基于GIS 信息的供水管網更新改造探討

楊 弦，顧麗華，樊敏敏，陶 杰

(上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127)

在社會對供水服務要求不斷提高的背景下，供水企業需要圍繞提高管理水平和強化成本控制的雙重目標優化管網資產管理。一方面，加強城市供水管網漏損控制，合理利用水資源，減少無收入水量，降低城市供水成本，保證城市供水壓力;并不斷改善輸水水質，避免因管網材質、狀況等原因造成二次污染。另一方面，控制管網改造所需的固定資產投資和養護成本費用，提高運營和養護水平。因此，管網更新改造作為管網資產管理的重要工作之一，就顯得尤為重要。

1 浦東供水管網系統現狀

截止到2013年底，浦東威立雅供水范圍672 km2，管道總長度約5 255 km(包括原13家鄉鎮水廠供水的集約化地區)。口徑在DN200以下的管道1 948 km，DN200～DN500的2 160 km，DN500以上的1 147 km。管材按長度由高到低排序，依次為球墨鑄鐵管、PVC管、PE管、鑄鐵管和鋼管。2013年DN200以下管道的漏點數約3 768次、DN200以上的265次(包括主動和非主動探漏)。

浦東威立雅高度重視GIS系統的開發和應用，從合資伊始就投入大量的資源進行GIS系統的建設，收集的信息包括管道、閥門、消火栓、水表構件的屬性信息以及GPS定位信息［1］。經過基于C/S結構的GIRIS系統、基于B/S結構的網絡版GIS系統WebGIS這一系列演變之后，于2013年完成GIRIS系統到ArcGIS系統的升級以及WebGIS的二次開發。這些工具的開發和應用極大地提高了公司的管網管理水平。

目前的系統以ArcGIS為信息平臺、管網數據為基礎、地理數據為支撐，并與多個管網業務系統充分結合，可以讀取管網信息(自GIS)、運行信息(自控制中心SCADA)、客戶投訴信息(自呼叫中心)、養護信息(自PDA工單管理系統)、客戶服務信息(自CSMS)、水質信息(自Aqualab)、帕瑪勞、水力模型、消火栓監測、Aquadiag、管網土壤取樣檢測結果等。浦東威立雅綜合以上信息的檢測結果，用以實現更高效的管網運行管理。

2 管網改造政策背景及依據

根據國務院【2012】3號文件《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，要求主管部門和各地政府分別貫徹實施，編制了相關標準和行動指南，以切實保障飲用水安全。

住房和城鄉建設部針對我國城鎮供水設施現狀和存在問題，組織編制了《城鎮供水設施建設與改造技術指南》(2012年10月)，提出了系統、全面、可行的技術對策和措施。在管網建設和改造方面，分別建議了建設和改造的優先考慮因素、綜合方法(管網地理信息系統、水力模型和水質模型、漏損檢測等)、管材選擇和施工技術等。另外，在《城市供水管網漏損控制及評定標準》(CJJ 92—2002)中指出［2］，供水企業編制管網改造工作計劃應符合:

(1)結合城市發展規劃，應按10年或10年以上的發展需要來確定;

(2)結合提高供水安全可靠性;

(3)結合改善管網水質;

(4)結合改進管網不合理環節，使管網逐步優化;

(5)漏水較頻繁或造成影響較嚴重的管道，應作為改造的重點;

(6)具體改造計劃通過上述因素的綜合分析比較，加以確定。

在國家政策及行業標準的指導下，上海市供水管理處牽頭對上海供水管網漏損因素及控制進行分析評價，組織編制了《上海市降低供水管網漏損率、產銷差率行動指南》(2013年2月)，提出管網改造的依據和實施計劃如下［3］:

(1)從管道材質本身角度:年久老化、材質差、無內襯、非標等管道;

(2)從管道爆管/漏損統計角度:易漏、易爆管道;

(3)從服務質量角度:依據用戶水壓、水質的投訴信息，結合管道的漏損維修記錄;

(4)從水力工況角度:運用水力模型模擬篩選。

3 改造決策方法探討

供水管網優化問題求解的前提條件是確定優化改造問題的決策變量，即確定改造管段。決策變量選擇的正確與否直接影響著最終改造方案的優劣程度［4］。

在進行改造決策優化前，浦東威立雅基于以上管網改造依據，優先考慮更換水泥管、白鐵管、鑄鐵管;對于其他材料的管道，通過割管目測來判斷其內外襯完好狀況、沉積物堵塞程度、管道腐蝕情況，結合該管道鋪設年代、水質水壓投訴和養護修漏記錄的多少，來判斷其更換必要性。同時考慮的決策因素包括服務水壓、水質和管道狀況、投訴記錄、工程結合條件等。

這些依據已經較全面，但在管道腐蝕程度和剩余使用壽命判斷上還缺乏量化的科學依據，也無法區分水黃問題的真正來源(如:小區內地下管道、小區內加壓泵站等二次供水設施，或是小區外市政管道)。因此，為了更科學地討論管道更新的必要性，評價更新后的效果，浦東威立雅引進了一系列新的評價手段和方法，如:管道狀況和土壤腐蝕性實驗室檢測、流動管網檢測技術Aquadiag、管網安全統計分析軟件MOSARE等，完成從事后性決策到預防性決策的轉換。

3．1 管道狀況檢測

管道取樣檢測是掌握管道狀態的科學手段，用于推斷管道使用壽命，建議或驗證改困/改造計劃和方案。對于舊管道檢測，結合其鋪設環境周邊的土壤腐蝕性水平，進行管道材料分析(包括基本形貌、內外表面基本信息、厚度分析、金相分析、力學性能、管道狀況)，并預測其剩余使用壽命，為管道更新改造提供科學依據。檢測結果(土壤和舊管)導入GIS系統，豐富了管網資產管理數據庫中的管道數據和環境數據。另外，新管道檢測還能為管道供應商和施工單位的選擇及評估提供參考，避免管道質量問題引起的后續維修和更新。

僅2013年，浦東威立雅送檢的管道樣品有69個，針對MOSARE(3．3)建議的高故障率管道、對供水安全有重要意義的管道(特別是大口徑管道)、列入改造/改困計劃的管道、集約化地區舊管道，檢測結果為掌握管道狀況、制定或驗證管道改造/改困提供了大量數據支持。尤其值得一提的是，對于缺少GIS信息的集約化地區，管道檢測結果無疑是寶貴的信息來源。

3．2 土壤腐蝕性檢測

土壤檢測著重分析管道鋪設土壤環境的濕度、質地、電阻率、pH和土壤異質等，綜合反映其腐蝕性。對于大口徑新排管道項目，在管道采購前進行鋪設沿線離散點土壤檢測研究，對位于強腐蝕性區域的管段制定相應的外防腐方案，以延長使用壽命，降低管道漏損，減少更新改造投資;舊管道與周邊離散點土壤腐蝕性檢測結果進行匹配，可協助預測管道實際剩余使用壽命。

浦東威立雅還將土壤檢測結果錄入GIS系統，達到一定足夠數量后，根據離散采樣點的空間分布將土壤采樣點在地圖上可視化，創建連續的“土壤腐蝕性表面地圖”。截止到2013年底，浦東威立雅已完成土壤樣品送檢78個，繪制的土壤腐蝕區域圖如圖1所示，初步反映了供水區域內土壤腐蝕性的分布情況。

圖1 土壤腐蝕區域圖Fig．1 Area Chart of Soil Corrosion

3．3 Aquadiag

為加強地下供水管網資產的管理，浦東威立雅引入了移動管網檢測技術和設備Aquadiag。這一技術是威立雅集團下屬SADE公司為地下供水管網開發的、非破壞性的移動診斷技術。其最大優點之一就是能夠在不進行路面開挖和不斷水的情況下，采集、檢測管網水樣本，從而全面評估供水管道的運行情況。

作為一個對管網水質、管道狀態進行檢測的多參數移動平臺，Aquadiag通過車上配備的水流回路和檢測設備，從消防栓上獲取水樣，并利用車載實驗平臺進行分析。在高低流量下，可以采集以下參數:流量、壓力、濁度、溫度、pH、電導率、總鐵、懸浮物、錳、硬度、溶解氧、余氯、總氯、氯化物、硫酸鹽、堿度、一氯胺、游離胺、亞硝酸鹽、總大腸桿菌、E大腸桿菌以及LSI和Larson這兩個通過計算得到的指數。其中，高流量下檢測項目(包括5 min濁度、懸浮物、總鐵和流量)的綜合評分反映管網參數。經過近兩年的應用，Aquadiag在管網狀況和水質管理方面的作用逐步得到廣泛認可，并于2013年12月獲得“上海市企業管理現代化創新成果”三等獎。

Aquadiag主要判斷水質及水質相關的管道狀況;3．1的管道材料檢測主要判斷管道的剩余使用壽命。二者結合，為驗證管道改造(主要是≤DN300的管道)方案提供雙重依據。

3．4 MOSARE

MOSARE作為威立雅水務開發的管網安全統計分析軟件，是管網管理的輔助決策工具。通過對GIS數據庫數據進行管網老化統計分析，預測管道故障概率的高低排序。在眾多管道故障率統計預測方法中，MOSARE軟件采用泊松定律和生存率定律，將GIS系統中的管網信息進行歸類分析，圖示不同管徑不同年代管道故障率分布情況，并評估不同管道屬性(如管徑、管材、鋪設年代、道路負荷、水壓等)對管道故障發生所具有的影響，從中找出真正的影響因素。根據這些因素對管道進行分組，認為同組管道有類似故障類型和故障概率(預計爆管次數/(km·年))，計算不同管道組的故障率或者到下一次故障前的剩余壽命，從而篩選出預測到故障率高的管道。圖2、表1和表2分別列出了歷史故障分析、高風險管道組別和多指標分析權重分配。

圖2 歷史故障分析圖表Fig．2 Analysis Diagram of Historical Failure

在完成故障率評估之后，再加以多指標分析(如:反復維修費用指數、中斷客戶供水數量影響指數、管道水力重要性指數、潛在漏失水量指數、中斷敏感用戶供水影響指數、交通中斷影響指數、敏感區域爆管事故影響指數等)，結合故障帶來的后果及管道更新的可能性，進行管道故障后果評估、綜合風險評分和管道更新優先度計算方法，最終篩選出應該優先更新改造的管道清單。

2012年的MOSARE分析報告篩選出17條建議優先更新的大口徑管道(DN300以上)，其中7條于2012年完成更新，剩余7條列入2013年度更新計劃。該項技術在今后管網更新改造的科學決策過程中，還將繼續發揮重要作用。

表1 高風險管道組別清單Tab．1 List of High-risk Pipe Category

表2 多指標分析權重分配Tab．2 Multi-index Analysis of Weight Distribution

4 結語

浦東威立雅的管網改造工作立足于現狀，并在傳統改造依據基礎上，著眼未來，引進管道和土壤腐蝕性檢測、Aquadiag檢測、MOSARE分析等國外先進經驗，完成了從事后性決策到預防性決策的轉換。在管網信息采集和分析、明確高風險管道、科學制定經濟有效的管網改造計劃方面，浦東威立雅邁出了領先的步伐，也可為國內其他城市的管網改造提供借鑒。

［1］戴婕，王雪峰，張東，等．博園區浦東片供水管網安全保障技術集成［J］．給水排水，2011，36(11):115-118．

［2］CJJ 92—2002，城市供水管網漏損控制及評定標準［S］．2002．

［3］上海市供水管理處．上海市降低供水管網漏損率、產銷差率行動指南［R］．2013．

［4］金溪．供水管網改造多目標優化理論研究與應用［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2008．