基于GIS 信息的供水管網(wǎng)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(wù)要求不斷提高的背景下，供水企業(yè)需要圍繞提高管理水平和強化成本控制的雙重目標優(yōu)化管網(wǎng)資產(chǎn)管理。一方面，加強城市供水管網(wǎng)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(zhì)，避免因管網(wǎng)材質(zhì)、狀況等原因造成二次污染。另一方面，控制管網(wǎng)改造所需的固定資產(chǎn)投資和養(yǎng)護成本費用，提高運營和養(yǎng)護水平。因此，管網(wǎng)更新改造作為管網(wǎng)資產(chǎn)管理的重要工作之一，就顯得尤為重要。

1 浦東供水管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)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(xiāng)鎮(zhèn)水廠供水的集約化地區(qū))。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(shù)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(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，從合資伊始就投入大量的資源進行GIS系統(tǒng)的建設(shè)，收集的信息包括管道、閥門、消火栓、水表構(gòu)件的屬性信息以及GPS定位信息［1］。經(jīng)過基于C/S結(jié)構(gòu)的GIRIS系統(tǒng)、基于B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)版GIS系統(tǒng)WebGIS這一系列演變之后，于2013年完成GIRIS系統(tǒng)到ArcGIS系統(tǒng)的升級以及WebGIS的二次開發(fā)。這些工具的開發(fā)和應(yīng)用極大地提高了公司的管網(wǎng)管理水平。

目前的系統(tǒng)以ArcGIS為信息平臺、管網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、地理數(shù)據(jù)為支撐，并與多個管網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)充分結(jié)合，可以讀取管網(wǎng)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(yǎng)護信息(自PDA工單管理系統(tǒng))、客戶服務(wù)信息(自CSMS)、水質(zhì)信息(自Aqualab)、帕瑪勞、水力模型、消火栓監(jiān)測、Aquadiag、管網(wǎng)土壤取樣檢測結(jié)果等。浦東威立雅綜合以上信息的檢測結(jié)果，用以實現(xiàn)更高效的管網(wǎng)運行管理。

2 管網(wǎng)改造政策背景及依據(jù)

根據(jù)國務(wù)院【2012】3號文件《國務(wù)院關(guān)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(guān)標準和行動指南，以切實保障飲用水安全。

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

(1)結(jié)合城市發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)按10年或10年以上的發(fā)展需要來確定;

(2)結(jié)合提高供水安全可靠性;

(3)結(jié)合改善管網(wǎng)水質(zhì);

(4)結(jié)合改進管網(wǎng)不合理環(huán)節(jié)，使管網(wǎng)逐步優(yōu)化;

(5)漏水較頻繁或造成影響較嚴重的管道，應(yīng)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(yè)標準的指導下，上海市供水管理處牽頭對上海供水管網(wǎng)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(wǎng)漏損率、產(chǎn)銷差率行動指南》(2013年2月)，提出管網(wǎng)改造的依據(jù)和實施計劃如下［3］:

(1)從管道材質(zhì)本身角度:年久老化、材質(zhì)差、無內(nèi)襯、非標等管道;

(2)從管道爆管/漏損統(tǒng)計角度:易漏、易爆管道;

(3)從服務(wù)質(zhì)量角度:依據(jù)用戶水壓、水質(zhì)的投訴信息，結(jié)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(wǎng)優(yōu)化問題求解的前提條件是確定優(yōu)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(yōu)劣程度［4］。

在進行改造決策優(yōu)化前，浦東威立雅基于以上管網(wǎng)改造依據(jù)，優(yōu)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(nèi)外襯完好狀況、沉積物堵塞程度、管道腐蝕情況，結(jié)合該管道鋪設(shè)年代、水質(zhì)水壓投訴和養(yǎng)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(wù)水壓、水質(zhì)和管道狀況、投訴記錄、工程結(jié)合條件等。

這些依據(jù)已經(jīng)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(jù)，也無法區(qū)分水黃問題的真正來源(如:小區(qū)內(nèi)地下管道、小區(qū)內(nèi)加壓泵站等二次供水設(shè)施，或是小區(qū)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(wǎng)檢測技術(shù)Aquadiag、管網(wǎng)安全統(tǒng)計分析軟件MOSARE等，完成從事后性決策到預(yù)防性決策的轉(zhuǎn)換。

3．1 管道狀況檢測

管道取樣檢測是掌握管道狀態(tài)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(jié)合其鋪設(shè)環(huán)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(nèi)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(yù)測其剩余使用壽命，為管道更新改造提供科學依據(jù)。檢測結(jié)果(土壤和舊管)導入GIS系統(tǒng)，豐富了管網(wǎng)資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫中的管道數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。另外，新管道檢測還能為管道供應(yīng)商和施工單位的選擇及評估提供參考，避免管道質(zhì)量問題引起的后續(xù)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(qū)舊管道，檢測結(jié)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(shù)據(jù)支持。尤其值得一提的是，對于缺少GIS信息的集約化地區(qū)，管道檢測結(jié)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(shè)土壤環(huán)境的濕度、質(zhì)地、電阻率、pH和土壤異質(zhì)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(shè)沿線離散點土壤檢測研究，對位于強腐蝕性區(qū)域的管段制定相應(yīng)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(jié)果進行匹配，可協(xié)助預(yù)測管道實際剩余使用壽命。

浦東威立雅還將土壤檢測結(jié)果錄入GIS系統(tǒng)，達到一定足夠數(shù)量后，根據(jù)離散采樣點的空間分布將土壤采樣點在地圖上可視化，創(chuàng)建連續(xù)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(qū)域圖如圖1所示，初步反映了供水區(qū)域內(nèi)土壤腐蝕性的分布情況。

圖1 土壤腐蝕區(qū)域圖Fig．1 Area Chart of Soil Corrosion

3．3 Aquadiag

為加強地下供水管網(wǎng)資產(chǎn)的管理，浦東威立雅引入了移動管網(wǎng)檢測技術(shù)和設(shè)備Aquadiag。這一技術(shù)是威立雅集團下屬SADE公司為地下供水管網(wǎng)開發(fā)的、非破壞性的移動診斷技術(shù)。其最大優(yōu)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(wǎng)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(wǎng)水質(zhì)、管道狀態(tài)進行檢測的多參數(shù)移動平臺，Aquadiag通過車上配備的水流回路和檢測設(shè)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(shù):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(shù)。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(wǎng)參數(shù)。經(jīng)過近兩年的應(yīng)用，Aquadiag在管網(wǎng)狀況和水質(zhì)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(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果”三等獎。

Aquadiag主要判斷水質(zhì)及水質(zhì)相關(guān)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(jié)合，為驗證管道改造(主要是≤DN300的管道)方案提供雙重依據(jù)。

3．4 MOSARE

MOSARE作為威立雅水務(wù)開發(fā)的管網(wǎng)安全統(tǒng)計分析軟件，是管網(wǎng)管理的輔助決策工具。通過對GIS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行管網(wǎng)老化統(tǒng)計分析，預(yù)測管道故障概率的高低排序。在眾多管道故障率統(tǒng)計預(yù)測方法中，MOSARE軟件采用泊松定律和生存率定律，將GIS系統(tǒng)中的管網(wǎng)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(shè)年代、道路負荷、水壓等)對管道故障發(fā)生所具有的影響，從中找出真正的影響因素。根據(jù)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(yù)計爆管次數(shù)/(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(yù)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(quán)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(fù)維修費用指數(shù)、中斷客戶供水數(shù)量影響指數(shù)、管道水力重要性指數(shù)、潛在漏失水量指數(shù)、中斷敏感用戶供水影響指數(shù)、交通中斷影響指數(shù)、敏感區(qū)域爆管事故影響指數(shù)等)，結(jié)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(yōu)先度計算方法，最終篩選出應(yīng)該優(yōu)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(yōu)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(shù)在今后管網(wǎng)更新改造的科學決策過程中，還將繼續(xù)發(fā)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(quán)重分配Tab．2 Multi-index Analysis of Weight Distribution

4 結(jié)語

浦東威立雅的管網(wǎng)改造工作立足于現(xiàn)狀，并在傳統(tǒng)改造依據(jù)基礎(chǔ)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(jīng)驗，完成了從事后性決策到預(yù)防性決策的轉(zhuǎn)換。在管網(wǎng)信息采集和分析、明確高風險管道、科學制定經(jīng)濟有效的管網(wǎng)改造計劃方面，浦東威立雅邁出了領(lǐng)先的步伐，也可為國內(nèi)其他城市的管網(wǎng)改造提供借鑒。

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

［2］CJJ 92—2002，城市供水管網(wǎng)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(wǎng)漏損率、產(chǎn)銷差率行動指南［R］．2013．

［4］金溪．供水管網(wǎng)改造多目標優(yōu)化理論研究與應(yīng)用［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2008．