城市管網(wǎng)及GIS

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于GIS的城市供水管網(wǎng)爆管危險性分析（本文基于本科畢業(yè)設(shè)計“城市供水管網(wǎng)抗震可靠性研究”和課堂報告的“洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估體系”的基礎(chǔ)上，加入GIS技術(shù)深入分析思考）【摘要】城市供水管網(wǎng)作為城市生命線系統(tǒng)之一，在城市的正常運轉(zhuǎn)和人們的日常生活中發(fā)揮不可替代的作用。近些年來隨著城市化進(jìn)程的加快和供水規(guī)模的不斷擴(kuò)大，供水管網(wǎng)逐步復(fù)雜龐大，鋪設(shè)長度不斷增長，鋪設(shè)方式也逐步復(fù)雜，各類供水管網(wǎng)突發(fā)事故特別是爆管事故頻發(fā)。為了增加供水管網(wǎng)可靠性，及早發(fā)現(xiàn)隱患，需要及時對管網(wǎng)進(jìn)行爆管危險性分析。隨著地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，GIS技術(shù)已具有強(qiáng)大的空間分析能力，這為管網(wǎng)的危險性分析提供了

2、有效途徑。本文就基于GIS技術(shù)，建立了城市供水管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)庫，給出供水管網(wǎng)的爆管影響因素空間分析和危險性分析的思路，為實現(xiàn)供水管網(wǎng)的應(yīng)急決策和科學(xué)管理提供指導(dǎo)和借鑒。關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)、GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、空間分析、危險性分析The pipe explosion hazard analysis of urban water supply network based on GISAbstractUrban water supply network as one of city lifeline systems, plays an irreplaceable role in the normal

3、functioning of the city and people's daily life. In recent years, with the acceleration of urbanization and the expand of the scale of water system, water supply network becomes more complex, the length is growing and the laying way is also becoming more complex, then the pipe explosion accident

4、s are frequent. In order to increase the reliability and early detect problems of the water supply network, it is necessary to analyze pipe network pipe explosion risk timely. With the continuous development of geographic information systems, GIS technology has a powerful spatial analysis capability

5、, which provides an effective way for the risk analysis of pipeline network. In this paper，Based on GIS, a spatial database of urban water supply network is establishment, and the paper gives the idea of squib factors spatial analysis and risk analysis of the water supply network, which can provide

6、guidance and advice for the emergency decision-making and scientific management.Key words: water supply network, GIS, database, spatial analysis, risk analysis.引言 供水系統(tǒng)是城市不可缺少的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是向城市居民和企業(yè)供水的復(fù)雜和多元化的一套工程系統(tǒng)，維持著城市的正常運轉(zhuǎn)。供水管網(wǎng)作為其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其任務(wù)就是把水安全、及時地輸送到各用戶，一旦供水管網(wǎng)出現(xiàn)事故，將會影響整個供水系統(tǒng)的正常運行，影響用戶的正常要求。隨著城市化進(jìn)程的加快

7、和供水規(guī)模的不斷擴(kuò)大，供水管網(wǎng)的分布日趨復(fù)雜龐大，其鋪設(shè)長度也不斷增加。近些年來，由于管網(wǎng)自身系統(tǒng)的復(fù)雜性，加上埋設(shè)年代較久，老化問題嚴(yán)重，周圍環(huán)境因素的影響等等，使供水管網(wǎng)事故頻發(fā)，特別是爆管問題凸顯，根據(jù)184個城市的不完全統(tǒng)計,2000至2003年因爆管停水的事故達(dá)13.7萬次1，這不僅造成水資源的浪費，增加災(zāi)害，增加水設(shè)施的維護(hù)成本，更會造成停水，影響居民的正常要求和生活水平。為了保證城市的正常運轉(zhuǎn)，供水管網(wǎng)的危險性識別分析和及時有效的科學(xué)管理顯得很有必要，因此本文基于地理信息系統(tǒng)（GIS技術(shù)）建立供水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫，并提出了供水管網(wǎng)爆管事故的影響因素空間分析的思路，最后對供水管網(wǎng)爆管

8、危險性進(jìn)行分析，從而可以及早發(fā)現(xiàn)潛在危險，分析影響范圍和影響程度，為管網(wǎng)事故應(yīng)對提供輔助決策，減少事故及其損失。本文的主要研究思路如下圖1所示。指標(biāo)體系指標(biāo)權(quán)重函數(shù)模型危險性分析GIS技術(shù)爆管影響因素分析爆管危險性分析模塊管網(wǎng)基本數(shù)據(jù)庫建立爆管危險性區(qū)劃空間數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)庫管徑、管材、管齡、埋深、建筑物情況圖1 研究思路圖1 供水管網(wǎng)基本數(shù)據(jù)庫的建立 城市供水管網(wǎng)是覆蓋很大區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在GIS空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)2的支持下，可以將這個復(fù)雜系統(tǒng)簡化成由節(jié)點和弧段組成的空間網(wǎng)絡(luò)分析模型。將水廠、加壓站和用戶視為實節(jié)點，將兩個以上管段的相交點和管道變徑處視為虛節(jié)點，將保留的輸水管道及配水管視為弧段（

9、從一個節(jié)點到另一個節(jié)點的有向弧段）。每個節(jié)點和弧段均有其空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行供水管網(wǎng)爆管空間分析和危險性分析的基礎(chǔ)。1.1 供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)來源 一般供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)資料來源于某地區(qū)管線的普查結(jié)果，管線數(shù)據(jù)有圖形數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)等。圖形數(shù)據(jù)為DWG格式的CAD圖形包絡(luò)管網(wǎng)圖、地形圖等，均體現(xiàn)了供水管網(wǎng)的空間特性；表格數(shù)據(jù)主要對應(yīng)于供水管網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)，節(jié)點屬性包絡(luò)節(jié)點號、節(jié)點高程、經(jīng)緯度、節(jié)點需求量等，弧段屬性包絡(luò)弧段起點號、終點號、管徑、管長、管材、接頭形式、埋設(shè)年代、道路類型、土壤等屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)地形圖管網(wǎng)圖建筑物圖起始節(jié)點管徑管長管材土壤條件、道路類型.埋設(shè)年代空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)資料圖

10、形數(shù)據(jù)表格數(shù)據(jù)其他文字資料管網(wǎng)普查、調(diào)研圖2 數(shù)據(jù)收集圖1.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理 一般情況下原始數(shù)據(jù)的圖形數(shù)據(jù)會存在點移位、“似連非連”、短點不重合等現(xiàn)象，因為需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理處理，使之更符合GIS要求來分析。1.2.1數(shù)據(jù)組織GIS數(shù)據(jù)組織有兩種方式：一是按專題形式組織，分層表示；一是面向?qū)ο蟮慕M織。供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的組織屬于第一種。城市供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)包括描述供水節(jié)點（實體）的空間位置關(guān)系和實體間的拓?fù)潢P(guān)系，以及外界基礎(chǔ)地理如地形、道路、建筑物分布等信息。具有相同空間特征的空間信息應(yīng)該放在同一個圖層上，因此將城市供水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分成兩大圖層：基礎(chǔ)地理圖、管網(wǎng)圖。每個圖層下又可以細(xì)化分

11、類?；A(chǔ)地理圖可以有地形、道路、建筑物圖層等，管網(wǎng)圖包括管線、閥門、接頭設(shè)備、消防栓、水表水箱等子圖層。1.2.2數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 在GIS系統(tǒng)中，不僅有實體的幾何坐標(biāo)，而且還包括實體間的拓?fù)潢P(guān)系，如區(qū)域定義、鄰接性、連通性、方向性、包含性等，而在CAD系統(tǒng)中圖形元素?zé)o拓?fù)潢P(guān)系。因此由CAD向GIS轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)共享。對于基礎(chǔ)地理圖如建筑、道路等圖直接在ArcGIS軟件中添加一個cad主題,然后用convert to shapefile將各層的對象轉(zhuǎn)成四個shapefile主題,包括點、線、多邊形和注記,從中可提取所需要的信息。1.2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 由于管網(wǎng)圖和基礎(chǔ)地理圖存在坐標(biāo)誤差，因

12、此必須進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。若以管網(wǎng)圖坐標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)，則需要對基礎(chǔ)地理圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以在ArcInfo軟件中執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換指令transform完成。1.2.4管網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)體系建立 城市供水管網(wǎng)可以抽象為由管線的點和弧段組成的網(wǎng)絡(luò)模型。管線是由管線點按一定的連接關(guān)系構(gòu)成的線，代表實際管線的走向，管線點為管線的起點和終點。為了便于管網(wǎng)屬性庫的建立，使其屬性數(shù)據(jù)與空間位置相互對應(yīng)一致，提高數(shù)據(jù)精度，可以通過由管線的始終點生成線，保證點和線的空間位置相互對應(yīng)。在ArcGIS軟件中可以通過管線的始終點坐標(biāo)生成圖形，因此必須按照3Dgenerate文件數(shù)據(jù)格式要求進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，需要進(jìn)行以下處理：（1）把點屬性

13、表中坐標(biāo)導(dǎo)入線的屬性表；（2）把線的屬性表以文本形式導(dǎo)出，把文本整理成可讀取的數(shù)據(jù)格式；（3）在ArcGIS中用文本中的X、Y、Z數(shù)據(jù)作線圖，該線圖為三維數(shù)據(jù)格式；（4）通過鏈接屬性表建立線層的屬性表。下面以管線圖層和閥門圖層為例寫出其屬性表1。表1 管線圖層屬性表ID起點終點起點（x,y)終點（x,y)121A3J0001A3J0002（25383.714,36332.224)（25380.380,36337.645）122A3J0002A3J0003（25380.380,36337.645）（25378.387,36339.018）.管徑材質(zhì)所在道路長度管齡100鋼蘋果園路6.397100

14、鋼蘋果園路2.427.表2 閥門節(jié)點圖層屬性表ID點號坐標(biāo)（x,y)點高程地面高程埋深（m)閥門開啟狀 態(tài)備注1A3J0001（25383.71,36332.22）73.4373.780.35開2A3J0013（24929.94,36396.51）74.375.381.08開.1.3 基本數(shù)據(jù)庫的建立 在進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和基本處理之后，需要按照一定的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)建立城市管網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫分成空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫3兩大類。1.3.1 空間數(shù)據(jù)庫 供水管網(wǎng)系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫主要包括：水源（水廠、河流）、供水管道分布圖、供水節(jié)點分布圖、市區(qū)規(guī)劃平面圖、場地類別劃分圖等，主要為圖形數(shù)據(jù)，通常有矢量數(shù)據(jù)和

15、柵格數(shù)據(jù)兩種形式，錄入方法一般是用數(shù)字化儀或掃描儀對地形圖、專題圖或航測圖進(jìn)行數(shù)字化。1.3.2 屬性數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)庫主要儲存與供水管網(wǎng)節(jié)點和弧段有關(guān)的屬性數(shù)據(jù)。如系統(tǒng)中的水泵站和高地水池的屬性包括節(jié)點號、水頭和節(jié)點高程等；需求節(jié)點的屬性包括節(jié)點號、節(jié)點高程和節(jié)點需求量等；管段的屬性包括管段號、管段起始節(jié)點號和終節(jié)點號、管徑、管長、管材及接頭形式等。儲存方式如下列表3。表3 供水節(jié)點屬性數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)字段名稱字段類型字段長度節(jié)點號字符型8出水水壓浮點型節(jié)點高程浮點型表4 供水弧段屬性數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) 字段名稱字段類型字段長度管段號字符型8起始節(jié)點號字符型8終節(jié)點號字符型8管徑浮點型管材字符型12管長浮點

16、型接頭型式字符型20場地類別字符型82 供水管網(wǎng)爆管影響因素空間分析 GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的空間分析能力，其分析的內(nèi)容主要有形態(tài)分析與量算、空間查詢、屬性查詢、疊加分析、緩沖區(qū)分析、泰森多邊形分析、網(wǎng)絡(luò)分析、空間（地理）統(tǒng)計分析4等等?；谏衔慕⒌某鞘泄┧芫W(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，供水管線和節(jié)點的屬性信息中都有確切的空間位置、空間分布、空間形態(tài)，可以為進(jìn)行GIS空間分析提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，同時得到的管網(wǎng)圖、地形圖等也可以作為分析基礎(chǔ)。城市供水管網(wǎng)爆管的主要影響因素有管徑、管材、管道使用年限、埋深、周圍建筑物影響、其他管線爆管的影響、周邊道路類型、路面材質(zhì)的影響5等，可以利用緩沖區(qū)分析、疊置分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計

17、分析等方法來對這些影響因素進(jìn)行空間分析。2.1 管徑、管材的影響分析 管徑的大小對供水管網(wǎng)的爆管有很大的關(guān)系，因為隨著管徑增大，其管壁越厚，在同樣的運行條件和環(huán)境壓力下，如果管道的腐蝕層厚度相同，則管壁越厚，剩余厚度越大，有可能認(rèn)為其抵抗外界壓力的能力越大，因此發(fā)生爆管的可能性就越小。在研究爆管點與不同的管徑的關(guān)系式時，首先在GIS中將供水管線按照不同的管徑大小進(jìn)行分類并用不同的顏色顯示，然后將爆管點層的爆管點與管線層上的這些不同顏色的管線進(jìn)行疊加union操作，可以通過計算管線上的爆管數(shù)來研究供水管網(wǎng)爆管與管徑的關(guān)系。這里主要應(yīng)用兩不同圖層上的點和線的疊置。 研究區(qū)域內(nèi)的管材有很多種，不同的

18、管材由于其抗腐蝕、抗拉壓的性能不同，所以對管道的影響是不同的。因此不同的管材對爆管的影響也是不同的，通過將爆管點與不同的管材進(jìn)行疊加分析，探索管材與爆管之間的規(guī)律性。在研究過程中，首先在GIS中將供水管線按照不同的管材進(jìn)行分類并用不同的顏色顯示，然后將爆管點層的爆管點與管線層上的這些不同顏色的管線進(jìn)行疊加union操作，通過統(tǒng)計分析研究兩者之間的關(guān)系。2.2 管線使用年限的影響 如果管線的使用時間超過了理論使用年限，會給城市供水安全埋下隱患，因此必須了解城市供水管線的使用年限進(jìn)行分析，對老化的管段及時進(jìn)行更新?？梢岳肁rcGIS的calculate自動賦值功能計算出各管段的使用年限，各個管段

19、的使用年限等于系統(tǒng)現(xiàn)在的時間減去各個管段的埋設(shè)日期，然后可以將管段使用年限進(jìn)行分級，在道路負(fù)荷較大的區(qū)域，若使用年限較久，則會增加供水管網(wǎng)爆管的機(jī)會。2.3 周圍建筑物對于爆管的影響 供水管網(wǎng)在重壓之下容易產(chǎn)生爆管，根據(jù)室外給水設(shè)計規(guī)范的要求城市供水管網(wǎng)與建筑物的水平距離不應(yīng)小于5m。首先通過ArcMap工具將研究區(qū)域的CAD格式的建筑物背景圖轉(zhuǎn)為shapefile形式的圖，然后在GIS視圖中添加此圖層，單擊Buffer wizard工具，以建筑物邊界為線目標(biāo)，以5m為半徑建立線緩沖區(qū)，再與建筑物圖疊加分析，目的在于確定管線是否被建筑物壓占，研究建筑物占壓對供水管網(wǎng)爆管的影響。 2.4 管線埋

20、深對于爆管的影響 由于未按規(guī)范要求施工的原因，城市供水管網(wǎng)中有些管段出現(xiàn)淺埋的現(xiàn)象，在外部荷載作用下常會發(fā)生爆管事故。管道的覆土厚度是爆管的重要原因之一。按照水工業(yè)工程設(shè)計手冊要求，在機(jī)動車道下,金屬管道覆土厚度不小于0.7m,非金屬管道覆土厚度不小于11.2m;在非機(jī)動車道或道路綠化帶下,金屬管道覆土厚度不小于0.3m。某一點的埋深便是其覆土厚度，因此埋深計算可以通過柵格數(shù)據(jù)運算提取管段任意一點的覆土厚度。前面的數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)包含了管線數(shù)據(jù)元素的空間信息，包括各管點的埋深，可以將埋深分級，得出埋深計算分析結(jié)果圖，提取淺埋管段，將其與管線矢量圖疊加，研究埋深對于爆管的影響。2.5 其他管線爆管的

21、影響 為了研究有過爆管歷史的管段對其周圍發(fā)生爆管的影響，首先在GIS視圖中add往年爆管點的shapefile圖文件，然后以往年的爆管點為圓心，自動建立以一定的距離為半徑的空間緩沖區(qū)，主要操作為單擊Buffer wizard工具，設(shè)定緩沖半徑，可設(shè)不同半徑，例如10m，20m，完成后觀察現(xiàn)在的爆管點是否在緩沖區(qū)內(nèi)，用以識別發(fā)生過爆管的管段對以后發(fā)生爆管的影響。2.6 不同路基土壤和路面材質(zhì)對爆管的影響 為了研究不同道路類型、路基土壤和路面材質(zhì)對于爆管的影響，主要通過空間統(tǒng)計分析的方法。 不同的路基土壤對管道的腐蝕性不同，管道的腐蝕將會導(dǎo)致管壁厚度減小，抵抗外力的能力減小，進(jìn)而使管道容易發(fā)生爆裂

22、。隨著供水管網(wǎng)使用時間的延長，腐蝕現(xiàn)象逐漸加劇。不同管材的腐蝕程度是不同的，相比之下，銅管、鋼管的抗腐蝕能力要好于鑄鐵管。為了研究爆管與埋設(shè)在不同的路基土壤下的管道之間的信息，統(tǒng)計不同的路基土壤下的管道的爆管情況。 路面的材質(zhì)對供水管網(wǎng)爆管也會產(chǎn)生影響，例如：當(dāng)路面材質(zhì)為土就比路面材質(zhì)為磚穩(wěn)定，不容易發(fā)生壓脆爆管，因此研究不同路面材質(zhì)對爆管的影響也是很有必要的。3 供水管網(wǎng)的爆管危險性分析 目前城市供水管網(wǎng)爆管事故頻繁發(fā)生，在上述對爆管影響因素空間分析的基礎(chǔ)上，利用GIS的疊加功能綜合分析各個因素，進(jìn)行供水管網(wǎng)的爆管危險性分析，從而可以提取研究范圍內(nèi)存在最大爆管隱患的管段，及早的采取預(yù)防和控制

23、措施，減少嚴(yán)重的損失和影響。本文采用層次分析法6確定爆管影響因子的權(quán)重，基于GIS技術(shù)建立以管材、管徑、埋深、周圍建筑、管齡為指標(biāo)的供水管網(wǎng)爆管危險性評估分析。3.1 建立危險性分析指標(biāo)體系危險性分析指標(biāo)管材U1（權(quán)重w1) 管徑U2（權(quán)重w2) 周圍建筑情況U5（權(quán)重w5) 埋深U3（權(quán)重w3) 管齡U4（權(quán)重w4) 圖3 分析指標(biāo)圖3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定 指標(biāo)權(quán)重的確定是危險性分析的關(guān)鍵步驟，本文采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重。該方法把相互關(guān)聯(lián)的要素按隸屬關(guān)系分成若干層，請有經(jīng)驗的專家對各層次各要素的相對重要性給出定量指標(biāo)，利用數(shù)學(xué)方法綜合專家意見給出各層次各要素的相對重要性權(quán)重，作為綜合

24、分析的基礎(chǔ)。3.2.1構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣 運用層次分析法，首先要建立一個判斷矩陣A。判斷矩陣可用標(biāo)度值Uij表示。Uij是指Ui(i=1,2,.，n)對指標(biāo)因子Uj(j=1,2,.,n)的相對重要度，用Uij表示。Uij取值為1到9或其倒數(shù)。若Uij=3，Ui:Uj=3:1,代表指標(biāo)i比指標(biāo)j稍微重要。其重要度見下表1。所有指標(biāo)因素兩兩比較的結(jié)果就用判斷矩陣A=（Uij）n*n表示，A為因素對比判斷矩陣，它滿足下面條件： （1-1） 表5 重要度說明表Uij重要度說明1Ui和Uj具有同等重要度3Ui比Uj稍微重要5Ui比Uj重要7Ui比Uj非常重要9Ui比Uj特別重要2,4,6,8Ui相對于Uj的影響介于上述兩個等級之間重要3.2.2計算各指標(biāo)權(quán)重 對上述矩陣求解最大特征根和最大特征根所對應(yīng)的特征向量，將最大特征根對應(yīng)的特征向量歸一化就是所要求的權(quán)重向量：W=(w1,w2,w3,w4,w5)。3.2.3指標(biāo)權(quán)重的一致性檢驗 一致性檢驗采用判斷矩陣的一致性指標(biāo)，其中為判斷矩陣的最大特征根，N為指標(biāo)的數(shù)目。利用判斷矩陣的一致性指標(biāo)與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R的比值進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的合理性檢驗。當(dāng)比值小于0.1時，可