城市管网及GIS

1、基于GIS的城市供水管网爆管危险性分析（本文基于本科毕业设计“城市供水管网抗震可靠性研究”和课堂报告的“洪涝 灾害风险评估体系”的基础上，加入GIS 技术深入分析思考）【摘要】城市供水管网作为城市生命线系统之一，在城市的正常运转和人们的日 常生活中发挥不可替代的作用。近些年来随着城市化进程的加快和供水规模的不 断扩大，供水管网逐步复杂庞大，铺设长度不断增长，铺设方式也逐步复杂，各 类供水管网突发事故特别是爆管事故频发。为了增加供水管网可靠性，及早发现隐患，需要及时对管网进行爆管危险性分析。 随着地理信息系统的不断发展，GIS技术已具有强大的空间分析能力，这为管网的危险性分析提供了有效途径。本文

2、 就基于GIS 技术，建立了城市供水管网的空间数据库，给出供水管网的爆管影响 因素空间分析和危险性分析的思路，为实现供水管网的应急决策和科学管理提供 指导和借鉴。关键词：供水管网、GIS 技术、数据库、空间分析、危险性分析The pipe explosion hazard analysis of urban water supplynetwork based on GISAbstractAbstractUrba n water supply n etwork as one of city lifeli ne systems, plays an irreplaceable rolein the

3、no rmal functioning of the city and peoples daily life. I n recent years, with theaccelerati on of urba ni zati on and the expa nd of the scale of water system, watersupply n etwork becomes more complex, the len gth is grow ing and the layi ng way isalso beco ming more complex, the n the pipe explos

4、i on accide nts are freque nt. I norder to in crease the reliability and early detect problems of the water supply n etwork, itis n ecessaryto an alyze pipe n etwork pipe explosi on risk timely. With the con ti nu ousdevelopme nt of geographic in formatio n systems, GIS tech no logy has a powerfulsp

5、atial an alysis capability, which provides an effective way for the risk an alysis ofpipeline network. In this paper， Based on GIS, a spatial database of urban water supplyn etwork is establishme nt, and the paper gives the idea of squib factors spatial an alysisand risk an alysis of the water suppl

6、y n etwork, which can provide guida nee and advicefor the emerge ncy decisi on-mak ing and scie ntific man ageme nt.Key words: water supply n etwork, GIS, database, spatial an alysis, risk an alysis.引言供水系统是城市不可缺少的重要基础设施之一，是向城市居民和企业供水的 复杂和多元化的一套工程系统，维持着城市的正常运转。供水管网作为其神经网 络，其任务就是把水安全、及时地输送到各用户，一旦供水管网出

7、现事故，将会影响整个供水系统的正常运行，影响用户的正常要求。随着城市化进程的加快和 供水规模的不断扩大，供水管网的分布日趋复杂庞大，其铺设长度也不断增加。 近些年来，由于管网自身系统的复杂性，加上埋设年代较久，老化问题严重，周 围环境因素的影响等等，使供水管网事故频发，特别是爆管问题凸显，根据184个城市的不完全统计，2000 至 2003 年因爆管停水的事故达 13.7 万次，这不仅造 成水资源的浪费，增加灾害，增加水设施的维护成本，更会造成停水，影响居民 的正常要求和生活水平。为了保证城市的正常运转，供水管网的危险性识别分析 和及时有效的科学管理显得很有必要，因此本文基于地理信息系统（GI

8、S 技术）建立供水管网空间数据库，并提出了供水管网爆管事故的影响因素空间分析的思 路，最后对供水管网爆管危险性进行分析，从而可以及早发现潜在危险，分析影响范围和影响程度，为管网事故应对提供辅助决策，减少事故及其损失。本文的 主要研究思路如下图 1 所示。1供水管网基本数据库的建立城市供水管网是覆盖很大区域的网络系统， 在 GIS 空间数据处理技术的支 持下，可以将这个复杂系统简化成由节点和弧段组成的空间网络分析模型。 将水 厂、加压站和用户视为实节点，将两个以上管段的相交点和管道变径处视为虚节 点，将保留的输水管道及配水管视为弧段（从一个节点到另一个节点的有向弧 段）0每个节点和弧段均有其空间

9、数据和属性数据。这些数据是进行供水管网爆 管空间分析和危险性分析的基础。1.1 供水管网数据来源一般供水管网的数据资料来源于某地区管线的普查结果，管线数据有图形 数据、表格数据等。图形数据为 DWG 格式的 CAD 图形包络管网图、地形图等, 均体现了供水管网的空间特性；表格数据主要对应于供水管网的属性数据，节点属性包络节点号、节点高程、经纬度、节点需求量等，弧段属性包络弧段起点号、 终点号、管径、管长、管材、接头形式、埋设年代、道路类型、土壤等属性数据。空间数据属性数据图 2 数据收集图1.2 数据的预处理一般情况下原始数据的图形数据会存在点移位、 “似连非连”、 短点不重合等 现象，因为需

10、要对数据进行整理处理，使之更符合GIS 要求来分析。1.2.11.2.1 数据组织GIS 数据组织有两种方式：一是按专题形式组织，分层表示；一是面向对象 的组织。供水管网数据的组织属于第一种。城市供水管网GIS 系统的空间数据包括描述供水节点（实体）的空间位置关系和实体间的拓扑关系，以及外界基础 地理如地形、道路、建筑物分布等信息。具有相同空间特征的空间信息应该放在 同一个图层上，因此将城市供水管网基础数据分成两大图层：基础地理图、管网图。每个图层下又可以细化分类。基础地理图可以有地形、道路、建筑物图层等， 管网图包括管线、阀门、接头设备、消防栓、水表水箱等子图层。1.2.21.2.2 数据格

11、式转换在 GIS 系统中，不仅有实体的几何坐标，而且还包括实体间的拓扑关系，如区域定义、邻接性、连通性、方向性、包含性等，而在CAD 系统中图形元素无拓扑关系。因此由 CAD 向 GIS 转换才能实现两者之间的数据共享。对于基础 地理图如建筑、道路等图直接在 ArcGIS 软件中添加一个 cad 主题撚后用 con vert to shapefile将各层的对象转成四个 shapefile 主题,包括点、线、多边形和注记，从 中可提取所需要的信息。1.2.31.2.3 坐标转换由于管网图和基础地理图存在坐标误差， 因此必须进行坐标的转换。若以管 网图坐标作为标准，则需要对基础地理图进行坐标转换

12、，可以在 Arcinfo 软件中 执行坐标转换指令 transform 完成。1.2.41.2.4 管网属性数据体系建立城市供水管网可以抽象为由管线的点和弧段组成的网络模型。管线是由管线点按一定的连接关系构成的线，代表实际管线的走向，管线点为管线的起点和终 点。为了便于管网属性库的建立，使其属性数据与空间位置相互对应一致，提高数据精度， 可以通过由管线的始终点生成线， 保证点和线的空间位置相互对应。在 ArcGIS软件中可以通过管线的始终点坐标生成图形，因此必须按照 3Dgenerate文件数据格式要求进行数据整理， 需要进行以下处理：（1）把点属性表中坐标导入线的属性表；（2）把线的属性表以

13、文本形式导出，把文本整理成可读取的数据 格式；（3）在 ArcGIS 中用文本中的 X、丫、Z 数据作线图，该线图为三维数据 格式；（4）通过链接属性表建立线层的属性表。下面以管线图层和阀门图层为例写出其属性表 1。表 1 管线图层属性表ID起点终占八、起点（x,y）终点（x,y）121A3J0001A3J0002(25383.714,36332.224)(25380.380,36337.645)122A3J0002A3J0003(25380.380,36337.645)(25378.387,36339.018)径管质材度长龄管001钢9367001钢4227表 2 阀门节点图层属性表ID点号

14、坐标（x,y）点高 程地面高程埋深（m）阀门 开启 状态备注1A3J0001(25383.71,36332.2273.4373.780.35开2A3J0013(24929.94,36396.5174.375.381.08开1.3 基本数据库的建立在进行数据的收集和基本处理之后，需要按照一定的规则和标准建立城市管 网的数据库，数据库分成空间数据库和属性数据库 两大类。1.3.11.3.1 空间数据库供水管网系统的空间数据库主要包括：水源（水厂、河流）、供水管道分布 图、供水节点分布图、市区规划平面图、场地类别划分图等，主要为图形数据， 通常有矢量数据和栅格数据两种形式，录入方法一般是用数字化仪或

15、扫描仪对地 形图、专题图或航测图进行数字化。1.3.21.3.2 属性数据库属性数据库主要储存与供水管网节点和弧段有关的属性数据。如系统中的水 泵站和高地水池的属性包括节点号、 水头和节点高程等；需求节点的属性包括节 点号、节点高程和节点需求量等；管段的属性包括管段号、管段起始节点号和终 节点号、管径、管长、管材及接头形式等。储存方式如下列表 3。表 3 供水节点属性数据库结构字段名称字段类型字段长度节点号字符型8出水水压浮点型节点高程浮点型表 4 供水弧段属性数据库结构字段名称字段类型字段长度管段号字符型8起始节点号字符型8终节点号字符型8管径浮点型管材字符型12管长浮点型接头型式字符型20

16、场地类别字符型82供水管网爆管影响因素空间分析GIS 技术具有强大的空间分析能力，其分析的内容主要有形态分析与量算、空间查询、属性查询、叠加分析、缓冲区分析、泰森多边形分析、网络分析、空 间（地理）统计分析4等等。基于上文建立的城市供水管网数据库中，供水管线 和节点的属性信息中都有确切的空间位置、空间分布、空间形态，可以为进行 GIS 空间分析提供了强大的数据支持，同时得到的管网图、地形图等也可以作为 分析基础。城市供水管网爆管的主要影响因素有管径、管材、管道使用年限、埋 深、周围建筑物影响、其他管线爆管的影响、周边道路类型、路面材质的影响5等，可以利用缓冲区分析、叠置分析、数据统计分析等方法

17、来对这些影响因素进 行空间分析。2.1 管径、管材的影响分析管径的大小对供水管网的爆管有很大的关系，因为随着管径增大，其管壁 越厚，在同样的运行条件和环境压力下， 如果管道的腐蚀层厚度相同，则管壁越 厚，剩余厚度越大，有可能认为其抵抗外界压力的能力越大，因此发生爆管的可能性就越小。在研究爆管点与不同的管径的关系式时，首先在GIS 中将供水管线按照不同的管径大小进行分类并用不同的颜色显示，然后将爆管点层的爆管点与管线层上的这些不同颜色的管线进行叠加 union 操作，可以通过计算管线上的 爆管数来研究供水管网爆管与管径的关系。这里主要应用两不同图层上的点和线 的叠置。研究区域内的管材有很多种，不

18、同的管材由于其抗腐蚀、抗拉压的性能不 同，所以对管道的影响是不同的。因此不同的管材对爆管的影响也是不同的，通过将爆管点与不同的管材进行叠加分析，探索管材与爆管之间的规律性。在研究 过程中，首先在 GIS 中将供水管线按照不同的管材进行分类并用不同的颜色显 示，然后将爆管点层的爆管点与管线层上的这些不同颜色的管线进行叠加union操作，通过统计分析研究两者之间的关系。2.2 管线使用年限的影响如果管线的使用时间超过了理论使用年限，会给城市供水安全埋下隐患，因此必须了解城市供水管线的使用年限进行分析，对老化的管段及时进行更新。可以利用 ArcGIS 的 calculate 自动赋值功能计算出各管段

19、的使用年限，各个管段的 使用年限等于系统现在的时间减去各个管段的埋设日期，然后可以将管段使用年限进行分级，在道路负荷较大的区域，若使用年限较久，则会增加供水管网爆管 的机会。2.3 周围建筑物对于爆管的影响供水管网在重压之下容易产生爆管，根据室外给水设计规范的要求城市 供水管网与建筑物的水平距离不应小于 5m。首先通过 ArcMap 工具将研究区域 的 CAD 格式的建筑物背景图转为shapefile形式的图， 然后在GIS视图中添加此 图层， 单击Buffer wizard工具，以建筑物边界为线目标，以 5m 为半径建立线缓 冲区，再与建筑物图叠加分析，目的在于确定管线是否被建筑物压占， 研

20、究建筑 物占压对供水管网爆管的影响。2.4 管线埋深对于爆管的影响由于未按规范要求施工的原因，城市供水管网中有些管段出现浅埋的现象， 在外部荷载作用下常会发生爆管事故。管道的覆土厚度是爆管的重要原因之一。 按照水工业工程设计手册要求，在机动车道下，金属管道覆土厚度不小于 0.7m, 非金属管道覆土厚度不小于 11.2m;在非机动车道或道路绿化带下，金属管道覆 土厚度不小于 0.3m。某一点的埋深便是其覆土厚度，因此埋深计算可以通过栅 格数据运算提取管段任意一点的覆土厚度。前面的数据库中已经包含了管线数据 元素的空间信息，包括各管点的埋深，可以将埋深分级，得出埋深计算分析结果 图，提取浅埋管段，

21、将其与管线矢量图叠加，研究埋深对于爆管的影响。2.5 其他管线爆管的影响为了研究有过爆管历史的管段对其周围发生爆管的影响，首先在GIS 视图中 add 往年爆管点的 shapefile 图文件，然后以往年的爆管点为圆心，自动建立 以一定的距离为半径的空间缓冲区，主要操作为单击 Buffer wizard 工具，设定缓 冲半径，可设不同半径，例如 10m，20m,完成后观察现在的爆管点是否在缓冲 区内，用以识别发生过爆管的管段对以后发生爆管的影响。2.6 不同路基土壤和路面材质对爆管的影响为了研究不同道路类型、路基土壤和路面材质对于爆管的影响， 主要通过空 间统计分析的方法。不同的路基土壤对管道

22、的腐蚀性不同，管道的腐蚀将会导致管壁厚度减小， 抵抗外力的能力减小，进而使管道容易发生爆裂。随着供水管网使用时间的延长， 腐蚀现象逐渐加剧。不同管材的腐蚀程度是不同的，相比之下，铜管、钢管的抗 腐蚀能力要好于铸铁管。为了研究爆管与埋设在不同的路基土壤下的管道之间的 信息，统计不同的路基土壤下的管道的爆管情况。路面的材质对供水管网爆管也会产生影响， 例如：当路面材质为土就比路面 材质为砖稳定，不容易发生压脆爆管，因此研究不同路面材质对爆管的影响也是 很有必要的。3供水管网的爆管危险性分析目前城市供水管网爆管事故频繁发生，在上述对爆管影响因素空间分析的基 础上，利用 GIS 的叠加功能综合分析各个

23、因素，进行供水管网的爆管危险性分 析，从而可以提取研究范围内存在最大爆管隐患的管段，及早的采取预防和控制措施，减少严重的损失和影响。本文采用层次分析法确定爆管影响因子的权重， 基于GIS 技术建立以管材、管径、埋深、周围建筑、管龄为指标的供水管网爆 管危险性评估分析。3.1 建立危险性分析指标体系管材 Ui（权重 Wi） 管径 U2（权重 W2）危险性分析指-埋深 U3（权重 W3）管龄 U4（权重 W4）- 周围建筑情况 U5（权重 W5）_ 图 3 分析指标图3.2 指标权重的确定指标权重的确定是危险性分析的关键步骤， 本文采用层次分析法确定各指标 的权重。该方法把相互关联的要素按隶属关系

24、分成若干层，请有经验的专家对各 层次各要素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法综合专家意见给出各层次 各要素的相对重要性权重，作为综合分析的基础。3.2.13.2.1 构造权重判断矩阵运用层次分析法，首先要建立一个判断矩阵A。判断矩阵可用标度值 5 表示。5 是指 Ui（i=1,2,n）对指标因子 Uj（j=1,2,.,n）的相对重要度，用 Uj表示。 5取值为 1 到 9 或其倒数。若 Uj=3，Ui：Uj=3:1,代表指标 i 比指标 j 稍微重要。 其重要度见下表 1。所有指标因素两两比较的结果就用判断矩阵A=（ Uj）n*n表示，A 为因素对比判断矩阵，它满足下面条件：Ujj0,Uj

25、=1/Ujj(i,j=1,2,., n)表 5 重要度说明表Uij重要度说明1Ui和 Uj具有冋等重要度3Ui比 Uj稍微重要5Ui比 Uj重要7Ui比 Uj非常重要9Ui比 Uj特别重要2,4,6,8Ui相对于 Uj的影响介于上述两个等级之间重要322322 计算各指标权重对上述矩阵求解最大特征根和最大特征根所对应的特征向量，将最大特征根对应的特征向量归一化就是所要求的权重向量：W=(w1,W2,W3,W4,W5)。3.2.33.2.3 指标权重的一致性检验一致性检验采用判断矩阵的一致性指标 匸(爲ax-N)/(N-1)，其中儿ax为判断矩 阵的最大特征根，N 为指标的数目。利用判断矩阵的一致性指标与平均随机一致 性指标 R 的比值进行指标权重的合理性检验。 当比值小于 0.1 时，可认为权重选 择合理。3.3 危险性分析考虑爆管的五个影响因素，构造一个综合判