毕业设计论文基于GIS的郑州水利设施服务空间分析.docx

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毕业设计论文基于GIS的郑州水利设施服务空间分析

郑州师范学院

毕业论文（设计）

题目基于的郑州水利

设施服务空间分析

姓名

学号

院系地理与旅游学院

专业地理科学

年级班级12地理科学班

指导教师

2016年5月10日

毕业论文（设计）作者声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

本人完全了解相关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。

同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。

本毕业论文内容不涉及国家机密。

论文题目：

基于GIS的郑州水利设施服务空间分析

作者单位：

郑州师范学院地理与旅游学院B12地理科学班

作者签名：

目录

摘要：

1

1.研究背景2

1.1研究意义2

1.2国内研究现状2

2.郑州市主要水利设施发展历史及现状3

2.1郑州自来水历史状况3

2.1.1建国初期3

2.1.2改革开放时期3

2.1.3近期改建完善及运营状况3

2.2目前我国现行的《城市居民生活用水量标准》4

2.2.1居民生活用水概念4

2.2.3各区用水量标准5

3.郑州水利设施服务影响因子选取6

3.1郑州市水利设施空间分布及其特点6

3.2郑州市水利设施服务及影响范围因子选取8

4.空间缓冲区分析方法有关理论和算法10

4.1空间缓冲区分析的基本概念10

4.1.1点缓冲区10

4.1.2线缓冲区10

4.1.3面缓冲区10

4.2空间对象缓冲区实现的栅格法原理10

5.郑州市水利设施服务范围及影响空间分析与评价11

5.1郑州市地形及水源分布概况11

5.2郑州市主要供水水利设施分析11

5.3不足13

6.郑州市水利设施发展展望13

6.1南水北调以后，郑州迈进“双水源城市”14

6.2新建新水厂改建旧水厂14

6.3新建水源14

参考文献15

致谢16

基于GIS的郑州水利设施服务空间分析

摘要：

随着经济的快速发展，我国城市化以及城镇化步伐的加快，城市供水问题日益突出，而城市附近水域和水利设施更是城市的重要水源，对于城市的发展尤为重要。

郑州作为中原的大城市，问题尤为突出，为了促进人们对郑州水利资源现状的了解，更好的利用水利资源，促进水利设施建设。

本文在传统的水利服务影响评测方法基础上，从郑州水利设施服务影响范围的多维度多因子作出综合性评价因子，进行空间缓冲区分析，再通过ArcGIS对郑州市各水利设施的服务影响范围作出分布图，更加直观的让人了解郑州水利设施服务影响范围。

最后对郑州水利设施的未来发展进行了深入讨论和展望。

关键词：

水利设施；服务范围；空间缓冲区分析；郑州市

ServiceofWaterConservancyFacilitiesSpatialAnalysis

BasedonGISinZhengzhou

Abstract:

Withtherapideconomicdevelopment,theacceleratedpaceofChina'surbanizationandurbanization,urbanwatersupplyisbecomingincreasinglyprominent,andcitynearwaterandirrigationisthemainwatersourceofthecity,isparticularlyimportantforthedevelopmentofthecity.ZhengzhouZhongyuancities,especially,inordertopromoteunderstandingofthepresentsituationofwaterresourcesinZhengzhou,andbetteruseofwaterresources,promotingtheconstructionofwaterconservancyfacilities.EffectswaterservicesbasedontraditionalmethodsbasedontheZhengzhoucitywaterconservancyfacilityservicesscopeofmultidimensionalfactorsofmulti-factorcomprehensiveevaluation,analysisofspatialbuffer,thenthroughArcGISscopeofserviceimpactonthewaterconservancyfacilitiesinZhengzhoudistribution,waterconservancyfacilitiesinZhengzhou,moreintuitivetoletpeopleknowtheirinfluence.Finally,haveain-depthdiscussionsonthefuturedevelopmentofwaterconservancyfacilitiesandprospectsinZhengzhou.

KeyWords:

Waterconservancyfacilities;Servicerange;Spatialbufferanalysis;CityofZhengzhou

1.研究背景

1.1研究意义

“十三五”规划提出“生态环境质量总体改善”的目标。

城市的水域及水利设施是生态环境质量改善的关键所在，随着经济的快速发展，城市化步伐的加快，城市供水问题日益突出。

而城市附近水域又是城市的重要水源，城市水利设施建设对于城市的发展就显得尤为重要。

随着GIS技术的发展与应用，GIS在区域水利的空间分析也取得了重大进展，空间分析对于生产生活的指导作用日益突出，不少专家学者利用GIS研究了城市的物流配送，智慧城市建设现状和空间分析例如：

清华大学朱姝婧的《基于GIS空进分析的物流配送研究》；华东师范大学顾成城的《中国的智慧城市建设及空间分析-以上海市为例》。

也有不少学者对空间分析的算法进行了过分深入的研究，或是智慧城市建设的顶层设计理论研究，但很少有学者利用GIS对城市的某一领域功能体系进行研究，GIS对于城市水利设施服务半径及影响范围的空间分析再现功能将对水利企业发展现状和市政规划提供重要依据和技术支撑。

现代科学技术水平快速发展，遥感影像为GIS提供了及时空间数据信息，尤其是空间目标的位置坐标信息，已成为GIS的重要数据来源。

获取实时的遥感数据，例如郑州水利设施的空间分布以及日生产能力，覆盖范围，管网长度等属性信息，再与GIS平台结合对城市主要水厂空间分布，综合供水能力进行数理统计分析再现，对城市水利与环境设施进行评价，这将对城市淡水供应、企业发展、人居环境等方面的提升发挥重大作用。

1.2国内研究现状

目前国内较早提出GIS在水利现代化中应用的是魏立飞和文正敏教授，两位教授重点阐述了优化模型参数，使信息可视化，利用GIS的空间数据管理能力和空间数据处理分析能力为各类应用模型提供数据，最后分析和展望地理信息系统技术在现代水利应用的中发展趋势；在空间分析方面，李家群教授在《水利水电工程施工场地空间冲突分析》一文中阐述了水利水电工程主要在施工空间中的应用，其论文重点阐述考虑为避免空间冲突所进行的空间分析，通过分析不同的施工空间，利用GIS对施工空间的分析功能，进行输出可视[5]；在空间分析及优化算法方面，河南大学侯景伟博士以现实实例-河南省镇平县为例，分析了水利资源空间优化配置模型，利用其研究的蚁群算法，解决了水力资源空间优化配置问题，并在《ACA与RS-GIS耦合的水利资源优化配置》一文中做了详细阐述[6]；在地图制图与输出可视化方面，长安大学宋斯阳博士在《水利枢纽数字水利信息系统的分析与设计》一文中，主要阐述了当代GIS领域先进的理论成果，这些成果得益于计算机图形学，计算机科学，现代数学，遥感航天和摄影测量技术的发展，系统的论述了三维可视化中的地形地物三维可视化理论，三维空间数据结构以及空间查询技术。

[9]

2.郑州市主要水利设施发展历史及现状

2.1郑州自来水历史状况

2.1.1建国初期

建国初期阶段，郑州市各方面发展还处于刚起步阶段，日供水能力仅为3000m³，主要水利设施仅有解放路深井两眼，150m³容量圆形水塔一个，120m³地下式蓄水池两座，市区公共供水站24个，自来水输送管道总长度也仅有12.8公里。

2.1.2改革开放时期

随着经济的快速发展，人口增涨较快，为满足郑州市不断增长的供水需求，郑州市于1976年先后建设了花园口水厂、白庙水厂、石佛水厂、东周水厂四座水厂，除了新近建造的东周水厂外，自建成的50多年来，其他3个水厂都经历了多次大的改造和扩建，与此期间自来水总公司贷款融资6.76亿元，充分利用沿黄河地下水资源，以及凿井118座，先后建成了出水水质优良的东周水厂和石佛水厂，在一定程度上满足了郑州市人民的生产生活需要。

在2003年，自来水总公司又贷款6000万元，对柿园水厂蓄水池、吸水井、滤池、机电房、送水泵房等与供水水质和安全紧密相关的主要设施、设备进行修整改造，经过改造后，柿园水厂的出水水质也得到较大改善。

通过精细化的水质管理制度建立和实施，柿园水厂供水水质的安全性、稳定性不断得到提高。

由于年代久远，城区一些早期铺设的老旧管道材质较差，改建难度较大，老旧供水管道还是会影响水质。

2.1.3近期改建完善及运营状况

近几年来，郑州市自来水总公司加大管网改造力度，每年都要投资数千万元，对旧管网及老城区、供水管网末梢区进行有计划地改造，改建工程主要更换新的优质输送管道，郑州市自来水总公司后期又兴建邙山输水干渠，实施明渠改暗管工程。

工程历时两年，敷设2～2.4米的大口径管道17公里。

该工程完工后，实现了郑州市的明渠沿线工程，柿园水厂便可通过管道得到黄河原水，原水污染指标平均下降30%，解决了水厂原水污染问题。

截至2008年12月底，郑州市的自来水日供水量由最初70年代的每日3000立方米增加到现在的107万立方米；供水面积由原来的15.7平方公里扩大到现在的302平方公里；管网长度由最初的12.48公里增长到现今的2220公里；供水人口从起初的20.5万人增加到现在的326.5万人；企业固定资产原值也从最初的72万元增加到19.32亿元。

表-1目前水厂运营状况

现状

2010

2015

备注

现有供水能力

107

107

107

柿园水厂

37

37

37

中法供水

36

36

36

石佛水厂

10

10

10

东周水厂

20

20

20

井水厂

4

4

4

补压或地表水紧张时供水

新增供水能力

30

55-75

龙湖水厂

 10

10

20

贾寨水厂

 20

20

40

桥南水厂

 5

 5

5

收购兼并

30-50

总供水能力

137

182-202

2.2目前我国现行的《城市居民生活用水量标准》

2.2.1居民生活用水概念

1、居民生活用水指：

居住在城市，以公共设施为供水来源，以家庭为用水单元的城市居民用来维持日常生活所使用的城市供水部分。

[19]

　　2、该用水标准核定城市居民生活用水时，对于短暂流动的人口不考虑在内，对于外来流动人口，按居住地进行用水量进行核准。

[19]

2.2.2日用水量概念

1、城市居民每人每天生活用水量平均值计算单位。

下表列表中的单位是“L/人·d”，该单位是以一个月作为考核周期，一个月内居民生活用水量的计算出来的平均值。

[19]

　　2、以日用水量为基数，每个年度按365天计算，可按平均每个月为30.4天核算月度用水量，一年12个月中各月天数不一样，有大月和小月，如果以月度或季度作为用水量考核周期时，可用此平均天数计算，避免按实际天数核定的繁琐。

[19]

2.2.3各区用水量标准

本条按照地域分区给出了城市居民生活用水（以下简称居民生活用水）量标准

　　1地域分区原则：

我国地域辽阔，地区之间各种自然条件差异甚大。

本标准在分区过程中参考了GB50178—93《建筑气候区划标准》，结合行政区划充分考虑地理环境因素，力求在同一区域内的城市经济水平、气象条件、降水多少，能够处于一个基本相同的数量级上，使分区分类具有较强的科学性和可操作性，因此划分成了六个区域。

即：

　　第一区：

黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古

　　第二区：

北京、天津、河北、山东、河南、山西、陕西、宁夏、甘肃

　　第三区：

湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海、浙江、福建

　　第四区：

广西、广东、海南

　　第五区：

重庆、四川、贵州、云南

　　第六区：

新疆、西藏、青海

本标准参照“GB50178—93标准”在一级区中将全国划为7个区，其中重点是将青海、西藏、四川西部、新疆南部划出一个区，新疆东部、甘肃北部、内蒙西部又划出一个区，其他五个区范围与本标准基本吻合。

[19]

　　表-2居民生活用水人均日用水量区域分类统计表

分区

三年均值

2000年均值

A类均值

B类均值

C类均值

总均值

一区

110

107

46

104

155

101

二区

113

114

66

98

187

117

三区

157

154

122

152

249

174

四区

259

260

151

227

240

206

五区

122

126

67

112

135

105

六区

96

106

101

158

212

146

平均值

143

145

92

142

196

142

表-2中调查的A、B、C三类均值分别代表三种不同住宅类型的居民生活用水，从图表中的数据可以明显看出三类型的居民用水量依次增高。

各列数据反映了不同住宅类型的用水设施和条件的三种类型，以及2000年时的用水均值、以及近期三年用水均值，三种典型户居民的用水状况，具有较强的概括性和代表性，既反映了近期历史用水状况也反映了当下用水状况，与此同时也将中国不同区域的用水量差异反映出来，体现出了中国地带性差异。

[19]

3.郑州水利设施服务影响因子选取

3.1郑州市水利设施空间分布及其特点

目前郑州市现有供水能力的水厂主要有四座，分别是柿园水厂、中法水厂、东周水厂、石佛水厂，其空间分布位置及主要覆盖范围如图1所示：

郑州市四水厂供水分区图3-1

由图1可以看出，郑州四座水厂的空间分布位置及其供水范围分部情况。

经BIGEMAP统计郑州市各区面积数据，以及郑州水务局公布各水厂运营数据，整理得到：

（1）其中柿园水厂：

日生产能力37万吨/d，主要覆盖范围郑州市中原区、二七区，覆盖面积：

中原区197.775平方公里，二七区159.339平方公里，合计总面积：

357.114平方公里，服务居民数100万户；

（2）中法水厂（白庙水厂）：

日生产能力36万吨/d，主要覆盖范围郑州市惠济区、金水区，覆盖面积：

惠济区：

229.672平方公里，金水区246.151平方公里，合计总面积475.843平方公里，服务居民数100万户；（3）石佛水厂：

日生产能力10万吨/d，主要覆盖范围郑州市高新区，覆盖面积110平方公里，服务居民数量27万户；（4）东周水厂：

日生产能力20万吨/d，主要覆盖范围郑州市管城区，覆盖面积管城区198.998平方公里，服务居民数55万户；还将新建：

龙湖水厂日生产能力10万吨/d，覆盖范围郑东新区北部，覆盖面积：

115平方公里，覆盖居民数27万户；贾寨水厂，日生产能力20万吨/d，覆盖居民数55万户；桥南水厂：

日生产能力5万吨/d，覆盖范围：

市区北部桥南新区，覆盖居民数14万户。

3.2郑州市水利设施服务及影响范围因子选取

根据郑州各水厂的主要运营数据，本论文选取了几项主要指标：

1、日生产能力2、覆盖面积3、覆盖居民数作为水利设施服务及影响范围因子。

通过应用多元统计分析中的系统聚类法对各水厂进行多维度聚类分析，得到合并聚类图，进而得到各水厂先后被合并的顺序，也即各水厂综合服务影响力大小，进而依据指标作出郑州市各水厂综合服务影响力范围图，对企业发展，市政规划，水利设施建设提供依据。

聚类分析：

聚类分析一般来讲就是相似像元的集合，又被称为群分析。

它是对研究目标进行分类的一种多元统计方法。

[17]

系统聚类法：

系统聚类法主要思想是对同类事物进行分析，通过对同类事物不同个体间的多维度量化指标进行数理统计分析，确定不同个体间差别，首先需要确定类与类之间的距离，设定设有个a样品，每个样品测得b项指标，初始将a个样品看成a个类，然后进行数理统计分析将距离最近的两个样本合并成为一个样本，并计算该样本与其它样本的类间距，再按最小距离准则，合并归为一类。

这样每次合并一类，经历a-1次就可以合并完成，形成一类。

这个并类过程可以用谱系聚类图形象地表达出来，同时也可以看到每个样本先后被合并的顺序，间接反映出每个样本与其他样本的差别。

[17]

表-3郑州市水厂主要指标

水厂名

日生产量

覆盖范围

服务居民数

柿园水厂

37万吨/d

357.114平方公里

100万户

中法水厂

36万吨/d

475.843平方公里

100万户

石佛水厂

10万吨/d

110平方公里

27万户

东周水厂

20万吨/d

198.988平方公里

55万户

龙湖水厂

10万吨/d

115平方公里

27万户

贾寨水厂

20万吨/d

55万户

桥南水厂

5万吨/d

市区北部桥南新区

14万户

经系统聚类法，上表-3郑州市主要水厂经系统聚类生成如下表所示：

表-4聚类表

阶

群集组合

系数

首次出现阶群集

下一阶

群集1

群集2

群集1

群集2

1

3

5

25.000

0

0

2

2

3

4

7937.984

1

0

4

3

1

2

14097.575

0

0

4

4

1

3

27317.832

3

2

0

经系统聚类法，上表-4郑州市主要水厂系统聚类谱系图如下图3-2所示：

系统聚类谱系图3-2

郑州市现有供水能力的四座水厂分别是：

柿园水厂、中法水厂、石佛水厂、东周水厂；新增水厂：

龙湖水厂。

从上图可以明显可出郑州市主要水厂有七座，但因桥南水厂和贾寨水厂两座新增水厂的覆盖面积数据不全，所以在进行聚类分析时无法参与系统聚类分析，在谱系图上也没有两座水厂的聚类合并过程。

在上面的谱系图中，最初5座水厂分别成为5个小类，聚类分析的类间距为5，在开始合并过程中，第一个被合并的是龙湖水厂，其次是石佛水厂，再次是东周水厂，再次是中法水厂，最后是柿园水厂。

由于合并是依据每个水厂的1、日生产量2、覆盖面积3、服务居民数三项指标，依据系统聚类原则和算法而进行的综合样本间系统聚类分析，因此其合并顺序也就是水厂综合服务能力的排序。

根据合并聚类的顺序，可以得出郑州市主要水厂的综合服务能力排序是第一位：

柿园水厂，第二位中法水厂，第三位：

东周水厂，第四位：

石佛水厂，第五位：

龙湖水厂。

在上表中也不难看出五个样本个体间：

龙湖水厂与柿园水厂差距最大，东周水厂与石佛水厂差距最小，基本可视为一类。

4.空间缓冲区分析方法有关理论和算法

4.1空间缓冲区分析的基本概念

缓冲区分析指针对区域内的目标地物，在他们周围建立一定范围的缓冲区域，用来识别这些目标地物对周围区域的辐射范围或影响力，以便为政府市政规划或者企业决策提供相关依据。

4.1.1点缓冲区

针对区域内特定的点状地物，例如：

工厂、学校、医院等，以这些目标地物为中心，按照给定的缓冲区半径距离作出缓冲区域，形成缓冲区图层。

4.1.2线缓冲区

对区域内特定的线状地物，例如：

管网、河流、道路等，以这些目标地物的中心线为界，按照给定的缓冲区半径距离作出缓冲区域，形成缓冲区图层。

4.1.3面缓冲区

对于区域内的面状地物目标，例如：

森林、耕地、湖泊等以这些面状地物的边缘为界，按照给定的缓冲距离作出缓冲区域，用来确定面状地物的影响范围或是辐射范围

4.2空间对象缓冲区实现的栅格法原理

本篇毕业论文对于郑州市主要水厂的综合影响力范围图，是基于点状地物的缓冲区分析。

从地理信息系统的角度，缓冲区分析的基本思想是确定研究目标的对周围邻近物的辐射范围和影响度。

图学形态学中的基本运算有膨胀算法，其定义为：

A⊕B={a:

 （-B+a）∩ A≠Φ}  

上式表示把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba击中A（即Ba与A的交集不为 空），记下这个a点。

所有满足上述条件的a点组成的集合称做A被B膨胀的结果。

图2.4中A表示的大长方形是被处理的对象，B所示的小正方形是结构元素，原点指定为B的中心。

不难知道，对于任意一个在阴影部分的点a，Ba击中A，所以A被B膨胀的结果就是那个阴影部分。

阴影部分包括A的所有范围，就像A 膨胀了一圈似的，这就是将这种算法称为膨胀的原因。

[20]

空间对象缓冲区的膨胀生成算法原理：

点目标 P 的缓冲区：

以 P 为点生成元,借缓冲距 E 规定像元加粗的结构元 

 素,然后进行像元的膨胀。

5.郑州市水利设施服务范围及影响空间分析与评价

5.1郑州市地形及水源分布概况

郑州市区地形整体特点是：

西部和南部较高，郑州市西南部是嵩山山脉，西北部有邙山区，北部是黄河湿地和黄河滩，地势较为地平，东部地势也较为地平。

郑州市区主要水源：

市区西南部主要有常庄和尖岗两座水库，且主要是作为柿园水厂和中法水厂的水源，二七区主要有金海水库，由于水量和水质原因尚不能作为水源，北部主要依靠黄河滩地表和地下水作为水源，同时也是石佛等水厂的重要水源。

5.2郑州市主要供水水利设施分析

下图是郑州市现有四座供水厂的综合辐射影响范围示意图，其主要是依据郑州市水厂日生产量、覆盖面积和服务居民数量，作出的综合影响力大小范围图。

郑州市水厂空间分布及水厂综合影响力大小缓冲区图如图5-2所示：

水厂空间分布及水厂综合影响力大小缓冲区图如图5-2

从上图5-2可以看出郑州市现有供水能力的四座水厂是：

柿园水厂、中法水厂（白庙水厂）、东周水厂、石佛水厂。

从空间位置上看，这四水厂整体上大致位于郑州市东南西北四个方向上。

1、其中柿园水厂是郑州市最大的净水厂，其厂区占地面积为14万平方米，日供水能力达38万吨每天，主要担负着郑州市京广路以西的城市供水任务，占全市供水量的百分之五十以上。

且具有充足的水源供应原水，柿园水厂以黄河水为主要水源，尖岗、常庄两座水库为辅助水源。

2、中法水厂空间位置较为接近城市中心，中法水厂供水区域为北四环、中州大道、航海路、京广快速路，涵盖200多万人。

中法水厂供水水源为黄河滩地下水和黄河地表水，常庄水库和尖岗水库作为备用水源，形成了以黄