谈供水管网爆管预警系统

陈辅强

(山西省建设信息中心，山西太原 030013)

0 引言

在我国城市供水系统中管线爆管事件时常发生，严重影响了供水服务和城市交通。而从爆管发生到发现再到抢修结束，这个时间段会给供水公司造成很大的经济损失，因此，城市中供水管网爆管已经成为供水公司的一个隐患，对建立和完善供水管网安全体系也构成了潜在的威胁［1］。所以，建立供水管网爆管预警系统，从而有效预测爆管事故，对城市供水具有重要的经济效益和社会效益［2］。

1 爆管的原因

1.1 管道因素

供水管网爆管的原因主要出自管网，主要包括以下几方面:

1)管道材质因素。管道材质与壁厚决定着管道的结构强度，强度越大则抗爆管能力越强。根据我国及发达国家多年来对管材漏损的统计经验，相同条件下，管材漏损率比较大小如下:灰口铸铁管＞球墨铸铁管＞镀锌管＞钢管＞塑料管。给水管材、阀门附件大都敷设在地下，而金属材质的管道在土壤中会受到周围介质的作用，其表面会发生化学或电化学反应，金属单质被氧化成化合物。则管道的强度、塑性、韧性等力学性能会显著降低，管材寿命也会缩短，发生爆管事故的可能性也会大大增加。

2)管道接口因素。通过对管道爆管维修情况的调查分析发现，当爆管发生在接口上时，大多数都发生在焊接的钢管接口和承插式管道的刚性接口上。对钢管施工时，绝大多数都是现场对焊，焊完后进行防腐，都是人工进行的，因此质量不好控制。而管道承插式刚性接口可挠性差，易传递侧向的力矩和轴向的拉力，当温度陡变或短时间内土质不均匀沉降时，就会引起爆管［3］。

3)管龄因素。目前我国许多城市的供水管网已经老化，以致漏损。资料显示有很大一部分爆管事故的发生，究其原因正是由于管段使用寿命大于其理论寿命，因此，采用合理的、经济的管网修复和更新策略，可减少爆管事故发生的可能性，以提高供水安全。通过建立合理模型和供水管道更换决策系统，预测供水管道更换时间，为在最佳时间更换管道及维修时供水调度作出合理决策。

4)管道施工因素。不规范的施工或是采用落后的施工技术以及质量差的施工会导致供水管网受到外力作用而发生爆裂，因此建议各地方要加强对供水工程施工的审批和巡查，加强施工管理，保证供水管网的施工质量，减少事故的发生。

1.2 供水管网因素

供水管网的优化调度，对爆管有很大的影响，主要有以下几方面:

1)水锤作用。水锤现象形成的压力是正常工作压力的2倍～3倍，往往对管段造成较大的破坏［4］。正水锤压强过高，引起管子爆裂，负水锤压强过低，经常会引起管子的凹陷。因此在施工和设计的过程中应注意水锤影响的消除，例如增大输水管管径，降低水流流速，增加水锤消除装置(调压室、气压罐、水锤消除器、缓闭止回阀等)可以从一定程度上减轻水锤的影响。

2)供水压力。压力过小无法满足用户水压要求，压力过大则对管材承压性能要求较高，且极易造成爆管，对供水企业来说也造成一部分的能量浪费。而且用户用水不均匀，居民用水变化很大，这要借助水泵进行调节，水泵频繁启动极易对管道造成破坏。因此在实际操作中，应尽量采用变频泵，水泵流量大小容易调节，也更节省能量。

1.3 外界自然条件因素

通过研究统计资料分析，外界自然条件因素对供水管网爆管也有一定的影响，主要有以下几方面:

1)土壤性质因素。德国燃气与水工业协会通过对100多家供水企业的调查研究表明，土壤性质是影响供水管网漏损的主要因素［5］。不同土壤的腐蚀性不同，管道沉降性能也不同，管道漏损被发现的难易程度也不一样。

2)地面沉降因素。近几年地面下降现象较多，桥面与路面严重高低错位，现状地面的布局与河道的分布走势已呈现不均匀性，导致过桥管网和普通供水管网因移位、折断、脱节而爆管［6］。

2 爆管预警系统的发展现状

2.1 基于GIS系统的爆管预警系统

GIS(Geographic Information System，地理信息系统)是以地理空间数据为基础，在计算机软件、硬件环境的支持下，通过对空间相关数据进行采集、存储、管理、操作、分析、模拟和显示，实时提供空间和动态的地理信息［7］。地理信息系统将图形管理和数据管理结合起来，不仅克服了传统数据库和图形系统固有的局限性，而且实现了二者优势很好的结合［8］，使其功能更加强大。

王玲玲和王滨等基于GIS系统，采用生存分析和贝叶斯定理建立爆管模糊预测模型，建立了爆管的缓冲区分析模型和关闸搜索分析模型，对爆管在空间的分布规律进行了分类和综合评价。该系统可为管网管理者提供爆管查询统计、空间分析和预测预警等快速、多层次、直观的信息，以保证管网供水安全［9］。

2.2 基于SCADA系统的爆管预警系统

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。

黄廷林和曹梅花等通过对管网测压点进行优化布置，利用SCADA系统监测到的供水管网爆管前后监测点的信息，同时对管网进行正常和爆管状态下的状态估计，根据整个管网爆管前后节点水压的变化，考虑各节点在管网中的权重，对监测点赋予较大的权重，用模糊相似优先比法快速准确地寻找爆管管段［10］。

2.3 危险率模型

危险率模型是由 Cox［11］提出的，随后 Andreou 等［12，13］深入研究了危险率模型。

王祎和田一梅等采用生存分析的方法建立了供水管网爆管危险率模型，提出了管道个体的概念，详细分析了选取模型变量的方法，并采用贝叶斯定理将变量分级，结果表示该模型有着较好的拟合效果和预测精度，可以有效地筛选出爆管危险率较大的管道［2］。

2.4 遗传程序模型

遗传程序设计(Genetic Programming，GP)是进化计算方法的一个新分支，由美国斯坦福大学的 JRKoza教授于1992年创立［14］。

刘俊和俞国平通过训练以管径为分类依据的不同样本，利用遗传程序设计建立了故障强度与管径、平均绝对压力、平均管龄和抗拉强度之间相关关系的爆管预测模型［15］。

2.5 爆管预警系统的不足

从我国国内现有的研究成果看，对供水管网自动化的研究方法还处在初级阶段，主要集中在爆管事故原因分析及控制措施、爆管预测模型、供水管道更新时间预测模型等。国内较多采用的是SCADA(监控和数据采集系统)，利用测压点反馈的信息模拟管网运行趋势面，通过对比管网正常工况和异常工况，通过对比残差图，综合用户情况，来确定是漏损还是用户用水量增加。当前，大多数城市仍然不能充分利用SCADA系统的信息进行爆管位置的检测，而只能停留在通过测压点水压的剧烈变化来判断爆管管段的位置，还未能建立起对供水管网进行实时检漏和检爆的有效方法，在遇到大的爆管事故时，仍难以及时找出事故发生的具体位置。

综上所述，之前学者的研究主要集中在供水管网的爆管成因及爆管定位上，关于爆管预警方面的研究较少，鉴于爆管发生后的影响和危害之大，学者们今后的研究方向应向供水管网空间分析转移，结合供水管网运行静态因素和动态因素，采用合适的数学分析方法，利用计算机强大的计算功能，对爆管事故提前进行预测分析。因此，对供水管网爆管的研究要结合计算机的计算功能、地理信息科学的已有先进成果，并结合数学、水力学等学科，辅之以先进的理论，建立起爆管预测分析模型，通过对问题管段进行求解，确定其爆管概率，并与实际状况相对比，得到此模型的准确程度。

3 管网爆管预警系统前景

在供水管网爆管事故发生的初期，通过SCADA系统采集到的数据会显示出部分管网在线压力点压力突降，甚至是所有管网的测压点压力普遍下降。但爆管的具体位置在哪里很难从数据中推断。只有利用管网水力模型对管道爆管进行进一步的模拟，在爆管区域确定的前提下，利用SCADA系统和相关系统对爆管区域内各管段辅以爆管模拟，即可以实现对爆管管段的准确定位。尽早获知爆管发生的位置，就能尽早抢修和补救，可以避免或减少其对生产、生活的影响和经济损失。

近几年，新一代的 GIS软件技术——ComGIS(Components-GIS，组件式GIS)已迅速兴起。组件式GIS的基本思想就是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其他非GIS控件之间，可以方便的通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件则如同一堆各式各样的积木，分别可实现不同的功能。而在供水管网的漏损评价过程中一些需要集成的功能如果采用这种模块化设计思路，就会使得系统在功能选择上具有良好的可配置性和可扩展性，而且可以使系统更加灵活。若实现组件式GIS系统与漏损评价的结合，就会使漏损评价方法变得更加智能与实用，该系统的升级、定制也会变得更加便捷。

4 结语

供水管网爆管预警系统模型的构建包括城市供水管网模型的构建和爆管预警模型的构建。基于GIS的供水管网爆管预测预警信息系统和基于SCADA系统的供水管网爆管实时监测系统，经过有关专家的研究已取得了一定的成果。如何准确定位爆管管段是我们进一步研究与试验的重点。

［1］ 黄廷林，张 卉，何文杰.城市供水管网爆管和折管数据库管理系统的设计与实现［J］.给水排水，2008，34(2):113-116.

［2］ 王 祎，田一梅，单金林，等.供水管网系统爆管预测［J］.天津大学学报，2010，43(9):840-843.

［3］ 荣宏伟，张朝升，张立秋，等.城市给水管爆管机理分析［J］.广州大学学报，2008，7(6):59-63.

［4］ 孟宪锋，王瑞慧，卢书红.输水管道工程水锤现象分析及防护设计［J］.21世纪建筑材料，2010(5):39-40.

［5］ DVGW-Merkblatt W391/Wasserverluste in Wasser-verteilungsanlagen:Feststellung und Beurteilung.

［6］ 殷建新.供水管网爆管原因及预防方法［J］.浙江水利科技，2001(2):55-56.

［7］ 唐 贇.GIS技术在市政地下管网管理中的应用［J］.水利工程，2008(24):33-34.

［8］ 田一梅，赵新华，黎 荣.GIS技术在供水系统中的应用与发展［J］.中国给水排水，2000，16(9):21-23.

［9］ 王玲玲，王 滨，刘洪海，等.基于GIS的城市供水管网爆管预测预警信息系统［J］.中国给水排水，2012，28(7):48-51.

［10］ 黄廷林，曹梅花，张 卉.基于SCADA系统给水管网实时检测爆管位置方法的研究［J］.中国给水排水，2007，33(5):104-108.

［11］ Cox D R.Regression models and life tables［J］.Journal of Royal Statistic Society，1972，34(B):187-220.

［12］ Andreou S A，Marks D H，Clark R M.A new methodol-ogy for modeling break failure patterns in deteriorating water distribution systems:Theory［J］.Advance in Water Resources，1987，10(1):2-10.

［13］ Andreou S A，Marks D H，Clark R M.A new methodol-ogy for modeling break failure patterns in deteriorating water distribution systems:Applications［J］.Advance in Water Resources，1987，10(1):11-20.

［14］ Koza John R.Genetic programming:on the programming of computers by means of natural selection［M］.Cambridge:MIT Press，1992.

［15］ 刘 俊，俞国平.基于遗传程序设计的供水管网爆管预测模型［J］.同济大学学报，2011，39(3):401-404.