基于GIS的城市给排水管网管理

基于GIS的城市给排水管网管理

刘良栋
（解放军理工大学工程兵工程学院军事环境系 南京 210007）

　　摘要：随着城市规模的不断扩大，给排水管线架构越来越复杂，更新越来越频繁，造成原有管理模式效率低，资源浪费严重，管理工作压力大。GIS作为一种集地理空间特征和各种统计信息为一体的信息系统，具有强大的空间分析与信息管理能力。因此，利用GIS的先进手段，探索基于GIS的城市给排水管网管理新方法将会大大提高管线管理的规范化、科学化、信息化水平，更好的适应更新管线不断更新完善的需要和城市长远规划目标。本文对地理信息系统的概念、特点及其功能作了概述，分析了GIS用于城市给排水管网管理的主要功能优势、可以实现的目标，并就将来的前景进行了展望。
　　关键词：给排水 管网 GIS 信息化

引言

　　随着城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城市各类管线越来越密集，尤其是给排水管线越来越复杂，管网负担越来越重。城市给排水管网由于架构、铺设年代不一，施工水平不尽相同，各类停水、泄漏等管线事故时有发生，管网改造、抢修补漏工作压力大，严重影响了人们的生活与工作秩序。加强城市给排水管网的管理工作迫在眉睫。
　　城市给排水管网原有的人工管理模式效率低，资料更新工作量大，造成了人力、物力和资源的极大浪费。为了提高城市给排水管线管理水平,利用计算机高新技术,探索基于GIS的管线管理新方法将会大大提高管线管理的科学性,定量性和现代化程度，节约大量的人力、物力，极大地提高管理工作效率，更好的适应城市长远规划目标和现代快节奏的生活需求。

1 地理信息系统

1.1 GIS的概念
　　地理信息系统 (Geographic Information System,简称 GIS)是建立在地球科学基础之上的边缘学科，是一种以采集、贮存、管理、分析等手段来描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关数据的空间信息系统。是融地理学、几何学、计算机科学及各类应用对象为一体的综合性高新技术。在现代信息社会里 ,GIS作为一种集地理空间特征和各种统计信息为一体的特殊信息系统 ,是信息高速公路上的节点和基础设施 ,受到全社会的广泛关注 ,成为目前国内外地学领域热门的研究课题。
1.2 GIS的特点及功能
　　GIS利用属性、空间数据将地理空间模型化，将社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形有机地结合在一起,根据用户的需求实现对地理信息的快速查询、空间分析，达到对研究对象进行描述、模拟和预测并将结果作为领导部门决策参考的目的。GIS能进行空间分析而更能全面、直观、动态地采集和利用信息，相对于常规意义上的信息系统而言，GIS更加完备、更加成熟、更加有用。
　　GIS具有以下特点：1、空间分析能力强。对空间信息进行各种复杂的空间运算，实现多元地理信息的迭加分析，以及图形与属性的双向查询，帮助人们了解空间实体的空间分布特征及其关系。2、信息来源多样。GIS的数据源可以通过遥感、测量、GPS等多种手段获得。3、应用范围广。由于能同时使用、综合分析属性数据和空间数据，因此能为需提供空间查询、分析功能要求的领域所采用，如：城市规划、地籍管理、水资源查找开发、城市给排水管网管理等。4、工作方式直观。GIS能直观地反映处理对象的空间分布和特征，根据用户需要，GIS可以输出文字报告、专题地图、电子地图、多媒体信息等多样化的数字产品。5、信息利用速度快，管理决策周期短。一方面，GIS与遥感、GPS结合集成，能够实现信息的实时利用；另一方面，超强的信息检索和综合能力使领导部门管理、决策的周期大大缩短。
　　GIS具有以下功能：1、多种地学空间信息的采集、管理、分析和输出能力，具有非常明显的空间性和动态性。2、以地学研究和地学决策为目的、以地学模型方法为手段的区域空间分析、多要素综合和动态预测能力，实现高层次、高质量的地学信息的派生。3、由计算机支持空间数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地学分析模型，作用于空间数据，产生有用信息，快速、准确地提供科学决策依据。
1.3 GIS的主要应用领域
　　GIS始于六十年代，由加拿大人Tomlinson率先提出。随着计算机技术的不断提高，在最近的二十多年时间里GIS的研究与应用得到了突飞猛进的发展。尤其是在应用方面 ,目前 GIS已经被应用到环境信息模型建立、城市规划与管理、社会经济统计与分析、土地、地籍测绘与管理、城市给排水等地下管道管理等与空间信息有密切关系的各个领域。

2 给排水管网管理信息化

2.1 原有管线管理存在的问题
　　我国城市给排水管网原有的管线埋设、编制缺乏长远考虑，重复建设、资源浪费现象严重。与其它地下管线的综合布局考虑不够，缺乏科学预测，出现故障后的互相干扰多，给故障排查、水管抢修补漏工作带来不少麻烦。另外，原始的城市给排水管线竣工验收资料不全或归档要求不高，加上管理不善，容易造成资料丢失或有关数据不全，给城市管网建设与管理带来很大压力。
　　原始的管理方法对各种比例尺图形以及历史图文资料的查询、统计和分析困难。上级领导部门需要的各类统计报表、方案图、专题图也全部由手工计算和绘制完成。导致工作效率低，业务管理不规范。
　　如何进一步加强和规范城市给排水管线的综合管理，加快信息化进程，成为城市建设管理部门的一项重要任务。
2.2 城市给排水管网管理信息化之路
　　管网管理大体经历了以下几种信息化的进程，其一是走信息系统的路子，运用数据库管理系统（MIS），对管线资料进行整理、录入，具有常规的属性数据管理能力，但对图形的管理能力差，不能对空间数据进行检索和分析。第二是针对MIS不能管理图形的特点，开发MIS与图形相结合的体系，用MIS来存放和处理属性数据，用图形系统对图形进行录入，属性数据与图形数据相分离，因此图形本身所蕴涵的丰富信息不能被系统自动识别、提取和利用。第三种是通过图形和数据库的挂接，实现了图形与属性的联接，但图元间的拓扑关系无法有效的进行管理，一般只能对单一图幅进行管理，对海量数据的一体化管理缺乏有效手段，不利于空间分析与检索。三维数据的处理能力也比较低。
2.3 GIS用于给排水管线管理
　　 利用先进的GIS手段，可以为给排水管线管理部门提供一套完善的地下管线管理方法，充分发挥GIS图文并茂的特点，满足给排水管线管理部门对管线空间信息和属性信息的要求，进行空间定位和属性查询。另外，GIS强大的空间分析功能，可以为管线设计施工和改线提供辅助性决策依据，为用户提供一体化的空间数据和属性数据结构，提供数据录入功能和数据转换接口以满足用户对数据不断进行更新的要求。近年来，许多国家和城市都已将GIS用于城市各类复杂管网管理，分别建立了相应的管理信息系统，满足了不同用户的需求，大大提高了城市管线管理工作的规范化、科学化、信息化水平，降低运营管理成本。

3 GIS用于给排水管网管理的主要功能优势

3.1利用GIS进行管线数据信息的快速录入存储、准确分析
　　城市地下管线信息隐蔽、复杂、动态（城市建设不断扩大，新管线不断增加，旧管线也不断在更换或废弃）、信息量大。随着测量数据采集和数据处理的逐步自动化、数字化，测量工作者如何更好地使用和管理长期积累及收集的大量的地下管线信息，充分利用现有的管线及地形数据，其最有效的方法是利用数据库技术或GIS技术建立数据库或信息系统。GIS技术将地理信息相关的空间位置、属性特征及时域特征进行统一的管理，而各类管线信息不仅与空间有关，而且与时间有关。GIS以一种新的方式输入、编辑管网基础数据，建立与管线元素相关的属性数据库，迅速直观地构造给排水网络拓扑关系。同时组织和使用管线的各种地理信息，以便更有效地分析和更替新的管线信息，便管线资料更新管理工作具备高效性和实时性。使我国的城市真正实现管线空间数据、属性数据、拓扑关系的信息化、科学化、标准化管理。
3.2 建立基于GIS的管理信息系统，实现管网信息的综合管理
　　如何将外业测量中的地理信息与管线管理的属性数据有机的结合起来,建立管线管理综合数据库,方便用户的使用是运用GIS进行管线管理的最终目标。一般城市给排水管网管理信息系统结构框图如下：

　　基于GIS的管线管理信息系统，一般可以实现以下几个方面的功能。
3.2.1 管网管理
　　管网综合管理包括管网编辑、查询统计、管网显示与输出等。系统提供多种工具对管网信息进行全面、快速的查询与统计，可按地名进行模糊定位，按任意给定区域或按属性信息如管段口径、管道材质、阀门种类、使用年限等进行单项或多项的组合查询。可按指定属性或按任意划定区域进行统计，并将结果以直观的形式如表格、直方图、饼图等方式输出。可对管网图形的任意部分进行放大显示，对管网图形进行平滑滚动浏览，并可对管网设施进行横纵断面或立体图三维观察。对管网图形可按矩形、多边形、图形、底图幅画及按指定座标范围裁剪输出。
3.2.2 管线事故处理
　　城市给排水管网中突发爆漏事故时有发生，系统可以根据用户需要自动在管网图上以事故地点为中心，确定受影响区域范围，发散性地搜索受影响处与用户，指出相关阀门及检查井，绘制影响区域现状管网图，绘出事故发生地点的管网图，并制定最佳抢修处理方案。
3.2.3管线工程规划辅助设计
　　依靠GIS，可以大大减轻规划设计中的计算、判断、绘图和分析评价等大量常规的手工劳动。为规划和设计提供灵活多样的绘图和标注工具，自动生成和管理设计图、竣工图、轴测图、管线材料统计表和设计说明，并将竣工图并入现状管网。在给定水源、水量及供水方向的前提下，能够实现自动管网布线，确定管道口径，并在短时间内提供多种管网改扩建方案。建立管网动态模型，模拟各种方案实施后的管网运行状态，实施工况分析，直观反映各种方案的综合性价比，在信息系统的配合下，实现运行调度，降低运行成本，在管网改扩建中对管线分布和管径选择提供指导，从而便利地选出最佳改扩建方案。
3.2.4水力计算与水质分析
　　目前，有不少城市的管网管理系统可以提供节点水压、管段流量法、环方程法等三种方法进行多水源管网平差计算。根据平差结果，自动绘制管网等压线，标记低压区范围及涉及的相应用户。根据供水量和节点流量，计算管段流量、流速和水头损失，动态模拟管网水流方向。可任意指定节点，自动搜索该点的供水路径，并显示供水管段的运行参数。
　　通过计算出厂水在管网中的停留时间，分析水处理剂的扩散过程，标记水质不合格区域，提供各水源最佳投药量，从而指导水厂合理投加药剂，提高水质，降低成本。

4 前景展望

　　与遥感技术相结合，实现GIS数据采集的快速化。目前许多城市管网基础资料由于数量大，年代久，资料不全，准确性和现实性较差，引进先进的遥感技术，借助其它外部力量，在较短的时间内准确收集管网的最新资料，是今后GIS数据采集的一种主要方式。
　　与GPS有机结合，实现抢修补漏工作快速化。将GPS系统准确获取抢修车的位置和路网交通状况，并将数据实时传递给GIS，计算最短行车路线。
　　与Internet技术相结合，实现城市管网管理网络化。利用WWW技术，建成网络化的管网管理信息系统，方便区域范围内任一个节点上的Internet用户使用。

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作者简介：刘良栋，男，1976-，助教。解放军理工大学环境工程专业硕士生，从事管网优化设计与管理研究。