城市供水管线结构安全风险评估模型

目前，供水管线评估模型大多是针对统计性的管线事故评价，如果仅使用单纯的数理统计的概念，由于爆管事故的统计量限制，管线事故的数据信息对于全面的风险评价是不够的。通过对引起管线风险的因素识别、分析，构建风险评估系统则可以较全面地判断供水管线事故发生的可能性。国际上对管线结构、管网单元及系统的评估模型包含：1992年，W.Kent Muhlbauer 提出管线风险管理评估模型(肯特模型)；2006年，加拿大国家研究委员会发表的主干供水管线评估模型(NRC 模型)；2014年，美国Jason 咨询公司提出的基于贝叶斯网路的管线结构动态评估模型(Jason 模型)；2009年，美国EPA 提出的管线结构评估模型(EPA 模型)。

针对我国供水管线特征，从供水管线的结构安全稳定性出发，采用指数评分法建立供水管线结构安全风险评估模型。模型综合考虑影响供水管线安全的各项建设属性、结构状态、周边环境、运维状况、漏损情况等因素，细化各项风险因素及分级评价指标，对各个风险指标进行数据采集与评分，赋予各因素及指标相对权重，并以此开发建立供水管线结构安全风险评估系统，对供水管线的结构安全风险进行评估，为供水管线系统的日常维护及更新改造提供决策依据。

1.指标选取

分析国内外管线及管网评估模型，管线状态评估的因素如表10-3所示，各类评价因素出现的综合重要程度采用“★”数量表示，“★”数量越多，重要程度越高。

表10-3　管线评估因素分析

2.评估模型

利用工程风险分析理论，采用多因素综合评估法构建供水管线结构安全风险评估模型，通过对影响供水管线安全的因素对比及重要度分析，筛选有关管线结构安全的重要影响因素。采用层次分析法(AHP)分别构建了目标层、因素层、指标层以及其评分项目和评估等级，建立管线结构风险评估模型，如图10-35 所示。

考虑到管线结构破坏由自身不安全的受力状态、管线抗力衰退、环境区域的影响，将管线结构的风险因素归纳为“荷载变形”“时间效应”“环境效应”三项，构建共3个大项的风险因素，同时建立风险因素的子评估项目，细化为10 项基本评价指标，基本涵盖了供水管线结构安全性能主要指标。模型结构如图10-35 所示，其中：

(1)管线荷载因素指标SL，包括埋深h、管径D、管压P、管材M、温差T 和道路荷载L；

(2)管线时间效应指标ST，包括管龄A 和历史事故H；

(3)管线环境效应指标SE，包括土壤腐蚀环境E 和区域扰动影响(区域活动密集程度)R 等。

图10-35　城市供水管线结构安全风险评估模型

采用指数评分法，将模型中影响供水管线结构安全的10 项评价指标量化为对应的评价分值，对各个风险要素评估项目进行数据采集与评分，赋予各风险要素相对权重，得到目标层综合评分，表征供水管线风险。具体计算过程如式(10-2)-式(10-7)所示。(www.xing528.com)

式中　ω---指标权重；

S---各项指标的评分，分值为0～10。

3.评估指标量化

基于上述指标形成的管线风险评估指标体系，建立各项指标的评分准则，每项评分表示该项指标导致事故发生的可能性及其影响程度，利用工程定量风险评价(Quantitative Risk Analysis，QRA)模型定量评价事故的发生概率。

不同评价指标通过力学计算、数值分析或参考规范指标等方式，确定指标评分标准。例如，管材根据不同管材的力学特性，金属材质的管线材料强度与其敷设的腐蚀状况密切相关，塑料材质的管线性能与初始敷设条件及其自身老化密切相关等，对供水管线中经常使用的特定管材种类进行评分。埋深则考虑国内供水管线埋深范围，参考《管线风险管理手册》确定评分指标。管线运行压力则参照供水管线设计规范与标准，在存在漏损的情况下，管线运行压力与漏损量成正比，运行压力越大，管线漏失率也越高。道路荷载则依据《公路桥涵设计通用规范》道路等级分级评分。管线因周边环境温变导致管体产生温度应力，以管线铺设时的环境温度为基准，计算管线所处环境温差变化值。

不同因素的评分按照其指标数值等级与管线事故概率打分，评分分值在0～10 分，分值越高表示该指标对管线安全影响越小，分值越低表示该指标对管线安全影响越大。

4.评估指标权重

模型中指标因素权重的确定是影响模型准确性的关键要素，为保证指标权重的合理性，需要针对被评估管网特点进行综合确定，可采用层次分析法、专家调查法等主观赋权法和主成分分析法、熵值法等客观赋权法获取因素指标的目标权重。

其中主成分分析法是一种客观赋权法，将管线事故的多个因素按照相关性排序，提取出导致事故的第一主成分因素、第二主成分因素等，采用各个因素对结果的贡献率表征模型中指标因素的权重。通过计算每个综合因素相应的信息量来确定权重。

5.风险分级标准

城市供水管线结构安全风险评估等级标准，将供水管线风险划分为5个级别，如表10-4 所示。

表10-4　供水管线结构安全风险评估等级标准