wǎng)管理信息化之路
　　管網(wǎng)管理大體經(jīng)歷了以下幾種信息化的進(jìn)程，其一是走信息系統(tǒng)的路子，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（MIS），對(duì)管線(xiàn)資料進(jìn)行整理、錄入，具有常規(guī)的屬性數(shù)據(jù)管理能力，但對(duì)圖形的管理能力差，不能對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和分析。第二是針對(duì)MIS不能管理圖形的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)MIS與圖形相結(jié)合的體系，用MIS來(lái)存放和處理屬性數(shù)據(jù)，用圖形系統(tǒng)對(duì)圖形進(jìn)行錄入，屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)相分離，因此圖形本身所蘊(yùn)涵的豐富信息不能被系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別、提取和利用。第三種是通過(guò)圖形和數(shù)據(jù)庫(kù)的掛接，實(shí)現(xiàn)了圖形與屬性的聯(lián)接，但圖元間的拓?fù)潢P(guān)系無(wú)法有效的進(jìn)行管理，一般只能對(duì)單一圖幅進(jìn)行管理，對(duì)海量數(shù)據(jù)的一體化管理缺乏有效手段，不利于空間分析與檢索。三維數(shù)據(jù)的處理能力也比較低。
2.3 GIS用于給排水管線(xiàn)管理
　　 利用先進(jìn)的GIS手段，可以為給排水管線(xiàn)管理部門(mén)提供一套完善的地下管線(xiàn)管理方法，充分發(fā)揮GIS圖文并茂的特點(diǎn)，滿(mǎn)足給排水管線(xiàn)管理部門(mén)對(duì)管線(xiàn)空間信息和屬性信息的要求，進(jìn)行空間定位和屬性查詢(xún)。另外，GIS強(qiáng)大的空間分析功能，可以為管線(xiàn)設(shè)計(jì)施工和改線(xiàn)提供輔助性決策依據(jù)，為用戶(hù)提供一體化的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提供數(shù)據(jù)錄入功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行更新的要求。近年來(lái)，許多國(guó)家和城市都已將GIS用于城市各類(lèi)復(fù)雜管網(wǎng)管理，分別建立了相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)，滿(mǎn)足了不同用戶(hù)的需求，大大提高了城市管線(xiàn)管理工作的規(guī)范化、科學(xué)化、信息化水平，降低運(yùn)營(yíng)管理成本。

3 GIS用于給排水管網(wǎng)管理的主要功能優(yōu)勢(shì)

3.1利用GIS進(jìn)行管線(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速錄入存儲(chǔ)、準(zhǔn)確分析
　　城市地下管線(xiàn)信息隱蔽、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)（城市建設(shè)不斷擴(kuò)大，新管線(xiàn)不斷增加，舊管線(xiàn)也不斷在更換或廢棄）、信息量大。隨著測(cè)量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的逐步自動(dòng)化、數(shù)字化，測(cè)量工作者如何更好地使用和管理長(zhǎng)期積累及收集的大量的地下管線(xiàn)信息，充分利用現(xiàn)有的管線(xiàn)及地形數(shù)據(jù)，其最有效的方法是利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)或GIS技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)或信息系統(tǒng)。GIS技術(shù)將地理信息相關(guān)的空間位置、屬性特征及時(shí)域特征進(jìn)行統(tǒng)一的管理，而各類(lèi)管線(xiàn)信息不僅與空間有關(guān)，而且與時(shí)間有關(guān)。GIS以一種新的方式輸入、編輯管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立與管線(xiàn)元素相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，迅速直觀地構(gòu)造給排水網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。同時(shí)組織和使用管線(xiàn)的各種地理信息，以便更有效地分析和更替新的管線(xiàn)信息，便管線(xiàn)資料更新管理工作具備高效性和實(shí)時(shí)性。使我國(guó)的城市真正實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、拓?fù)潢P(guān)系的信息化、科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理。
3.2 建立基于GIS的管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)信息的綜合管理
　　如何將外業(yè)測(cè)量中的地理信息與管線(xiàn)管理的屬性數(shù)據(jù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái),建立管線(xiàn)管理綜合數(shù)據(jù)庫(kù),方便用戶(hù)的使用是運(yùn)用GIS進(jìn)行管線(xiàn)管理的最終目標(biāo)。一般城市給排水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

　　基于GIS的管線(xiàn)管理信息系統(tǒng)，一般可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能。
3.2.1 管網(wǎng)管理
　　管網(wǎng)綜合管理包括管網(wǎng)編輯、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、管網(wǎng)顯示與輸出等。系統(tǒng)提供多種工具對(duì)管網(wǎng)信息進(jìn)行全面、快速的查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)，可按地名進(jìn)行模糊定位，按任意給定區(qū)域或按屬性信息如管段口徑、管道材質(zhì)、閥門(mén)種類(lèi)、使用年限等進(jìn)行單項(xiàng)或多項(xiàng)的組合查詢(xún)?？砂粗付▽傩曰虬慈我鈩澏▍^(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將結(jié)果以直觀的形式如表格、直方圖、餅圖等方式輸出?？蓪?duì)管網(wǎng)圖形的任意部分進(jìn)行放大顯示，對(duì)管網(wǎng)圖形進(jìn)行平滑滾動(dòng)瀏覽，并可對(duì)管網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行橫縱斷面或立體圖三維觀察。對(duì)管網(wǎng)圖形可按矩形、多邊形、圖形、底圖幅畫(huà)及按指定座標(biāo)范圍裁剪輸出。
3.2.2 管線(xiàn)事故處理
　　城市給排水管網(wǎng)中突發(fā)爆漏事故時(shí)有發(fā)生，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)需要自動(dòng)在管網(wǎng)圖上以事故地點(diǎn)為中心，確定受影響區(qū)域范圍，發(fā)散性地搜索受影響處與用戶(hù)，指出相關(guān)閥門(mén)及檢查井，繪制影響區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)圖，繪出事故發(fā)生地點(diǎn)的管網(wǎng)圖，并制定最佳搶修處理方案。
3.2.3管線(xiàn)工程規(guī)劃輔助設(shè)計(jì)
　　依靠GIS，可以大大減輕規(guī)劃設(shè)計(jì)中的計(jì)算、判斷、繪圖和分析評(píng)價(jià)等大量常規(guī)的手工勞動(dòng)。為規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供靈活多樣的繪圖和標(biāo)注工具，自動(dòng)生成和管理設(shè)計(jì)圖、竣工圖、軸測(cè)圖、管線(xiàn)材料統(tǒng)計(jì)表和設(shè)計(jì)說(shuō)明，并將竣工圖并入現(xiàn)狀管網(wǎng)。在給定水源、水量及供水方向的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)管網(wǎng)布線(xiàn)，確定管道口徑，并在短時(shí)間內(nèi)提供多種管網(wǎng)改擴(kuò)建方案。建立管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型，模擬各種方案實(shí)施后的管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)施工況分析，直觀反映各種方案的綜合性?xún)r(jià)比，在信息系統(tǒng)的配合下，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行調(diào)度，降低運(yùn)行成本，在管網(wǎng)改擴(kuò)建中對(duì)管線(xiàn)分布和管徑選擇提供指導(dǎo)，從而便利地選出最佳改擴(kuò)建方案。
3.2.4水力計(jì)算與水質(zhì)分析
　　目前，有不少城市的管網(wǎng)管理系統(tǒng)可以提供節(jié)點(diǎn)水壓、管段流量法、環(huán)方程法等三種方法進(jìn)行多水源管網(wǎng)平差計(jì)算。根據(jù)平差結(jié)果，自動(dòng)繪制管網(wǎng)等壓線(xiàn)，標(biāo)記低壓區(qū)范圍及涉及的相應(yīng)用戶(hù)。根據(jù)供水量和節(jié)點(diǎn)流量，計(jì)算管段流量、流速和水頭損失，動(dòng)態(tài)模擬管網(wǎng)水流方向?？扇我庵付ü?jié)點(diǎn)，自動(dòng)搜索該點(diǎn)的供水路徑，并顯示供水管段的運(yùn)行參數(shù)。
　　通過(guò)計(jì)算出廠水在管網(wǎng)中的停留時(shí)間，分析水處理劑的擴(kuò)散過(guò)程，標(biāo)記水質(zhì)不合格區(qū)域，提供各水源最佳投藥量，從而指導(dǎo)水廠合理投加藥劑，提高水質(zhì)，降低成本。

4 前景展望

　　與遙感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)采集的快速化。目前許多城市管網(wǎng)基礎(chǔ)資料由于數(shù)量大，年代久，資料不全，準(zhǔn)確性和現(xiàn)實(shí)性較差，引進(jìn)先進(jìn)的遙感技術(shù)，借助其它外部力量，在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確收集管網(wǎng)的最新資料，是今后GIS數(shù)據(jù)采集的一種主要方式。
　　與GPS有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)搶修補(bǔ)漏工作快速化。將GPS系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取搶修車(chē)的位置和路網(wǎng)交通狀況，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給GIS，計(jì)算最短行車(chē)路線(xiàn)。
　　與Internet技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)管理網(wǎng)絡(luò)化。利用WWW技術(shù)，建成網(wǎng)絡(luò)化的管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，方便區(qū)域范圍內(nèi)任一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的Internet用戶(hù)使用。

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作者簡(jiǎn)介：劉良棟，男，1976-，助教。解放軍理工大學(xué)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)碩士生，從事管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理研究。