供水管网风险评估模型研究

郑宝中 董毓良 付明 许令顺 凡伟伟 谈正鑫

摘  要：文章提出一种针对大型赛事供水管网安全运行风险评估模型。首先研究管道破损和管网各个因素之间的关系，分析供水管网发生破坏的可能性以及发生风险后的影响性，建立层次分析矩阵应用于供水管网风险评估模型。其次，将此模型应用到H市供水管网监测系统，为供水管网风险掌控和冬奥供水安全提供指导。

关键词：供水管网;风险评估;评估模型;冬奥运动会

中图分类号：TU991 文献标志码：A         文章编号：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届冬奥会将于2022年02月04日在北京和张家口举行，冬奥会是国际性体育赛事。赛事期间，大量的国外运动员和随队官员将进入北京赛区和张家口赛区，供水生命线服务单位规模庞大;人员密度随着赛事进度在时间和空间上的分布将变得异常复杂。因此，保证冬奥会期间供水管网的安全运行具有至关重要的作用。

如何科学的对供水管网安全运行进行评估实现供水管网安全、稳定运行仍是一项重要的研究课题。常用的评估方法是统计历史发生的管网爆管、泄漏等事故，对事故进行分析。由于管网事故的数量有限，如果仅从数理统计方向考虑，不能全面的对管网风险进行评价。通过对引起管道风险的因素识别、分析，构建风险评估系统则可以较全面地判断供水管道事故发生的可能性[1]。本文对影响管网结构因素进行分析，分析影响管网的风险因子，利用专家打分法，确定各风险因子的权重和评价标准，使用层次分析法，分析每条管网的风险分数，实现供水管网风险评估。

1 供水管网风险评估模型机理分析

通过对供水管网风险机理进行分析，分析管网发生破坏的可能性以及发生风险后的影响性。管网发生破坏的风险从管道自身存在的危险性和外界环境对管网的危险性进行分析，發生风险后影响性主要分析周围附属设施和管线服务的用户类型和梳理、周边其他管线。

1.1 管网发生风险的可能性

供水管网自身危险性指的是由于管道自有属性和运行工况对管网造成破坏的可能性。对管网运行状况和属性的分析，建立管网自身风险因子体系，主要包括管材、管径、管龄、压力和维修记录等。运行工况对管网造成破坏的可能性，主要包括管道埋深和管道地表负荷。

1.1.1 管材

造成我国供水管网漏水的因素中，管材问题一直被认为是主要原因。由于管道材质特性不同，管道发生破坏的可能性也不同。通过分析天津市供水管网不同材质的漏损情况，发现镀锌管、铸铁管和塑料管的漏损频率远远大于其他管材，石棉管和水泥管的漏失率也较高，球铸管、玻璃钢管以及钢管的漏失率相对较低[2]（如图1）。

1.1.2 管径

供水管道属于压力管网，管径大的管道管壁较厚，能够承受的较高的压力。美国波士顿的调查发现，DN100-200管道占整个管网总长度的25%，但漏水点数占总漏水数的50%[3]。另外小管径管道一般在管网末端，受到季节温度和水锤效应的影响较为严重。

1.1.3 管龄

随着管龄的增加，管道受到自然侵蚀越来越严重，管道破损可能性增加。通过分析天津市供水管道破损与其管龄的统计数据[4]，发现管龄在10年到20年管道发生破损呈上升趋势，而管龄在20年以上为下降趋势（如图2）。

1.1.4 压力

市政供水管网的运行压力一般在0.3Mpa～0.5Mpa。管网压力过高易造成阀门连接处、管道变径处等管点发生破损。结合管网运行工况和本身属性，对管网压力进行分级，压力高的管道破坏的风险也高。

1.1.5 维修记录

供水管网破坏具有聚集现象。Goulter和Kazemi对管网破损事故进行时间和空间分析得出：管道维修后很有会在其附近发生相似的事故。这有可能是由于管网运行工况或者周边环境对管网影响。一般城市的老城区发生管道破损事故聚集的情况要比新城区明显[5]，维修记录的次数能够直接反应管网健康状况以及可能风险的高低。

1.1.6 外界环境对管网的危险性

供水管网一般埋设在城市室外的地下。管道的埋设深度和地表负荷都会对管线造成一定的破坏。冬季气温较低，管道内的水结冰破坏管道。管道的埋设深度应在冰冻线以下，而实际中管网可能埋深过浅。地表负荷对管道产生的应力超过管道承受力，也会造成管道的破坏。过重的交通负荷和人车流量较大的区域管道受到破坏的风险较高。

1.2 管网发生风险后的影响

管道破损后，供水能力大大降低，接受用水的用户将会受到低压、断水的风险。同时供水管网破损，泄漏的水流对周边其他市政管道也会造成一定的危害，形成次生衍生灾害。通过研究各管道服务的用户数量、所在区域类型以及与其他市政管道的距离，分析管道发生破损后可能事故风险大小。

管线所处区域类型会影响管网破损后的影响严重程度。依据《城市用地分类与规划建设用地标准》GB50137-2011对区域类型进行了划分，如表1所示。

通过研究重要防护目标，耦合供水管网拓扑分析。利用水力学模型分析每条管道服务的区域和用户。表2统计了合肥市重要防护目标的数量。

由于不同管线间铺设距离较近，当管道破损后，流出的水会对周边其他的管线造成一定的危害。往往单一的事件可能会造成不同类型的管线受到影响，因此需要将不同管线间的距离作为影响因素进行计算。

2 供水管网风险评估模型构建

利用上述供水管线风险发生的可能性分析和风险发生后的影响程度分析，根据风险矩阵法，风险值为风险可能性分值与风险影响度分值的乘积，即R=L×S。

2.1 构造层级

根据供水管道风险发生的可能性分析和风险发生后影响程度分析，将风险因子和要素进行层级划分，如图 3 所示。

2.2 权重体系确定

采用层次分析法对风险比重进行分析。层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称 AHP）是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的难于完全定量的复杂决策问题提供简便的决策方法。方法过程如图4所示。

2.2.1 确定两两因素相比的判断值

在确定两两因素评判值之前，要建立层次结构图，然后分别对每一层进行因素两两分析并建立判断矩阵。建立评价矩阵时存在1～9这9个整数作为一个因素比较与另一个因素指标的相对重要度的标度。设fuj（ui）表示因素ui相对于uj而言的“重要度”的判断值，其判断值与确定方法如表3。

2.2.2 构造判断矩阵

若因素ui和因素uj比较的标度fuj（ui）是aij，则因素uj和因素ui比较其重要程度为1/aij。对于供水管网后果严重度的评价问题来说，根据以上取值原则可以得到两两比较的判断矩阵：=uij。

2.2.3 确定因素重要程度系数

得出判断矩阵后，计算判断矩阵每一行元素的乘积Mj，以及Mj的n次方根，Wi=，从而得到向量[W1，W2，…Wn]T，作归一化处理后得到特征向量：

为了判断结果是否合理，还要看所建立的判断矩阵是否符合矩阵一致性。所以在得出权重矩阵后，要进行检验，检验过程如下。

（1）计算判断矩阵的最大特征值：λmax=∑

（2）计算一致性判断矩阵和平均随机一致性指标RI：

CI=

对于1～9阶的判断矩阵，给出了RI的取值，如表4所示：

（3）计算一致性比率CR=，CR<0.1时，通过判断矩阵的一致性检验，因此认为权重分配是合理的。

2.2.4 风险因子分数

依据供水管道风险因子分析图，采用专家打分法对供水管网各个风险因子进行打分，包括管材、管径、管龄、压力、维修记录、管道埋深和地表负荷。

2.2.5 风险影响度分数

依据供水管道破坏后可能产生的影响分析图，采用专家打分法对影响因子进行打分，包括管网所在的区域类型影响、距离周边管道影响和影响的用户数量。

2.2.6 风险值计算

管网三级风险层管道自身风险分数为（A11、A12、A13、A14、A15），各个风险因子权重为（W11、W12、W13、W14、W15）;管道外部风险分数为（A21、A22），各个风险因子权重为（W21、W22）。管网二级风险层自身风险分数A1=∑A1iW1i;管道外部风险分数A2=∑A2iW2i;管道发生破坏后产生影响的分数为（A3、A4、A5），各个影响权重为（W3、W4、W5）。管网一级风险层管网风险可能性L=A1*W1+A2*W2;管网破坏后影响度风险S=A3*W3+A4*W4+A5*W5。则供水管道综合风险R=L*S。

3 模型在H市的应用

3.1 H市供水管网基本情况

H市供水管网结构复杂，管材类型较多，区域人口密度大，管网服役年限长，具有典型的城市供水系统的特点。利用供水管网风险评估模型，对H市管网进行评估，研究区域内管径200以上的有260km，供水管线数量为90873条，铺设时间在10年以内的管道占总数的65.8%，10～20年的管道占总数的20.4%，20～50年的管道占总数的11.3%，50年以上的管道占总数的2.5%，供水管道的埋深集中在0.5～3m。

3.2 H市供水管网风险评估模型建立

依据管网的拓扑数据，和供水集团、相关行业专家共同研究，对供水管网风险因子进行评分（如表5-表14）。

采用层次分析法，通過与供水企业相关专家共同分析，建立各个风险因子的权重，如表15。

3.3 H市供水管网风险评估模型效果

利用上述模型方法对H市管网进行风险评估，结果表明管网风险分数较高的区域为老城区，主要原因是：（1）老城区管道铺设时间长，管网老化严重，管网漏损率高。（2）随着城市的发展，老城区人口密度越来越高，造成管网负荷过大。当管网进行维修停水时，涉及影响的居民较多。（3）老城区的供水管网周边环境复杂。地表建筑物的施工、原道路的扩宽以及其他市政管网的铺设可能造成管道的破坏，管网埋深达不到荷载要求，造成管网风险高。通过对管网综合风险评估，使得管理者清晰直观了解管网状况，为管理企业制定科学维护改造计划提供技术依据。

4 结束语

本文分析供水管网综合风险的机理，利用H市供水管网进行研究，对管网风险实现主动控制，解决了当前供水管网运维低效、被动的问题。着眼于2022年冬奥会，结合相关赛事相关信息，分析评估冬奥会运行的供水管网生命线，保障冬奥会运营安全。

参考文献：

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

[2]郎鹏凯.基于GIS系统的城市供水管网漏损评价方法研究[D].太原理工大学，2010.

[3]连鹏.城市供水管网漏损控制的研究[D].天津：天津大学，2004.

[4]张铁刚.天津市供水管网爆管折管分析及降漏对策研究[D].西安：西安建筑科技大学，2006.

[5]何芳，刘遂庆.供水管网爆管事故分析与对策探讨[J].管道技术与设备，2004（5）：20-23.