鄭寶中 董毓良 付明 許令順 凡偉偉 談?wù)?/p>

摘? 要：文章提出一種針對大型賽事供水管網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險評估模型。首先研究管道破損和管網(wǎng)各個因素之間的關(guān)系，分析供水管網(wǎng)發(fā)生破壞的可能性以及發(fā)生風(fēng)險后的影響性，建立層次分析矩陣應(yīng)用于供水管網(wǎng)風(fēng)險評估模型。其次，將此模型應(yīng)用到H市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，為供水管網(wǎng)風(fēng)險掌控和冬奧供水安全提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng);風(fēng)險評估;評估模型;冬奧運(yùn)動會

中圖分類號：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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屆冬奧會將于2022年02月04日在北京和張家口舉行，冬奧會是國際性體育賽事。賽事期間，大量的國外運(yùn)動員和隨隊官員將進(jìn)入北京賽區(qū)和張家口賽區(qū)，供水生命線服務(wù)單位規(guī)模龐大;人員密度隨著賽事進(jìn)度在時間和空間上的分布將變得異常復(fù)雜。因此，保證冬奧會期間供水管網(wǎng)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

如何科學(xué)的對供水管網(wǎng)安全運(yùn)行進(jìn)行評估實現(xiàn)供水管網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行仍是一項重要的研究課題。常用的評估方法是統(tǒng)計歷史發(fā)生的管網(wǎng)爆管、泄漏等事故，對事故進(jìn)行分析。由于管網(wǎng)事故的數(shù)量有限，如果僅從數(shù)理統(tǒng)計方向考慮，不能全面的對管網(wǎng)風(fēng)險進(jìn)行評價。通過對引起管道風(fēng)險的因素識別、分析，構(gòu)建風(fēng)險評估系統(tǒng)則可以較全面地判斷供水管道事故發(fā)生的可能性[1]。本文對影響管網(wǎng)結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行分析，分析影響管網(wǎng)的風(fēng)險因子，利用專家打分法，確定各風(fēng)險因子的權(quán)重和評價標(biāo)準(zhǔn)，使用層次分析法，分析每條管網(wǎng)的風(fēng)險分?jǐn)?shù)，實現(xiàn)供水管網(wǎng)風(fēng)險評估。

1 供水管網(wǎng)風(fēng)險評估模型機(jī)理分析

通過對供水管網(wǎng)風(fēng)險機(jī)理進(jìn)行分析，分析管網(wǎng)發(fā)生破壞的可能性以及發(fā)生風(fēng)險后的影響性。管網(wǎng)發(fā)生破壞的風(fēng)險從管道自身存在的危險性和外界環(huán)境對管網(wǎng)的危險性進(jìn)行分析，發(fā)生風(fēng)險后影響性主要分析周圍附屬設(shè)施和管線服務(wù)的用戶類型和梳理、周邊其他管線。

1.1 管網(wǎng)發(fā)生風(fēng)險的可能性

供水管網(wǎng)自身危險性指的是由于管道自有屬性和運(yùn)行工況對管網(wǎng)造成破壞的可能性。對管網(wǎng)運(yùn)行狀況和屬性的分析，建立管網(wǎng)自身風(fēng)險因子體系，主要包括管材、管徑、管齡、壓力和維修記錄等。運(yùn)行工況對管網(wǎng)造成破壞的可能性，主要包括管道埋深和管道地表負(fù)荷。

1.1.1 管材

造成我國供水管網(wǎng)漏水的因素中，管材問題一直被認(rèn)為是主要原因。由于管道材質(zhì)特性不同，管道發(fā)生破壞的可能性也不同。通過分析天津市供水管網(wǎng)不同材質(zhì)的漏損情況，發(fā)現(xiàn)鍍鋅管、鑄鐵管和塑料管的漏損頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他管材，石棉管和水泥管的漏失率也較高，球鑄管、玻璃鋼管以及鋼管的漏失率相對較低[2]（如圖1）。

1.1.2 管徑

供水管道屬于壓力管網(wǎng)，管徑大的管道管壁較厚，能夠承受的較高的壓力。美國波士頓的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，DN100-200管道占整個管網(wǎng)總長度的25%，但漏水點(diǎn)數(shù)占總漏水?dāng)?shù)的50%[3]。另外小管徑管道一般在管網(wǎng)末端，受到季節(jié)溫度和水錘效應(yīng)的影響較為嚴(yán)重。

1.1.3 管齡

隨著管齡的增加，管道受到自然侵蝕越來越嚴(yán)重，管道破損可能性增加。通過分析天津市供水管道破損與其管齡的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[4]，發(fā)現(xiàn)管齡在10年到20年管道發(fā)生破損呈上升趨勢，而管齡在20年以上為下降趨勢（如圖2）。

1.1.4 壓力

市政供水管網(wǎng)的運(yùn)行壓力一般在0.3Mpa～0.5Mpa。管網(wǎng)壓力過高易造成閥門連接處、管道變徑處等管點(diǎn)發(fā)生破損。結(jié)合管網(wǎng)運(yùn)行工況和本身屬性，對管網(wǎng)壓力進(jìn)行分級，壓力高的管道破壞的風(fēng)險也高。

1.1.5 維修記錄

供水管網(wǎng)破壞具有聚集現(xiàn)象。Goulter和Kazemi對管網(wǎng)破損事故進(jìn)行時間和空間分析得出：管道維修后很有會在其附近發(fā)生相似的事故。這有可能是由于管網(wǎng)運(yùn)行工況或者周邊環(huán)境對管網(wǎng)影響。一般城市的老城區(qū)發(fā)生管道破損事故聚集的情況要比新城區(qū)明顯[5]，維修記錄的次數(shù)能夠直接反應(yīng)管網(wǎng)健康狀況以及可能風(fēng)險的高低。

1.1.6 外界環(huán)境對管網(wǎng)的危險性

供水管網(wǎng)一般埋設(shè)在城市室外的地下。管道的埋設(shè)深度和地表負(fù)荷都會對管線造成一定的破壞。冬季氣溫較低，管道內(nèi)的水結(jié)冰破壞管道。管道的埋設(shè)深度應(yīng)在冰凍線以下，而實際中管網(wǎng)可能埋深過淺。地表負(fù)荷對管道產(chǎn)生的應(yīng)力超過管道承受力，也會造成管道的破壞。過重的交通負(fù)荷和人車流量較大的區(qū)域管道受到破壞的風(fēng)險較高。

1.2 管網(wǎng)發(fā)生風(fēng)險后的影響

管道破損后，供水能力大大降低，接受用水的用戶將會受到低壓、斷水的風(fēng)險。同時供水管網(wǎng)破損，泄漏的水流對周邊其他市政管道也會造成一定的危害，形成次生衍生災(zāi)害。通過研究各管道服務(wù)的用戶數(shù)量、所在區(qū)域類型以及與其他市政管道的距離，分析管道發(fā)生破損后可能事故風(fēng)險大小。

管線所處區(qū)域類型會影響管網(wǎng)破損后的影響嚴(yán)重程度。依據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》GB50137-2011對區(qū)域類型進(jìn)行了劃分，如表1所示。

通過研究重要防護(hù)目標(biāo)，耦合供水管網(wǎng)拓?fù)浞治?。利用水力學(xué)模型分析每條管道服務(wù)的區(qū)域和用戶。表2統(tǒng)計了合肥市重要防護(hù)目標(biāo)的數(shù)量。

由于不同管線間鋪設(shè)距離較近，當(dāng)管道破損后，流出的水會對周邊其他的管線造成一定的危害。往往單一的事件可能會造成不同類型的管線受到影響，因此需要將不同管線間的距離作為影響因素進(jìn)行計算。

2 供水管網(wǎng)風(fēng)險評估模型構(gòu)建

利用上述供水管線風(fēng)險發(fā)生的可能性分析和風(fēng)險發(fā)生后的影響程度分析，根據(jù)風(fēng)險矩陣法，風(fēng)險值為風(fēng)險可能性分值與風(fēng)險影響度分值的乘積，即R=L×S。

2.1 構(gòu)造層級

根據(jù)供水管道風(fēng)險發(fā)生的可能性分析和風(fēng)險發(fā)生后影響程度分析，將風(fēng)險因子和要素進(jìn)行層級劃分，如圖 3 所示。

2.2 權(quán)重體系確定

采用層次分析法對風(fēng)險比重進(jìn)行分析。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱 AHP）是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。這種方法的特點(diǎn)是在對復(fù)雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的難于完全定量的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策方法。方法過程如圖4所示。

2.2.1 確定兩兩因素相比的判斷值

在確定兩兩因素評判值之前，要建立層次結(jié)構(gòu)圖，然后分別對每一層進(jìn)行因素兩兩分析并建立判斷矩陣。建立評價矩陣時存在1～9這9個整數(shù)作為一個因素比較與另一個因素指標(biāo)的相對重要度的標(biāo)度。設(shè)fuj（ui）表示因素ui相對于uj而言的“重要度”的判斷值，其判斷值與確定方法如表3。

2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

若因素ui和因素uj比較的標(biāo)度fuj（ui）是aij，則因素uj和因素ui比較其重要程度為1/aij。對于供水管網(wǎng)后果嚴(yán)重度的評價問題來說，根據(jù)以上取值原則可以得到兩兩比較的判斷矩陣：=uij。

2.2.3 確定因素重要程度系數(shù)

得出判斷矩陣后，計算判斷矩陣每一行元素的乘積Mj，以及Mj的n次方根，Wi=，從而得到向量[W1，W2，…Wn]T，作歸一化處理后得到特征向量：

為了判斷結(jié)果是否合理，還要看所建立的判斷矩陣是否符合矩陣一致性。所以在得出權(quán)重矩陣后，要進(jìn)行檢驗，檢驗過程如下。

（1）計算判斷矩陣的最大特征值：λmax=∑

（2）計算一致性判斷矩陣和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI：

CI=

對于1～9階的判斷矩陣，給出了RI的取值，如表4所示：

（3）計算一致性比率CR=，CR<0.1時，通過判斷矩陣的一致性檢驗，因此認(rèn)為權(quán)重分配是合理的。

2.2.4 風(fēng)險因子分?jǐn)?shù)

依據(jù)供水管道風(fēng)險因子分析圖，采用專家打分法對供水管網(wǎng)各個風(fēng)險因子進(jìn)行打分，包括管材、管徑、管齡、壓力、維修記錄、管道埋深和地表負(fù)荷。

2.2.5 風(fēng)險影響度分?jǐn)?shù)

依據(jù)供水管道破壞后可能產(chǎn)生的影響分析圖，采用專家打分法對影響因子進(jìn)行打分，包括管網(wǎng)所在的區(qū)域類型影響、距離周邊管道影響和影響的用戶數(shù)量。

2.2.6 風(fēng)險值計算

管網(wǎng)三級風(fēng)險層管道自身風(fēng)險分?jǐn)?shù)為（A11、A12、A13、A14、A15），各個風(fēng)險因子權(quán)重為（W11、W12、W13、W14、W15）;管道外部風(fēng)險分?jǐn)?shù)為（A21、A22），各個風(fēng)險因子權(quán)重為（W21、W22）。管網(wǎng)二級風(fēng)險層自身風(fēng)險分?jǐn)?shù)A1=∑A1iW1i;管道外部風(fēng)險分?jǐn)?shù)A2=∑A2iW2i;管道發(fā)生破壞后產(chǎn)生影響的分?jǐn)?shù)為（A3、A4、A5），各個影響權(quán)重為（W3、W4、W5）。管網(wǎng)一級風(fēng)險層管網(wǎng)風(fēng)險可能性L=A1*W1+A2*W2;管網(wǎng)破壞后影響度風(fēng)險S=A3*W3+A4*W4+A5*W5。則供水管道綜合風(fēng)險R=L*S。

3 模型在H市的應(yīng)用

3.1 H市供水管網(wǎng)基本情況

H市供水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管材類型較多，區(qū)域人口密度大，管網(wǎng)服役年限長，具有典型的城市供水系統(tǒng)的特點(diǎn)。利用供水管網(wǎng)風(fēng)險評估模型，對H市管網(wǎng)進(jìn)行評估，研究區(qū)域內(nèi)管徑200以上的有260km，供水管線數(shù)量為90873條，鋪設(shè)時間在10年以內(nèi)的管道占總數(shù)的65.8%，10～20年的管道占總數(shù)的20.4%，20～50年的管道占總數(shù)的11.3%，50年以上的管道占總數(shù)的2.5%，供水管道的埋深集中在0.5～3m。

3.2 H市供水管網(wǎng)風(fēng)險評估模型建立

依據(jù)管網(wǎng)的拓?fù)鋽?shù)據(jù)，和供水集團(tuán)、相關(guān)行業(yè)專家共同研究，對供水管網(wǎng)風(fēng)險因子進(jìn)行評分（如表5-表14）。

采用層次分析法，通過與供水企業(yè)相關(guān)專家共同分析，建立各個風(fēng)險因子的權(quán)重，如表15。

3.3 H市供水管網(wǎng)風(fēng)險評估模型效果

利用上述模型方法對H市管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險評估，結(jié)果表明管網(wǎng)風(fēng)險分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域為老城區(qū)，主要原因是：（1）老城區(qū)管道鋪設(shè)時間長，管網(wǎng)老化嚴(yán)重，管網(wǎng)漏損率高。（2）隨著城市的發(fā)展，老城區(qū)人口密度越來越高，造成管網(wǎng)負(fù)荷過大。當(dāng)管網(wǎng)進(jìn)行維修停水時，涉及影響的居民較多。（3）老城區(qū)的供水管網(wǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜。地表建筑物的施工、原道路的擴(kuò)寬以及其他市政管網(wǎng)的鋪設(shè)可能造成管道的破壞，管網(wǎng)埋深達(dá)不到荷載要求，造成管網(wǎng)風(fēng)險高。通過對管網(wǎng)綜合風(fēng)險評估，使得管理者清晰直觀了解管網(wǎng)狀況，為管理企業(yè)制定科學(xué)維護(hù)改造計劃提供技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文分析供水管網(wǎng)綜合風(fēng)險的機(jī)理，利用H市供水管網(wǎng)進(jìn)行研究，對管網(wǎng)風(fēng)險實現(xiàn)主動控制，解決了當(dāng)前供水管網(wǎng)運(yùn)維低效、被動的問題。著眼于2022年冬奧會，結(jié)合相關(guān)賽事相關(guān)信息，分析評估冬奧會運(yùn)行的供水管網(wǎng)生命線，保障冬奧會運(yùn)營安全。

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