城市管网及GIS.docx
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城市管网及GIS
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
ThepipeexplosionhazardanalysisofurbanwatersupplynetworkbasedonGIS
Abstract
Urbanwatersupplynetworkasoneofcitylifelinesystems,playsanirreplaceableroleinthenormalfunctioningofthecityandpeople'sdailylife.Inrecentyears,withtheaccelerationofurbanizationandtheexpandofthescaleofwatersystem,watersupplynetworkbecomesmorecomplex,thelengthisgrowingandthelayingwayisalsobecomingmorecomplex,thenthepipeexplosionaccidentsarefrequent.Inordertoincreasethereliabilityandearlydetectproblemsofthewatersupplynetwork,itisnecessarytoanalyzepipenetworkpipeexplosionrisktimely.Withthecontinuousdevelopmentofgeographicinformationsystems,GIStechnologyhasapowerfulspatialanalysiscapability,whichprovidesaneffectivewayfortheriskanalysisofpipelinenetwork.Inthispaper，BasedonGIS,aspatialdatabaseofurbanwatersupplynetworkisestablishment,andthepapergivestheideaofsquibfactorsspatialanalysisandriskanalysisofthewatersupplynetwork,whichcanprovideguidanceandadvicefortheemergencydecision-makingandscientificmanagement.
Keywords:
watersupplynetwork,GIS,database,spatialanalysis,riskanalysis.
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[1]，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（GIS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。
图1研究思路图
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[2]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）。
每个节点和弧段均有其空间数据和属性数据。
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。
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，因为需要对数据进行整理处理，使之更符合GIS要求来分析。
1.2.1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。
1.2.2数据格式转换
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,然后用converttoshapefile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。
1.2.3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，可以在ArcInfo软件中执行坐标转换指令transform完成。
1.2.4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、Y、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
终点
起点（x,y）
终点（x,y）
121
A3J0001
A3J0002
（25383.714,36332.224）
（25380.380,36337.645）
122
A3J0002
A3J0003
（25380.380,36337.645）
（25378.387,36339.018）
...
...
...
...
...
管径
材质
所在道路
长度
管龄
100
钢
苹果园路
6.39
7
100
钢
苹果园路
2.42
7
...
...
...
...
...
表2阀门节点图层属性表
ID
点号
坐标（x,y）
点高程
地面高程
埋深（m）
阀门开启状态
备注
1
A3J0001
（25383.71,36332.22）
73.43
73.78
0.35
开
2
A3J0013
（24929.94,36396.51）
74.3
75.38
1.08
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[3]两大类。
1.3.1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扫描仪对地形图、专题图或航测图进行数字化。
1.3.2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
场地类别
字符型
8
2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
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