基于GIS 的市政道路排水系统优化设计研究

引言​

随着城市化进程的加速，市政道路网络不断扩展，排水系统作为保障城市正常运行的生命线，其性能直接关系到交通通行安全、居民生活质量及生态环境稳定。传统排水系统设计多依赖经验公式与静态规划，难以应对复杂地形条件、极端天气频发及城市空间动态变化带来的挑战，内涝灾害、管网老化、维护低效等问题日益凸显。

一、市政道路排水系统的组成与功能

1.1 排水系统的组成部分

市政道路排水系统是一个由多个关键设施协同运作的复杂体系，主要由雨水口、检查井、排水管道、泵站及出水口构成。雨水口作为排水系统的入口，通常分布在道路两侧路缘石处或低洼地带，多采用铸铁或混凝土材质，其格栅设计可拦截树叶、垃圾等杂物。检查井则是系统的 “节点枢纽”，沿排水管道间隔设置，多为圆形或方形井筒结构，顶部设井盖便于人员检修。排水管道是核心输送通道，按材质可分为混凝土管、HDPE 管等，依据管径大小和埋深形成层级网络。泵站作为动力装置，多建于地势低洼或管道输送压力不足的区域，由水泵、集水池等组成。

1.2 各部分的功能及相互关系

各要素组成要素之间的收集 - 输送 - 调控 - 排泄的逻辑连接。雨水口的作用主要是迅速承接道路上的汇水，其位置的设置与道路的纵坡及汇水面大小有直接关系；检查井一方面起到连接排水管道的作用，另一方面可以供疏通管道、维护检修和监测排水量的作业，井内管流通过井壁上的流槽导向；排水管道对水的输送功能，主要通过重力流或压力流实现，排水管道根据管径不同形成“主干 - 次干 - 支管”的分工布局，保证其依次汇集；如果水体到达一定高度仍不能自流排放，则需要利用泵站提升水面，以提供排水动力。

二、GIS 技术原理与功能

2.1GIS 技术概述

地理信息系统 (GIS) 是以地理学、计算机科学和遥感技术为手段，对地理空间数据进行采集、存储、分析、表示的一种空间信息的综合处理系统，它是对地学信息数据进行采集、存储、分析、可视化，并且是科学研究过程中的智能工作平台。1960 年加拿大推出的第一个 GIS 系统，GIS 从最初仅仅对于数据的简单管理，成长为一种带有复杂空间构造算法的智能性系统平台。

2.2 GIS 的数据类型与数据结构

在 GIS 中，所处理的数据包含空间数据、属性数据两种类型。空间数据是对地理实体的空间位置、空间形状等信息的描述，可分为矢量型数据与栅格型数据两种：矢量型数据通过对离散地物采用点、线、面等几何要素进行描述；而栅格型数据是对连续的地面进行数学格网表示的单元化数字描述，由整个格网组成。而结构是组织数据的逻辑方式，拓扑型数据结构是对实体之间连通、包含等进行描述，使得在 GIS 数据结构中空间分析合理有效，非拓扑型数据结构对结构的要求比较宽松，侧重于数据的存储，这两种数据结构可以根据需要分别选用，从而进一步支持对地理复杂现象的表达。

2.3GIS 的主要功能

地理信息系统的关键技术是空间信息分析处理技术。地理信息系统数据的采集和输入，能够进行不同渠道信息的接收，并通过数字化、遥感解析等将现实的地理实体空间形态以数值数据储存；地理空间信息的存储与管理，能够运用空间数据库技术将大量的数据信息进行管理，以提高信息的完整性及统一性。空间分析是地理信息系统技术的核心，叠加分析能够集成不同层之间的数据信息，从而发现深层联系，缓冲区分析能够制定出地理实体影响的区域，网络分析能够实现路径分析与资源的调配分析。

三、基于 GIS 的市政道路排水系统数据采集与优化设计

3.1 数据需求分析

道路排水模型所需的多源数据和应用目的主要是基于排水过程全要素方面考虑，包括地形数据作为道路排水排水系统的框图，包含道路附近地形高程、地形坡度、坡向、地形坡度面；水文气象数据作为模型排水计算依据，包含降雨历时、降雨强度、重现期，不同降雨强度对应的重现期存在不同的计算关系；排水管网作为道路排水排水系统血管图谱，即包括道路排水管网空间位置坐标数据，涵盖道路排水管径、排水管道埋深、材质、连接方式、检查井、雨水篦子信息的收集，进而提升对城市区域排水管网排水能力的设计精度，包括各类排水方式综合工程效益分析；周边环境数据包含该路段土地利用、周围建筑物密集度及排水管排水渠道网分布，不仅在排水功能层面反映城市区域道路排水系统管网的可达性，更影响城市区域中道路排水管线与其他市政附属设备在空间上的错综复杂关系。

3.2 数据采集方法

勘察工作从数据来源的角度出发，在选取技术路线时，结合地形特点和工程建设过程实际，可从卫星遥感、飞机航测、激光雷达与管网探测设备采集、手工或原有数据调用等方式进行综合考虑。首先通过管道探测设备获取涉及的管网埋深、检查井的坐标、测量数据，为管道、检查井等设施与空间定位相关数据的准确性提供了保障；在新区等重点区域，难以依靠现场实地采集的数据来掌握较为准确的地形地貌信息与土地利用信息时，通过遥感影像直接读取或解译地表覆被类型信息和地貌高程信息，以提升数据采集的效率；通过咨询相关部门，从市政档案中对以往的城市管线、道路设计方案等图纸、资料进行调取、核对和梳理，更新成数字图纸、图表，整理转化为 GIS 所能接受的图件格式；在建设过程中，通过雷达设备和终端实时、及时获取地表、地下相关雨量、排水数据，并对设施管网运行状态进行监测，提供真实可靠的数据；将上述诸多方法相组合，可对各种不同数据来源的采集精确度进行区分，以在保证精度的前提下完成数据采集效率的调控。

3.3 数据预处理

首先需要对原始数据进行梳理，数据清洗用于异常值清除以及实地核对修正误差；格式转换用于解决多源数据兼容不一致的问题，将矢量、栅格数据转换为GIS 平台支撑标准格式，并将地理坐标进行统一化，使空间位置保持一致；数据插值则用于离散数据存在的空间漏洞，对降雨量、地形高程等连续型数据采用空间插值算法构建其连续分布的表面，增加分析的空间连续。

3.4 基于 GIS 的数据库建立

数据建库要实现对空间数据和属性数据的综合管理。秉承规范的设计理念，依据给水排水系统的实际情况进行数据分层，每一个图层均对应一个数据表，将实体的数据属性存储在属性表中；空间数据库使用矢量模型存储数据的空间坐标与实体的几何形状，以空间索引来访问数据以提高检索的速度，属性数据库用关系数据库，通过标识唯一实体的记录与空间数据库连接，完成图形 - 属性的相互检索，对于数据的管理需要设置访问控制和更新机制，保证了数据的安全性和及时性。

结语

本文结合 GIS 及排水设计理论技术，实现数据到方案的设计全流程技术方案的构建，检验了 GIS 在提升排水质效、减少资源浪费的价值。结果显示，多种数据的融合及空间分析的交互能够提高规划设计的科学程度，不过模型适应极值天气的条件尚未建立，将人工智能、物联网技术应用其中，可实现实时优化和智慧管控，用以提升城市水安全。

参考文献

[1] 高林伟 . 市政道路排水系统的设计要点和优化措施 [J]. 四川水泥 ,2022,(10):92-94.

[2] 仲星颖 . 分析市政道路排水系统优化设计 [J]. 居舍 ,2018,(12):81.