净水技术 | 涵盖多种管线的城市综合市政管网安全评价方法！（净水处理管道连接图）

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栏目导读

把握水务行业科技动态，学习科研领域成果综述，“水务热点”与您一同为知识储备持续充电。（素材取自《净水技术》期刊“净水技术前沿热点与综述”栏目）

随着国家经济建设持续发展和城市化进程不断推进,市政管网作为城市关键基础设施的重要组成部分,在维系现代城市功能和区域经济功能方面发挥着不可替代的作用。近年来,随着城市快速发展,地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸显,一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面塌陷等事件,严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。因此,如何提高地下市政管网的安全性和可靠性是目前城市建设管理部门考虑的重要问题,建立管网安全评价体系刻不容缓。

目前,国内外学者针对市政管网安全性评价展开了大量研究。1985年,美国Battelle Columbus研究院发表了《风险调查指南》,首先在管道风险分析方面运用了评分法。俄罗斯学者Seleznev提出了基于同时创建和数值分析的燃气管道故障分析计算方法,可以对运行管道进行多目标风险评估。赵睿等采用多层次模糊综合评价法,建立涵盖外部因素、内部因素、水流特性的综合评价体系,对一次供热管网主线和整体管网的安全性进行了定性定量分析;朱庆杰等构建了基于地理信息系统的多准则安全评价的权重线性组合法模型,运用层次分析法计算了各影响因子的权重,得到了常州市埋地天然气管网安全评价结果;彭玲等采用模糊数学综合评价法,建立基于管材、人口密度、交通属性和建筑物属性等因素的供水管网安全性评价体系;李东升等采用蒙德评价法建立了燃气管网单元的危险性评价方法,并对低压庭院管道进行了开挖检测验证。上述研究在一定程度上能够取得不错的结果,但针对安全性评价的研究都基于单一管网,缺乏涵盖多种管线的综合评价。同时,方法的应用多局限于管道本身,对市政管网周边环境的安全影响考虑不足。

针对上述问题,采用模糊数学综合评价法,对给水管网、排水管网、燃气管网3种市政管网安全性的评估因素进行研究,建立针对多种市政管网并基于管道本身、管网系统及管线周边环境的管网安全性综合评价体系,通过计算管网安全性值,确定管网安全性等级,从而实现对市政管网系统的安全性评价。

一、管网安全评价方法建立

1.1

评价方法

多层次模糊综合评判法是一种基于模糊数学的综合评价方法,具有结果清晰、系统性强的特点,适合各种非确定性问题的解决。因此,本文以此方法建立管网安全性评价分析体系。

管网安全性评价体系的建立必须在综合考虑多种影响因素后,确立主要的评价指标,并确定各个指标的权重值,依据权重和各指标间的联系划分管网安全等级,并进行相应的评价,建立集管网外部因素和内部因素于一体的综合评价体系。

1.2

评价体系

1.2.1 评价指标

评价指标的选取要遵循全面性、代表性和独立性原则。根据前述管网安全评价体系结构,本文将管网安全分为3个层次,选取单项管网安全指标(B1)、管网综合安全间距指标(B2)、管网区域环境安全指标(B3)3个方面作为一级评价指标,下设8个二级评价指标和25个三级指标,如图1所示。

图1 市政管网安全性评价指标体系

1.2.2 指标权重分析

根据层次分析法中取值的规则,按照两两重要性程度之比代表两个指标的相应重要性程度等级,同等重要量化为1,稍微重要为3,较强重要为5,强烈重要为7,极端重要为9,若在上述判断中间则取值2、4、6、8。

参考相关文献和实际调研情况,构建比较矩阵并经过计算得出各指标权重值如表1所示。

表1 层次排序的计算权重结果

在此基础上,求得各影响因子对目标层的权重,如表2所示。

表2 市政管网安全评定指标体系

1.2.3 指标计算

(1)给水管网安全指标

综合供水管网安全性评价体系各指标因素,结合供水管网的实测数据,得出管网安全性评价指标,包括管网布局形式、管龄、管道压力、管径等,如表3所示。

表3 给水管网安全评价指标权重及取值

① 管网布局形式

给水管网的布局形式主要有树状网和环状网两种。从供水可靠性着想,以布置几条接近平行的干管形成环状网为宜。

② 管龄

管龄越大,敷设年代越早,供水安全性越低。

③ 管道压力

管内水压力是指管网在输水过程中水给管道带来的压力。管网平均供水压力不宜低于0.28 MPa,管网压力过高不利于管网安全运行和控制漏损,应控制管网压力。

④ 管径

管径决定了发生事故时安全影响程度,输水管、主干管发生事故的损失要高于干管、支管,因此,根据管径大小进行安全敏感性评价。

⑤ 管道材质及接口

目前国内外常用的输配水管道主要有钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、预应力混凝土管、PE管等,并对应有不同的接口形式。根据不同管材基于漏损控制和爆管风险确定其评价值。

(2)排水管网安全指标

排水管网安全性评价指标及取值如表4所示。

表4 排水管网安全评价指标权重及取值

① 排水体制

排水体制分为雨污合流制、雨污分流制、截留式合流制3种。除干旱地区外,城市新建地区和旧城改造地区的排水系统应采用分流制;不具备改造条件的合流制地区可采用截流式合流制。

② 管龄

管龄越大,敷设年代越早,排水管网安全性越低。

③ 重现期

近年来城市内涝发生频率越来越高,排水管网的排渍除涝能力也愈发对城市安全有着显著的影响,管网重现期可较为客观地反映现状及规划管网的排涝能力。

④ 管径

管径决定了发生事故时安全影响程度,排水主干管发生事故的损失要高于干管、支管,因此,根据管径进行安全敏感性评价。

⑤ 管道材质及接口

根据耐久性、施工标准化、管材质量控制,以及排水管网的维修和公开报道的事故统计等方面的综合考虑,对管材及接口形式进行评价取值。

(3)燃气管网安全指标

燃气管网安全性评价指标及取值如表5所示。

表5 燃气管网安全评价指标权重及取值

①管网布局形式

燃气管网的布局形式主要有树状网和环状网两种。从燃气可靠性着想,以布置几条接近平行的干管形成环状网为宜。中心城区规划人口大于100万人的城市,燃气主干管应选择环状管网。

②管龄

管龄越大,敷设年代越早,燃气管道的安全性越低。

③管网内压力

管内水压力是指管网在输气过程中给管道带来的压力。城镇燃气管道设计压力共分为7级,其中低压燃气管道一般不敷设于市政道路下方,因此,根据其余6级压力系统进行安全评价,压力越大安全风险越高。

④管径

管径决定了发生事故时安全影响程度,主干管发生事故的损失要高于干管、支管。

(4)管线之间安全指标

工程管线之间的间距决定了某类管道发生安全事故时对管网系统的影响程度,各类工程管线之间应满足一定的间距要求。因此,根据管线是否满足《城市工程管线综合规划规范》(GB 50289—2016)中相关间距规定作为管线之间安全指数的评价条件,如表6所示。

表6 管线之间安全评价指标权重及取值

(5)管线与其他建(构)筑物之间安全指标

工程管线与其他建(构)筑物之间的间距决定了管线发生安全事故时对构筑物的影响以及建(构)筑物对管线的反馈影响。因此,根据管线是否满足《城市工程管线综合规划规范》(GB 50289—2016)中相关间距规定作为管线之间安全指数的评价条件,如表7所示。

表7 管线与其他构筑物之间安全评价指标权重及取值

(6)管网区域环境安全基本指标

① 城市开发强度指标

城市建设用地是市政管网规划建设的前提,是市政管网服务的主体对象。当市政管网发生安全事故时,对城市安全的影响与城市开发强度有很大关系。建设用地开发过程中,容积率是衡量建设用地使用强度的一项重要指标。容积率越高,市政管网发生安全事故后造成的影响越大;容积率越低,市政管网发生安全事故后造成的影响越小。因此,将道路两侧地块的平均容积率作为衡量城市开发强度对管线安全风险的评价指标。

② 交通重要程度指标

道路是管线敷设的载体,管网安全直接影响到道路的安全运行,对于城市主干道等重要道路,管线安全事故将导致重大交通要道中段运行,对城市的正常运转影响较大,而在支路等非重要道路发生管线安全事故对城市交通造成的影响则相对较小。因此,将道路等级作为评价交通重要程度对管线安全风险的评价指标。

③ 敷设条件指标

作为地下管道敷设的载体,土质结构、地下水位和敷设位置对于管网安全也有十分重要的影响。 不同的土质结构对管道的荷载和腐蚀性都不相同,各类土质也会带来不同的地基抗震承载力;地下水位下降引起的局部地基沉降会对管道安全运行造成一定影响;敷设位置则决定了对管道的动荷载,敷设于绿化带或人行道下动载荷较小,而敷设于车道下方则动载荷较大。

因此,将此3项指标作为对管道安全风险的影响因子(表8)。

表8 管网区域环境安全指标权重及取值

1.2.4 计算方法

市政管网综合安全系数计算如式(1)～式(3)。

(2)

(3)

其中:A——管线综合安全系数;

Bi——一级安全指标系数;

Ci——二级安全指标系数;

Di——三级安全指标系数,即表3～表8中评价因子取值;

bi——一级安全指标权重;

ci——二级安全指标权重;

di——三级安全指标权重;

n——一级安全指标数量;

m、l——某一级安全指标对应的二级安全指标首、末项编号;

j、k——某二级安全指标对应的三级安全指标首、末项编号。

1.3

评定步骤与结论

1.3.1 评定步骤和要求

进行市政管网安全评定,一般应采取以下步骤:

(1)踏勘现场,调查搜集、整理、评估基础资料;

(2)确定评定区,划分评定单元,选择采用的评定指标、评定参数;

(3)选择评定方法,进行定性、定量计算评判;

(4)根据定性评判、定量计算评判的判定标准,判定各评定区域的市政管网安全风险等级类别;

(5)编制市政管网安全评定报告和评定图。

市政管网安全性的综合评定,应符合以下规定:一是应选择适宜的评定指标;二是应重点分析对市政管网安全影响突出的主导因素。

市政管网安全性评定是开展市政管网规划、建设以及修复等相关工作的重要基础,应根据市政管网安全性综合评定的结果,对市政管网安全规划与建设提出相应的意见和建议。

1.3.2 评定指标分级标准

市政管网安全评定基本指标的定性分级,根据其对市政管网安全的影响程度分为“低风险、中低风险、中风险、中高风险”四级。

评定指标的定量分值,应与其定型分级对应设置,并应符合表9的规定。

表9 评定指标的定量分值

二、案例应用

2.1

应用背景

丽水市位于浙江省南部,中心城区常住人口为41.7万人,建成区面积为41.6 km2,是一个典型的中小城市。丽水市现已形成较为完善的地下市政管线系统,但由于部分管网建设年代久远,现状管线已经老化严重,同时部分管道设计的标准偏低,已经不能满足城市发展的使用需求,亟待更新改造。

在此背景下,采用本次“城市综合市政管网安全评价方法”,基于浙江省丽水市中心城区范围管线普查结果,对该范围内主、次干路网下敷设的供水管网、排水管网和燃气管网进行安全性综合评定,管道总长度约为320 km。

2.2

评价结果

根据安全性评价结果,该区域市政管网安全性总体处于良好状态,有78.21%的管道处于安全和较安全的等级状态,有13.62%的管道处于较不安全等级应当引起重视,而有8.17%的管道处于较高的损坏风险并远低于设计标准(表10)。

表10 丽水市中心城区市政管网安全性等级划分及评价结果统计

由图2可知,市政管网安全风险较高的区域主要集中于老城区。一方面,老城区管网敷设年代较为久远,管线老化严重,同时部分管道设计标准偏低;另一方面,老城区地下空间开发局限性较多,加之各专项管线建设未与道路系统建设衔接,致使部分道路下方管线重复建设敷设密集,管位空间不足而导致未满足规范规定的安全间距要求,因而存在相对较高的安全风险。此评价结果也与各类市政管网运行管理部门的经验判断基本吻合。

图2 丽水市中心城区市政管网安全评价结果

根据丽水市中心城区市政管网安全评价结果,风险等级越高的地方,埋地管网破坏的可能性就越大。对于安全高风险路段的管线,一方面,应进行管道检测,对破损管道进行修复与保护;另一方面,应加大对其日常运行的安全监测,避免安全事故发生。同时,对于地面沉降区域、土壤腐蚀严重区域等外部安全环境风险较高的地段,未来在进行管网铺设时应采取特殊保护措施。

三、结语

(1)分析市政管网安全运行涉及要素,在考虑独立管线的安全要素研究基础上,耦合管线之间的安全风险要素和区域环境安全要素,采用模糊数学综合评价法确定了评定指标和评价步骤,制定了涵盖多种管线的市政管网安全评价方法体系,实现了对市政管网系统的安全性评价。

(2)对丽水市中心城区320 km市政管网开展安全性评价,其中安全性评价结果较差的管线与运行管理部门的经验判断筛选结果基本吻合,验证了评价方法体系的可行性和可信度。

(3)方法既为现状管网安全水平提供定量化的评价标准,也可作为后续单系统管线规划和管线综合规划的参考依据。对于管线安全性较低的区域应作为管线规划的重点提升目标,可提升管线规划方案的合理性和针对性。

推荐引用

本文来源于《净水技术》2023年第4期“其他水系统研究与应用”，原标题为《城市综合市政管网安全评价方法》，作者为宋源,刘世光,戚宇瑶,谢磊*(中国城市规划设计研究院上海分院,上海 200335)，引用格式如下：

宋源,刘世光,戚宇瑶,等.城市综合市政管网安全评价方法[J].净水技术,2023,42(4):151-160,175.

SONG Y,LIU S G,QI Y Y,et al.Safety assessment and analysis for urban municipal pipeline networks[J].Water Purification Technology,2023,42(4):151-160,175.

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来源：本文源自《净水技术》2023年第4期“其他水系统研究与应用”

排版：王焱

校对：王焱

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