在城市供水管线更新维护实践中,若按照管材、直径和建设年代等物理属性划分的改造管线组,相同管线组内通常包括许多在空间上分散、长短不一的孤立管线,更换这些管线需要频繁的服务中断和额外的资源维修成本。本研究提出一种基于空间聚类划分管线组的管线优化改造框架,目的是减少更换方案中分散的孤立管线数。该框架根据管线破损点的空间自相关分析划分空间网格,然后将网格内的管线进一步按管径分组,构成待更换的候选管线组;利用基因表达式编程方法和管径、管龄和管长属性参数建立管线破损数失效模型,预测管线组未来的破损数;以最小化破损数为目标函数,年度预算为约束条件,建立管线优化改造的数学模型。将本文方法应用于实例管网,对比了空间聚类、属性聚类、基于风险排序3种不同方法得到的管线更换方案;结果表明,与其他两种方法相比,基于空间聚类的方法将空间分散的孤立管线数分别减少36.7%和64.6%。该框架可为制定更具成本效益的供水管线改造方案提供参考。