淺析地下管線信息化模型技術在城市重要地下管線安全運行能力評價中的應用

文｜昆明市城市地下空間規劃管理辦公室 解智強 彭俊婷 侯至群

1.引言

據統計，全國大約還有70%的城市沒有地下管線基礎性的檔案資料，地下管線信息不清的現狀普遍存在；有多數城市還未對原有的地下管線及時進行普查、建檔；對新增地下管線未能及時建檔入庫，甚至不按規定進行地下管線竣工測量。絕大多數城市地下管線沒有一套全面、準確的地下管線綜合圖或數據庫，地下管線信息不能滿足日益發展的城市建設的需求，與我國經濟社會高速發展形成極大反差。城市規劃部門在審批地下管線位置時，經常出現管線“打架”現象；建設施工中經常發生管線被挖斷事故，引起停水、停電、停氣、環境污染甚至通訊中斷，造成嚴重的經濟損失和不良的社會影響。據不完全統計，全國每年因施工而引起的管線事故所造成的直接經濟損失達50億元，間接經濟損失達400億元。

城市重要地下管線在運行環節過程中可能會發生突發事件并產生不利后果。不利后果泛指人身傷害或疾病、財產損失、環境破壞、城市運行中斷或這些情況的組合。通過對城市地下管線安全運行能力評價研究可以實現以下幾點：

（1）能夠系統識別和排查可能存在的風險和風險控制點，科學分析各種風險發生的可能性與后果，客觀認識地下管線的安全現狀，做到預防與處置并重、評估與控制結合，切實增強應急管理工作的預見性、針對性與主動性，保障城市平穩安全運行，具有重要的現實意義。

（2）加快推進城市地下空間現狀基礎設施評價，為城市地下空間開發資源評價提供基礎，能夠節約資源，保護生態環境，開發可再生能源，注重城市建設和資源綜合利用的有機統一，實現城市的可持續發展。

（3）增強城市基礎施建設，有效提高城市綜合承載力，完善的基礎設施對加速社會經濟活動，促進空間分布形態演變，提高城市綜合承載力起著巨大的推動作用。加強地下管線設施和地下空間的開發利用，保障地下空間開發過程中城市地下管線的安全運行，充分發揮市場配置資源的基礎性作用，增強市政公用產品和服務供給能力。

圖1 蘭花溝下游核心排水系統范圍

2.管線建模技術探討

2.1 建模方法

針對選定的示范區域研究符合昆明市實際情況的重要地下管線（排水、供水、燃氣等重要地下管線）安全運行能力評估方法。結合現有安全運行能力評價模型及專題地圖表達工具，按照建模標準處理空間地理數據以及專題要素數據等，為城市地下空間開發規劃中的重點區域提供給水、排水和燃氣等的安全運行能力評價模型及區域開發現狀及規劃承載力提供評價成果，使昆明城市地下空間開發規劃工作更加科學客觀。

第一、建設符合城實際情況的重要地下管線安全運行能力評價（地下排水、給水和燃氣等）信息模型；

第二、結合現有成熟模型軟件及其專題地圖表達工具，開發并建設評價模型，并使用成熟GIS的軟件二次開發，使城市地下空間開發評價成果實現制圖表達。

2.2 建模技術路線

（1）通過實時實地觀測獲取城市地下管線安全運行能力評估所需的數據。

（2）通過地理信息系統技術對獲取的昆明城市重要地下管線的數據進行處理和空間分析，以獲取進行安全運行能力評估所需要的各種管線數據。

（3）通過自主研發，結合各種安全運行能力評價方法建立城市地下管線安全運行能力評價模型。

（4）通過建設評價模型，選取中心城區部分重點研究區域地下管線安全運行能力進行評價，并使用GIS軟件進行制圖表達。

圖3 一年及兩年一遇設計降雨下管線負荷圖

圖4 一年、兩年及五年一遇設計降雨下管線積水點分布圖

2.3 實例分析

以昆明市蘭花溝排水模型建設應用為例：（如圖1所示）

在此模型范圍基礎上，對基礎數據進行整理，分析并結合實測數據對數據進行校驗，使其滿足排水模型的通用校驗標準。然后，以此核心模型為基礎，考慮將模擬范圍擴大至整個蘭花溝系統，最終建立起一個相對獨立完善的系統模型。在最終模型的基礎上，對模型進行評估和分析，包括現狀管線的排水能力，現狀系統所存在的缺陷和問題，對下游污水廠負荷的影響以及進一步對雨污分流可行性的分析。

考慮到目前蘭花溝系統存在的問題，本次模型的首要目標是通過建立現狀排水管線模型，對現狀管線的排水能力、積水狀況以及系統缺陷進行調查和評估，分析系統造成積水的可能原因；其次，可以根據模型應用的進一步需求，實現其他相關目標。

(1)首要目標：

現狀管線的模擬和校核：查找和分析現狀管線的系統缺陷。通過建模過程，補充原有數據存在的一些盲區，進一步完善對研究片區管線數據的掌握和了解。

評估分析現狀管線系統的排水能力，積水狀況，且分析系統造成積水的原因。

(2)其他目標：

長遠來看，可結合實際需求進一步利用模型進行各種改造設計方案的評估分析，基于模型對雨污分流方案進行可行性分析。

通過模型的檢查與校核，得到不同預案或設計條件下排水系統的負荷狀態。

如圖2圖例所示，紫色的管線皆為滿管狀態，隨著暴雨程度的增強，管線負荷加大，成滿管運行，且當管內的水位持續上升，壓力水頭達到檢查井井蓋高程時，則會造成檢查井溢流/冒溢。

對3圖進行分析，管段標記為1的表示該處管段在1年一遇降雨程度下已經滿負荷狀態運行；管段標記為2的表示該處管段在2年一遇降雨下才會滿負荷；顯然，在一年一遇的情況下就已經發生管線滿負荷的位置是整個系統的薄弱和關鍵點。該結果的指導意義在于：管線設施維護部門可以在資金和人力資源有限的情況下，對一年一遇降雨即發生滿管的管線進行重點維護和清淤工作；這在通常沒有借助模型仿真和數值模擬的情況下，管線維護人員根本無法做出類似的判斷，只能沒有針對性的進行維護，造成大量人力、物力、財力的浪費。

除了上面所說的能夠通過模型仿真定位出關鍵/薄弱管線位置外，還可以定位出容易發生積水的檢查井的位置，從而輔助防汛部門在汛期時及時在關鍵積水位置進行相關人員和設備（比如移動泵車）的安排和布置。

如圖4所示，不同顏色的點代表在不同降雨條件下的積水位置，如藍色的點及代表2年一遇降雨時會發生積水的檢查井；而黃色則代表5年一遇才會發生冒溢的檢查井。

在該建模過程中，主要解決以下技術問題：第一， 解決了水力模型技術和高質量的排水管線數據結合問題，并對城市排水系統現狀評價，首先對排水管線雨污混接點的識別，管線網絡上下游追蹤等新技術，為城市排水管線雨污分流提供決策支撐。其次對排水管線承載力薄弱環節的判斷。對不同規劃條件下的市政及小區排水管線承載能力做出科學評價。第二，實現了DSM(數字地表模型)數據、庭院排水管線數據與水力模型的集成，對城市內澇災害進行精確的預測與評價，實現了不同降雨重現區內城市洪水的發生時間，最大災害時間，分布范圍以及洪水消退等洪澇演進過程模擬，實現對上述條件下不同位置的管線、管點承載能力做出精確評價，為城市防災減災預案制定實施提供科學決策支持。第三，解決城市內澇表達方式跨平臺表達實現，通過基于底層開發新的跨平臺工具，使國際專業模型軟件的城市內澇演進表現手段在國內三維虛擬現實平臺中獲得真實客觀的展示，為成果拓展應用奠定了技術基礎。

2.4 排水模型應用

（1）地下管線承載力科學評估：提高城市規劃工作對地下管線承載力的科學評價，規劃部門需要確定現有的排水管線能否滿足因為各種建設等原因而新增的排水需求，確定是否可以接入，如何接入，或者是否通過改造既有管線解決問題等；水力模型技術對排水管線的負載力進行水力評估分析，根據未來城市擴張及發展情況，建立各種預案（考慮人口變化的預案以及不同強度的暴雨預案等）且用模型進行預案運行并分析得出科學合理的結論；從而由原來基于經驗的地下管線規劃與建設方法升級到依托科學方法支持城市地下排水管線承載能力評價與研究，使城市的規劃與決策工作更趨科學合理。

（2）地下排水管線空間分析輔助管理：利用模型中的輔助分析工具，進一步地梳理和了解地下管線的空間拓撲結構，并可結合地下管線三維效果圖及管線縱斷面圖修正和檢查現狀管線中多存在的一些問題：例如管線的錯接亂接，大管接小管以及雨污混接等；輔助排水管理和維護部門對現有管線問題進行排查和維護。

（3）城市洪水風險分析和預警：利用模型技術進行水力模擬分析，得出不同強度暴雨下城市可能會發生積水的范圍和程度，輔助防汛部門進行汛期防洪工作的布置和安排，指導與排水系統相關聯的河道、水閘、泵站等水力附屬設施的調度等，確保在汛期能夠及時防水而不影響雨水的及時排放。

（4）積水點的改造和評估：通過對現狀管線的分析模擬定位出了示范片區易發生積水的位置和范圍以及可能原因，為之后的管線改造和升級奠定了相關的理論基礎。

3.思考

城市重要地下管線安全運行能力評價研究將繼續向動態模擬化方向發展。城市地下管線安全運行能力評價研究經歷了從一般定性描述到定量和機制的探討，從單要素研究到多因素的綜合研究過程，越來越趨近于城市地下管線安全運行問題的客觀本質，同時也增加了研究的難度。實質上現代意義上的城市地下管線安全運行能力研究就是資源開發與區域發展戰略研究，它是為制定有關政策提供科學依據的。為了提高城市地下管線安全運行研究的科學性與實用性，必須加強城市地下管線安全運行的動態模擬研究，建立一套能反映城市地下管線安全運行能力本質的評估模型體系，實現對城市地下管線安全運行能力的估算與動態變化過程的預測。城市地下管線安全運行能力評價模型必須能反映問題的本質，技術上可行，科學上有依據，要反映城市地下管線安全運行問題的多元性、非線性、動態性、多重反饋的基本特征。同時還需要加強對城市地下管線安全運行能力基礎理論研究，即城市地下管線系統的復雜性理論要素之間的復雜性研究，以給城市地下管線安全運行能力研究尋找新思路、新方法，找出城市地下管線的最大承載能力，為昆明市地下空間開發決策、規劃、計劃和社會協調發展、為控制性詳細規劃編制提供科學依據。