浅析地下管线信息化模型技术在城市重要地下管线安全运行能力评价中的应用

文｜昆明市城市地下空间规划管理办公室 解智强 彭俊婷 侯至群

1.引言

据统计，全国大约还有70%的城市没有地下管线基础性的档案资料，地下管线信息不清的现状普遍存在；有多数城市还未对原有的地下管线及时进行普查、建档；对新增地下管线未能及时建档入库，甚至不按规定进行地下管线竣工测量。绝大多数城市地下管线没有一套全面、准确的地下管线综合图或数据库，地下管线信息不能满足日益发展的城市建设的需求，与我国经济社会高速发展形成极大反差。城市规划部门在审批地下管线位置时，经常出现管线“打架”现象；建设施工中经常发生管线被挖断事故，引起停水、停电、停气、环境污染甚至通讯中断，造成严重的经济损失和不良的社会影响。据不完全统计，全国每年因施工而引起的管线事故所造成的直接经济损失达50亿元，间接经济损失达400亿元。

城市重要地下管线在运行环节过程中可能会发生突发事件并产生不利后果。不利后果泛指人身伤害或疾病、财产损失、环境破坏、城市运行中断或这些情况的组合。通过对城市地下管线安全运行能力评价研究可以实现以下几点：

（1）能够系统识别和排查可能存在的风险和风险控制点，科学分析各种风险发生的可能性与后果，客观认识地下管线的安全现状，做到预防与处置并重、评估与控制结合，切实增强应急管理工作的预见性、针对性与主动性，保障城市平稳安全运行，具有重要的现实意义。

（2）加快推进城市地下空间现状基础设施评价，为城市地下空间开发资源评价提供基础，能够节约资源，保护生态环境，开发可再生能源，注重城市建设和资源综合利用的有机统一，实现城市的可持续发展。

（3）增强城市基础施建设，有效提高城市综合承载力，完善的基础设施对加速社会经济活动，促进空间分布形态演变，提高城市综合承载力起着巨大的推动作用。加强地下管线设施和地下空间的开发利用，保障地下空间开发过程中城市地下管线的安全运行，充分发挥市场配置资源的基础性作用，增强市政公用产品和服务供给能力。

图1 兰花沟下游核心排水系统范围

2.管线建模技术探讨

2.1 建模方法

针对选定的示范区域研究符合昆明市实际情况的重要地下管线（排水、供水、燃气等重要地下管线）安全运行能力评估方法。结合现有安全运行能力评价模型及专题地图表达工具，按照建模标准处理空间地理数据以及专题要素数据等，为城市地下空间开发规划中的重点区域提供给水、排水和燃气等的安全运行能力评价模型及区域开发现状及规划承载力提供评价成果，使昆明城市地下空间开发规划工作更加科学客观。

第一、建设符合城实际情况的重要地下管线安全运行能力评价（地下排水、给水和燃气等）信息模型；

第二、结合现有成熟模型软件及其专题地图表达工具，开发并建设评价模型，并使用成熟GIS的软件二次开发，使城市地下空间开发评价成果实现制图表达。

2.2 建模技术路线

（1）通过实时实地观测获取城市地下管线安全运行能力评估所需的数据。

（2）通过地理信息系统技术对获取的昆明城市重要地下管线的数据进行处理和空间分析，以获取进行安全运行能力评估所需要的各种管线数据。

（3）通过自主研发，结合各种安全运行能力评价方法建立城市地下管线安全运行能力评价模型。

（4）通过建设评价模型，选取中心城区部分重点研究区域地下管线安全运行能力进行评价，并使用GIS软件进行制图表达。

图3 一年及两年一遇设计降雨下管线负荷图

图4 一年、两年及五年一遇设计降雨下管线积水点分布图

2.3 实例分析

以昆明市兰花沟排水模型建设应用为例：（如图1所示）

在此模型范围基础上，对基础数据进行整理，分析并结合实测数据对数据进行校验，使其满足排水模型的通用校验标准。然后，以此核心模型为基础，考虑将模拟范围扩大至整个兰花沟系统，最终建立起一个相对独立完善的系统模型。在最终模型的基础上，对模型进行评估和分析，包括现状管线的排水能力，现状系统所存在的缺陷和问题，对下游污水厂负荷的影响以及进一步对雨污分流可行性的分析。

考虑到目前兰花沟系统存在的问题，本次模型的首要目标是通过建立现状排水管线模型，对现状管线的排水能力、积水状况以及系统缺陷进行调查和评估，分析系统造成积水的可能原因；其次，可以根据模型应用的进一步需求，实现其他相关目标。

(1)首要目标：

现状管线的模拟和校核：查找和分析现状管线的系统缺陷。通过建模过程，补充原有数据存在的一些盲区，进一步完善对研究片区管线数据的掌握和了解。

评估分析现状管线系统的排水能力，积水状况，且分析系统造成积水的原因。

(2)其他目标：

长远来看，可结合实际需求进一步利用模型进行各种改造设计方案的评估分析，基于模型对雨污分流方案进行可行性分析。

通过模型的检查与校核，得到不同预案或设计条件下排水系统的负荷状态。

如图2图例所示，紫色的管线皆为满管状态，随着暴雨程度的增强，管线负荷加大，成满管运行，且当管内的水位持续上升，压力水头达到检查井井盖高程时，则会造成检查井溢流/冒溢。

对3图进行分析，管段标记为1的表示该处管段在1年一遇降雨程度下已经满负荷状态运行；管段标记为2的表示该处管段在2年一遇降雨下才会满负荷；显然，在一年一遇的情况下就已经发生管线满负荷的位置是整个系统的薄弱和关键点。该结果的指导意义在于：管线设施维护部门可以在资金和人力资源有限的情况下，对一年一遇降雨即发生满管的管线进行重点维护和清淤工作；这在通常没有借助模型仿真和数值模拟的情况下，管线维护人员根本无法做出类似的判断，只能没有针对性的进行维护，造成大量人力、物力、财力的浪费。

除了上面所说的能够通过模型仿真定位出关键/薄弱管线位置外，还可以定位出容易发生积水的检查井的位置，从而辅助防汛部门在汛期时及时在关键积水位置进行相关人员和设备（比如移动泵车）的安排和布置。

如图4所示，不同颜色的点代表在不同降雨条件下的积水位置，如蓝色的点及代表2年一遇降雨时会发生积水的检查井；而黄色则代表5年一遇才会发生冒溢的检查井。

在该建模过程中，主要解决以下技术问题：第一， 解决了水力模型技术和高质量的排水管线数据结合问题，并对城市排水系统现状评价，首先对排水管线雨污混接点的识别，管线网络上下游追踪等新技术，为城市排水管线雨污分流提供决策支撑。其次对排水管线承载力薄弱环节的判断。对不同规划条件下的市政及小区排水管线承载能力做出科学评价。第二，实现了DSM(数字地表模型)数据、庭院排水管线数据与水力模型的集成，对城市内涝灾害进行精确的预测与评价，实现了不同降雨重现区内城市洪水的发生时间，最大灾害时间，分布范围以及洪水消退等洪涝演进过程模拟，实现对上述条件下不同位置的管线、管点承载能力做出精确评价，为城市防灾减灾预案制定实施提供科学决策支持。第三，解决城市内涝表达方式跨平台表达实现，通过基于底层开发新的跨平台工具，使国际专业模型软件的城市内涝演进表现手段在国内三维虚拟现实平台中获得真实客观的展示，为成果拓展应用奠定了技术基础。

2.4 排水模型应用

（1）地下管线承载力科学评估：提高城市规划工作对地下管线承载力的科学评价，规划部门需要确定现有的排水管线能否满足因为各种建设等原因而新增的排水需求，确定是否可以接入，如何接入，或者是否通过改造既有管线解决问题等；水力模型技术对排水管线的负载力进行水力评估分析，根据未来城市扩张及发展情况，建立各种预案（考虑人口变化的预案以及不同强度的暴雨预案等）且用模型进行预案运行并分析得出科学合理的结论；从而由原来基于经验的地下管线规划与建设方法升级到依托科学方法支持城市地下排水管线承载能力评价与研究，使城市的规划与决策工作更趋科学合理。

（2）地下排水管线空间分析辅助管理：利用模型中的辅助分析工具，进一步地梳理和了解地下管线的空间拓扑结构，并可结合地下管线三维效果图及管线纵断面图修正和检查现状管线中多存在的一些问题：例如管线的错接乱接，大管接小管以及雨污混接等；辅助排水管理和维护部门对现有管线问题进行排查和维护。

（3）城市洪水风险分析和预警：利用模型技术进行水力模拟分析，得出不同强度暴雨下城市可能会发生积水的范围和程度，辅助防汛部门进行汛期防洪工作的布置和安排，指导与排水系统相关联的河道、水闸、泵站等水力附属设施的调度等，确保在汛期能够及时防水而不影响雨水的及时排放。

（4）积水点的改造和评估：通过对现状管线的分析模拟定位出了示范片区易发生积水的位置和范围以及可能原因，为之后的管线改造和升级奠定了相关的理论基础。

3.思考

城市重要地下管线安全运行能力评价研究将继续向动态模拟化方向发展。城市地下管线安全运行能力评价研究经历了从一般定性描述到定量和机制的探讨，从单要素研究到多因素的综合研究过程，越来越趋近于城市地下管线安全运行问题的客观本质，同时也增加了研究的难度。实质上现代意义上的城市地下管线安全运行能力研究就是资源开发与区域发展战略研究，它是为制定有关政策提供科学依据的。为了提高城市地下管线安全运行研究的科学性与实用性，必须加强城市地下管线安全运行的动态模拟研究，建立一套能反映城市地下管线安全运行能力本质的评估模型体系，实现对城市地下管线安全运行能力的估算与动态变化过程的预测。城市地下管线安全运行能力评价模型必须能反映问题的本质，技术上可行，科学上有依据，要反映城市地下管线安全运行问题的多元性、非线性、动态性、多重反馈的基本特征。同时还需要加强对城市地下管线安全运行能力基础理论研究，即城市地下管线系统的复杂性理论要素之间的复杂性研究，以给城市地下管线安全运行能力研究寻找新思路、新方法，找出城市地下管线的最大承载能力，为昆明市地下空间开发决策、规划、计划和社会协调发展、为控制性详细规划编制提供科学依据。