基于GIS技术的城市供水管网安全性评估

2021-07-27镡方平邱少男

工程与建设 2021年2期

镡方平, 邱少男

(莱州市自来水公司，山东莱州 261400)

0 引言

城市供水管网是城市建设中的基础设施以及重要组成部分，也是维持城市正常运行的关键命脉。当前城市规模逐渐扩大，城市供水管网越来越复杂，供水管网的坍塌、漏水等灾害事故会造成水资源的严重浪费。因此，开展基于GIS技术的城市供水管网安全性评估研究，具有十分重要的现实意义。

1 城市供水管网安全性评估方法

1.1 基于GIS技术的城市供水管网数据集成共享

城市供水管网数据集成共享是基于GIS技术评估方法的基础，因此本文利用GIS技术将空间数据库作为载体，通过数据中心以及相关业务之间的接口形成交互关系，从而实现对评估过程中相关数据的采集与集成[1]。图1为基于GIS技术的城市供水管网数据集成共享基本流程。

图1 基于GIS技术的供水管网数据集成共享基本流程

针对城市供水管网中的数据，可从原有地理信息系统当中提取数据，包括空间数据、经过处理的属性数据、城市供水管管材、口径以及埋深等。针对运行城市供水管网运行数据，可通过从各个业务系统当中调取，包括管道维修信息、爆管情况、漏水情况等相关信息数据。除此之外，还需要利用GIS技术对信息空间进行分析，包括空间密度分析、空间叠加分析以及网络拓扑分析等[2]。通过对空间信息数据的分析，有助于后续从各个角度提取评估因子，对城市供水管网进行更加全面的评估。

1.2 评估因子评分及评价标准确立

将影响城市供水管道可能存在的故障问题划分为四类，并对其影响因子进行划分，假设xij表示为第i个因素子集的第j个评估因子，其中i的取值为1,2,3,4，j的取值为1,2,3，…，n。其中不同的因素子集当中可能存在不同的因子。若xij能够再次进行细分，则再将其作为下一级指标。根据城市供水管网的运行特点，确定其安全性评估体系，见表1。

表1 城市供水管网安全性评估体系

根据表1中的内容，对各个评估因子评分，由于上述因子种类较多，本文为方便论述，挑选其中具有代表性的因子进行详细说明。针对内部防护X111评价因子进行说明，城市供水管网的内壁通常为光滑并且无毛刺的，在其运行的过程中，相关单位应当定期添加缓蚀剂减缓管道内壁的腐蚀。因此，为保证城市供水管网的安全性，列举出影响内部防护指标的各类细则，见表2。

表2 影响内部防护指标各类细则

按照表2中的内容完成对三级指标内部防护的评分，以此类推，完成对三级指标中的各类因子评分。

1.3 层次分析法确定各评估因子权重

按照上述方法完成对评估因子评分及评价标准确立后，利用层次分析法，对各个因子权重进行合理分配。首先，确定供水管网风险递阶层次结构，将城市供水管网安全性作为目标层，并将管道腐蚀因素X1、第三方破坏因素X2、误操作因素X3、设计因素X4作为一级指标层，以此类推，根据表1中的内容，得出二级指标层和三级指标层[3]。利用两两对比的方法，构造评估因子权重分配矩阵。将全部比较结果汇总，得到矩阵P=[Xi，j]，再采用九点标度的方法，由层次递阶结构划分为P层，则P层的评估因子权重分配矩阵见表3。

表3 P层的评估因子权重分配矩阵

由于递阶层次较多，导致影响因素更多，在对其权重分配时会消耗大量时间，因此本文结合MATLAB软件对其进行计算。在MATLAB软件中输入表3中的矩阵内容，以P层矩阵为例，经过MATLAB软件计算后，得到的最大特征值λmax为4.243，评估因子特征指数Q为-0.842、-0.094、-0.567、-0.047。将矩阵归一化处理，得到各个层次权重。

将供水管网的安全性划分为最佳、良好、普通、较差、最差五个等级，按照下述公式进行计算，得到各等级的评价值：

V=Q×WT={v1,v2,v3,v4}

(1)

式中：V为等级评价值；Q为各评估因子权重；W为评估等级集合，W=(1，2，3，4)；T为转置符号。当V取值在(4,5]区间时，为最佳等级；当V取值在(3,4]区间时，为良好等级；当V取值在(2,3]区间时，为普通等级；当V取值在(1,2]区间时，为较差等级；当V取值在(0,1]区间时，为最差等级。

2 实验论证分析

选用某城市区域范围内的供水管网作为实验对象，该区域整体覆盖面积为6.82 km2，根据该城市系统工程研究中心所提供的供水管网数据信息，经过处理后，在GIS系统当中展现，方便后续两种评估方法对供水管网的安全性进行评估。该区域内，供水管网分布较为密集，并且大部分集中在城市道路的交叉位置上，周围大型建筑包括医院、学校、大型购物中心等，进一步增加了评估的难度。为保证实验结果的准确性，两种评估方法均根据本文上述论述，划分为五个不同评估等级，将评估结果进行记录，并绘制成如图2所示的实验结果对比图。