基于GIS技術的城市供水管網安全性評估

鐔方平, 邱少男

(萊州市自來水公司，山東 萊州 261400)

0 引 言

城市供水管網是城市建設中的基礎設施以及重要組成部分，也是維持城市正常運行的關鍵命脈。當前城市規模逐漸擴大，城市供水管網越來越復雜，供水管網的坍塌、漏水等災害事故會造成水資源的嚴重浪費。因此，開展基于GIS技術的城市供水管網安全性評估研究，具有十分重要的現實意義。

1 城市供水管網安全性評估方法

1.1 基于GIS技術的城市供水管網數據集成共享

城市供水管網數據集成共享是基于GIS技術評估方法的基礎，因此本文利用GIS技術將空間數據庫作為載體，通過數據中心以及相關業務之間的接口形成交互關系，從而實現對評估過程中相關數據的采集與集成[1]。圖1為基于GIS技術的城市供水管網數據集成共享基本流程。

圖1 基于GIS技術的供水管網數據集成共享基本流程

針對城市供水管網中的數據，可從原有地理信息系統當中提取數據，包括空間數據、經過處理的屬性數據、城市供水管管材、口徑以及埋深等。針對運行城市供水管網運行數據，可通過從各個業務系統當中調取，包括管道維修信息、爆管情況、漏水情況等相關信息數據。除此之外，還需要利用GIS技術對信息空間進行分析，包括空間密度分析、空間疊加分析以及網絡拓撲分析等[2]。通過對空間信息數據的分析，有助于后續從各個角度提取評估因子，對城市供水管網進行更加全面的評估。

1.2 評估因子評分及評價標準確立

將影響城市供水管道可能存在的故障問題劃分為四類，并對其影響因子進行劃分，假設xij表示為第i個因素子集的第j個評估因子，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中可能存在不同的因子。若xij能夠再次進行細分，則再將其作為下一級指標。根據城市供水管網的運行特點，確定其安全性評估體系，見表1。

表1 城市供水管網安全性評估體系

根據表1中的內容，對各個評估因子評分，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行詳細說明。針對內部防護X111評價因子進行說明，城市供水管網的內壁通常為光滑并且無毛刺的，在其運行的過程中，相關單位應當定期添加緩蝕劑減緩管道內壁的腐蝕。因此，為保證城市供水管網的安全性，列舉出影響內部防護指標的各類細則，見表2。

表2 影響內部防護指標各類細則

按照表2中的內容完成對三級指標內部防護的評分，以此類推，完成對三級指標中的各類因子評分。

1.3 層次分析法確定各評估因子權重

按照上述方法完成對評估因子評分及評價標準確立后，利用層次分析法，對各個因子權重進行合理分配。首先，確定供水管網風險遞階層次結構，將城市供水管網安全性作為目標層，并將管道腐蝕因素X1、第三方破壞因素X2、誤操作因素X3、設計因素X4作為一級指標層，以此類推，根據表1中的內容，得出二級指標層和三級指標層[3]。利用兩兩對比的方法，構造評估因子權重分配矩陣。將全部比較結果匯總，得到矩陣P=[Xi，j]，再采用九點標度的方法，由層次遞階結構劃分為P層，則P層的評估因子權重分配矩陣見表3。

表3 P層的評估因子權重分配矩陣

由于遞階層次較多，導致影響因素更多，在對其權重分配時會消耗大量時間，因此本文結合MATLAB軟件對其進行計算。在MATLAB軟件中輸入表3中的矩陣內容，以P層矩陣為例，經過MATLAB軟件計算后，得到的最大特征值λmax為4.243，評估因子特征指數Q為-0.842、-0.094、-0.567、-0.047。將矩陣歸一化處理，得到各個層次權重。

將供水管網的安全性劃分為最佳、良好、普通、較差、最差五個等級，按照下述公式進行計算，得到各等級的評價值：

V=Q×WT={v1,v2,v3,v4}

(1)

式中：V為等級評價值；Q為各評估因子權重；W為評估等級集合，W=(1，2，3，4)；T為轉置符號。當V取值在(4,5]區間時，為最佳等級；當V取值在(3,4]區間時，為良好等級；當V取值在(2,3]區間時，為普通等級；當V取值在(1,2]區間時，為較差等級；當V取值在(0,1]區間時，為最差等級。

2 實驗論證分析

選用某城市區域范圍內的供水管網作為實驗對象，該區域整體覆蓋面積為6.82 km2，根據該城市系統工程研究中心所提供的供水管網數據信息，經過處理后，在GIS系統當中展現，方便后續兩種評估方法對供水管網的安全性進行評估。該區域內，供水管網分布較為密集，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院、學校、大型購物中心等，進一步增加了評估的難度。為保證實驗結果的準確性，兩種評估方法均根據本文上述論述，劃分為五個不同評估等級，將評估結果進行記錄，并繪制成如圖2所示的實驗結果對比圖。

圖2 兩種評估方法實驗結果對比圖

由圖2可以看出，本文評估方法的評估結果更接近該區域供水管網的實際情況，與實際情況的曲線變化形式更加吻合，傳統評估方法與實際情況相差較大，并且無法及時找出存在問題的供水管道，在實際應用中更容易引發嚴重的事故。因此，通過實驗證明，本文提出的基于GIS技術的城市供水管網安全性評估方法的評估精度更高。

3 結束語

針對當前城市供水管網現狀，應精準找出影響其運行安全的因素，并結合GIS技術建立城市供水管網安全性評估方法。通過本文方法，從更加客觀、準確的角度對供水管網的安全性進行評價，將該評估方法的結果作為依據，可實現對供水管網安全的有效預防和控制。