基于GIS的城市給排水管網管理

劉良棟
（解放軍理工大學工程兵工程學院軍事環境系 南京 210007）

　　摘要：隨著城市規模的不斷擴大，給排水管線架構越來越復雜，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計信息為一體的信息系統，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的城市給排水管網管理新方法將會大大提高管線管理的規范化、科學化、信息化水平，更好的適應更新管線不斷更新完善的需要和城市長遠規劃目標。本文對地理信息系統的概念、特點及其功能作了概述，分析了GIS用于城市給排水管網管理的主要功能優勢、可以實現的目標，并就將來的前景進行了展望。
　　關鍵詞：給排水 管網 GIS 信息化

引言

　　隨著城市規模的擴大和現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雜，管網負擔越來越重。城市給排水管網由于架構、鋪設年代不一，施工水平不盡相同，各類停水、泄漏等管線事故時有發生，管網改造、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的管理工作迫在眉睫。
　　城市給排水管網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,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,定量性和現代化程度，節約大量的人力、物力，極大地提高管理工作效率，更好的適應城市長遠規劃目標和現代快節奏的生活需求。

1 地理信息系統

1.1 GIS的概念
　　地理信息系統 (Geographic Information System,簡稱 GIS)是建立在地球科學基礎之上的邊緣學科，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數據的空間信息系統。是融地理學、幾何學、計算機科學及各類應用對象為一體的綜合性高新技術。在現代信息社會里 ,GIS作為一種集地理空間特征和各種統計信息為一體的特殊信息系統 ,是信息高速公路上的節點和基礎設施 ,受到全社會的廣泛關注 ,成為目前國內外地學領域熱門的研究課題。
1.2 GIS的特點及功能
　　GIS利用屬性、空間數據將地理空間模型化，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合在一起,根據用戶的需求實現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、模擬和預測并將結果作為領導部門決策參考的目的。GIS能進行空間分析而更能全面、直觀、動態地采集和利用信息，相對于常規意義上的信息系統而言，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雜的空間運算，實現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系。2、信息來源多樣。GIS的數據源可以通過遙感、測量、GPS等多種手段獲得。3、應用范圍廣。由于能同時使用、綜合分析屬性數據和空間數據，因此能為需提供空間查詢、分析功能要求的領域所采用，如：城市規劃、地籍管理、水資源查找開發、城市給排水管網管理等。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字產品。5、信息利用速度快，管理決策周期短。一方面，GIS與遙感、GPS結合集成，能夠實現信息的實時利用；另一方面，超強的信息檢索和綜合能力使領導部門管理、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域空間分析、多要素綜合和動態預測能力，實現高層次、高質量的地學信息的派生。3、由計算機支持空間數據管理，并由計算機程序模擬常規的或專門的地學分析模型，作用于空間數據，產生有用信息，快速、準確地提供科學決策依據。
1.3 GIS的主要應用領域
　　GIS始于六十年代，由加拿大人Tomlinson率先提出。隨著計算機技術的不斷提高，在最近的二十多年時間里GIS的研究與應用得到了突飛猛進的發展。尤其是在應用方面 ,目前 GIS已經被應用到環境信息模型建立、城市規劃與管理、社會經濟統計與分析、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系的各個領域。

2 給排水管網管理信息化

2.1 原有管線管理存在的問題
　　我國城市給排水管網原有的管線埋設、編制缺乏長遠考慮，重復建設、資源浪費現象嚴重。與其它地下管線的綜合布局考慮不夠，缺乏科學預測，出現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數據不全，給城市管網建設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、統計和分析困難。上級領導部門需要的各類統計報表、方案圖、專題圖也全部由手工計算和繪制完成。導致工作效率低，業務管理不規范。
　　如何進一步加強和規范城市給排水管線的綜合管理，加快信息化進程，成為城市建設管理部門的一項重要任務。
2.2 城市給排水管網管理信息化之路
　　管網管理大體經歷了以下幾種信息化的進程，其一是走信息系統的路子，運用數據庫管理系統（MIS），對管線資料進行整理、錄入，具有常規的屬性數據管理能力，但對圖形的管理能力差，不能對空間數據進行檢索和分析。第二是針對MIS不能管理圖形的特點，開發MIS與圖形相結合的體系，用MIS來存放和處理屬性數據，用圖形系統對圖形進行錄入，屬性數據與圖形數據相分離，因此圖形本身所蘊涵的豐富信息不能被系統自動識別、提取和利用。第三種是通過圖形和數據庫的掛接，實現了圖形與屬性的聯接，但圖元間的拓撲關系無法有效的進行管理，一般只能對單一圖幅進行管理，對海量數據的一體化管理缺乏有效手段，不利于空間分析與檢索。三維數據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，可以為管線設計施工和改線提供輔助性決策依據，為用戶提供一體化的空間數據和屬性數據結構，提供數據錄入功能和數據轉換接口以滿足用戶對數據不斷進行更新的要求。近年來，許多國家和城市都已將GIS用于城市各類復雜管網管理，分別建立了相應的管理信息系統，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用于給排水管網管理的主要功能優勢

3.1利用GIS進行管線數據信息的快速錄入存儲、準確分析
　　城市地下管線信息隱蔽、復雜、動態（城市建設不斷擴大，新管線不斷增加，舊管線也不斷在更換或廢棄）、信息量大。隨著測量數據采集和數據處理的逐步自動化、數字化，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，充分利用現有的管線及地形數據，其最有效的方法是利用數據庫技術或GIS技術建立數據庫或信息系統。GIS技術將地理信息相關的空間位置、屬性特征及時域特征進行統一的管理，而各類管線信息不僅與空間有關，而且與時間有關。GIS以一種新的方式輸入、編輯管網基礎數據，建立與管線元素相關的屬性數據庫，迅速直觀地構造給排水網絡拓撲關系。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管線空間數據、屬性數據、拓撲關系的信息化、科學化、標準化管理。
3.2 建立基于GIS的管理信息系統，實現管網信息的綜合管理
　　如何將外業測量中的地理信息與管線管理的屬性數據有機的結合起來,建立管線管理綜合數據庫,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管理信息系統結構框圖如下：

　　基于GIS的管線管理信息系統，一般可以實現以下幾個方面的功能。
3.2.1 管網管理
　　管網綜合管理包括管網編輯、查詢統計、管網顯示與輸出等。系統提供多種工具對管網信息進行全面、快速的查詢與統計，可按地名進行模糊定位，按任意給定區域或按屬性信息如管段口徑、管道材質、閥門種類、使用年限等進行單項或多項的組合查詢。可按指定屬性或按任意劃定區域進行統計，并將結果以直觀的形式如表格、直方圖、餅圖等方式輸出。可對管網圖形的任意部分進行放大顯示，對管網圖形進行平滑滾動瀏覽，并可對管網設施進行橫縱斷面或立體圖三維觀察。對管網圖形可按矩形、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
　　城市給排水管網中突發爆漏事故時有發生，系統可以根據用戶需要自動在管網圖上以事故地點為中心，確定受影響區域范圍，發散性地搜索受影響處與用戶，指出相關閥門及檢查井，繪制影響區域現狀管網圖，繪出事故發生地點的管網圖，并制定最佳搶修處理方案。
3.2.3管線工程規劃輔助設計
　　依靠GIS，可以大大減輕規劃設計中的計算、判斷、繪圖和分析評價等大量常規的手工勞動。為規劃和設計提供靈活多樣的繪圖和標注工具，自動生成和管理設計圖、竣工圖、軸測圖、管線材料統計表和設計說明，并將竣工圖并入現狀管網。在給定水源、水量及供水方向的前提下，能夠實現自動管網布線，確定管道口徑，并在短時間內提供多種管網改擴建方案。建立管網動態模型，模擬各種方案實施后的管網運行狀態，實施工況分析，直觀反映各種方案的綜合性價比，在信息系統的配合下，實現運行調度，降低運行成本，在管網改擴建中對管線分布和管徑選擇提供指導，從而便利地選出最佳改擴建方案。
3.2.4水力計算與水質分析
　　目前，有不少城市的管網管理系統可以提供節點水壓、管段流量法、環方程法等三種方法進行多水源管網平差計算。根據平差結果，自動繪制管網等壓線，標記低壓區范圍及涉及的相應用戶。根據供水量和節點流量，計算管段流量、流速和水頭損失，動態模擬管網水流方向。可任意指定節點，自動搜索該點的供水路徑，并顯示供水管段的運行參數。
　　通過計算出廠水在管網中的停留時間，分析水處理劑的擴散過程，標記水質不合格區域，提供各水源最佳投藥量，從而指導水廠合理投加藥劑，提高水質，降低成本。

4 前景展望

　　與遙感技術相結合，實現GIS數據采集的快速化。目前許多城市管網基礎資料由于數量大，年代久，資料不全，準確性和現實性較差，引進先進的遙感技術，借助其它外部力量，在較短的時間內準確收集管網的最新資料，是今后GIS數據采集的一種主要方式。
　　與GPS有機結合，實現搶修補漏工作快速化。將GPS系統準確獲取搶修車的位置和路網交通狀況，并將數據實時傳遞給GIS，計算最短行車路線。
　　與Internet技術相結合，實現城市管網管理網絡化。利用WWW技術，建成網絡化的管網管理信息系統，方便區域范圍內任一個節點上的Internet用戶使用。

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作者簡介：劉良棟，男，1976-，助教。解放軍理工大學環境工程專業碩士生，從事管網優化設計與管理研究。