老旧城区供水管网改造优先等级分析

        摘要：本文研究了老旧城区供水管网改造的优先等级，分析了影响管网健康状态的因素，包括管材、管龄、管径和供水压力。基于这些因素，提出了一种供水管网安全评价方法，并以华南地区F市老旧城区供水管网为例进行了验证。该方法将管段风险等级分为四个等级，为管网改造提供了可行性的指导，有助于降低改造费用并提高供水效率。

一、老旧城区供水管网健康状态的影响因素  

1.1 管材

     老旧城区供水管网使用的管材主要有球墨铸铁管、灰口铸铁管、UPVC 管等。灰口铸铁管材本身的物理、化学和机械性能缺陷是造成铸铁管爆、漏损事故发生率高的根本原因。采用连续浇铸法铸造而成的普通灰口铸铁管,管材质地脆，不耐冲击、不耐震动、抗弯抗拉能力有待提高。尽管球墨铸铁管具有耐腐蚀、抗压能力强和寿命长的优点，但长期埋设在地下，受复杂的地质条件、地表荷载、管道接口方式和土壤持久腐蚀的影响，仍无法避免爆管和漏损事故的发生。从事故发生的概率上看，灰口铸铁管发生事故的概率较大，它的大面积分布直接影响了城市供水管网的供水安全性。 

1.2 管龄 

      管龄是反映管道运行状态的重要参数,管道运行的第一阶段为热身阶段。在此阶段，管道破损概率迅速下降至一个较低的位置，此阶段的管道破损一般是由于采用了错误的管材或安装方法而至。运行状态稳定后，管道进入第二阶段，除非发生管道承载过度或其他外力影响，管道一般保持良好的供水状态。第三阶段是老化阶段，该阶段管道发生破损的概率迅速升高。

1.3 管径 

      小口径管道壁厚较薄, 如 DN300 的球墨铸铁管壁厚 7.2mm,而 DN1200 球墨铸铁管壁厚 15.3mm。可见,大管径的管壁通常要比小管径厚得多。小管径供水管道在土壤中易 发生腐蚀而使管壁变得更薄,在荷载的作用下形成局部薄弱环节,成为管网爆漏事故的高发点。通常来说，管径越小，管道破损的概率越大，大管径管道则不易发生问题。但是从风险管理的角度看，一旦大管径管道发生漏损等问题，会给供水安全带来更多的安全隐患，造成更严重的经济损失。 

1.4 供水压力 

      供水压力对管网健康的影响主要体现在水压过大或水压波动上。众所周知，管网的流量与压力成反比，用水高峰期时，水量增大水压减小；用水低峰时则相反，如果管网压力不能保持相对稳定，高、低峰水压波动会引起管网爆损事故发生,尤其是相对老化的管网发生事故频率更高。

二、供水管网风险等级评价方法  

      针对老旧城区供水管网安全状态的影响因素，将其作为评价指标对管道的安全风险进行评价，从而对供水管网改造的优先等级提出合理化的建议，缩短前期改造调研时间，提高经济效益。国内外对评价指标权重已经做了一定的研究工作，求取方法大致分为两类，一类是统计法，如层次分析法，人工神经网络法 ；另一类是专家法，AWWA 每年都会对全国的供水管道情况进行评价，利用专家的知识和经验来确定评价指标权重。表 1~表 3 引用为前人管道评价指标权重的研究成果。

表 1 ANN 模型求取的管道指标权重    

表 2 AHP 模型求取的管道指标权重    

表 3 YAN 使用的管道指标权重

     从上述研究成果来看，管径、管材、管龄这 3个指标在任何评价体系中都占有相当大的比重。本文采用综合前人研究成果与专家意见的形式，针对该市的供水管网实际情况确定指标权重，因为同一地区的供水管段所处的土壤类型、铺设环境的差异较小，重点研究管材、管径、管龄、压力 4 个指标。

三、案例分析  

3.1 F市供水管网现状 

     华南地区F市的幅员面积为5139k㎡，其中市区幅员面积为 424.27k㎡。该市供水管网始建于上世纪50年度初年，1990年以前供水管线主要为灰口铸铁管，1990 年以后主要为球墨铸铁管, 现有2座水厂，供水管线总长约为 165.139km，有4个供水区域，供水面积为 92.3k㎡，服务人口为 48 万人。F市供水管网基本信息如表 4 和表 5 所示。

表 4 F市供水管网管径统计表    

      表 5 A 市供水管网铺设年代统计表

3.2 管网存在的主要问题 

      0~8 年为管道运行的第一阶段——热身阶段。在此阶段，管道破损概率迅速下降至一个较低的位置。8~15 年管道运行状态稳定后，进入第二阶段管道一般保持良好的供水状态。15 年以后为第三阶段——老化阶段，该阶段管道发生破损的概率迅速升高。 

3.3 对F市供水管网进行风险等级评估 

      管材的种类有 3 种，根据耐腐蚀等相关性能的比较对不同管材进行分级（见表 6）。

表 6 根据耐腐蚀等相关性能对管材进行分级

      由于城市管网错综复杂应用的管径也总类繁多，根据管径的大小与事故维修发生概率对管径进行分级（见表 7）。 

表 7 根据管径的大小与事故维修概率对管径进行分级

      管道会随着时间的增加逐渐老化，相对老化的管道会比新管道发生事故的概率高很多，因此,对管道的管龄进行分级 （见表 8）。

表 8 根据管龄对管道进行分级

      根据对压力值的分析，随着压力值的增加，管网的漏失和爆管概率会增加，F市城市较小，且供水方式主要为重力流， 压力波动比较小，所以对管道压力值进行分级（见表 9）。

表 9 根据管道压力值对管道进行分级

      将评价结果分为 4 个等级，如表 10 所示。

表 10 评价结果分级

      该研究方法为老旧城区供水管网改造优先等级提供了科学的评价手段，并具有一定的普适性，可以应用于其他类型的老旧城区供水管网改造。但同时也需要根据实际情况进行相应的调整，以适应不同地区的特点。

适用性分析：

指标体系：研究方法中提出的指标体系（管材、管径、管龄、压力）具有较强的通用性，可以反映老旧城区供水管网的主要影响因素。

评价方法：研究方法中采用的综合评价方法，可以有效地评估管网风险等级，并确定改造优先等级。

调整建议：

①指标体系调整：

• 考虑地区差异：不同地区的土壤类型、气候条件、用水需求等存在差异，需要根据实际情况增加或调整指标，例如：地质条件、气候条件、用水量、水质要求等。

• 考虑管网特点：不同类型的管网可能存在不同的风险因素，例如：重力流管网和压力流管网的风险因素存在差异，需要根据管网特点进行调整。

②权重调整：

• 考虑地区重要性：不同地区的供水安全重要性不同，例如：重要城市、重要工业区的供水安全要求更高，需要根据地区重要性调整指标权重。

• 考虑经济因素：不同地区的经济发展水平不同，需要根据经济因素调整指标权重，例如：经济发达地区的改造资金更加充足，可以优先考虑安全性和可持续性指标。

③数据收集：

• 完善管网数据：需要收集更加详细的管网数据，例如：管道材质、管径、管龄、压力、埋深、地质条件、周边环境等，以保证评价结果的准确性。

• 收集专家意见：邀请更多相关领域的专家参与评价，以保证专家意见的全面性和可靠性。

四、结语  

      以华南地区F市老旧城区供水管网中的管段风险等级评价为例，提出了一种科学合理的评价手段，通过对供水管段的重要指标进行赋值评价，略去影响较低的因素，综合各个指标的评价结果，对管段的风险等级进行直观的判断，为相关部门采用合 理的顺序和方案来进行供水管段的改造优先等级提供了依据，为保障供水安全提供了理论支持。