城市排水管網運行風險評估研究進展

張 瑩

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

城市排水系統(tǒng)是保障城市安全的重要基礎設施，承擔了城市雨水和污水的收集、輸送、處理和排放的功能。近年來，隨著城市化進程的加快，我國排水管網規(guī)模增長迅速。據(jù)統(tǒng)計，截至2019 年，我國城市排水管道總長度已達73.7 萬千米。市政排水管網多敷設于地下，運行環(huán)境復雜，養(yǎng)護管理難度大，部分管網存在管道腐蝕老化、設計排水能力偏低、養(yǎng)護不及時等問題，對排水系統(tǒng)的運行造成了安全隱患，甚至發(fā)生內澇積水、污水冒溢、道路塌陷、氣體爆炸等事故，嚴重威脅了城市排水安全、環(huán)境安全、交通安全和居民的生命安全。

排水管網運行風險的識別與評估可以為排水管網運行風險的防范提供科學依據(jù)，主要包括：（1）為排水管網的檢測、養(yǎng)護和修復計劃的制定提供依據(jù)；（2）為排水系統(tǒng)提標改造工程計劃的制定提供依據(jù)；（3）為城市內澇災害防治規(guī)劃與措施的制定提供依據(jù)；（4）為排水管道作業(yè)人員及周圍居民的生命健康安全風險防范機制的建立和完善提供依據(jù)。因此，排水管網運行風險識別與評估對預防排水系統(tǒng)運行事故、保障城市安全具有重要意義。

1 排水管網運行風險事件

1.1 排水管網運行風險類型

國內外學者針對不同類型的排水管網運行風險開展了研究工作，總體而言，根據(jù)風險影響的主體，排水管網運行風險可分為四種類型：

（1）管道結構和功能風險：指排水管道結構和功能損害或失效的風險，包括內澇積水、污水冒溢以及管道結構損害風險等。

（2）周圍基礎設施和地質結構破壞風險：主要指由于管道破損滲漏等原因引起的地面、道路塌陷，以及周邊其他基礎設施破壞的風險。

（3）環(huán)境污染風險：主要包括由于管道滲漏引起的周邊土壤和地下水污染風險，以及合流制管網溢流和分流制雨水排放對河道水體造成的污染。

（4）人員健康與安全風險：主要指由于排水管道的封閉空間和輸送污水的性質產生有毒或可燃性氣體，導致管道運維養(yǎng)護人員中毒的風險和管道氣體爆炸引起人員傷亡的風險，以及排水系統(tǒng)中微生物氣溶膠引發(fā)的工作人員健康風險。

1.2 排水管網主要運行風險事件

城市排水管網運行的主要風險事件包括內澇積水、污水冒溢、管道結構損害、路面塌陷、地下水和土壤污染、溢流污染、有害氣體中毒、氣體爆炸、微生物暴露風險等。

（1）內澇積水風險

隨著近年來極端天氣的增多，城市內澇已經成為我國主要自然災害之一，全國60%以上城市發(fā)生過嚴重的內澇災害。城市內澇積水是多因素綜合作用的結果，包括降雨、地形、下墊面、管網排水能力、周圍河網調蓄能力等因素。相關研究表明，強降雨、管網排水能力不足、局部地勢低洼、下墊面不透水面積大是城市內澇的主要原因，河網調蓄能力、河道頂托等因素也對區(qū)域內澇積水有不可忽視的影響[1-4]。其中，管網排水能力與管網覆蓋率、管網設計排水能力、泵站排水能力和運行情況、管道淤積狀況、調蓄設施建設情況等密切相關；下墊面的地面硬化程度、滲透性特征一般采用綜合徑流系數(shù)表征；地面高程和坡度是影響積水的兩大地形因子；河湖水面率、河網密度、河道水位等因子則對區(qū)域的河網調蓄能力有重要影響。

（2）污水冒溢風險

當污水管道水量過大或水位過高時，可能導致排水不暢，甚至污水流出地面，發(fā)生污水冒溢。污水冒溢的直接原因是管網高水位甚至滿管運行、蓄水空間不足，從而失去了緩沖排水水量沖擊的能力。當前，造成城市污水管網高水位運行和污水冒溢的原因較為復雜，主要包括五個方面：a.管網、泵站設計標準偏低；因前期規(guī)劃和設計的標準偏低，排水能力不足，隨著污水接入量增大，用水高峰期污水管網調蓄空間降低。b.泵站運行管理導致的高水位運行；部分城市的污水泵站出于節(jié)約動力、減少污水廠溢流等原因，將進水水位壅高后才開始提升，導致其服務范圍內管網高水位運行。c.污水廠處理能力不足；部分城市污水廠時常超負荷運行，為滿足水環(huán)境保護要求，需盡量減少溢流，這必然導致管網和泵站運行水位被動壅高。d.管網破損滲漏、雨污混接混流、河水倒灌等原因引起的外水入侵導致管網調蓄空間下降；國內外相關調查顯示，城市管網中外水入侵占比約25%～70%[5]，嚴重削弱了污水管網的實際排水能力。e.管網淤積、堵塞等因素導致過水斷面減少；污水管網中大多存在顆粒物沉降導致的底泥淤積問題，部分管道淤積深度甚至會超過管徑的50%，若清淤養(yǎng)護不及時，將引起管道排水能力下降?？偟膩碚f，管網和泵站排水能力、下游泵站運行管理情況和污水廠處理能力對污水冒溢的發(fā)生有著決定性影響，外水入侵情況和管網淤積等因素也是導致污水冒溢的重要的因素。

（3）管道結構損害風險

管道結構損害是指管道結構本體遭受損傷，發(fā)生對其強度、剛度和使用壽命產生影響的缺陷和破壞?！冻擎?zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》（CJJ 181—2012）中規(guī)定了十種管道結構性缺陷，包括破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫節(jié)、接口材料脫落、支管暗接、異物穿入和滲漏等[6]。管道結構損害是決定排水管道是否需要進行修復的關鍵因素。管道發(fā)生結構損害的概率受管齡、管材、管徑、接口形式等管道自身性狀因素和路面交通荷載、覆土深度、土壤類型、周邊施工擾動等環(huán)境因素影響[7]。一般來講，管齡越大，管道材料老化和腐蝕程度越嚴重，管道越容易發(fā)生損壞；管道材質及其強度是管道損壞的內在因素；管道接口的性質對管道錯位、脫節(jié)缺陷的發(fā)生有重要影響；管道所在道路的交通荷載狀況、覆土深度、土壤類型和施工擾動等對管道承受外界荷載或環(huán)境腐蝕作用有顯著影響。

（4）地下水和土壤污染風險

水利部2016 年公開的一項調查結果顯示，我國淺層地下水水質普遍較差[8]。排水管網破損引發(fā)的污水外滲是造成地下水和土壤污染的主要原因之一。因管道埋藏地下，外滲污水量及其污染風險的量化評估十分困難，目前，我國在該領域的研究較少。國外相關調查表明，管道外滲污水量約占旱天污水量的2%～6%[9]。研究發(fā)現(xiàn)，地下水中硝酸鹽氮、大腸桿菌、硼等指示污染物的濃度與污水管道的泄露有密切聯(lián)系[10-11]。影響污水外滲的因素較多，主要包括地下水位、管道污水水位、管道破損面積、管道基礎和周圍土壤的孔隙率、滲透性以及土壤的飽和度等[9，11-12]。已有學者基于達西定律建立污水外滲率預測的理論模型，但目前尚不成熟，參數(shù)的取值和預測結果都具有較大的不確定性[12]。此外，污水外滲量與其造成環(huán)境污染的程度并無正相關關系，例如，降雨可能導致污水外滲量的增加，但污染物濃度也可能因雨水稀釋作用而降低[11]。

（5）溢流污染風險

本文將合流制系統(tǒng)溢流和分流制系統(tǒng)雨水排放造成環(huán)境污染的風險統(tǒng)稱為溢流污染風險。近年來，傳統(tǒng)點源污染逐漸得到有效控制，溢流污染已成為影響我國城市水環(huán)境質量改善的重要問題。溢流污染現(xiàn)象反映出排水系統(tǒng)無法同時滿足排水防汛安全和環(huán)境保護雙重需求的現(xiàn)狀，是排水系統(tǒng)問題的一個集中體現(xiàn)。造成溢流污染的原因復雜，主要包括三個方面[13-15]：a.排水體制自身不完善。例如，分流制系統(tǒng)存在大量雨污混接錯接造成“無效”的分流；合流制系統(tǒng)污水廠處理能力與截流干管截流能力不匹配形成廠前溢流；溢流污水調蓄及就地處理設施不完善等。b.管道清淤養(yǎng)護不及時。部分排水管道失養(yǎng)或養(yǎng)護不到位，導致管道內沉積污染物不能及時清除，雨天沉積物因大流量沖刷混入雨污水中，隨溢流污水或雨水排放至水體。c.地表徑流污染影響。城市屋頂、街道等不透水表面上蓄積的各類污染物在降雨和地表徑流的沖刷下進入排水管網，隨溢流污水或雨水排放進入水體。由此，影響溢流污染風險的因素包括分流制系統(tǒng)雨污混接程度、合流制系統(tǒng)截流和調蓄能力、污水處理廠處理能力、管道淤積狀況、降雨特征、下墊面特征等。

（6）路面塌陷風險

路面塌陷是指地面由于地下物質移動而發(fā)生的急劇下沉。路面塌陷事故成因復雜，據(jù)一項對2005～2015 年期間我國路面塌陷事件的統(tǒng)計[16]，人為因素在路面塌陷事件的成因中占比65%，而管道破損滲漏在人為因素中占比55%，是對道路塌陷影響最大的因素之一。許多城市的老城區(qū)排水管道建設年代久遠，管材的老化導致其抗拉和抗沖擊強度降低，容易出現(xiàn)管道破損和滲漏。管道破損滲漏發(fā)生后，一方面外滲污水會沖蝕路基之下的土體，帶走土體形成沖蝕坑，在外荷載作用下引發(fā)路面塌陷；另一方面，地下水或地表水也可能會攜帶管道周圍土體入滲管內，土體流失引起路基下空洞的形成，進而導致路面塌陷[17]。王帥超[17]通過室內模型實驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，地下空洞的空洞跨徑增大和上覆土層的減小是導致空洞塌陷的直接原因；空洞塌陷的臨界跨徑與空洞周圍土的容重、粘聚力、內摩擦角、外部荷載以及上覆土層厚度等關系密切。同時，對于已發(fā)生地下空洞的區(qū)域，強降雨和周圍地鐵、隧道或管線的施工擾動等外部因素也會加劇路面塌陷的進程。

（7）有害氣體中毒風險

排水管道是相對封閉的空間，空氣流通性差，容易形成厭氧環(huán)境。污水中的有機物在管道環(huán)境中被微生物分解，產生H2S、CH4、SO2、HCN 等有害氣體，這些氣體在管道積累達到一定濃度后泄露，會導致人員中毒，嚴重危害排水管道作業(yè)人員的健康。其中，H2S 是排水管道中最典型的有毒氣體，人體暴露在含H2S 氣體的環(huán)境中，可能引發(fā)眼部刺激、頭痛、惡心，甚至窒息和死亡。據(jù)不完全統(tǒng)計，1994-2005年我國北京、上海、天津發(fā)生的硫化氫中毒事故中就有40 多人傷亡[18]。H2S 一般通過厭氧環(huán)境下含硫有機物分解和硫酸鹽還原菌（SRB）對硫酸鹽的生物轉化產生。排水管道沉積物是H2S 氣體的重要來源，H2S 主要產生于沉積物表層有機物和管道內生物膜中的SRB 菌的還原反應。常見[19]通過實地調研探索了我國南方某城市排水管網及其附屬構筑物中H2S的產生規(guī)律和影響因素，研究表明，水流的擾動和溫度變化對H2S 的產生和釋放影響較大，跌水井和泄壓井等水流波動劇烈處H2S 氣體的含量最高；低溫對H2S 氣體的產生和釋放都有顯著的抑制作用，例如，當?shù)畾鉁卦?2℃以上時，H2S 最高濃度大于60 ppm，而跌水井氣溫在8℃～16℃，H2S 最高濃度為12 ppm。一些停留時間較長的構筑物，如格柵井和化糞池井等容易產生和積累液相H2S，而液相H2S通常在下游跌水井中釋放。在排水管道運維養(yǎng)護工作中，合理通風換氣和穿戴個人防護用具可有效降低有害氣體中毒風險。

（8）氣體爆炸風險

排水管道中的可燃性氣體積聚達到一定濃度后，遇明火會發(fā)生爆炸，威脅排水作業(yè)人員和周圍居民的生命安全，還會對周邊排水管道和路面造成破壞。我國許多城市都發(fā)生過嚴重的排水管道爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計，2004～2011 年重慶市主城區(qū)共發(fā)生37 起污水管道和化糞池爆炸事故，造成70 多人傷亡[20-21]。排水管道內的可燃性氣體包括內源性可燃氣體和外源性可燃氣體。內源性可燃氣體典型的是甲烷（CH4），主要由微生物厭氧分解污水和沉積物中的有機物產生，CH4的產生受溫度、污水濃度、水力停留時間、管道生物膜量、管道沉積物狀況等多種因素影響。外源性可燃氣體包括汽油、石油、苯等揮發(fā)性可燃物，主要來源于加油加氣站油氣泄露、企業(yè)排放含可燃氣體的化工廢水、居民傾倒液化氣殘渣等[22]。同時，作為排水管網中氣體爆炸的主要風險點，檢查井內管網交匯狀況直接影響了可燃性氣體的積聚，因此檢查井內連接管道和化糞池的個數(shù)也是氣體爆炸風險的一項重要風險因素[22]。

（9）微生物暴露風險

生活污水中存在大量細菌、病毒、寄生蟲等病原微生物，在污水的輸送和處理過程中，由于激蕩、擾動等原因，病原微生物逸散到空氣中形成生物氣溶膠污染物，可能會對排水相關工作人員和周邊居民的生命健康造成威脅[23]。這類由微生物氣溶膠帶來的健康風險稱為微生物暴露風險。微生物氣溶膠常見的暴露途徑包括皮膚接觸和呼吸吸入。目前，美國等發(fā)達國家已形成了較為成熟的微生物定量風險評價體系，常用的有基于暴露情景建立的暴露評估模型和表征暴露劑量與健康風險關系的劑量- 響應模型等[24-25]。影響微生物暴露風險的因素較多，包括：微生物氣溶膠濃度及其粒徑分布、被評估人群暴露于微生物氣溶膠中的時間、預計從業(yè)時長、安全防護措施和防護用具使用狀況等。其中，微生物氣溶膠的濃度和粒徑分布隨空間和時間變化極大，其產生和擴散受溫度、濕度、風速、光照強度等氣象條件以及排水構筑物類型和運行條件等多方面因素影響[26]。

2 排水管網運行風險評估方法

排水管網運行風險評估方法通?？煞譃槿悾憾ㄐ栽u估方法、定量評估方法、定性與定量結合的綜合評估方法。不同類型下的常用評估方法見表1。

表1 常用風險評估方法表

2.1 定性評估方法

典型的定性評估方法包括風險矩陣法和專家評估法。

風險矩陣法是一種基于風險評估主體需求和風險識別建立的，將風險概率等級和風險危害程度等級相結合來描述風險大小的方法[27-28]。Johansen 等[29]利用風險矩陣法對丹麥哥本哈根市約1 200 km 的污水管網的運行風險進行粗評估，研究采用的HAZOP工具就是一種典型的基于“風險事件發(fā)生頻率- 后果”矩陣建立的定性風險分析方法。風險矩陣法也被廣泛應用于職業(yè)健康風險評估中，常見的有羅馬尼亞職業(yè)事故和職業(yè)病風險評估方法（羅馬尼亞MLSP模型）、澳大利亞職業(yè)健康與安全風險評估方法（澳大利亞UQ 模型）、國際采礦與金屬委員會風險評估方法（ICMM 模型）中的矩陣法等。馮玉超等[30]采用多種職業(yè)風險評估方法實現(xiàn)了污水處理廠接觸NH3、H2S 和粉塵作業(yè)崗位的職業(yè)健康風險評估，其中包含澳大利亞UQ 法和ICMM 矩陣法。

專家評估法是通過咨詢相關領域的專家，結合專家經驗和主觀判斷，對風險事件及相關影響因素進行描述、解釋和評價的方法。專家評估法常見的有德爾菲法和專家評分法。專家評估法很少單獨使用，一般作為一些綜合評估方法的組成部分，例如，層次分析法（AHP）風險評估過程中，通常需要采用專家評價來構造判斷矩陣計算指標權重和對指標進行風險評分；風險評價指標體系構建也可結合德爾菲法進行專家咨詢[31]。

2.2 定量評估方法

定量評估方法一般是基于大量實驗結果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，從而實現(xiàn)對風險指標分析和評估的方法[32]。典型的定量評估方法包括理論或經驗模型評估方法、仿真模型情景模擬法和統(tǒng)計模型法。

理論或經驗模型評估方法是采用基于實驗和實證研究建立的理論模型或經驗模型進行風險評估的方法。例如，歐盟計算機輔助排水管網修復科技項目（CARE-S）中研發(fā)并建立了基于生物化學機理對管道外部和內部腐蝕情況的預測和評估的理論模型Extcorr 和WATS 模型[33]。美國EPA 針對有毒物質建立的致癌/ 非致癌健康風險評估模型是一種基于劑量- 響應關系的半經驗模型，有大量實驗室和流行病學數(shù)據(jù)作支撐[34]。梁錦釗等[35]采用EPA 方法對排水管道作業(yè)人員吸入管道內有害氣體的風險進行了評估，其中，有害氣體污染濃度、管道作業(yè)人員暴露在污染氣體中的時間、頻率等參數(shù)通過實地監(jiān)測、調研以及理論模型估算等方法獲取。

基于仿真模型的情景模擬法在內澇風險評估中有較多的應用。王詩婧[36]采用商業(yè)仿真模型軟件Infoworks ICM 開展了不同降雨情景下區(qū)域內澇風險的預測和評估，基于模型預測的積水深度和積水時間實現(xiàn)了內澇風險等級評定和內澇風險空間分布特征識別。蘇伯尼等[37]基于二維水動力仿真模型開展了福建省龍巖市某區(qū)在不同暴雨情景下的內澇動態(tài)模擬，獲取了該區(qū)域內澇積水的時空分布特征和災害損失情況。實際應用中，仿真模型情景模擬法也可與層次分析法等綜合評估方法相結合，作為重要指標的計算和預測工具。孫阿麗[38]基于SWMM 仿真模型對上海市某區(qū)域在不同降雨情景下的內澇積水情況進行了模擬，并采用層次分析法結合模擬降雨積水深度和歷時等參數(shù)開展區(qū)域內澇風險評價，形成不同情景下內澇風險區(qū)劃。

統(tǒng)計模型，又稱概率模型，是指基于大量歷史數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法分析建立的描述風險影響因素變量和風險評估指標之間關系的模型。常見的統(tǒng)計模型方法包括多元線性回歸模型、邏輯回歸模型、多元判別分析法、證據(jù)推理法、群分析法、馬爾科夫鏈模型和貝葉斯網絡模型等[33]。Bakry 等[39]采用多元線性回歸方法基于管網歷史CCTV 檢測數(shù)據(jù)分析建立了化學注漿修復后污水管和檢查井結構與功能狀況預測與評估模型。Alasqqar 等[40]采用多元判別分析法建立了巴格達市污水干管結構損壞預測模型。統(tǒng)計模型也可與其他方法結合，作為綜合評估方法來使用。例如，Hawari 等[41]結合模糊集合理論、模糊網絡分析法、蒙特卡洛模擬和證據(jù)推理法建立了污水重力和壓力管網的健康狀況評估模型。

2.3 綜合評估方法

定性與定量相結合的綜合評估方法是多因素、多指標評價和決策中常用的手段。綜合評估過程通常包含評估指標體系的建立，指標權重的確定和綜合評價模型的構建等步驟，評價的依據(jù)主要包括數(shù)據(jù)、模型和專家知識等。常見的綜合評估方法包括層次分析法、模糊綜合評價法、人工神經網絡綜合評價法和灰色關聯(lián)分析法等。

層次分析法是美國運籌學家A.L.Saaty 在20 世紀70 年代提出的一種多目標綜合決策方法，它模擬了人的思維過程，并將人的主觀判斷客觀量化，實現(xiàn)了決策思維過程的數(shù)學表達[42]。其一般步驟見表1。張文俊等[43]利用層次分析法構建了污水干管運行風險評估指標體系，結合專家評分計算獲得各級指標權重，為污水管道運行風險評估提供指導和依據(jù)。劉威等[44]建立了排水管網風險評估指標體系，并采用結合了層次分析法和熵權法的組合賦權方法確定指標權重。

模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學為基礎，應用模糊關系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個因素對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合性評價的方法[42]。其一般步驟見表1。范小花等[45]基于模糊綜合評價法建立了污水管網氣體爆炸風險評估模型，并將模型應用于某小區(qū)污水管道氣體爆炸風險的評估。

人工神經網絡綜合評價法是基于人工神經網絡的自學習、自適應能力和強容錯性建立模擬人類思維模式的綜合評價模型的方法。常用的人工神經網絡模型有反向傳播神經網絡（BPNN）模型和概率神經網絡（PNN）模型。Najafi 等[46]和Sousa 等[47]基于管網特性和歷史CCTV 管網檢測數(shù)據(jù)建立了用于預測污水管網健康狀況的人工神經網絡模型，為管網預防性檢測和養(yǎng)護方案的制定提供了科學依據(jù)。

灰色關聯(lián)分析法是基于灰色系統(tǒng)理論建立的對系統(tǒng)態(tài)勢的量化比較分析方法，利用各方案與最優(yōu)方案之間關聯(lián)度的大小對評價對象進行比較、排序，從而進行評價。其一般步驟見表1。徐得潛等[48]結合灰色關聯(lián)分析法和層次分析法建立了合流制管網風險評估模型，涵蓋甲烷氣體爆炸風險、硫化氫中毒風險、溢流污染風險和環(huán)境風險等四大類風險，

綜合評價的結果依賴于方法的選擇，選擇不同的評價方法得到的結果不盡相同。實際應用中，除單一評價方法外，還時常將不同方法組合使用，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以取得更為科學、合理的評價結果。例如，前文提到的層次分析法和熵權法的組合賦權確定指標權重，綜合考慮了決策者、專家的主觀傾向以及管道自身客觀情況[44]。而徐得潛等[48]建立的組合方法在不同階段采用不同的評估方法，將層次分析法用于風險指標因素權重的確定，灰色關聯(lián)分析應用于管道風險等級的評估。

3 結 語

排水管網運行風險的識別與評估對保障城市排水系統(tǒng)安全運行具有重要意義。根據(jù)風險影響的主體，將排水管網運行風險分為四種類型，涵蓋九種主要運行風險事件，包括內澇積水、污水冒溢、管道結構損害、路面塌陷、地下水和土壤污染、溢流污染、有害氣體中毒、氣體爆炸、微生物暴露風險等。本文基于目前相關的理論和實驗研究成果，闡述了不同風險事件發(fā)生主要原因及影響因素。

目前，排水管網運行風險評估采用的方法可分為定性評估方法，定量評估方法，及綜合評估方法三種類型，常用方法包括風險矩陣法、專家評分法、理論或經驗模型評估方法、仿真模型情景模擬法、統(tǒng)計模型法、層次分析法、模糊綜合評價法、人工神經網絡綜合評價法以及灰色綜合評價法等。在實際應用中，建議根據(jù)評估目標和數(shù)據(jù)的可獲得性選擇適宜的方法進行評估。