基于GIS的城市給排水管網(wǎng)管理

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

　　摘要：隨著城市規(guī)模的不斷擴大，給排水管線架構(gòu)越來越復(fù)雜，更新越來越頻繁，造成原有管理模式效率低，資源浪費嚴重，管理工作壓力大。GIS作為一種集地理空間特征和各種統(tǒng)計信息為一體的信息系統(tǒng)，具有強大的空間分析與信息管理能力。因此，利用GIS的先進手段，探索基于GIS的城市給排水管網(wǎng)管理新方法將會大大提高管線管理的規(guī)范化、科學化、信息化水平，更好的適應(yīng)更新管線不斷更新完善的需要和城市長遠規(guī)劃目標。本文對地理信息系統(tǒng)的概念、特點及其功能作了概述，分析了GIS用于城市給排水管網(wǎng)管理的主要功能優(yōu)勢、可以實現(xiàn)的目標，并就將來的前景進行了展望。
　　關(guān)鍵詞：給排水 管網(wǎng) GIS 信息化

引言

　　隨著城市規(guī)模的擴大和現(xiàn)代化程度的不斷提高，城市各類管線越來越密集，尤其是給排水管線越來越復(fù)雜，管網(wǎng)負擔越來越重。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，各類停水、泄漏等管線事故時有發(fā)生，管網(wǎng)改造、搶修補漏工作壓力大，嚴重影響了人們的生活與工作秩序。加強城市給排水管網(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。為了提高城市給排水管線管理水平,利用計算機高新技術(shù),探索基于GIS的管線管理新方法將會大大提高管線管理的科學性,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)城市長遠規(guī)劃目標和現(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,簡稱 GIS)是建立在地球科學基礎(chǔ)之上的邊緣學科，是一種以采集、貯存、管理、分析等手段來描述整個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、幾何學、計算機科學及各類應(yīng)用對象為一體的綜合性高新技術(shù)。在現(xiàn)代信息社會里 ,GIS作為一種集地理空間特征和各種統(tǒng)計信息為一體的特殊信息系統(tǒng) ,是信息高速公路上的節(jié)點和基礎(chǔ)設(shè)施 ,受到全社會的廣泛關(guān)注 ,成為目前國內(nèi)外地學領(lǐng)域熱門的研究課題。
1.2 GIS的特點及功能
　　GIS利用屬性、空間數(shù)據(jù)將地理空間模型化，將社會生活中的各種信息與反映地理位置的圖形有機地結(jié)合在一起,根據(jù)用戶的需求實現(xiàn)對地理信息的快速查詢、空間分析，達到對研究對象進行描述、模擬和預(yù)測并將結(jié)果作為領(lǐng)導(dǎo)部門決策參考的目的。GIS能進行空間分析而更能全面、直觀、動態(tài)地采集和利用信息，相對于常規(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：1、空間分析能力強。對空間信息進行各種復(fù)雜的空間運算，實現(xiàn)多元地理信息的迭加分析，以及圖形與屬性的雙向查詢，幫助人們了解空間實體的空間分布特征及其關(guān)系。2、信息來源多樣。GIS的數(shù)據(jù)源可以通過遙感、測量、GPS等多種手段獲得。3、應(yīng)用范圍廣。由于能同時使用、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、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象的空間分布和特征，根據(jù)用戶需要，GIS可以輸出文字報告、專題地圖、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)信息的實時利用；另一方面，超強的信息檢索和綜合能力使領(lǐng)導(dǎo)部門管理、決策的周期大大縮短。
　　GIS具有以下功能：1、多種地學空間信息的采集、管理、分析和輸出能力，具有非常明顯的空間性和動態(tài)性。2、以地學研究和地學決策為目的、以地學模型方法為手段的區(qū)域空間分析、多要素綜合和動態(tài)預(yù)測能力，實現(xiàn)高層次、高質(zhì)量的地學信息的派生。3、由計算機支持空間數(shù)據(jù)管理，并由計算機程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT的地學分析模型，作用于空間數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有用信息，快速、準確地提供科學決策依據(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。隨著計算機技術(shù)的不斷提高，在最近的二十多年時間里GIS的研究與應(yīng)用得到了突飛猛進的發(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、社會經(jīng)濟統(tǒng)計與分析、土地、地籍測繪與管理、城市給排水等地下管道管理等與空間信息有密切關(guān)系的各個領(lǐng)域。

2 給排水管網(wǎng)管理信息化

2.1 原有管線管理存在的問題
　　我國城市給排水管網(wǎng)原有的管線埋設(shè)、編制缺乏長遠考慮，重復(fù)建設(shè)、資源浪費現(xiàn)象嚴重。與其它地下管線的綜合布局考慮不夠，缺乏科學預(yù)測，出現(xiàn)故障后的互相干擾多，給故障排查、水管搶修補漏工作帶來不少麻煩。另外，原始的城市給排水管線竣工驗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)與管理帶來很大壓力。
　　原始的管理方法對各種比例尺圖形以及歷史圖文資料的查詢、統(tǒng)計和分析困難。上級領(lǐng)導(dǎo)部門需要的各類統(tǒng)計報表、方案圖、專題圖也全部由手工計算和繪制完成。導(dǎo)致工作效率低，業(yè)務(wù)管理不規(guī)范。
　　如何進一步加強和規(guī)范城市給排水管線的綜合管理，加快信息化進程，成為城市建設(shè)管理部門的一項重要任務(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程，其一是走信息系統(tǒng)的路子，運用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（MIS），對管線資料進行整理、錄入，具有常規(guī)的屬性數(shù)據(jù)管理能力，但對圖形的管理能力差，不能對空間數(shù)據(jù)進行檢索和分析。第二是針對MIS不能管理圖形的特點，開發(fā)MIS與圖形相結(jié)合的體系，用MIS來存放和處理屬性數(shù)據(jù)，用圖形系統(tǒng)對圖形進行錄入，屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)相分離，因此圖形本身所蘊涵的豐富信息不能被系統(tǒng)自動識別、提取和利用。第三種是通過圖形和數(shù)據(jù)庫的掛接，實現(xiàn)了圖形與屬性的聯(lián)接，但圖元間的拓撲關(guān)系無法有效的進行管理，一般只能對單一圖幅進行管理，對海量數(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用于給排水管線管理
　　 利用先進的GIS手段，可以為給排水管線管理部門提供一套完善的地下管線管理方法，充分發(fā)揮GIS圖文并茂的特點，滿足給排水管線管理部門對管線空間信息和屬性信息的要求，進行空間定位和屬性查詢。另外，GIS強大的空間分析功能，可以為管線設(shè)計施工和改線提供輔助性決策依據(jù)，為用戶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)換接口以滿足用戶對數(shù)據(jù)不斷進行更新的要求。近年來，許多國家和城市都已將GIS用于城市各類復(fù)雜管網(wǎng)管理，分別建立了相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)，滿足了不同用戶的需求，大大提高了城市管線管理工作的規(guī)范化、科學化、信息化水平，降低運營管理成本。

3 GIS用于給排水管網(wǎng)管理的主要功能優(yōu)勢

3.1利用GIS進行管線數(shù)據(jù)信息的快速錄入存儲、準確分析
　　城市地下管線信息隱蔽、復(fù)雜、動態(tài)（城市建設(shè)不斷擴大，新管線不斷增加，舊管線也不斷在更換或廢棄）、信息量大。隨著測量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的逐步自動化、數(shù)字化，測量工作者如何更好地使用和管理長期積累及收集的大量的地下管線信息，充分利用現(xiàn)有的管線及地形數(shù)據(jù)，其最有效的方法是利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)或GIS技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫或信息系統(tǒng)。GIS技術(shù)將地理信息相關(guān)的空間位置、屬性特征及時域特征進行統(tǒng)一的管理，而各類管線信息不僅與空間有關(guān)，而且與時間有關(guān)。GIS以一種新的方式輸入、編輯管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立與管線元素相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)庫，迅速直觀地構(gòu)造給排水網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系。同時組織和使用管線的各種地理信息，以便更有效地分析和更替新的管線信息，便管線資料更新管理工作具備高效性和實時性。使我國的城市真正實現(xiàn)管線空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、拓撲關(guān)系的信息化、科學化、標準化管理。
3.2 建立基于GIS的管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)管網(wǎng)信息的綜合管理
　　如何將外業(yè)測量中的地理信息與管線管理的屬性數(shù)據(jù)有機的結(jié)合起來,建立管線管理綜合數(shù)據(jù)庫,方便用戶的使用是運用GIS進行管線管理的最終目標。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的管線管理信息系統(tǒng)，一般可以實現(xiàn)以下幾個方面的功能。
3.2.1 管網(wǎng)管理
　　管網(wǎng)綜合管理包括管網(wǎng)編輯、查詢統(tǒng)計、管網(wǎng)顯示與輸出等。系統(tǒng)提供多種工具對管網(wǎng)信息進行全面、快速的查詢與統(tǒng)計，可按地名進行模糊定位，按任意給定區(qū)域或按屬性信息如管段口徑、管道材質(zhì)、閥門種類、使用年限等進行單項或多項的組合查詢?？砂粗付▽傩曰虬慈我鈩澏▍^(qū)域進行統(tǒng)計，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芫W(wǎng)圖形的任意部分進行放大顯示，對管網(wǎng)圖形進行平滑滾動瀏覽，并可對管網(wǎng)設(shè)施進行橫縱斷面或立體圖三維觀察。對管網(wǎng)圖形可按矩形、多邊形、圖形、底圖幅畫及按指定座標范圍裁剪輸出。
3.2.2 管線事故處理
　　城市給排水管網(wǎng)中突發(fā)爆漏事故時有發(fā)生，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要自動在管網(wǎng)圖上以事故地點為中心，確定受影響區(qū)域范圍，發(fā)散性地搜索受影響處與用戶，指出相關(guān)閥門及檢查井，繪制影響區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)圖，繪出事故發(fā)生地點的管網(wǎng)圖，并制定最佳搶修處理方案。
3.2.3管線工程規(guī)劃輔助設(shè)計
　　依靠GIS，可以大大減輕規(guī)劃設(shè)計中的計算、判斷、繪圖和分析評價等大量常規(guī)的手工勞動。為規(guī)劃和設(shè)計提供靈活多樣的繪圖和標注工具，自動生成和管理設(shè)計圖、竣工圖、軸測圖、管線材料統(tǒng)計表和設(shè)計說明，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)自動管網(wǎng)布線，確定管道口徑，并在短時間內(nèi)提供多種管網(wǎng)改擴建方案。建立管網(wǎng)動態(tài)模型，模擬各種方案實施后的管網(wǎng)運行狀態(tài)，實施工況分析，直觀反映各種方案的綜合性價比，在信息系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)運行調(diào)度，降低運行成本，在管網(wǎng)改擴建中對管線分布和管徑選擇提供指導(dǎo)，從而便利地選出最佳改擴建方案。
3.2.4水力計算與水質(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)點水壓、管段流量法、環(huán)方程法等三種方法進行多水源管網(wǎng)平差計算。根據(jù)平差結(jié)果，自動繪制管網(wǎng)等壓線，標記低壓區(qū)范圍及涉及的相應(yīng)用戶。根據(jù)供水量和節(jié)點流量，計算管段流量、流速和水頭損失，動態(tài)模擬管網(wǎng)水流方向?？扇我庵付ü?jié)點，自動搜索該點的供水路徑，并顯示供水管段的運行參數(shù)。
　　通過計算出廠水在管網(wǎng)中的停留時間，分析水處理劑的擴散過程，標記水質(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，準確性和現(xiàn)實性較差，引進先進的遙感技術(shù)，借助其它外部力量，在較短的時間內(nèi)準確收集管網(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有機結(jié)合，實現(xiàn)搶修補漏工作快速化。將GPS系統(tǒng)準確獲取搶修車的位置和路網(wǎng)交通狀況，并將數(shù)據(jù)實時傳遞給GIS，計算最短行車路線。
　　與Internet技術(shù)相結(jié)合，實現(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)任一個節(jié)點上的Internet用戶使用。

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作者簡介：劉良棟，男，1976-，助教。解放軍理工大學環(huán)境工程專業(yè)碩士生，從事管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計與管理研究。