数字化下的涉水管网地理信息系统应用

曾庆彬 ，苏腾飞 ，何康茂

（1. 深圳市水务科技发展有限公司，广东 深圳 518000；2. 深圳云图数智信息科技有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

当前，随着国家信息化建设的推进，水务信息化工作也在中国城市水务管理部门中相继开展起来。纵观涉水管网信息管理系统现状，与全国其他地下管网信息管理系统一样[1]，都存在着资料存储离散、格式多样、利用困难、信息动态更新程度低，缺少长效保障机制、资料资源产权分割、共享困难、资料的深层次挖掘程度较低等问题[2]。面对这些问题，现有的涉水管网信息管理系统已不能满足不断发展的管网信息化管理需求。为实现对涉水管网信息的电子化精确管理，及时更新数据，解决管理现状存在的难点，按照“统一建设、统一更新、层级管理、资源共享、安全保障”原则，摸清涉水管网数量、分布位置等基本情况，进行管网信息化的建设，实现数字化存储和信息建库，利用GIS、云计算、物联网、大数据等新技术进行系统的开发，建成空间化、数字化、网络化、智能化、可视化的涉水管网地理信息系统[3]，开发涉水管网 GIS 系统[4-7]，实现对涉水管网基本、空间、检测、治理、发生灾情的信息及数据更新等内容的管理，为涉水管网的“家底”管理、信息更新提供方便快捷的平台。同时通过数据交换平台实现涉水管网与其他地下管线的信息对接，为涉水管网的长效管理机制提供技术支撑，通过了解和掌握系统实时运行状态，克服由子管网设施的隐蔽性而带来的管理盲目性。为人们准确认知涉水管网地理信息系统提供相关应用参考[8]，同时也为涉水管网地理信息系统在城市建设中实现高效运用，给予一定实践指导与帮助[9]。

按照城市发展需要，开发便捷的管网管理系统十分必要。深圳市排水管理处为实现对涉水管网信息的电子化管理，曾于 2008 年建设排水管网管理系统，由于系统开发时间较早，基础资料更新的机制没有理顺，目前该系统的相关基础资料已大部分与现实不符，系统处于停用状态；在 2010—2012 年的第一次全国水利普查工作中，结合第一次全国水利普查的工作要求，深圳市水利普查办公室所开发的水利普查成果应用系统中包含了给排水管线信息管理的部分功能，如管线的快速查询检索、剖面分析、附属图纸、照片等资料查询等，目前该项水利普查成果应用系统正在应用中[10]。本研究根据深圳市实际面临的管网信息化管理问题，结合水务局的功能需要，采用面向对象开发系统的方法，开发了涉水管网地理信息系统（以下简称系统）。

1 系统架构设计

1.1 总体架构

系统的总体框架以安全和标准规范体系为基础支撑，以批量数据导入、在线上报、人工录入和离线交换等方式作为信息采集的主要手段，在现有的硬件、安全保障环境下运行，构建属性和空间数据库作为数据资源，以 GIS 工具作为应用支撑，按照功能和应用的不同，建设应用系统的各子系统，各系统按权限的不同划分不同的业务应用。系统的总体架构如图1 所示，主要由用户登录与认证、业务层面、应用层面、数据层面、软件和硬件环境等7 个部分组成。

图1 总体架构图

1.2 应用架构

应用架构分为业务层、应用层、数据层、软件和硬件支撑环境等层次。具体的业务应用系统功能模块，包括应急抢险、规划建设、运行维护、共享发布、移动平台、人员管理，以及数据录入、修改、预览等。软硬件支撑环境介于数据层和业务应用层，为业务应用层提供功能支持，包括数据交换共享组件、报表分析组件、GIS 平台等。

系统划分为以下 4 个部分：1）涉水管网信息发布子系统。实现对涉水管网地理信息的综合管理应用，能实现对给水、雨水、排水管网相关信息的快速检索查询分析。2）三维浏览子系统。涵盖全市的水库、河道、海堤、泵站、闸门等基础水务工程信息，主要包括地上、地下、剖面分析和浏览模式等。3）数据更新管理子系统。他是为配合管网数据更新机制，实现管网数据长效管理而开发的子系统。4）移动应用平台。增加公众对涉水管网管理的参与、方便快捷的查询检索管网数据，如提供社会公众“随手拍”进行管网灾情上报、管网维护单位和责任单位等基本信息查询等功能。划分具体情况如图2 所示。

图2 系统的划分情况

2 数据分析整理

2.1 数据调研与收集

通过资料调研和现场勘察，充分掌握深圳市现有管线情况，收集全市给水、原水、再生水、雨水、污水、混排涉水管线共计 224 万余条，长度为 2.9 万 km，管点共计 230 万余个。

2.2 数据分析与整理编目

参照《深圳市涉水管网基础信息 GIS 数据建库标准规范》，对实际数据行进行完整性、连通性、坐标等分析。通过使用 ArcGIS，Excel 和编写工具的方式，从管线和管点属性 2 个方面进行管网数据整理编目。管线属性包括建设年代、探测年代、权属单位、埋设类型、材质、材质使用寿命、线型、接口方式统计、区划和流域，管点属性包括建设年代、探测年代、权属单位、数据来源、特征点、附属物、区划和流域。

1980—2019 年中，探测管线合计 485 856 段，探测总长度为 7 216 km，其中雨水管线探测最多的年份是 1990，2008，2014—2018 年，这 7 a 里探测雨水管线突破了万段，尤其是 2014—2018 年，连续探测突破万段。雨水管线在深圳的每个区都有建设，其中：宝安区有 169 092 段，福田区有 86 255 段，南山区有 60 252 段，这 3 个区建设最多，约占总管线的 2/3；光明新区最少，只有 8 627 段；还有 46 段不明确管线。

2.3 数据处理

根据《深圳市涉水管网基础信息 GIS 数据建库标准规范》，对涉水管网数据进行规范化处理，包括数据校验、空间关系补建、拓扑数据处理、二维数据脱密和三维数据处理。统计和修正了 6 种管网数据类型，处理管网数据为 20 537 939 个，修正的数据有 15 078 654 个，未能修正的数据有 4 733 097 个；其中拓扑修正的数据有 576 443 个，拓扑未能修正的数据有 421 253 个；通过人工处理解决的数据有10 407 981 个，工具解决的数据有 4 670 673 个。

3 应用系统功能实现

系统主要利用数据库和 WebGIS 技术，对涉水管网的相关内容进行存储和查询、编辑、统计管理，亮点体现在于对空间资料的动态管理，即对基础资料和新建、改造、治理资料进行更新后，对更新的信息作更新时间的标记，在页面上显示最新的资料并可查询任何历史时段的管网相关资料；同时根据管网和其他内容的检测信息、治理情况、治理规划安排等进行计算和评估，为涉水管网的建设、检测、改造和治理的规划提供技术和基础支撑。

3.1 地理信息应用

涉水管网地理信息子系统的资源目录主要包含涉水管网数据、附属物、业务专题及专题图层数据等信息，如图3 所示。涉水管网规划信息的管理，实现了对管网规划内容的信息规划时间、单位、建设规模、报告、成果等内容的多维管理。建设单位可通过网上上报管网建设过程中产生的各种信息，根据建设管理相关的信息完成数据更新。针对项目验收是否完整，由施工单位、责任人、联系人等监督各个项目的验收情况，对项目验收资料进行管理。系统通过对管网检测信息的管理，包括检测时间、单位结果及监理单位等，对检测结果不合格的管网实现自动预警，用不同的颜色对存在问题的管网进行标示，提醒管网产权和主管单位及时对相关管网进行整治和新建改造。系统实现了对治理工程的信息管理，通过排查检测后对有隐患的管网进行治理。对涉水管网所引起的灾情信息能及时了解并处理，包括接收灾情上报信息：灾情发生时间、地点、基本情况、造成损失情况、抢险救灾决策、治理情况等。维护信息管理包括管网维护信息的输入、查询和统计。系统提供人工逐条录入、其他电子文件格式转换、从其他数据库导入管网维护信息的功能，能实现图到表、表到图的信息查询，被选择的管网空间数据以不同颜色或高亮的形式显示，还可对管网维护信息按月、季、年等不同的时间节点进行统计并规范地输出。

图3 涉水管网图层

3.2 综合分析应用

系统的综合分析通过分析与处理管网的空间和属性数据，实现对涉水管网的综合分析功能，主要有以下 8 项内容的分析：1）断面分析。通过展示横截面和纵断面内所有管线的信息、截面大小、截面长度、高程和基本情况概述，生成管线断面分析属性表的分析。2）覆土深度分析。通过对历史深度值与当前值进行对比分析，判断管线沉降情况的，同时根据覆土变化情况分析对管线安全的影响。3）爆管分析。通过管线不同节点的压力分析爆管情况，生成爆管预警信息，并根据爆管点空间分布规律，提供爆管时间、空间统计分析结果，提出有效的爆管问题解决方案。4）水平垂直净距分析。实现同类、不同类水管与其他行业管线之间的水平和垂直净距分析，提供符合依据水平垂直净距规范的参考分布，对规划管线提供模拟分布图，对现有管线提供建议分析结果。5）开挖分析。通过设定自动计算开挖和回填土方量等数据，结合公式估算工程量和费用的分析。6）连通性分析。包括供水和排水管线的连通性分析，具体如图4 所示。供水管线连通性分析是根据供水管线拓扑关系，在某段管线关闭后，分析是否有迂回供水路线，以现有管线情况分析最佳供水路线，并通过建设规划判断供水是否满足需求等。排水管线连通性分析是根据排水管线拓扑关系和管线高程信息，分析关闭某段管线后对排水的影响，结合内涝数据，得出排水连通性淤堵情况。7）汇流分析。根据排水管网的拓扑关系，结合管网高程信息分析任意管网点的排水来源，得出管网联通关系和拥堵时的汇流情况。8）洪水内涝分析。根据排水管网的拓扑关系、高程信息，结合降雨量分析雨水和管网分布、管径流量关系，并根据内涝历史数据提供水量通过能力分析结果，模拟降雨对区域产生影响的内涝情况。

图4 连通性分析

3.3 数据更新管理应用

数据处理是系统数据展示的前提，通过批量导入导出的功能实现数据的来源处理、矢量化、批处理、关联编码、数据入库。根据涉水管网的更新机制，通过数据更新管理应用实现涉水管网数据的实时更新，保证系统数据的现势性。基于微信小程序，对涉水管网进行信息查询、管网建设、改造治理、管养维护等，提高业务处理的时效性和准确性。

4 应用效果

4.1 提升城市应急抢险救灾能力

由于城市市政工程施工、管道年久失修等原因，管道破损、地面坍塌等事故时有发生，给人民群众的生命财产安全造成极大的危害。涉水管网作为地下管道的重要部分，也经常发生上述问题。涉水管网地理信息系统通过灾情上报、公众发布等平台，令社会大众可及时上报灾情信息，为涉水管网抢险救灾提供及时的信息资源，同时通过平台进行城市管理各部门的协调，第一时间整合力量进行管网事故的抢险救灾，快速跟踪事件处理过程和结果，同时向社会公众发布灾情、事故处理信息，最大限度地提高城市应急抢险救灾的反应能力，减少因涉水管网事故造成的损失。

4.2 减少市政工程规划建设的失误

现有地下管网的基础资料是进行涉水管网规划建设的基础，系统在掌握翔实、充分详细的现有资料基础上，对涉水管网将来的规划布局提供正确的参考，使规划部门能根据实际情况对城市的发展作出正确的规划，使规划成果更加符合社会经济发展的需求。城市市政工程依靠涉水管网地理信息系统，掌握真实的涉水管网资料，在进行城市市政工程施工中，加强对涉水管网的保护，避免发生对涉水管网造成损害的事故，保证城市市政工程的顺利进行。

4.3 提高涉水管网运行维护管理水平

对涉水管网进行及时的运行维护，是保证涉水管网顺利运行的基础。在对涉水管网进行运行维护时，依托基础资料对涉水管网进行全面体检，查清存在问题的涉水管网，对存在安全问题的涉水管网进行重点关注和维护，减少问题管网出现事故的概率，体现运行维护的效果。同时在运行管理维护过程中，对维护信息进行管理，使之成为涉水管网改造规划、运行维护费用下拨的依据。

4.4 统一管网信息共享与发布机制

为保证管网资料的统一格式保存和完整，制定了长效的管网信息更新机制，实现各政府部门、社会单位所有的管网资料最终能集中到一个专门的机构进行保存和统筹更新，然后提供给各单位。在进行各单位管网资料的汇总和更新等工作时，通过系统批量地对不同格式的电子化文件进行处理，并以统一的格式保存到管网管理单位，方便政府不同部门和社会各单位使用。

5 结语

涉水管网地理信息系统是根据目前管网信息化管理面临的主要问题进行设计开发的，由系统架构和应用可知，它是具有一张图、一中心和“互联网 +”特点的地理信息系统平台。以一张图承载深圳市供水、雨水、排水管网的业务应用；通过一中心实现全市所有涉水管网信息的集中保存、快捷查询和检索、信息共享和交换，充分发挥涉水管网信息在城市建设、规划、管理、防洪减灾中的作用。在城市市政工程施工中减少管线事故的发生，提高人民生活的满意度；在进行城市规划过程中，对新的规划和改造规划提供基础资料，减少规划失误；为城市应急指挥、抢险救灾提供基础数据支撑，提高决策的效率和决策的正确性，达到辅助管理决策的需求；为城市地下管线的运行管理维护提供更加丰富灵活的技术手段，提高地下管线管理维护的工作效率和水平，为深圳市经济社会可持续发展战略和水务工作提供可靠的基础信息支撑和保障。