GIS在城市排水中的应用

□文/陈迪嘉 王 欢 王 磊

GIS在城市排水中的应用

□文/陈迪嘉 王 欢 王 磊

综述GIS在水资源科研和管理领域的应用现状与发展，指出GIS技术应用的发展趋势是从实现存储信息、建立数据库、查询检索、统计分析和自动绘图等基本功能转向建立多功能、多目标、多层次的专业化评价分析模型、智能化的专家系统和空间决策支持系统，为GIS技术在我国城市排水领域的应用发展提供借鉴。

城市排水；GIS；地理信息系统

地理信息系统，简称GIS（Geographic Information System 或 Geo－Information system），有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”，是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS是测绘学、地理学、遥感与卫星定位技术、现代通讯技术、专家系统技术等学科和技术集成的基础平台，是多种学科交叉的产物[1]。它以地理空间数据库为基础，采用空间模型分析方法，实时提供相关信息，用于综合研究、资源开发、区域发展规划、环境保护、灾害防治、环境评价和决策管理等方面[2]。

就现状而言，手工管理是我国对排水设施管理主要方式，纸媒作为管理依据的文字档案及图形档案存储的主要形式，使用损耗大，不易收集和保存。正因如此，查询工作极为不便，而且也不易进行统计分析，影响决策的准确性和科学性。近年来，随着计算机技术的发展，以计算机图形处理技术、地理信息技术为主的各类新兴技术为城市排水管网信息管理的科学化、现代化、综合化提供了契机。排水地理信息系统是针对城市排水管理的综合信息系统，是对城市排水进行科学管理的重要手段。该系统的实现可对城市建设、发展、规划及决策起到一定作用，以实现排水管理定量化、信息化和网络化。它将计算机图形和数据库融合为一体，来储存和处理空间信息，与此同时，还能够将地理位置和相关属性有机结合起来，根据工作需求将准确真实的信息图文并茂地输出给使用者。既满足市政运管部门对排水系统的运行管理、设计和信息查询的需要，还可利用其空间分析和可视化表达的功能辅助进行各种决策分析。

1 GIS技术在城市排水领域的应用现状

GIS作为一种应用技术是以处理空间数据为基础的，而地理信息的特点决定了GIS技术在城市排水领域可以得到广泛应用的前景。自20世纪80年代至今，GIS技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出、DEM或DTM模型的使用、GIS结合环境评价模型的扩展分析、GIS与决策支持系统(DSS)的集成，逐步发展到网络GIS[3]，得到越来越广泛的应用。

1.1 城市排水管网及污水厂GIS管理与设计

城市排水管网系统是一个四维系统，管网大多埋于地下，这个特点造就其复杂性，而隐藏性、埋设位置的集中性也决定了排水管网数据的重要性，因此系统数据必须完整、准确，具有现实性，这要求排水管网系统是一个动态可维护的系统。由于GIS具有图文并茂、动态更新特点，可满足专业管网管理部门对管网空间信息和属性信息的要求，能进行空间定位、属性查询和空间分析，能建立四维矢量拓扑关系，特别是网络分析功能，为城市给排水管网的规划设计、管理调控提供了强有力的支持，网络分析包括最优路径、事故决策、网络特殊中断处理等。利用GIS技术和排水系统模型程序包在设施管理一自动成图技术的联合使用下可以更好地进行排水管网系统的优化分析。而建立城市雨水以及各工业及生活小区污水排放的污染源空间和属性数据库，通过将水质模型与各种规划模型扩展到GIS分析模块后，可建立实用的决策支持系统，用来优化选择城市或区域污水厂的数量及其位置分布[4]。

1.2 管网应急预警系统分析

城市排水管网的功能会因各种类型故障而破坏，如何快速、准确地找出事故点的位置，及时调度阀门，使维修时间最短、造成的影响最小、关闭的阀门最少，即阀门的应急预警问题，成为保证排水管网可靠性的关键所在[5]。传统的处理方案是由工程技术人员在图纸上来描述，但是因为工程图纸量非常大，常常难以及时、准确、全面地提供管网的拓扑结构信息，不仅浪费了大量的人力物力，而且还可能造成决策上的失误。应用GIS排水管网应急预警系统，如果管网中某处发生渗漏，首先用户以电话通知排水处有关部门，系统操作人员根据用户反映的街区名称，在管网地图和属性数据库中查找相关图档，确定管道的管段编号、管径、管材、埋设日期和准确地理位置，然后运行阀门调度程序，可得出阀门优化调度的方案，将这些资料打印出来交给施工人员，以便迅速准确地准备材料，进入现场抢修。

1.3 水质污染状况和趋势分析

在区域水体质量现状评价工作中，根据水体上监测断面的监测数据，对整个区域的水体污染指标进行客观、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度、空间分布情况以及排放到该水体工业污染源的比例，为决策人员及时提供信息。通过叠加分析可以提取行政区域内水体分布图、水体污染程度图；通过缓冲区分析，可对图上要素做出包含或临近分析，如显示水体污染源影响范围；通过路径分析，可以得到废水排放去向；通过对出水口路径分析，算出出水口的排污量，再利用DTM分析，可以生成河道水污染平面图。美国的弗吉尼亚州开发了一个以GIS为基础的在线水体污染分布系统，该系统可以应付水污染事故对取水口的影响，管理部门可以快速地确定污染源及其排放地点，确定影响范围以及选择减缓措施，尽量减少对下游取水口的影响。R.J.Lee等[6]通过检测污水所排放水体中微生物的特性，应用GIS分析功能可以分析污水处理效果，相应改变污水处理方式，以减少出水对附近水体中微生物的影响。另外对水体的各项监测指标进行月、季或年度比较，以图表展示历史变化趋势，可得到各区域的污染发展态势。

2 GIS技术在城市排水管理应用中的发展趋势

2.1 Web GIS的后续研究

基于Intemet网络的空间数据平台是实现数据共享和数字地球的必然趋势和最终选择。WebGIS是Intemet技术应用于GIS的产物。随着Interact的迅速发展，Web成为高效的全球信息发布技术，GIS与Web的结合使得空间信息的发布与共享更加简单，从WWW的任意一个节点，Interact用户只需利用浏览器，就可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图以及进行各种空间检索和空间分析。GIS将通过Interact成为公众服务的手段和社会最基本的信息服务之一，WebGIS也将成为今后GIS发展的主要趋势。基于WebGIS技术构建网上发布子系统还值得深入研究。

2.2 GIS数值模拟

目前应用的GIS软件大多数以数据库为核心。而今后应特别加强对应用模型、模型管理技术及应用模型与GIS之间集成技术的研究，形成以模型库为中心的GIS。这些众多的应用模型(包括预测模型和决策模型)可以为改造世界提供直接有用的信息，使GIS升华为一个强有力的决策支持系统，促进资源、环境、经济和社会的协调发展，实现人类社会系统和自然物质系统的协同演进和可持续发展。这既是研究和应用GIS的出发点，也是研究和应用GIS的最终归宿，尤其是基于GIS、RS的分布式模型研究。与GIS相比，RS所具备的宏观性、综合性、动态性和多源性等特性，使能够被应用于资源调查、环境监侧、城市规划等领域[7]。如何将现有的各类计算方法和软件逐步过渡到以栅格为计算空间单元的分布式模型上来，充分利用RS动态监测信息和GIS空间数据管理功能，实现排水管网数值模型与GIS、RS的集成。

2.3 发展多维GIS技术

在城市给排水系统的应用上，已在原有的 2D-GIS软件的基础上又开发了满足实际需要的3D-GIS产品[8]。随着3D-GIS的发展，还将会出现4D-GIS，即在三维的基础上加上时间序列。为充分满足需要，这种时间数据获取能力应该与3D模型相结合，问题的彻底解决则需要在3D-GIS技术成熟之后，再发展成为四维GIS。随着计算机与空间技术的进步与发展，GIS将由各自独立的系统走向兼容与集成，从二维走向三维和四维，从单机走向网络。

3 结语

未来的GIS技术发展将使其在给水排水中应用更加广泛。主要有以下几个方面。

1）将神经网络、模糊控制理论和专家系统与GIS集成，建立专家地理信息系统。这对于降低一些系统额外开支具有重要作用，同时也将极大提高系统性能。

2）将GIS扩展至多维分析，可能对于某些特定应用有帮助，但需要更复杂的计算和更大的数据存储量。3）3S（RS、GIS、GPS）的集成将进一步完善并建成具有公共参照系的共享地理数据库。

4）随着多媒体技术本身的发展，多媒体功能将在GIS系统中体现。

5）随着网络技术的发展和信息高速公路的建成，基于分布式计算环境的GIS将应运而生。

总之随着计算机技术与通信技术的完善，GIS在城市排水中的应用将广泛地集成GIS技术、多媒体技术、CAD技术与人工智能（AI）技术。

[1]区永和，陈爱光，王恒纯.水文地质学概论[M].北京：地质出版社，1988.

[2]靳孟贵.农业水资源环境相互协调的可持续发展[M].武汉：中国地质大学出版社，1999.

[3]李青元.真三维GIS技术研究的现状与发展[J].测绘科学，2000，（2）：47-51.

[4]袁国斌，胡 达.GIS在城市排水管网中的研究应用[J].计算机工程与设计，2004，25（7）：1111-1113.

[5]张宏伟，储诚山.GIS支持下的给水管网闸门优化调度[J].中国给水排水，1999，（2）：57-60.

[6]B.J.Lee，R.J.O.Glover.Evaluation of the Impact of Different Sewage Treatment Processes on Shellfishery Pollution Using a Geo-graphic Information System(GIS)[J].Wat.Sci.Tech，1998，38（12）：15-22.

[7]甘 来.RS与GIS技术在城市环境规划中的应用——以福建宁德市生态环境保护规划为例[J].当代经济，2007，（6）：122-124.

[8]姜小轶，孙运生.三维地理信息系统(3D)GIS)的发展现状及趋势[J].世界地质，1998（4）：58-62.

□王 欢、王 磊/天津创业环保集团股份有限公司。

TU992.4

C

1008-3197（2013）06-62-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.06.025

2013-10-31

陈迪嘉/男，1978年出生，工程师，天津创业环保集团股份有限公司，从事污水处理技术管理工作。