基于普查成果数据的管线安全隐患挖掘分析研究

贺笑怡，李德林，董绍环

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东 青岛 266032；3.青岛市城市建设档案馆，山东 青岛 266003)

1 引 言

近些年，随着经济和技术基础的日益发展，城市地下管线安全管理水平得到了逐步提升，但因为地下管线容量不足、工程隐蔽、老化严重、第三方破坏、无序建设等问题，城市地下管线安全事故每年都时有发生，地下管线安全形势严峻。2013年11月22日，山东青岛中石化东黄输油管道泄漏原油进入市政排水暗渠，在形成密闭空间的暗渠内油气积聚遇火花发生爆炸，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失达7.5亿元。2021年6月13日，湖北省十堰市张湾区艳湖社区集贸市场发生燃气爆炸事故，截至2021年6月14日，共造成25人死亡，138人受伤。

为强化管理规划引领统筹建设消除安全隐患，2014年6月3日国务院发布了关于加强城市地下管线建设管理的指导意见(国办发[2014]27号)，力争用5年时间，完成使用年限超过50年材质落后和漏损严重的供排水管网改造；对存在事故隐患的供热、燃气、电力、通信等地下管线进行维修、更换和升级改造；推进雨污分流管网的改造和建设；推进城市电网、通信网架空线入地改造工程；实施城市宽带通信网络和有线广播电视网络光纤入户改造。用10年左右时间，建成较为完善的城市地下管线体系，使地下管线建设管理水平能够适应经济社会发展需要，应急防灾能力大幅提升。

2 地下管线安全隐患挖掘分析的主要内容

(1)通过利用现有掌握的综合地下管线数据普查成果资料，同时搜集有关地形图以及道路、建(构)筑物等专题数据，初步摸清地下管线所在的地理空间位置、分布及周边环境等情况。

(2)综合分析目前地下管线所存在的自身安全风险隐患，包含穿越交叉分析、安全间距分析、建(构)筑物占压分析等，作为地下管线数据挖掘分析利用的重要辅助技术手段，为行业管理部门、安全应急部门、专业管线权属单位等提供决策依据，进而采取相应的安全措施及时消除安全风险隐患，确保城市地下管线运行安全。

3 地下管线安全隐患挖掘分析方法实现

3.1 技术路线

在本研究中，管线数据采用目前青岛市已有市三区综合地下管线数据库，并收集地形图等数字成果资料建设基础数据库，满足本研究的实际需求。管线数据挖掘分析工作内容主要包括地下管线挖掘分析工具的开发建设和综合分析目前市三区地下管线所存在的自身安全风险隐患，编制分析研究报告。本研究技术路线流程如图1所示。

图1 研究技术路线流程图

3.2 已有资料收集分析

目前，青岛市市三区地下管线数据主要包括普査成果、补测补绘数据成果以及竣工测量等数据。自2013年以来，青岛市市三区地下管线普查与数据更新工作已进行了8年，建立了较为完善的综合地下管线数据库。综合地下管线数据库的建立，为城市规划设计、建设、地下空间开发利用、城市管理和应急抢险等工作提供了必要的基础信息支撑。截止到2020年底，数据库中管线数据长度一万余千米，此数据库成果作为本研究数据挖掘分析的主要对象。本研究重点根据目前所掌握的管点和管线空间信息及属性内容进行风险隐患的数据挖掘分析。

另外，根据收集的基础地形数据，提取其中的道路面数据、地上建(构)筑物数据、特殊场所(学校、医院和加油站)数据等应用于管线数据的挖掘分析利用。

3.3 挖掘分析工具算法实现

针对管线数据，常见的安全隐患分析方法有穿越交叉分析、安全间距分析、建筑物占压分析、覆土深度分析和寿命分析等。本文根据掌握的数据属性情况，着重从以下三个方面对地下管线数据的安全隐患进行挖掘分析。

3.3.1 穿越交叉分析

管线穿越交叉分析主要排查分析范围内高危管线与其他类别管沟或高危管沟与其他类别管线段穿越交叉的情况，通过ArcGIS提供的缓冲区分析、叠加分析、空间统计分析等功能，实现穿越交叉管线段的自动提取和统计分析。具体算法实现如下：

①以分析范围内某一管沟为例，遍历选取该分析范围内所有与该管段水平方向有交点的管线段；

②通过利用管段的埋深和管径值，计算获取两条管段在竖直方向上的空间关系，包括穿越、交叉等，考虑到部分穿越、交叉情况是由管线数据在探测过程中无法有效获取关键转折点导致的，因此，在本研究过程中未实际考虑管线穿越、交叉的情况，仅是根据数据属性信息分析。

③对于穿越和交叉碰撞的管线段，计算两管线段水平交点处的垂直距离；

④根据《青岛市地下管线探测与信息化建设技术导则(2016修编版)》(下称《导则》)中对地下管线探查的精度规定，埋深限差δth为 0.15 h(式中h为地下管线的中心埋深，单位为厘米，当 h<100 cm时，则以 100 cm带入计算)，因此，本研究取 15 cm为选取管线与管沟穿越交叉分析结果的限差，并记录穿越和交叉管线段的属性信息；

⑤分别对每类管沟重复上述分析；

⑥统计穿越和交叉的管线段，记录其位置、类型、垂直净距等信息，为穿越交叉挖掘分析提供辅助支撑。

3.3.2 安全间距分析

本研究安全间距分析分为水平净距分析、垂直净距分析和建筑物间距分析，利用地下管线数据以及地上建筑物面数据，通过ArcGIS的缓冲区分析、叠加分析、空间统计分析等，实现安全间距隐患管线段的提取和统计分析。具体算法实现如下：

(1)水平净距分析和建筑物间距分析

①以某一给水管段为例，根据《GB50289-2016城市工程管线综合规划规范》(下称《规划规范》)中对“工程管线之间及其与建(构)筑物之间的最小水平距离”的相关规定，以给水管线与其他管线间最小安全净距的最大值为半径建立缓冲区，该缓冲区多边形即为该给水管线与其他管线间可能存在的净距隐患的最大范围；

②将所有管段和建筑物面数据与该缓冲区多边形进行叠置分析，排除多边形外的管段，识别多边形内的管线类型(a、b、c……)；

③以该给水管段为中心，分别以多边形区域内的a、b、c等类别管线和建筑物面数据与给水管线的最小安全净距为缓冲区半径建立缓冲区，将该缓冲区与对应类型进行叠置分析，缓冲区多边形内的管段和建筑物面数据就是与给水管线间净距不符合安全要求的数据；

④计算并记录两管线段间和管线段与建筑物面数据间的最小距离，将该值与《规划规范》中规定的最小水平净距作对比，计算最小距离与最小水平净距的差值；

⑤根据《导则》中对地下管线探查的精度规定，平面位置限差δts为 0.1 h(式中h为地下管线的中心埋深，单位为厘米，当 h<100 cm时，则以 100 cm带入计算)，取 10 cm为选取管线段水平净距和建筑物间距的限差，排除最小距离与最小水平净距差值小于或等于 10 cm的管线段，并记录管线段的属性信息；

⑥分别对每类管线重复上述分析；

⑦统计不满足安全净距要求的管线段，记录其位置、类型、水平净距等信息，为水平净距和建筑物间距挖掘分析提供辅助支撑。

(2)垂直净距分析

①以某一给水管段为例，根据《规划规范》中对“工程管线交叉时的最小垂直净距”的相关规定，以给水管线与其他管线间最小安全净距的最大值为半径建立缓冲区，该缓冲区多边形为给水管线与其他管线间可能存在的净距隐患的最大范围；

②将所有管线段与该缓冲区多边形进行叠置分析，排除多边形外的管线段，识别多边形内的管线类型(a、b、c……)；

③以该给水管段为中心，分别以多边形区域内的a、b、c等类别管线与给水管线的最小安全净距为缓冲区半径建立缓冲区，将该缓冲区与对应类型进行叠置分析，缓冲区多边形内的管线段就是与给水管线间净距不符合安全要求的数据，并计算这些管线段与该给水管线段是否存在水平方向上的交点，若存在交点即垂直净距不符合《规划规范》的要求；

④计算两管线段间的水平交点处的垂直距离，将该值与《规划规范》中规定的最小水垂直净距作对比，并计算与最小垂直净距的差值；

⑤根据《导则》中对地下管线探查的精度规定，埋深限差δth为 0.15 h(式中h为地下管线的中心埋深，单位为厘米，当 h<100 cm时，则以 100 cm带入计算)，取 15 cm为选取垂直净距不符合《规划规范》要求的限差，排除与最小垂直净距的差值小于或等于 15 cm的管线段，并记录管线段的属性信息；

⑥分别对每类管线重复上述分析；

⑦统计不满足垂直净距要求的管线段，记录其位置、类型、垂直净距等信息，为垂直净距挖掘分析提供辅助支撑。

3.3.3 建(构)筑物占压分析

建(构)筑物占压分析利用地下管线数据和地上建筑物面数据，通过ArcGIS提供的叠加分析、空间统计分析等，实现建(构)筑物占压管段的提取和统计分析。具体算法实现如下：

①以某一地上建筑物面数据为例，提取该范围面，将所有管线段与该多边形进行叠置分析，排除多边形外的管线段，识别多边形内的管线段，多边形内的管线段即为被建(构)筑物占压的管线段；

②若多边形内的管线段为市政管线接入小区的管线段，且以上杆点、出地点、示踪点、起止点作为接入小区内最后一个点，程序自动过滤该部分占压的管线段；

③计算占压管线段的长度，根据《导则》中对地下管线探查的精度规定，平面位置限差δts为 0.1 h(式中h为地下管线的中心埋深，单位为厘米，当 h<100 cm时，则以 100 cm带入计算)，取 10 cm为选取管线段占压长度的限差，排除占压长度小于或等于 10 cm的管线段，并记录管线段的属性信息；

④分别对每个建筑物面数据重复上述分析；

⑤统计被建(构)筑物占压的管线段，记录其位置、类型、占压长度等信息，为建(构)筑物占压挖掘分析提供辅助支撑。

4 地下管线安全隐患挖掘分析示例

4.1 穿越交叉分析

以某十字路口为例，分析范围如图2所示，该分析范围面积约 12 346 m2，地下管线长度约 5 242.53 m，管线段数287段，其中暗渠管沟约 504 m。根据现有数据库中管线高程属性信息，结合本研究算法进行穿越交叉分析，分析结果如图3所示，该区域管线与管沟存在交叉的点位共有54处，其中不穿越交叉20处，穿越交叉34处，共34处点位可能存在管沟穿越交叉的安全隐患。

图2 管线安全隐患挖掘分析范围图示

图3 穿越交叉分析结果示例

4.2 安全间距分析

(1)水平净距分析和垂直净距分析

以某十字路口为例，分析范围如图2所示。根据现有数据库中管线高程属性信息，使用本研究分析方法，结果显示水平净距不符合规范的有130段，共计 2 690.4 m；垂直净距分析显示管段交叉点位400处，不符合垂直净距规范的有114处，占比约28.5%。该分析结果可作为外业调查管线水平净距和垂直净距安全隐患的参考资料使用。

(2)建筑物间距分析

以某路段为例，如图4所示，该分析范围面积约 5 256 m2，道路南侧有三栋居民楼，地下管线长度约 2 433 m，段数为205段。根据库中现有管线数据与地上建筑物进行间距分析，其中不符合建筑物间距规范的管段有23段，共 203.75 m，部分分析结果如图5所示。

图4 建筑物间距分析范围图示

图5 建筑物间距分析结果示例

4.3 建(构)筑物占压分析

以某路段南侧为例，该地区存在暗渠管线被建筑物占压情况，如图6高亮部分所示。对该区域进行建(构)筑物占压分析，共分析管段212段，总长度 4 745.14 m，其中被建筑物占压管段4段，663.28 m，均为暗渠管线，占压长度占比约14.11%。该段暗渠因受建筑物长期占压，易造成管线沉降变形，导致管线破裂，建议作为重点风险隐患进行排查核实，为相关部门下一步整治隐患提供重要依据。

图6 建(构)筑物占压分析范围图示

5 总 结

城市地下管线安全隐患挖掘分析研究是一个涉及测绘学、地理学、城市规划学、计算机科学等诸多学科的复杂问题，关系到人民群众生命财产完全和城市地下空间未来的建设与发展，不仅对管线的运营管理有重要作用，同时对于确保地下管线与城市协调发展，保障城市安全运行也有重大意义。

本文根据地下管线空间布局的特点及原则，确定了一套管线穿越交叉分析、安全间距分析和建(构)筑物占压分析的研究方法，并以青岛市市三区地下管线数据库部分数据为例，进行了地下管线安全风险隐患的实例分析。在当前我国地下管线安全事故频发的背景下，研究成果对城市地下管线潜在的安全风险隐患排渣治理具有重大的现实意义。