淺談GIS在震后供水系統(tǒng)的應(yīng)用

(華北理工大學(xué)　河北　唐山　063200)

引言

地震引起建筑物、工程設(shè)施和社會(huì)系統(tǒng)等破壞，為生命安全、國(guó)家資源、自然環(huán)境都造成不可預(yù)測(cè)的損害，有很多大中城市位于地震帶上且處于強(qiáng)震活躍期，發(fā)生大地震的可能性很大。在城市基礎(chǔ)功能中起重要用的生命線系統(tǒng)，包括電力，供水，天然氣，通信及道路，鐵路運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)。城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)是生命線工程之一，因此震后對(duì)供水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析具有及其重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外的地震經(jīng)驗(yàn)證明,在震后做好城市“避、救”方面研究震時(shí)啟動(dòng)的應(yīng)急預(yù)案的建議，當(dāng)一系列的突發(fā)災(zāi)難降臨時(shí),我們無(wú)法選擇逃避,應(yīng)做好面對(duì)災(zāi)難的準(zhǔn)備,特別針對(duì)不確定未來(lái)的自然災(zāi)難,我們更加需要預(yù)先思考生命線系統(tǒng)問(wèn)題。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)是獲取、處理、管理和分析地理空間數(shù)據(jù)的重要工具與技術(shù),自21世紀(jì)來(lái)，地理信息系統(tǒng)受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的青睞并迅速的發(fā)展起來(lái)。自然災(zāi)害分為很多種類，地震與空間地域密不可分,地震災(zāi)害屬于空間信息范疇,而城市的抗震救災(zāi)、災(zāi)后修復(fù)工作正是以城市錯(cuò)綜復(fù)雜的綜合地理以及紛紜的人文信息為基礎(chǔ)的,滿足了這種需求。由于GIS具有分析海量信息、借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)最新的軟、硬件功能的能力,使系統(tǒng)運(yùn)行速度更加快捷,數(shù)據(jù)交流更加通暢高效。把GIS應(yīng)用于抗震防災(zāi)中,可以運(yùn)用其對(duì)空間地理信息、生命線工程、建筑物及其他救災(zāi)設(shè)施的數(shù)據(jù)信息,從而來(lái)建立切實(shí)的數(shù)據(jù)模型并及時(shí)做出損失評(píng)估和救援方案,從而提高了救災(zāi)效率。

2011年3月11日，在日本東北地區(qū)發(fā)生了日本歷史上最嚴(yán)重的一次地震(Mw=9.0)，并引發(fā)了強(qiáng)烈的海嘯，此次災(zāi)難于日本社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了難以想象的損失，超過(guò)20000人在此次災(zāi)難中喪生,在各大的生命線系統(tǒng)中[2]，供水系統(tǒng)受災(zāi)損害程度最為嚴(yán)重，在受災(zāi)的各個(gè)區(qū)縣中，共有超過(guò)2000000家庭遭遇了斷水問(wèn)題，大規(guī)模的斷水對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和百姓生活都造成極大的困難。通過(guò)早先的市供水網(wǎng)絡(luò)，在這次地震后通過(guò)GIS進(jìn)行對(duì)該供水管網(wǎng)的破壞及恢復(fù)進(jìn)行分析，此次地震造成的供水系統(tǒng)全面癱瘓問(wèn)題，在震后一個(gè)月之后恢復(fù)了90%，通過(guò)GIS的空間數(shù)據(jù)模型對(duì)該消除地區(qū)的消除城市抗震薄弱環(huán)節(jié)，并給出供水系統(tǒng)全面、詳細(xì)的、相應(yīng)完善的措施。

葉耀先對(duì)公元18世紀(jì)以來(lái)世界上發(fā)生在城市中的14次強(qiáng)烈地震進(jìn)行了分析研究。從其研究可見(jiàn),18世紀(jì)到20年代中期,地震對(duì)人類造成的生命安全難以控制,地震死亡率非常高。而20世紀(jì)下葉以后,由于人類通過(guò)科學(xué)技術(shù)的研究及經(jīng)濟(jì)水平的提高，減輕地震災(zāi)害的能力日益增強(qiáng),地震的人口死亡率逐年快速下降[3]。由此可見(jiàn),只要認(rèn)真推廣應(yīng)用現(xiàn)有成熟的抗震防災(zāi)措施,研究并開(kāi)發(fā)確實(shí)有效的抗震防災(zāi)措施，就可以使地震災(zāi)害大為減輕。目前在國(guó)內(nèi),GIS也已經(jīng)廣泛運(yùn)用在在輸配水管網(wǎng)的日常管理,如上海、深圳、長(zhǎng)沙、唐山等城市[4]。天津大學(xué)環(huán)境工程系也曾應(yīng)供水企業(yè)的要求,以北京大學(xué)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的為實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)軟件,并建立了城市供水管網(wǎng)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)錄入、修改對(duì)管線及各種設(shè)施進(jìn)行了屬性查詢、空間定位以及定性、定量的統(tǒng)計(jì)、分析[5]。

通過(guò)大量地震災(zāi)害實(shí)例表明，在供水系統(tǒng)遭地遇震災(zāi)害過(guò)程后，保持破環(huán)狀態(tài)時(shí)間與破壞的影響范圍成正比，從而使供水系統(tǒng)的地震破壞造成的損失愈慘重。所以，當(dāng)城市供水系統(tǒng)遭受地震災(zāi)害影響時(shí)，GIS可以提高震害應(yīng)對(duì)效率，用最短的時(shí)間恢復(fù)其工作能力，把災(zāi)害造成的損失減少到最小。

二、供水震害及影響

地下管道的破壞形式主要有:

(1)管道接口破壞:如承插式管道接口的填料發(fā)生松動(dòng)，插頭脫出或是承口破壞;連續(xù)式鋼管在焊縫連接處開(kāi)裂，法蘭螺栓松動(dòng)等。

(2)管體破壞:如管體縱向或斜向裂縫，通過(guò)斷層的管體或小口徑管、銹蝕嚴(yán)重管體的折斷等。

(3)連接破壞:在三通彎頭、閥門(mén)以及管道與地下構(gòu)筑物連接處的破壞。

管道接口破壞是三類基本破壞形式中,最為常見(jiàn)的。例如,日本沖繩地震中,接頭拔出破壞占了破壞總數(shù)的75%。我國(guó)唐山地震中,接頭拔出破壞占了破壞總數(shù)的79%[6]。

城市供水系統(tǒng)的基本組成部分為地下管道，多次高地震烈度地震的震害經(jīng)驗(yàn)表明：地下管道極易遭受在地震破壞,從而會(huì)影響供水系統(tǒng)的功能性，使整個(gè)供水系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài),并伴隨著火災(zāi)等次生災(zāi)害的發(fā)生。

三、Map GIS在供水管網(wǎng)的應(yīng)用

地震災(zāi)害是不可預(yù)測(cè)并無(wú)法避免的自然災(zāi)害之一，不僅要做好災(zāi)害到來(lái)時(shí)的應(yīng)急措施，最主要的是要做好應(yīng)對(duì)災(zāi)害的準(zhǔn)備，提高城市供水管線的管理水平，建立供水管網(wǎng)的信息管理系統(tǒng)選用Map GIS為地理信息系統(tǒng)平臺(tái)[7]，系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存全城的管網(wǎng)圖形及其屬性信息，隨時(shí)更新數(shù)據(jù)，方便對(duì)管網(wǎng)的查詢與安全監(jiān)督。當(dāng)?shù)卣鸬葹?zāi)害發(fā)生時(shí)能夠第一時(shí)間找到供水系統(tǒng)的破壞源頭并及時(shí)修復(fù)；還能找出水質(zhì)污染源，有效控制水污染。經(jīng)廣泛調(diào)查與研究，供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)有以下功能[8]。

(1)區(qū)域內(nèi)地形圖的存儲(chǔ)管理和漫游，地形圖的局部修改和及時(shí)更新。

(2)供水系統(tǒng)各組成部分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。

(3)屬性統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)輸出功能。

(4)自然災(zāi)害及緊急事件事故處理和搶修工程功能。

(5)一般的管道工程輔助設(shè)計(jì)功能及管道維修管理功能等。