（市政工程专业论文）法国城市供水管网更新工程计划的研究.pdf

摘要 摘要 城市给水管网的更新工程是一个十分重要的课题，关系着人们的卫生健康、 公共财产的安全、供水服务的质量以及管理成本的控制。“如何科学有效的制定 一套3 到5 年的管道优先更换方案 成为本文的研究目的。其困难在于：几万 条供水管道常年埋设在地下、其隐蔽性使人们难以观测和界定管道工作状况。 这篇论文主要从实践应用的角度研究并比较了法国昂蒂伯市和里昂地区管 网更新工程计划的不同方法。 昂蒂伯市采用一种基于五项评估指标的辅助决策工具，使对不同工程的优 先级排序成为可能。经过由这五项指标组成的多项式计算，每个工程得到一个 评分，然后即可排序。但其缺点是对这些待更新管道的第一步筛选仅仅考虑了 这些管道过去发生爆管的频率。 本论文的重点在于对里昂管网更新工程计划的研究。里昂的工程计划基于 欧盟合作科研项目c a r e - w 开发的一系列计算机辅助决策工具。通过把统计预测 的爆管概率同爆管事故的影响评价相结合的方式制定一系列管道状况评估指 标，然后应用一种名为e l e c t r et r i 的多项指标分级法筛选出最迫切需要更新 的管道群。然后，连同早期由现场技术人员制定的更新工程方案一起，由上述 方法制定的工程方案的效果得到了进一步的比较和研究。假设在里昂地区，用 三年时间分别按三种不同的方案对整个管网长度的3 进行更新，采用c a & e w 工具制定的方案最优，它将爆管事故所产生的不良影响减少了2 0 。 最后，文章对国外的先进经验和技术在上海浦东地区的应用进行了简要的讨 论。 关键词：给水管网更新，工程计划，计算机辅助决策，爆管率 a b s t r a c t r e h a b i l i t a t i o no fd r i n k i n gw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k si sam u l t i s t a k ei s s u e ： h e a l t h ，s e c u r i t y , e n v i r o n m e n t ，e c o n o m y , e t c ad e c i s i o np r o b l e mh a st ob ea d d r e s s e d ： h o wt od e f i n eap r i o r i t yp r o j e c t sf o rs h o r t - t e r mp r o g r a m m i n g ( 3 5y e a r s ) t h e d i f f i c u l t yc o m e sf r o mt h ei n v i s i b l ea n di n a c c e s s i b l ec h a r a c t e ro ft h ed r i n k i n gw a t e r s u p p l yn e t w o r k s t h i sp a p e ri sb a s e do nt w or e s e a r c h e si nt h ec i t yo fa n t i b e s ，l y o n ，f r a n c e ，i n p a r t i c u l a ro nt h e i rd e f e r e n ta p p r o a c h e so fr e h a b i l i t a t i o np r o g r a m m i n go fd r i n k i n g w a t e rn e t w o r k s t h ed e c i s i o n m a k i n ga i d e dt o o la p p l i e di na n t i b e sm a k e si tp o s s i b l et ot r e a to n ah i e r a r c h i c a lb a s i sw o r ko fp i p e sr e n e w a la c c o r d i n gt of i v en o n - r e d u n d a n tc r i t e r i a e a c hp r o je c t ，c a l c u l a t e db yap o l y n o m i a lo ft h e s ef i v ec r i t e r i a , o b t a i n sah i e r a r c h i c a l n o t eo fr e n e w a la n di t sc l a s s i f i c a t i o n i ti st ob en o t e dh o w e v e rt h a tt h ef i r s ts e l e c t i o n o ft h ep i p e st or e n e wr e s u l t sf r o mo n l yo n ec r i t e r i o n ：t h er a t eo fb u r s t so b s e r v e di nt h e p a s t t h em o s ti m p o r t a n tw o r ko ft h i sp a p e rc o n s i s ti nt h ea p p r o a c ha p p l i e di nl y o n ， w h i c hi sb a s e do nm o d e l sa n dt o o l st h a th a v eb e e nd e v e l o p e dw i t h i nt h ee u r o p e a n r e s e a r c h p r o je c tc a r e w ( c o m p u t e ra i d e dr e h a b i l i t a t i o no fw a t e rn e t w o r k ) s e v e r a li m p a c tc r i t e r i ah a v eb e e nd e f i n e da n dc a l c u l a t e da tt h ep i p es c a l e ，i n c o m b i n i n gs t a t i s t i c a lp r e d i c t i o no fp i p eb u r s tr a t ea n di n d i c a t o r sr e l a t i v e t ot h e v u l n e r a b i l i t yo ft h ee x p o s e de n v i r o n m e n t s e l e c t i o no fp i p e sf o rr e n e w a li sb a s e do n a 1 1o u t r a n k i n gm u l t i c r i t e r i am e t h o d ( e l e c t r et r i ) t o g e t h e rw i t ht h eo l dr e h a b i l i t a t i o np r o g r a mm a d eb yt h ef i e l d w o r kt e c h n i c i a n s ， t h ee f f i c a c i e so ft h ep r o g r a m sm a d eb yt h e s ed i f f e r e n ta p p r o a c h e sa r ec o m p a r e d i n l y o n ，t h ep r e v e n t i v ea p p r o a c hw i t ht h et o o l sc a r e wa l l o w st oa v o i d2 0 o ft h e m a j o ri m p a c t so v e r3y e a r sw i t har e n e w a lr a t eo f3 ，w h i c hi st h eb e s t i nt h ef i n a l i t y , t h ea d a p t a t i o no fa d v a n c e df o r e i g ne x p e r i e n c e si n p u d o n g ， s h a n g h a ii ss h o r t l yd i s c u s s e d i i k e yw o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r kr e n e w a l ，r e h a b i l i t a t i o np r o g r a m m i n g ， c o m p u t e ra i d e dd e c i s i o n m a k i n g , p i p eb u r s tr a t e i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 们刁b 年7 月哆日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 械急躲前l 吖撇警 舯狮躲丽l 邓学位论文作者躲 舻弋哆日 p 1 7 年j 1 月心日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：礁 v 。b 年了月吗日 第1 章引言 第1 章引言 与其他市政基础设施相比，如：交通、能源、固废、娱乐等等，市政供水 领域依靠着水这一有限并且相当脆弱的宝贵资源。这一公共事业的任务不仅仅 是输送和提供用水，同时还要保证水的质量。供水系统是唯一的，人们每天都 要用到它，各行各业的经济活动都离不开它。某个城市的生活质量一定程度上 要看供水服务的质量。 城市自来水管网的发展经历了大约有一个世纪。在法国，管网的总长度达 到了约8 5 0 0 0 0k m ( 2 0 0 2 年) ，大规模管网铺设在最近二十多年前已宣告结束， ( 所有的居民于1 9 8 0 年接通了自来水) 。从此，管网的维护问题开始变得越来 越突出。 管网维护问题其实是一个技术经济问题。合理选择管道更新时间是这一行 业科学管理的内容之一。目的是在保证满足供水安全和供水连续性的条件下， 使供水基础设施长久正常运转。最大的困难在于管道埋于地下不可见，管道具 体的健康状况不得而知。 本文的撰写得益于同济大学与法国威立雅水务集团的合作培养项目，文中 介绍的两个工程实例来自本人在法国威立雅公司的两次实习经历，历时各半年。 论文首先在理论的层面上探讨管网更新的意义以及管裂形成的原因，随后 进入工程实例，介绍法国在管网更新工程计划方案的制定方面近年来发展起来 的一些先进方法以及这些方法投入实践应用后的情况。先是法国南部城市昂蒂 伯( a n t i b e s ) 的一种相对简单的，利用数学多项式评估管道更新紧迫程度的方 法，然后论文将着重介绍并探讨以法国第三大城市里昂为中心的大里昂地区的 一种比较先进的，运用计算机辅助工具( 软件) 开展工程计划的方法。最后， 在阐述结论并提出展望之前，本文还将对里昂、昂蒂伯以及早期的管网更新工 程方案的制定方法作一个比较研究。 第2 章管道更新的意义及利害 第2 章管道更新的意义及利害 2 1 生命、财产的安全 管道更新的意义首先就在于避免事故对人民的生命财产带来重大损失。特 别是某些易引发山体滑坡或洪水灾害的地区，如果还有大量敏感客户在周围， 如：医院、学校、关键性工业、高密度人口等等，事故的后果将不堪设想。 2 2 用户水质 供水管道被有些学者描述成一个物理、化学及生物反应器，自来水在输配 过程中发生着各种各样的物化和生物反应。距离自来水厂较远的用户出水水质 可能会和水厂出水水质存在着很大的差异。 如此引发的水质投诉根据不同的产生原因可分成以下两大类： 外部原因：管网运营维护过程中的操作失误( 如：阀门开关造成回水现 象、临时断水后管道重新投入使用前的消毒不够充分，等等) 内部原因：管道自身的健康状况或者管道的水力特性( 水力停留时间过 长、水流速度过慢、管道内部腐蚀，等等) 2 3 供水连续性 事故修复过程中，局部断水是不可避免的。频繁的断水必然严重扰乱人们 正常的生活起居和工作，导致用户的不满，产生大量的投诉，政府和自来水公 司的管理能力受到质疑。特别是对于特许权经营者而言，这样的问题出现将使 企业很难在合同到期时再和政府续约。 lk 2 4 水力保证 在水力模型的帮助下，供水管网的水力供水能力得到评估。这是非常重要 2 第2 章管道更新的意义及利害 的，具体地说就是：管网是否有能力对其覆盖区域上的任何一点以稳定并且足 够的水压提供足量的用水。水力模型还可以用来评估某根管道的更新或加强后 对周边供水的影响。 2 5 成本控制 无论什么设备都有着随管龄的增长而不断增长的维护成本( 其中包括故障 修复的花费) ，而其更新成本则随着管道的折旧而不断减少。运营商的目标是将 两者之和压缩到最小，也就是说选择最佳的管道更新时间。( 如图2 1 ) 费 用 最佳更按年蹬 年 。一：”一量：”：蠢? ? 一i ：，二? 鬈霉：孑z ：妻曼。j 图2 1 ：供水管道更新的最优时间 更先进的成本模型还应该考虑事故发生所产生的社会损失以及水资源浪费 的损失。 2 6 市政工程各部门之间的协调 为了避免市政工程各部门对道路进行开挖、填埋、再开挖、再填埋的无序 重复施工，年内各项市政工程之间有必要进行协调。在法国，道路重铺后的再 开挖禁止年限为五年，以避免给周围居民以及道路使用者带来不便。给水管道 更新工程的实施应充分考虑其他市政部门的工程计划，尽量做到同时同地开工， 既节省了昂贵的土方费用又提高了市政工程的整体实施效率。 第3 章管裂的形成原因 第3 章管裂的形成原因 多种因素会导致供水管道发生破裂。爆管事故的发生可以被看作是这些因 素直接或间接地综合作用的结果。 3 1 输配水本身的性质 供水管道和其中被输送的自来水组成了一个生物、物理和化学“反应器 ( 如 图3 1 ) 。水在被输送的过程中发生着缓慢的生物、物理和化学变化( b e s n e re ta i ， 2 0 0 1 ；c h u n g ，2 0 0 1 ；l o i s e a ue ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 薄_ 菝 馥生 和有 圆滚污粢 固定态敏生物 ，瘩。 ：j ，：喾彩我；4 j o ，；氟”一鼍s ：巍麓等z ：j z 麓麓一乒鞠声转气笼! 苏# ：= ；：；乏? 2 ：l 。眨? j ：囊乙：，二， ；o ；一，蠢0 二 图3 1 ：管道“反应器” 最近的一些研究给出了供水水质对管道破裂的影响分析。理论认为，多数 情况下，同一管网中被输配的水，其水源水质即出厂水质都是一样的，而整个 管网内，管道的物理化学条件也都差不多的。因此，爆管事故高发管道与输配 水的水质不应该有直接和紧密的联系。 4 第3 章管裂的形成原因 3 2 土壤环境的影响 周围土壤环境对管道的损害起着很大的作用。 物理方面：土壤有松有紧、有稳有不稳的。( v r i g n a u d ，1 9 9 8 ) 化学方面：土壤的化学性质( 如腐蚀性、耐腐蚀性、p h 值、酸性、湿度等) 以及它们和管道的相互作用已经被科学界所熟知( v r i g n a u d ，1 9 9 8 ) 。供水系统的运 营者( 自来水公司) 应该寻找出那些土壤环境恶劣的地区，选用适宜的或者加 过保护层的管材铺设给水管道。这样，土壤环境对管道爆裂的化学影响在管网 设计阶段就已经得到了充分的考虑，并采取了必要的保护措施。 生物方面：根据不同的土壤性质，尤其是土壤的化学性质，微生物繁殖的 情况不尽相同。有些微生物对管道有腐蚀损害的作用，如甲烷类微生物、铁元 素微生物等。( k h a r ee ta 1 ，1 9 9 7 ) 3 3 气候 一些对爆管事故的发生时间、发生数量的模型研究显示了气候因素对管道 破裂的重要影响。如冬天的冰冻现象，不仅使管道的内外层机械压力的差异加 大，还降低了管道的韧性，阻碍管道通过自身延展来缓解压力，从而造成了管 道上出现裂痕并逐渐演变成事故。所以冬天的爆管事故比其他季节时要多得多。 另外，雨水和湿度对管道的腐蚀也起着一定的慢性的作用。这些气候因素对管 裂的影响已经被多位科学家发现并加以描述。( j a m e s ，1 9 7 1 ；s m i t h ，1 9 7 6 ；i n a b a ， 1 9 9 1 ) 3 4 水压和外部人工操作 水压和“水锤现象 主要损害管道的接口部位，但同时也损害管道本身。 高强度的压力或者更准确地说是压力的变化“折磨”着供水管道( m a y , 1 9 9 4 ) 。 然而，参照管道建设时的资料后，我们发现过高的水压并不应该成为事故发生 的主要因素。因为设计的管道材料的承压能力远远高于管道通常所承受的水压。 所以说，水压是事故发生的诱导因素，而非管道腐化的直接影响因素。k o t t m a n n ， 1 9 9 4 年甚至还提出低强度的水压力同样可以作为管道腐化的原因之一。实践中 第3 章管裂的形成原因 发现，气泡的出现，即使是在水压很小的情况下，也会使管道上方和接口处产 生紊乱。这种现象的发生并不常见，主要由外部的人工操作所引起，如管道的 重新进水投入使用、管道部件调整等等。 3 5 管材 多种管材在供水领域被采用，它们的选用取决于埋设环境、操作需要和成 本。手册m 2 7d ei a w w a ( a w w a ，1 9 8 7 ) e t p e a b o d y , 2 0 0 i 】详细介绍了各种管 材外部腐蚀的化学机理以及如何对管道寿命进行简单的预判。长期针对不同管 材、不同埋设环境的观察还帮助了给水系统的运营商们合理地选择适宜的技术 手段来降低某些特定环境因素的不利影响。例如：阳离子保护。管道材料的确 可以作为判断管道寿命的依据之一，但不是唯一的依据。 3 6 管龄 图3 2 表示供水管道随时间推移的爆管率走势，形似一个“浴缸 。可被分 为三个阶段：( e i s e n b e i s ，19 9 4 ；r o s t u m ，2 0 0 0 ) 青年期：由于铺设时的操作失误或客观环境条件限制，早期事故不可避免。 成熟期：偶发事故。 衰老期：事故发生频率显著上升。 6 第3 章管裂的形成原因 ? ； 爆 ：。管 t j 。率 j ! d 图3 2 ：管龄爆管率“浴缸”曲线( e i s e n b e i s ，1 9 9 4 ) 理论上来说，管龄本身不该被视作管道老化的形成因素之一。绝对条件下， 如果某管道在埋设时和后来长年的维护过程中，施工、运行都十分规范，没有 任何外部操作影响的话，该管道是不会随着时间发生腐化的，其老化的原因应 该被看作是数次操作失误造成的伤害和长期外部环境作用的累积。因此，单凭 管龄来比较两根管道的健康状况是不可取的。 另外，给排水管道的制造技术特别是埋设技术在数十年间得到了很大的提 高，管道铺设年份也从一定程度上反映出管道制造的质量，和管道材料所反映 的信息往往是一致的。因此，管龄虽然不应该作为引发爆管的重要因素之一， 但可以和其他影响因素结合在一起考虑。 3 7 其他影响因素 其他因素也影响着爆管事故发生的机率。管道对外来负荷的承载力有限， 如：公路，地震波，靠近地铁、铁路、有轨电车轨道时所受到的直流电波冲击 等等。这些因素往往在设计阶段就已经得到了充分的考虑，一般都加上了必要 的保护。最后，管道铺设环境的颠覆大多来源于不合理的人类活动了。 7 第4 章管网更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) 第4 章管网更新工程方案制定方法之一 ( 案例：法国昂蒂伯市) 以上两章从理论层面上探讨了管道更新的意义和利害以及爆管事故发生的 原因，从本章起论文将开始介绍法国在供水管网更新工程计划方案制定方面近 年来所取得的成绩。这些成绩的取得经过了时间的洗礼，在工程实践中得到了 发展和验证。这发展并没有停止，随着技术水平的不断提高，这一发展将给 未来的工程计划方案的制定带来新的“能量 。 9 8 年以前，管道更新的选择基于一种主观的、缺乏科学根据的方法。长期 以来，这一任务都是交给现场技术人员来完成的。他们根据个人对管道情况的 了解选择要更换的管道。如今，选择管道的更新要求有理有据，需要考虑多方 面的因素。这样，计划制定就变得越来越复杂。 4 1 工程背景 昂蒂伯市的特许经营合同中规定管网的更新维护由市政府和威立雅公司共 同承担，并且威立雅公司还不计报酬承担工程计划的制定。威立雅水务集团法 国东南大区推荐采用一种按五项评估指标经多项式计算评测管道更新优先级的 方法。这五项评估指标分别是： 漏损率( 或事故发生率) 含铅进户管 交通影响 道路整修工程 管道维护现场技术人员的经验 4 2 方法介绍 4 2 1 五项评估指标 8 第4 章管网更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) 漏损率： 定义：漏损率= 工程漏损率管网平均漏损率 工程漏损率= 计划要更新的管道上漏损事故发生的次数( 1 ) 参考 管长( 2 ) 1 9 8 9 年1 月1 日起事故发生次数，不包括已经更换了的管道上发生的事故。 指实际施工长度：多数情况下，就是原来管道的长度，但是 如果某管道被决定废除而不更换，该管道的长度不应计入参考管长，因 为从经济角度来看，该管道的废弃几乎没有花费。 如果出于将来维护方便的考虑，重新铺设的管道要改道以求绕开障碍物 或难以进入的地域( 比如：私有土地) ，应该计入参考管长的是将要铺 设的管道长度，而非原来管道的长度。 管网平均漏损率= 管网漏损事故发生总次数管网总长度 含铅迸户管： 威立雅公司承诺在2 0 0 8 年前更换所有a n t i b e s 市的含铅进户管，因此，如 果工程涉及到这些含铅进户管的话，将优先施工。 o 未涉及含铅进户管 l1 至4 条含铅进户管 2 5 条以上含铅进户管 交通髭喧： 该指标评估了爆管事故发生时工程队的介入对道路交通造成的影响。 o 零影响( 公共绿地、荒地) i 影响弱( 人行道、小路) 2 影响中( 一般公路) 3 影响强( 主干道、必经之路如桥等) 道堕鏊丝王猩： 该指标的确定是基于近期道路改造工程项目中道路翻修后的路面结构情况 的。法律规定，道路翻修后5 年内不得在该路段进行任何形式的施工。因为这 会导致不必要的人力、物力的浪费，并给市民留下市政工程项目管理混乱的印 9 第4 章管网更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) 象。 o无道路改造项目 l 粗质石板铺面、双层铺面、绿地 2 人行道上的混凝土或沥青铺面 4 道路热浇保护层或混凝土层 5 石板铺面、马赛克、石块铺面、加固混凝土 筻道丝塑塑扬楚苤厶旦丝经殓： 比较前面的几项，该指标相对主观。它是威立雅公司百年来丰富运营经验 的体现，是工程咨询类公司所无法相比的。 o 无特殊情况。 l 铸铁管d n 4 0 6 0 。 2 事故会引起众多用户断水；旅游区、餐馆、宾馆的供水：施工困难的大 管径钢筋混凝土管。 4 施工单位难以介入的管道( 如：私有土地、管道埋在建筑物下或埋设很 深) 。 5 发生事故时，物质损失巨大的管道；一次更新即可彻底解决水质、水量 或水压的问题。 注：如果一个工地同时满足上述多项情况时，该指标的得分要累加。 4 2 2 管道更新工程优先级计算多项式 每个更新工程通过下面这个简单多项式的计算将得到一个n 值，这个n 值 定量地反映了各个工程的优先级，n 值越大，工程越紧迫。 n = ax 漏损率+ bx 含铅进户管+ cx 交通影响 + dx 道路整修工程+ ex 现场技术人员经验 多项式系数的确定： 每个评估指标的重要性并不相同。范围取最值。多项式系数= 重要性范围 的最大值。 1 0 第4 章管网更新工程方案制定方法之( 案例：法国大里昂地区) 权重范围 多项式系数 漏损率( 事故发生率) 4 0o 一1 7a = 2 4 含铅进户管 3 00 2b = 1 5 交通影响 2 0o 一3c = 6 7 道路改造项目 4 0o 一5d = 8 现场技术人员经验 3 2 o 一8 e = 4 最终管道更新工程优先级计算多项式如下所示： n = 2 。4x 漏损率+ 1 5x 含铅进户管+ 6 7x 交通影响 + 8x 道路整修工程+ 4x 现场技术人员经验 4 3 工程实际应用 上一节介绍的方法在昂蒂伯市的实际操作步骤如下： 步骤一：收集管道漏损历史信息 步骤二：通过g i s “查询”筛选有效漏损信息 步骤三：在图纸上筛选事故高发管道 步骤四：在g i s 上确定具体施工地点和施工管道并输出工程详图。 步骤五：从g i s 上收集工地信息( 管长、管径、管材、道路级n 承压、转接口 数量、进户管数量) 步骤六：整合现场技术人员的经验性建议以及供水安全研究报告的管网改 造建议 步骤七：多项式计算和优先级排列 步骤一：收集管道漏损历史信息 自从十多年前地理信息系统( g i s ) 被引入到水务领域以后法国威立雅水务 集团就一直致力于全国范围内的g i s 系统建设，意欲领跑这一技术的应用和推 广。 也就是从那时起管道事故信息得以与图形相结合的方式被保存在计算机数 第4 章管网更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) 据库中。经过十多年的信息积累这一宝贵的信息源成为了如今管网改造更新工 程计划制定的重要科学依据之一。科技的发展就是这样“后浪不断地推动着前 浪”，几年以后或许今天的课题又会给人们带来更大的惊喜。 a n t i b e s 市的工程人员在完成事故修复之后会从g i s 中输出图纸并标明事故 发生的准确位置、事故类型、事故发生时间和原因等，然后将这一信息转交给 电脑绘图人员由他们将信息输入g i s 系统。得益于工程人员和电脑绘图人员的 这种默契的配合和细心的工作，a n t i b e s 市的爆管事故记录可以在g i s 上显示到 管道上的具体某一位置，这是许多地区的g i s 系统尚无法做到的。这给下面的 步骤带来了不少的便利。 步骤二：通过g i s “查询”筛选有效漏损信息 工程技术人员是g i s 系统的主要使用者也是最大的受益者。他们电脑中安 装的g i s 版本般没有绘图的权限，但可以利用强大的查询功能，有点像 m i c r o s o f t0 伍c e 中a c c e s s 的“查询”，当然a c c e s s 不是图形可视化的。 查询的目的在于显示所有爆管和漏水事故的位置，并用红色实心圆表示， 圆内标出事故发生的年份。注意：要除去外部原因造成的事故，如：外部施工、 接口伤害等等。 查询需要一定的电脑工作时间，完成后就可以看到一张布满红心圆的城市 供水管网图，打印输出后接下一步骤。 1 2 第4 章管阿更新工程方案制定方法之一( 案倒：法国大里昂地区) 圈41 ：g i s 捕损事故查询结果 步骤三：在图纸上筛选事故高发管道 由图4i 可见事故发生的地域分布很不均匀，正因为如此才需要选择事故高 发的管道进行更换。特别值得注意的是紧靠东海岸的老城区管道铺设年份最早， 一直可咀追溯到一百年前并且大多为小管径( 4 0 r a m 、6 0 r a m ) 的铸铁管，这一 老城区是典型的事故高发地区。输出管网全图可以方便肉眼找出红色实心圆密 集的管道用荧光笔标注后转到g i s 细看。 步骤四：在g i s 上确定具体施工地点和施工管道并输出工程详图 如图4 2 所示，由高事故发生率出发在g i s 上标出待更换的管道的施工走线 定线时注意周围管道的年龄和管材。一般认为同年铺设的同种材料管道也是同 第4 章管阿更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) 等危险的，宜一同更换。加粗施工走线然后按1 ：2 0 0 0 的比例出图。如图4 2 所 示范例工程d 6 1 。 图42 ：管道更新g i s 工程图示例 步骤五：从g i s 上收集工地信息( 管长、管径、管材、道路级别承压、转接口 数量、进户管数量) g i s 的重要功能之一就是方便查询管道及管道组件信息，它是一个图形化的 数据库。工程师确定完施工线路以后在g i s 上查询所需的工程信息。如表41 的 示倒。 表41 ：工程信息收集示倒 目前臂径 参考工程掩工 i ； 地址敷设年骨管长 摹敛 督*管径 敬敦 ( 米)( 米)( m m ) 第4 章管网更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) d 5 8c h d el ag a r o u p ef 6 0 1 9 0 5 1 3 740废弃一 d 5 9 a v d e sm a r e c h a u x f 4 01 9 2 66 83 6 8p v c l l 0 d 6 0 i m p a s s ec h a r l e sn a u d i n f 4 01 9 4 95 745 7p v c l l 0 d 6 1c h d e so r i d e sf 1 0 01 9 5 42 1 792 1 7p v c l l o d 6 2a v g 6 n 6 r a if e r r i ef 1 0 0 + f 6 01 9 6 7 卜1 9 2 5 1 7 05 1 7 0p v c l l 0 d 6 3v i e u xc h d es tj e a nf 8 01 9 1 59 939 9p v c l l 0 d 6 4c h d uv a l b o s q u e ta 1 0 01 9 6 76 236 2p v c l l 0 注：f ：铸铁管；a ：钢管；1 9 0 5 ：1 9 0 5 年之前铺设 步骤六：整合现场技术人员的经验性建议以及供水安全研究报告的管网改 造建议 献。 根据前文的介绍，漏损率= 工程漏损率管网平均漏损率 工程漏损率= 计划要更新的管道上漏损事故发生的次数参考管长 含铅进户管的数据来自客服部的数据库资料。 交通影响、私有土地及备注事项则是多位现场管道技术人员多年经验的贡 计划中的道路整修工程一栏是由昂蒂伯市道路管理办公室的人员填写的。 表4 2 ：五大评估指标应用示例 事故发含铅交通计划中道现场技术私有 工程编号备注 生概率进户管 影响 路工程人员意见土地 d 5 89 1 2 4 3旅游区，舍弃6 0m1 1 1 铸铁管 0 5 91 30141 6 0 r a m 铸铁管 d 6 02 1o1o1 是6 0 r a m 铸铁管 d 6 11 2o242 旅游区 d 6 2903 4 5 6 0 m m 铸铁管，水质问题 1 5 第4 章管网更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) d 6 3g 0 2 4 4水质问题 d 6 41 4o344 高速公路过桥。划产损欠会比较大 步骤七：多项式计算和优先级排列 得到五大评估指标的数值后由管道更新工程优先级计算多项式计算各个工 程地点的施工优先级别： 每个工程地点经计算得到一个分数。分数越高更换就越迫切。 另外，对每个工程进行必要的成本估算有利于每年的工程预算控制。 表4 3 ：管道更新工程优先级排序结果 工程工程 工程管径 路面 岩石每米 成本 事故现场技 优先级 百分更换 发生 含铅交通预计道 术入员排名 编号管长强度 估算进户管影响路工程分数 比成本概率 意见 d 1 0 32 8p v c l l o 由 2 0 05 6 0 03 2o3 44 1 4 2 1 d 1 0 7 3 0 p v c l l o 出 2 0 06 0 0 02 912 4 11 3 42 ， d 3 67 8 5 p v c l l o 中 2 0 01 5 7 0 02 601481 3 23 d 2 73 7p v c l l 0 凼 2 5 2 4 08 8 8 0 2 41145 1 3 0 4 d 2 26 9p v c l l o 中 2 0 01 3 8 0 01 713 4 41 2 35 d 81 0 6p v c l l o 高 2 3 02 4 3 8 01 213 4 71 2 26 d 6 1 2 1 7p v c l l o 由 2 0 0 4 3 4 0 01 2o24 2 8 25 1 1 6 第4 章管网更新工程方案制定方法之一( 案例：法国大里昂地区) 4 4 昂蒂伯市案例小结 最终，昂蒂伯市的管网更新工程计划被制作成一张c d ，其中包括每个工程 的数据信息( 管长、管龄、现有管材、管径；待更换管道的管材、管径：路面 结构：工程预算；) 及工程详图。 工程选择应该在自来水公司和政府相关部门相互协作的基础上完成。整个 城市的管网系统应该被统一考虑。 至于评估指标的制定则没有定式，每个城市应根据当地的实际情况因地制 宜地调整各项指标。比如在昂蒂伯市，含铅进户管指标以及现场技术人员意见 中的铸铁管d n 4 0 6 0 ，就是根据威立雅公司与当地政府间的合同条款而专门添加 的，可以说，既充分考虑了社会财产安全，同时也兼顾了一定的公司利益。其 他如旅游区、酒店、宾馆等考虑因素也是由昂蒂伯市作为一个重要旅游城市的 特点而特别制定的。 每一项指标都应该被既全面又独立地看待。各项指标的权重的确定也是因 地制宜的。比如，漏水问题应该成为水资源贫乏地区的首要指标；人口密集的 中心城区，供水的安全性和连续性则显得更为重要。 昂蒂伯市应用的方法是建立在过去的数据基础上的，给当前的管道状况给 出了评估。新入选的工程首先出自历史事故发生频率的第一层筛选，随后施工 线路及范围得以确定。接下来，其他四项评估指标“走上舞台”，和事故发生频 率一起对这些入选的工程进行评估、打分以及排序。值得指出的是：在工程筛 选的过程中，五项评估指标之一的事故发生频率被优先、单独地考虑了，这导 致了计划方案中漏掉了那些过去事故发生次数尚不多但是一旦发生事故则破坏 极大的管段。 为了改进上述方法的缺陷，预防性方法“浮出水面”。于是，供水管理者需 要特殊的计算机辅助工具来完善上面提到的第一步筛选。第一种工具旨在预测 管道未来的事故发生概率，另一种工具则真正地同时考虑了多项评估指标，对 管道更新的筛选做出了科学的分析和决策。下文将以较大篇幅着重介绍本人在 法国里昂地区学习到的先进方法。 1 7 第5 章管网更新工程方案制定方法之二( 案例：法国大里昂地区) 第5 章管网更新工程方案制定方法之二 ( 案例：法国大里昂地区) 5 1 工程背景 5 1 1 当地背景 威立雅水务( 里昂) 同大里昂政府签有自来水租佃合同，从1 9 8 7 年起为大 里昂政府管理里昂市9 个区以及周边3 2 个县级市( c o m m u n e ) 的饮用水供水设 施。总覆盖面积3 5 0 k m 2 ，每天供水量3 0 0 0 0 0 0 m 3 天，管道总长3 0 0 0 k m ，多个 提升泵站分布在不同的地点以应对里昂地区多样化的地形。大约1 5 的管道埋 在有山体滑坡风险的地区，这是里昂的一个非常重要的地理特性。 租佃合同还规定了管网更新工程由政府和威立雅公司共同承担，工程预算 每五年重审一次。至于工程方案的制定政府邀请了第三方里昂国立应用科学技 术大学( i n s a ) 参与协作，这样，政府、水务公司和科研院校三方合作，力求把 工程方案做到的最优。 里昂地区所有5 0 0 0 0 根管道的属性信息都存在于g i s 系统之中。而历史爆 管事故信息则存储在另一个附属的数据库中。 工程计划方案每年一定，每次定三年的工程量，这样第二年重新定方案的 时候会有约三分之二的工程量留下来，这样就只需补充另外的三分之一后再重 新排序。工程方案包括以下两大类： 1 排序工程：由下文将涉及的软件工具筛选并按其更换优先级排序的工程 2 非排序工程：管网网状化、管网延伸、增添阀门、管网分区以及高预算 工程项目 5 1 2 国际科研环境及课题背景 实际上，里昂政府威立雅水务里昂应用科技大学的合作还隶属于c a r e w ( c o m p u t e r _ a i d e dr e h a b i l i t a t i o no fw a t e rn e t w o r k s ) 的欧盟科研项目。该项目的 1 8 第5 章管网更新工程方案制定方法之二( 案例：法国大里昂地区) 研究目的是：联合欧洲1 2 个科研单位和1 3 家供水企业( 图5 ”通力合作，开 发并且检验c a r e - w 供水管网计算机辅助管理系统。c a r e w 可以提供两种层 面的辅助：短期规划方案的制定和长期规划方案的制定。本篇论文只涉及短期 规划方案。 o 永运营商 科研机构 ，哆、 圆一 图5l ：c l w 研究项目的台作伙伴 ，。瓢影， r ，、j 第5 章管网更新工程方案制定方法之二( 案例：法国太里昂地区) 52 管道爆管事故发生概率的预测工具 c a r e - wp o i s s o n 5 2i 简介 c a r e - w _ p o i s s o n 用概率统计的方法预测爆管事故发生的概率。功能如下： 评估管道诸多物理因素及环境因素对爆管事故发生频率的影响，找出有 效的影响因素，并对这些有效影响因素进行排列组合，得到一组组不同 的管道分类。( 定性) 应用泊松定律计算不同类别管道的爆管事故发生概率，并将概率分配到 整个管网的所有管段上。( 定量) 图52 ：软件c a r e w o i s s o n 的运行界面 5 22 里昂的数据 c a r e - r _ p o i s s o n 使用两个文本文件作为导八数据的载体，一个描述管道的 第5 章管网更新工程方案制定方法之二( 案例：法国大里昂地区) 各项结构属性和环境属性( s t r u c t u r ed a t af i l e ) ，另一个是爆管事故发生的记录 ( m a i n t e n a n c ed a t af i l e ) 。见表5 1 。 表5 1 ：应用于c a r e - wp o i s s o n 的里昂数据 管道属性文件( s d f 文件) ： 这两个文本文件中每个变量都有相应的格式或数据类型的要求，如有差错， 将无法运行计算。4 9 0 0 0 根管段乘以1 3 个参数，共计6 3 7 万个数据，它们来源 于多个不同的数据库，大部分取自g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，其 2 l 第5 章管网更新工程方案制定方法之二( 案例：法国大里昂地区) 他还有事故数据库、用户数据库等等这么大的数据量，难免许多错误。比 如有相同管段上一周内发生2 次以上爆管的，有数值为负的，有管径根本不存 在的，更多的则是数据为空。为了填补这些原始数据的缺陷，我们设计了一些 假设及操作。当然这会给计算结果引入一定的误差。 5 2 2 1 原始数据的修正( 管材、敷设年份) 管材、管径、敷设年份，三者之间往往有着紧密地联系。见表5 2 。首先通 过这三项数据的比较，就可以去除一部分错误了。 表5 2 ：法国供水管网管材、管径、敷设年份对照表 根据表5 3 中所列的规则可逐步去除原始数据中的缺陷： 表5 3 ：里昂地区数据修正方法 5 2 2 2 原始数据的修正( 供水压力) 2 2 第5 章管呵更新工程方案制定方法之二( 案例法国大里昂地区) 压女 _ m i 口自 口一g 口* 图53 ：里昂供水压力示意图( 水力模型2 0 0 4 年数据的计算结果) 里昂地区有水力模型。可以计算压力、流量、水力停留时间等等。但是， 值得一提的是；水力模型对管段的划分不同于供水管网的实际管道组成结构。 为了把两者联系起来，我们选取道路名( 两个结构系统的共同点) 作为联系的 纽带。压力的分配和修正过程如图5 4 所示。 道路= 级管网管径平均压力 0蛰 b 第5 章管网更新工程方案制定方法之二( 案例：法国大里昂地区) r 1 r l s r l s r 2 2 0 07 2 0 0 5 图5 4 ：供水压力从水力模型到实际管段上的数据修正示意图 然而，在实际操作中，我们发现：水力模型和g i s 系统标注的路名存在许 多差异( 注：g i s 系统的管段划分符合实际埋设) 。为了找出这些差异，并将他 们改正，需要花费很多时间。如果有类似的情况发生，我们推荐另一种简便的 分配水头压力的方法：从水力模型中导出各节点标高和源头水塔的标高，两者 差就是水压的近似值了。 5 2 3c a r e wp o i s s o n 在里昂地区的应用结果 5 2 3 1 有效影响因素的确定 如引言中所述，诸多物理因素和环境因素都可能对管道的老化及事故的发 生起着不同程度的影响作用。c a r e w _ p o i s s o n 的目的在于：找出显著的影响因 素；按这些因素的排列组合，对管段进行归类；通过概率计算得到各类管道的 爆管发生率。为找出这些有效的影响因素，先要预设一种分类，然后将p o i s s o n 的计算结果导