基于GIS技術(shù)的城市供水管網(wǎng)安全性評(píng)估

鐔方平, 邱少男

(萊州市自來(lái)水公司，山東 萊州 261400)

0 引 言

城市供水管網(wǎng)是城市建設(shè)中的基礎(chǔ)設(shè)施以及重要組成部分，也是維持城市正常運(yùn)行的關(guān)鍵命脈。當(dāng)前城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，城市供水管網(wǎng)越來(lái)越復(fù)雜，供水管網(wǎng)的坍塌、漏水等災(zāi)害事故會(huì)造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，開(kāi)展基于GIS技術(shù)的城市供水管網(wǎng)安全性評(píng)估研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 城市供水管網(wǎng)安全性評(píng)估方法

1.1 基于GIS技術(shù)的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)集成共享

城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)集成共享是基于GIS技術(shù)評(píng)估方法的基礎(chǔ)，因此本文利用GIS技術(shù)將空間數(shù)據(jù)庫(kù)作為載體，通過(guò)數(shù)據(jù)中心以及相關(guān)業(yè)務(wù)之間的接口形成交互關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)估過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與集成[1]。圖1為基于GIS技術(shù)的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)集成共享基本流程。

圖1 基于GIS技術(shù)的供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)集成共享基本流程

針對(duì)城市供水管網(wǎng)中的數(shù)據(jù)，可從原有地理信息系統(tǒng)當(dāng)中提取數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)、經(jīng)過(guò)處理的屬性數(shù)據(jù)、城市供水管管材、口徑以及埋深等。針對(duì)運(yùn)行城市供水管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可通過(guò)從各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)當(dāng)中調(diào)取，包括管道維修信息、爆管情況、漏水情況等相關(guān)信息數(shù)據(jù)。除此之外，還需要利用GIS技術(shù)對(duì)信息空間進(jìn)行分析，包括空間密度分析、空間疊加分析以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅萚2]。通過(guò)對(duì)空間信息數(shù)據(jù)的分析，有助于后續(xù)從各個(gè)角度提取評(píng)估因子，對(duì)城市供水管網(wǎng)進(jìn)行更加全面的評(píng)估。

1.2 評(píng)估因子評(píng)分及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確立

將影響城市供水管道可能存在的故障問(wèn)題劃分為四類，并對(duì)其影響因子進(jìn)行劃分，假設(shè)xij表示為第i個(gè)因素子集的第j個(gè)評(píng)估因子，其中i的取值為1,2,3,4，j的取值為1,2,3，…，n。其中不同的因素子集當(dāng)中可能存在不同的因子。若xij能夠再次進(jìn)行細(xì)分，則再將其作為下一級(jí)指標(biāo)。根據(jù)城市供水管網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，確定其安全性評(píng)估體系，見(jiàn)表1。

表1 城市供水管網(wǎng)安全性評(píng)估體系

根據(jù)表1中的內(nèi)容，對(duì)各個(gè)評(píng)估因子評(píng)分，由于上述因子種類較多，本文為方便論述，挑選其中具有代表性的因子進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。針對(duì)內(nèi)部防護(hù)X111評(píng)價(jià)因子進(jìn)行說(shuō)明，城市供水管網(wǎng)的內(nèi)壁通常為光滑并且無(wú)毛刺的，在其運(yùn)行的過(guò)程中，相關(guān)單位應(yīng)當(dāng)定期添加緩蝕劑減緩管道內(nèi)壁的腐蝕。因此，為保證城市供水管網(wǎng)的安全性，列舉出影響內(nèi)部防護(hù)指標(biāo)的各類細(xì)則，見(jiàn)表2。

表2 影響內(nèi)部防護(hù)指標(biāo)各類細(xì)則

按照表2中的內(nèi)容完成對(duì)三級(jí)指標(biāo)內(nèi)部防護(hù)的評(píng)分，以此類推，完成對(duì)三級(jí)指標(biāo)中的各類因子評(píng)分。

1.3 層次分析法確定各評(píng)估因子權(quán)重

按照上述方法完成對(duì)評(píng)估因子評(píng)分及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確立后，利用層次分析法，對(duì)各個(gè)因子權(quán)重進(jìn)行合理分配。首先，確定供水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)遞階層次結(jié)構(gòu)，將城市供水管網(wǎng)安全性作為目標(biāo)層，并將管道腐蝕因素X1、第三方破壞因素X2、誤操作因素X3、設(shè)計(jì)因素X4作為一級(jí)指標(biāo)層，以此類推，根據(jù)表1中的內(nèi)容，得出二級(jí)指標(biāo)層和三級(jí)指標(biāo)層[3]。利用兩兩對(duì)比的方法，構(gòu)造評(píng)估因子權(quán)重分配矩陣。將全部比較結(jié)果匯總，得到矩陣P=[Xi，j]，再采用九點(diǎn)標(biāo)度的方法，由層次遞階結(jié)構(gòu)劃分為P層，則P層的評(píng)估因子權(quán)重分配矩陣見(jiàn)表3。

表3 P層的評(píng)估因子權(quán)重分配矩陣

由于遞階層次較多，導(dǎo)致影響因素更多，在對(duì)其權(quán)重分配時(shí)會(huì)消耗大量時(shí)間，因此本文結(jié)合MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。在MATLAB軟件中輸入表3中的矩陣內(nèi)容，以P層矩陣為例，經(jīng)過(guò)MATLAB軟件計(jì)算后，得到的最大特征值λmax為4.243，評(píng)估因子特征指數(shù)Q為-0.842、-0.094、-0.567、-0.047。將矩陣歸一化處理，得到各個(gè)層次權(quán)重。

將供水管網(wǎng)的安全性劃分為最佳、良好、普通、較差、最差五個(gè)等級(jí)，按照下述公式進(jìn)行計(jì)算，得到各等級(jí)的評(píng)價(jià)值：

V=Q×WT={v1,v2,v3,v4}

(1)

式中：V為等級(jí)評(píng)價(jià)值；Q為各評(píng)估因子權(quán)重；W為評(píng)估等級(jí)集合，W=(1，2，3，4)；T為轉(zhuǎn)置符號(hào)。當(dāng)V取值在(4,5]區(qū)間時(shí)，為最佳等級(jí)；當(dāng)V取值在(3,4]區(qū)間時(shí)，為良好等級(jí)；當(dāng)V取值在(2,3]區(qū)間時(shí)，為普通等級(jí)；當(dāng)V取值在(1,2]區(qū)間時(shí)，為較差等級(jí)；當(dāng)V取值在(0,1]區(qū)間時(shí)，為最差等級(jí)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

選用某城市區(qū)域范圍內(nèi)的供水管網(wǎng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該區(qū)域整體覆蓋面積為6.82 km2，根據(jù)該城市系統(tǒng)工程研究中心所提供的供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)處理后，在GIS系統(tǒng)當(dāng)中展現(xiàn)，方便后續(xù)兩種評(píng)估方法對(duì)供水管網(wǎng)的安全性進(jìn)行評(píng)估。該區(qū)域內(nèi)，供水管網(wǎng)分布較為密集，并且大部分集中在城市道路的交叉位置上，周圍大型建筑包括醫(yī)院、學(xué)校、大型購(gòu)物中心等，進(jìn)一步增加了評(píng)估的難度。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，兩種評(píng)估方法均根據(jù)本文上述論述，劃分為五個(gè)不同評(píng)估等級(jí)，將評(píng)估結(jié)果進(jìn)行記錄，并繪制成如圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。

圖2 兩種評(píng)估方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖2可以看出，本文評(píng)估方法的評(píng)估結(jié)果更接近該區(qū)域供水管網(wǎng)的實(shí)際情況，與實(shí)際情況的曲線變化形式更加吻合，傳統(tǒng)評(píng)估方法與實(shí)際情況相差較大，并且無(wú)法及時(shí)找出存在問(wèn)題的供水管道，在實(shí)際應(yīng)用中更容易引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于GIS技術(shù)的城市供水管網(wǎng)安全性評(píng)估方法的評(píng)估精度更高。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前城市供水管網(wǎng)現(xiàn)狀，應(yīng)精準(zhǔn)找出影響其運(yùn)行安全的因素，并結(jié)合GIS技術(shù)建立城市供水管網(wǎng)安全性評(píng)估方法。通過(guò)本文方法，從更加客觀、準(zhǔn)確的角度對(duì)供水管網(wǎng)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將該評(píng)估方法的結(jié)果作為依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管網(wǎng)安全的有效預(yù)防和控制。