供水管網風險評估模型研究

鄭寶中 董毓良 付明 許令順 凡偉偉 談正鑫

摘? 要：文章提出一種針對大型賽事供水管網安全運行風險評估模型。首先研究管道破損和管網各個因素之間的關系，分析供水管網發生破壞的可能性以及發生風險后的影響性，建立層次分析矩陣應用于供水管網風險評估模型。其次，將此模型應用到H市供水管網監測系統，為供水管網風險掌控和冬奧供水安全提供指導。

關鍵詞：供水管網;風險評估;評估模型;冬奧運動會

中圖分類號：TU991 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0044-05

Abstract： This paper presents a risk assessment model for the safe operation of water supply network for large-scale competitions. Firstly， the relationship between pipeline breakage and various factors of pipeline network is studied， the possibility of pipeline network breakage and the impact of risk are analyzed， and the AHP matrix is established to apply to the risk assessment model of water supply network. Secondly， the model is applied to the monitoring system of water supply network in H city to provide guidance for risk control of water supply network and water supply safety during the Winter Olympic Games.

Keywords： water supply network; risk assessment; evaluation mode; Winter Olympic Games

第24屆冬奧會將于2022年02月04日在北京和張家口舉行，冬奧會是國際性體育賽事。賽事期間，大量的國外運動員和隨隊官員將進入北京賽區和張家口賽區，供水生命線服務單位規模龐大;人員密度隨著賽事進度在時間和空間上的分布將變得異常復雜。因此，保證冬奧會期間供水管網的安全運行具有至關重要的作用。

如何科學的對供水管網安全運行進行評估實現供水管網安全、穩定運行仍是一項重要的研究課題。常用的評估方法是統計歷史發生的管網爆管、泄漏等事故，對事故進行分析。由于管網事故的數量有限，如果僅從數理統計方向考慮，不能全面的對管網風險進行評價。通過對引起管道風險的因素識別、分析，構建風險評估系統則可以較全面地判斷供水管道事故發生的可能性[1]。本文對影響管網結構因素進行分析，分析影響管網的風險因子，利用專家打分法，確定各風險因子的權重和評價標準，使用層次分析法，分析每條管網的風險分數，實現供水管網風險評估。

1 供水管網風險評估模型機理分析

通過對供水管網風險機理進行分析，分析管網發生破壞的可能性以及發生風險后的影響性。管網發生破壞的風險從管道自身存在的危險性和外界環境對管網的危險性進行分析，發生風險后影響性主要分析周圍附屬設施和管線服務的用戶類型和梳理、周邊其他管線。

1.1 管網發生風險的可能性

供水管網自身危險性指的是由于管道自有屬性和運行工況對管網造成破壞的可能性。對管網運行狀況和屬性的分析，建立管網自身風險因子體系，主要包括管材、管徑、管齡、壓力和維修記錄等。運行工況對管網造成破壞的可能性，主要包括管道埋深和管道地表負荷。

1.1.1 管材

造成我國供水管網漏水的因素中，管材問題一直被認為是主要原因。由于管道材質特性不同，管道發生破壞的可能性也不同。通過分析天津市供水管網不同材質的漏損情況，發現鍍鋅管、鑄鐵管和塑料管的漏損頻率遠遠大于其他管材，石棉管和水泥管的漏失率也較高，球鑄管、玻璃鋼管以及鋼管的漏失率相對較低[2]（如圖1）。

1.1.2 管徑

供水管道屬于壓力管網，管徑大的管道管壁較厚，能夠承受的較高的壓力。美國波士頓的調查發現，DN100-200管道占整個管網總長度的25%，但漏水點數占總漏水數的50%[3]。另外小管徑管道一般在管網末端，受到季節溫度和水錘效應的影響較為嚴重。

1.1.3 管齡

隨著管齡的增加，管道受到自然侵蝕越來越嚴重，管道破損可能性增加。通過分析天津市供水管道破損與其管齡的統計數據[4]，發現管齡在10年到20年管道發生破損呈上升趨勢，而管齡在20年以上為下降趨勢（如圖2）。

1.1.4 壓力

市政供水管網的運行壓力一般在0.3Mpa～0.5Mpa。管網壓力過高易造成閥門連接處、管道變徑處等管點發生破損。結合管網運行工況和本身屬性，對管網壓力進行分級，壓力高的管道破壞的風險也高。

1.1.5 維修記錄

供水管網破壞具有聚集現象。Goulter和Kazemi對管網破損事故進行時間和空間分析得出：管道維修后很有會在其附近發生相似的事故。這有可能是由于管網運行工況或者周邊環境對管網影響。一般城市的老城區發生管道破損事故聚集的情況要比新城區明顯[5]，維修記錄的次數能夠直接反應管網健康狀況以及可能風險的高低。

1.1.6 外界環境對管網的危險性

供水管網一般埋設在城市室外的地下。管道的埋設深度和地表負荷都會對管線造成一定的破壞。冬季氣溫較低，管道內的水結冰破壞管道。管道的埋設深度應在冰凍線以下，而實際中管網可能埋深過淺。地表負荷對管道產生的應力超過管道承受力，也會造成管道的破壞。過重的交通負荷和人車流量較大的區域管道受到破壞的風險較高。

1.2 管網發生風險后的影響

管道破損后，供水能力大大降低，接受用水的用戶將會受到低壓、斷水的風險。同時供水管網破損，泄漏的水流對周邊其他市政管道也會造成一定的危害，形成次生衍生災害。通過研究各管道服務的用戶數量、所在區域類型以及與其他市政管道的距離，分析管道發生破損后可能事故風險大小。

管線所處區域類型會影響管網破損后的影響嚴重程度。依據《城市用地分類與規劃建設用地標準》GB50137-2011對區域類型進行了劃分，如表1所示。

通過研究重要防護目標，耦合供水管網拓撲分析。利用水力學模型分析每條管道服務的區域和用戶。表2統計了合肥市重要防護目標的數量。

由于不同管線間鋪設距離較近，當管道破損后，流出的水會對周邊其他的管線造成一定的危害。往往單一的事件可能會造成不同類型的管線受到影響，因此需要將不同管線間的距離作為影響因素進行計算。

2 供水管網風險評估模型構建

利用上述供水管線風險發生的可能性分析和風險發生后的影響程度分析，根據風險矩陣法，風險值為風險可能性分值與風險影響度分值的乘積，即R=L×S。

2.1 構造層級

根據供水管道風險發生的可能性分析和風險發生后影響程度分析，將風險因子和要素進行層級劃分，如圖 3 所示。

2.2 權重體系確定

采用層次分析法對風險比重進行分析。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱 AHP）是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。這種方法的特點是在對復雜的決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特性的難于完全定量的復雜決策問題提供簡便的決策方法。方法過程如圖4所示。

2.2.1 確定兩兩因素相比的判斷值

在確定兩兩因素評判值之前，要建立層次結構圖，然后分別對每一層進行因素兩兩分析并建立判斷矩陣。建立評價矩陣時存在1～9這9個整數作為一個因素比較與另一個因素指標的相對重要度的標度。設fuj（ui）表示因素ui相對于uj而言的“重要度”的判斷值，其判斷值與確定方法如表3。

2.2.2 構造判斷矩陣

若因素ui和因素uj比較的標度fuj（ui）是aij，則因素uj和因素ui比較其重要程度為1/aij。對于供水管網后果嚴重度的評價問題來說，根據以上取值原則可以得到兩兩比較的判斷矩陣：=uij。

2.2.3 確定因素重要程度系數

得出判斷矩陣后，計算判斷矩陣每一行元素的乘積Mj，以及Mj的n次方根，Wi=，從而得到向量[W1，W2，…Wn]T，作歸一化處理后得到特征向量：

為了判斷結果是否合理，還要看所建立的判斷矩陣是否符合矩陣一致性。所以在得出權重矩陣后，要進行檢驗，檢驗過程如下。

（1）計算判斷矩陣的最大特征值：λmax=∑

（2）計算一致性判斷矩陣和平均隨機一致性指標RI：

CI=

對于1～9階的判斷矩陣，給出了RI的取值，如表4所示：

（3）計算一致性比率CR=，CR<0.1時，通過判斷矩陣的一致性檢驗，因此認為權重分配是合理的。

2.2.4 風險因子分數

依據供水管道風險因子分析圖，采用專家打分法對供水管網各個風險因子進行打分，包括管材、管徑、管齡、壓力、維修記錄、管道埋深和地表負荷。

2.2.5 風險影響度分數

依據供水管道破壞后可能產生的影響分析圖，采用專家打分法對影響因子進行打分，包括管網所在的區域類型影響、距離周邊管道影響和影響的用戶數量。

2.2.6 風險值計算

管網三級風險層管道自身風險分數為（A11、A12、A13、A14、A15），各個風險因子權重為（W11、W12、W13、W14、W15）;管道外部風險分數為（A21、A22），各個風險因子權重為（W21、W22）。管網二級風險層自身風險分數A1=∑A1iW1i;管道外部風險分數A2=∑A2iW2i;管道發生破壞后產生影響的分數為（A3、A4、A5），各個影響權重為（W3、W4、W5）。管網一級風險層管網風險可能性L=A1*W1+A2*W2;管網破壞后影響度風險S=A3*W3+A4*W4+A5*W5。則供水管道綜合風險R=L*S。

3 模型在H市的應用

3.1 H市供水管網基本情況

H市供水管網結構復雜，管材類型較多，區域人口密度大，管網服役年限長，具有典型的城市供水系統的特點。利用供水管網風險評估模型，對H市管網進行評估，研究區域內管徑200以上的有260km，供水管線數量為90873條，鋪設時間在10年以內的管道占總數的65.8%，10～20年的管道占總數的20.4%，20～50年的管道占總數的11.3%，50年以上的管道占總數的2.5%，供水管道的埋深集中在0.5～3m。

3.2 H市供水管網風險評估模型建立

依據管網的拓撲數據，和供水集團、相關行業專家共同研究，對供水管網風險因子進行評分（如表5-表14）。

采用層次分析法，通過與供水企業相關專家共同分析，建立各個風險因子的權重，如表15。

3.3 H市供水管網風險評估模型效果

利用上述模型方法對H市管網進行風險評估，結果表明管網風險分數較高的區域為老城區，主要原因是：（1）老城區管道鋪設時間長，管網老化嚴重，管網漏損率高。（2）隨著城市的發展，老城區人口密度越來越高，造成管網負荷過大。當管網進行維修停水時，涉及影響的居民較多。（3）老城區的供水管網周邊環境復雜。地表建筑物的施工、原道路的擴寬以及其他市政管網的鋪設可能造成管道的破壞，管網埋深達不到荷載要求，造成管網風險高。通過對管網綜合風險評估，使得管理者清晰直觀了解管網狀況，為管理企業制定科學維護改造計劃提供技術依據。

4 結束語

本文分析供水管網綜合風險的機理，利用H市供水管網進行研究，對管網風險實現主動控制，解決了當前供水管網運維低效、被動的問題。著眼于2022年冬奧會，結合相關賽事相關信息，分析評估冬奧會運行的供水管網生命線，保障冬奧會運營安全。

參考文獻：

[1]AL-BARQAWI H，ZAYED T.Assessment model of water mainconditions[C]. Chicago： Pipeline Division Specialty Conference，2006.

[2]郎鵬凱.基于GIS系統的城市供水管網漏損評價方法研究[D].太原理工大學，2010.

[3]連鵬.城市供水管網漏損控制的研究[D].天津：天津大學，2004.

[4]張鐵剛.天津市供水管網爆管折管分析及降漏對策研究[D].西安：西安建筑科技大學，2006.

[5]何芳，劉遂慶.供水管網爆管事故分析與對策探討[J].管道技術與設備，2004（5）：20-23.