談供水管網(wǎng)爆管預(yù)警系統(tǒng)

陳輔強(qiáng)

(山西省建設(shè)信息中心，山西太原 030013)

0 引言

在我國(guó)城市供水系統(tǒng)中管線爆管事件時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了供水服務(wù)和城市交通。而從爆管發(fā)生到發(fā)現(xiàn)再到搶修結(jié)束，這個(gè)時(shí)間段會(huì)給供水公司造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，城市中供水管網(wǎng)爆管已經(jīng)成為供水公司的一個(gè)隱患，對(duì)建立和完善供水管網(wǎng)安全體系也構(gòu)成了潛在的威脅［1］。所以，建立供水管網(wǎng)爆管預(yù)警系統(tǒng)，從而有效預(yù)測(cè)爆管事故，對(duì)城市供水具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［2］。

1 爆管的原因

1.1 管道因素

供水管網(wǎng)爆管的原因主要出自管網(wǎng)，主要包括以下幾方面:

1)管道材質(zhì)因素。管道材質(zhì)與壁厚決定著管道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，強(qiáng)度越大則抗爆管能力越強(qiáng)。根據(jù)我國(guó)及發(fā)達(dá)國(guó)家多年來(lái)對(duì)管材漏損的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相同條件下，管材漏損率比較大小如下:灰口鑄鐵管＞球墨鑄鐵管＞鍍鋅管＞鋼管＞塑料管。給水管材、閥門(mén)附件大都敷設(shè)在地下，而金屬材質(zhì)的管道在土壤中會(huì)受到周?chē)橘|(zhì)的作用，其表面會(huì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，金屬單質(zhì)被氧化成化合物。則管道的強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能會(huì)顯著降低，管材壽命也會(huì)縮短，發(fā)生爆管事故的可能性也會(huì)大大增加。

2)管道接口因素。通過(guò)對(duì)管道爆管維修情況的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆管發(fā)生在接口上時(shí)，大多數(shù)都發(fā)生在焊接的鋼管接口和承插式管道的剛性接口上。對(duì)鋼管施工時(shí)，絕大多數(shù)都是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊，焊完后進(jìn)行防腐，都是人工進(jìn)行的，因此質(zhì)量不好控制。而管道承插式剛性接口可撓性差，易傳遞側(cè)向的力矩和軸向的拉力，當(dāng)溫度陡變或短時(shí)間內(nèi)土質(zhì)不均勻沉降時(shí)，就會(huì)引起爆管［3］。

3)管齡因素。目前我國(guó)許多城市的供水管網(wǎng)已經(jīng)老化，以致漏損。資料顯示有很大一部分爆管事故的發(fā)生，究其原因正是由于管段使用壽命大于其理論壽命，因此，采用合理的、經(jīng)濟(jì)的管網(wǎng)修復(fù)和更新策略，可減少爆管事故發(fā)生的可能性，以提高供水安全。通過(guò)建立合理模型和供水管道更換決策系統(tǒng)，預(yù)測(cè)供水管道更換時(shí)間，為在最佳時(shí)間更換管道及維修時(shí)供水調(diào)度作出合理決策。

4)管道施工因素。不規(guī)范的施工或是采用落后的施工技術(shù)以及質(zhì)量差的施工會(huì)導(dǎo)致供水管網(wǎng)受到外力作用而發(fā)生爆裂，因此建議各地方要加強(qiáng)對(duì)供水工程施工的審批和巡查，加強(qiáng)施工管理，保證供水管網(wǎng)的施工質(zhì)量，減少事故的發(fā)生。

1.2 供水管網(wǎng)因素

供水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，對(duì)爆管有很大的影響，主要有以下幾方面:

1)水錘作用。水錘現(xiàn)象形成的壓力是正常工作壓力的2倍～3倍，往往對(duì)管段造成較大的破壞［4］。正水錘壓強(qiáng)過(guò)高，引起管子爆裂，負(fù)水錘壓強(qiáng)過(guò)低，經(jīng)常會(huì)引起管子的凹陷。因此在施工和設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)注意水錘影響的消除，例如增大輸水管管徑，降低水流流速，增加水錘消除裝置(調(diào)壓室、氣壓罐、水錘消除器、緩閉止回閥等)可以從一定程度上減輕水錘的影響。

2)供水壓力。壓力過(guò)小無(wú)法滿足用戶水壓要求，壓力過(guò)大則對(duì)管材承壓性能要求較高，且極易造成爆管，對(duì)供水企業(yè)來(lái)說(shuō)也造成一部分的能量浪費(fèi)。而且用戶用水不均勻，居民用水變化很大，這要借助水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，水泵頻繁啟動(dòng)極易對(duì)管道造成破壞。因此在實(shí)際操作中，應(yīng)盡量采用變頻泵，水泵流量大小容易調(diào)節(jié)，也更節(jié)省能量。

1.3 外界自然條件因素

通過(guò)研究統(tǒng)計(jì)資料分析，外界自然條件因素對(duì)供水管網(wǎng)爆管也有一定的影響，主要有以下幾方面:

1)土壤性質(zhì)因素。德國(guó)燃?xì)馀c水工業(yè)協(xié)會(huì)通過(guò)對(duì)100多家供水企業(yè)的調(diào)查研究表明，土壤性質(zhì)是影響供水管網(wǎng)漏損的主要因素［5］。不同土壤的腐蝕性不同，管道沉降性能也不同，管道漏損被發(fā)現(xiàn)的難易程度也不一樣。

2)地面沉降因素。近幾年地面下降現(xiàn)象較多，橋面與路面嚴(yán)重高低錯(cuò)位，現(xiàn)狀地面的布局與河道的分布走勢(shì)已呈現(xiàn)不均勻性，導(dǎo)致過(guò)橋管網(wǎng)和普通供水管網(wǎng)因移位、折斷、脫節(jié)而爆管［6］。

2 爆管預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 基于GIS系統(tǒng)的爆管預(yù)警系統(tǒng)

GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))是以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟件、硬件環(huán)境的支持下，通過(guò)對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、操作、分析、模擬和顯示，實(shí)時(shí)提供空間和動(dòng)態(tài)的地理信息［7］。地理信息系統(tǒng)將圖形管理和數(shù)據(jù)管理結(jié)合起來(lái)，不僅克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形系統(tǒng)固有的局限性，而且實(shí)現(xiàn)了二者優(yōu)勢(shì)很好的結(jié)合［8］，使其功能更加強(qiáng)大。

王玲玲和王濱等基于GIS系統(tǒng)，采用生存分析和貝葉斯定理建立爆管模糊預(yù)測(cè)模型，建立了爆管的緩沖區(qū)分析模型和關(guān)閘搜索分析模型，對(duì)爆管在空間的分布規(guī)律進(jìn)行了分類(lèi)和綜合評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)可為管網(wǎng)管理者提供爆管查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析和預(yù)測(cè)預(yù)警等快速、多層次、直觀的信息，以保證管網(wǎng)供水安全［9］。

2.2 基于SCADA系統(tǒng)的爆管預(yù)警系統(tǒng)

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。

黃廷林和曹梅花等通過(guò)對(duì)管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置，利用SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的供水管網(wǎng)爆管前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行正常和爆管狀態(tài)下的狀態(tài)估計(jì)，根據(jù)整個(gè)管網(wǎng)爆管前后節(jié)點(diǎn)水壓的變化，考慮各節(jié)點(diǎn)在管網(wǎng)中的權(quán)重，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)賦予較大的權(quán)重，用模糊相似優(yōu)先比法快速準(zhǔn)確地尋找爆管管段［10］。

2.3 危險(xiǎn)率模型

危險(xiǎn)率模型是由 Cox［11］提出的，隨后 Andreou 等［12，13］深入研究了危險(xiǎn)率模型。

王祎和田一梅等采用生存分析的方法建立了供水管網(wǎng)爆管危險(xiǎn)率模型，提出了管道個(gè)體的概念，詳細(xì)分析了選取模型變量的方法，并采用貝葉斯定理將變量分級(jí)，結(jié)果表示該模型有著較好的擬合效果和預(yù)測(cè)精度，可以有效地篩選出爆管危險(xiǎn)率較大的管道［2］。

2.4 遺傳程序模型

遺傳程序設(shè)計(jì)(Genetic Programming，GP)是進(jìn)化計(jì)算方法的一個(gè)新分支，由美國(guó)斯坦福大學(xué)的 JRKoza教授于1992年創(chuàng)立［14］。

劉俊和俞國(guó)平通過(guò)訓(xùn)練以管徑為分類(lèi)依據(jù)的不同樣本，利用遺傳程序設(shè)計(jì)建立了故障強(qiáng)度與管徑、平均絕對(duì)壓力、平均管齡和抗拉強(qiáng)度之間相關(guān)關(guān)系的爆管預(yù)測(cè)模型［15］。

2.5 爆管預(yù)警系統(tǒng)的不足

從我國(guó)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研究成果看，對(duì)供水管網(wǎng)自動(dòng)化的研究方法還處在初級(jí)階段，主要集中在爆管事故原因分析及控制措施、爆管預(yù)測(cè)模型、供水管道更新時(shí)間預(yù)測(cè)模型等。國(guó)內(nèi)較多采用的是SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))，利用測(cè)壓點(diǎn)反饋的信息模擬管網(wǎng)運(yùn)行趨勢(shì)面，通過(guò)對(duì)比管網(wǎng)正常工況和異常工況，通過(guò)對(duì)比殘差圖，綜合用戶情況，來(lái)確定是漏損還是用戶用水量增加。當(dāng)前，大多數(shù)城市仍然不能充分利用SCADA系統(tǒng)的信息進(jìn)行爆管位置的檢測(cè)，而只能停留在通過(guò)測(cè)壓點(diǎn)水壓的劇烈變化來(lái)判斷爆管管段的位置，還未能建立起對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢漏和檢爆的有效方法，在遇到大的爆管事故時(shí)，仍難以及時(shí)找出事故發(fā)生的具體位置。

綜上所述，之前學(xué)者的研究主要集中在供水管網(wǎng)的爆管成因及爆管定位上，關(guān)于爆管預(yù)警方面的研究較少，鑒于爆管發(fā)生后的影響和危害之大，學(xué)者們今后的研究方向應(yīng)向供水管網(wǎng)空間分析轉(zhuǎn)移，結(jié)合供水管網(wǎng)運(yùn)行靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素，采用合適的數(shù)學(xué)分析方法，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，對(duì)爆管事故提前進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。因此，對(duì)供水管網(wǎng)爆管的研究要結(jié)合計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能、地理信息科學(xué)的已有先進(jìn)成果，并結(jié)合數(shù)學(xué)、水力學(xué)等學(xué)科，輔之以先進(jìn)的理論，建立起爆管預(yù)測(cè)分析模型，通過(guò)對(duì)問(wèn)題管段進(jìn)行求解，確定其爆管概率，并與實(shí)際狀況相對(duì)比，得到此模型的準(zhǔn)確程度。

3 管網(wǎng)爆管預(yù)警系統(tǒng)前景

在供水管網(wǎng)爆管事故發(fā)生的初期，通過(guò)SCADA系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)會(huì)顯示出部分管網(wǎng)在線壓力點(diǎn)壓力突降，甚至是所有管網(wǎng)的測(cè)壓點(diǎn)壓力普遍下降。但爆管的具體位置在哪里很難從數(shù)據(jù)中推斷。只有利用管網(wǎng)水力模型對(duì)管道爆管進(jìn)行進(jìn)一步的模擬，在爆管區(qū)域確定的前提下，利用SCADA系統(tǒng)和相關(guān)系統(tǒng)對(duì)爆管區(qū)域內(nèi)各管段輔以爆管模擬，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆管管段的準(zhǔn)確定位。盡早獲知爆管發(fā)生的位置，就能盡早搶修和補(bǔ)救，可以避免或減少其對(duì)生產(chǎn)、生活的影響和經(jīng)濟(jì)損失。

近幾年，新一代的 GIS軟件技術(shù)——ComGIS(Components-GIS，組件式GIS)已迅速興起。組件式GIS的基本思想就是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個(gè)控件，每個(gè)控件完成不同的功能。各個(gè)GIS控件之間，以及GIS控件與其他非GIS控件之間，可以方便的通過(guò)可視化的軟件開(kāi)發(fā)工具集成起來(lái)，形成最終的GIS應(yīng)用?？丶t如同一堆各式各樣的積木，分別可實(shí)現(xiàn)不同的功能。而在供水管網(wǎng)的漏損評(píng)價(jià)過(guò)程中一些需要集成的功能如果采用這種模塊化設(shè)計(jì)思路，就會(huì)使得系統(tǒng)在功能選擇上具有良好的可配置性和可擴(kuò)展性，而且可以使系統(tǒng)更加靈活。若實(shí)現(xiàn)組件式GIS系統(tǒng)與漏損評(píng)價(jià)的結(jié)合，就會(huì)使漏損評(píng)價(jià)方法變得更加智能與實(shí)用，該系統(tǒng)的升級(jí)、定制也會(huì)變得更加便捷。

4 結(jié)語(yǔ)

供水管網(wǎng)爆管預(yù)警系統(tǒng)模型的構(gòu)建包括城市供水管網(wǎng)模型的構(gòu)建和爆管預(yù)警模型的構(gòu)建?；贕IS的供水管網(wǎng)爆管預(yù)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)和基于SCADA系統(tǒng)的供水管網(wǎng)爆管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)有關(guān)專(zhuān)家的研究已取得了一定的成果。如何準(zhǔn)確定位爆管管段是我們進(jìn)一步研究與試驗(yàn)的重點(diǎn)。

［1］ 黃廷林，張 卉，何文杰.城市供水管網(wǎng)爆管和折管數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.給水排水，2008，34(2):113-116.

［2］ 王 祎，田一梅，單金林，等.供水管網(wǎng)系統(tǒng)爆管預(yù)測(cè)［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43(9):840-843.

［3］ 榮宏偉，張朝升，張立秋，等.城市給水管爆管機(jī)理分析［J］.廣州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，7(6):59-63.

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［5］ DVGW-Merkblatt W391/Wasserverluste in Wasser-verteilungsanlagen:Feststellung und Beurteilung.

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［8］ 田一梅，趙新華，黎 榮.GIS技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.中國(guó)給水排水，2000，16(9):21-23.

［9］ 王玲玲，王 濱，劉洪海，等.基于GIS的城市供水管網(wǎng)爆管預(yù)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)［J］.中國(guó)給水排水，2012，28(7):48-51.

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［14］ Koza John R.Genetic programming:on the programming of computers by means of natural selection［M］.Cambridge:MIT Press，1992.

［15］ 劉 俊，俞國(guó)平.基于遺傳程序設(shè)計(jì)的供水管網(wǎng)爆管預(yù)測(cè)模型［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(3):401-404.