淺析地下管線信息化模型技術(shù)在城市重要地下管線安全運(yùn)行能力評價中的應(yīng)用

文｜昆明市城市地下空間規(guī)劃管理辦公室 解智強(qiáng) 彭俊婷 侯至群

1.引言

據(jù)統(tǒng)計，全國大約還有70%的城市沒有地下管線基礎(chǔ)性的檔案資料，地下管線信息不清的現(xiàn)狀普遍存在；有多數(shù)城市還未對原有的地下管線及時進(jìn)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(guī)定進(jìn)行地下管線竣工測量。絕大多數(shù)城市地下管線沒有一套全面、準(zhǔn)確的地下管線綜合圖或數(shù)據(jù)庫，地下管線信息不能滿足日益發(fā)展的城市建設(shè)的需求，與我國經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展形成極大反差。城市規(guī)劃部門在審批地下管線位置時，經(jīng)常出現(xiàn)管線“打架”現(xiàn)象；建設(shè)施工中經(jīng)常發(fā)生管線被挖斷事故，引起停水、停電、停氣、環(huán)境污染甚至通訊中斷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國每年因施工而引起的管線事故所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)50億元，間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)400億元。

城市重要地下管線在運(yùn)行環(huán)節(jié)過程中可能會發(fā)生突發(fā)事件并產(chǎn)生不利后果。不利后果泛指人身傷害或疾病、財產(chǎn)損失、環(huán)境破壞、城市運(yùn)行中斷或這些情況的組合。通過對城市地下管線安全運(yùn)行能力評價研究可以實現(xiàn)以下幾點：

（1）能夠系統(tǒng)識別和排查可能存在的風(fēng)險和風(fēng)險控制點，科學(xué)分析各種風(fēng)險發(fā)生的可能性與后果，客觀認(rèn)識地下管線的安全現(xiàn)狀，做到預(yù)防與處置并重、評估與控制結(jié)合，切實增強(qiáng)應(yīng)急管理工作的預(yù)見性、針對性與主動性，保障城市平穩(wěn)安全運(yùn)行，具有重要的現(xiàn)實意義。

（2）加快推進(jìn)城市地下空間現(xiàn)狀基礎(chǔ)設(shè)施評價，為城市地下空間開發(fā)資源評價提供基礎(chǔ)，能夠節(jié)約資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，開發(fā)可再生能源，注重城市建設(shè)和資源綜合利用的有機(jī)統(tǒng)一，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

（3）增強(qiáng)城市基礎(chǔ)施建設(shè)，有效提高城市綜合承載力，完善的基礎(chǔ)設(shè)施對加速社會經(jīng)濟(jì)活動，促進(jìn)空間分布形態(tài)演變，提高城市綜合承載力起著巨大的推動作用。加強(qiáng)地下管線設(shè)施和地下空間的開發(fā)利用，保障地下空間開發(fā)過程中城市地下管線的安全運(yùn)行，充分發(fā)揮市場配置資源的基礎(chǔ)性作用，增強(qiáng)市政公用產(chǎn)品和服務(wù)供給能力。

圖1 蘭花溝下游核心排水系統(tǒng)范圍

2.管線建模技術(shù)探討

2.1 建模方法

針對選定的示范區(qū)域研究符合昆明市實際情況的重要地下管線（排水、供水、燃?xì)獾戎匾叵鹿芫€）安全運(yùn)行能力評估方法。結(jié)合現(xiàn)有安全運(yùn)行能力評價模型及專題地圖表達(dá)工具，按照建模標(biāo)準(zhǔn)處理空間地理數(shù)據(jù)以及專題要素數(shù)據(jù)等，為城市地下空間開發(fā)規(guī)劃中的重點區(qū)域提供給水、排水和燃?xì)獾鹊陌踩\(yùn)行能力評價模型及區(qū)域開發(fā)現(xiàn)狀及規(guī)劃承載力提供評價成果，使昆明城市地下空間開發(fā)規(guī)劃工作更加科學(xué)客觀。

第一、建設(shè)符合城實際情況的重要地下管線安全運(yùn)行能力評價（地下排水、給水和燃?xì)獾龋┬畔⒛Ｐ停?/p>

第二、結(jié)合現(xiàn)有成熟模型軟件及其專題地圖表達(dá)工具，開發(fā)并建設(shè)評價模型，并使用成熟GIS的軟件二次開發(fā)，使城市地下空間開發(fā)評價成果實現(xiàn)制圖表達(dá)。

2.2 建模技術(shù)路線

（1）通過實時實地觀測獲取城市地下管線安全運(yùn)行能力評估所需的數(shù)據(jù)。

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

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

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

圖3 一年及兩年一遇設(shè)計降雨下管線負(fù)荷圖

圖4 一年、兩年及五年一遇設(shè)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(shè)應(yīng)用為例：（如圖1所示）

在此模型范圍基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，使其滿足排水模型的通用校驗標(biāo)準(zhǔn)。然后，以此核心模型為基礎(chǔ)，考慮將模擬范圍擴(kuò)大至整個蘭花溝系統(tǒng)，最終建立起一個相對獨立完善的系統(tǒng)模型。在最終模型的基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行評估和分析，包括現(xiàn)狀管線的排水能力，現(xiàn)狀系統(tǒng)所存在的缺陷和問題，對下游污水廠負(fù)荷的影響以及進(jìn)一步對雨污分流可行性的分析。

考慮到目前蘭花溝系統(tǒng)存在的問題，本次模型的首要目標(biāo)是通過建立現(xiàn)狀排水管線模型，對現(xiàn)狀管線的排水能力、積水狀況以及系統(tǒng)缺陷進(jìn)行調(diào)查和評估，分析系統(tǒng)造成積水的可能原因；其次，可以根據(jù)模型應(yīng)用的進(jìn)一步需求，實現(xiàn)其他相關(guān)目標(biāo)。

(1)首要目標(biāo)：

現(xiàn)狀管線的模擬和校核：查找和分析現(xiàn)狀管線的系統(tǒng)缺陷。通過建模過程，補(bǔ)充原有數(shù)據(jù)存在的一些盲區(qū)，進(jìn)一步完善對研究片區(qū)管線數(shù)據(jù)的掌握和了解。

評估分析現(xiàn)狀管線系統(tǒng)的排水能力，積水狀況，且分析系統(tǒng)造成積水的原因。

(2)其他目標(biāo)：

長遠(yuǎn)來看，可結(jié)合實際需求進(jìn)一步利用模型進(jìn)行各種改造設(shè)計方案的評估分析，基于模型對雨污分流方案進(jìn)行可行性分析。

通過模型的檢查與校核，得到不同預(yù)案或設(shè)計條件下排水系統(tǒng)的負(fù)荷狀態(tài)。

如圖2圖例所示，紫色的管線皆為滿管狀態(tài)，隨著暴雨程度的增強(qiáng)，管線負(fù)荷加大，成滿管運(yùn)行，且當(dāng)管內(nèi)的水位持續(xù)上升，壓力水頭達(dá)到檢查井井蓋高程時，則會造成檢查井溢流/冒溢。

對3圖進(jìn)行分析，管段標(biāo)記為1的表示該處管段在1年一遇降雨程度下已經(jīng)滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行；管段標(biāo)記為2的表示該處管段在2年一遇降雨下才會滿負(fù)荷；顯然，在一年一遇的情況下就已經(jīng)發(fā)生管線滿負(fù)荷的位置是整個系統(tǒng)的薄弱和關(guān)鍵點。該結(jié)果的指導(dǎo)意義在于：管線設(shè)施維護(hù)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(fā)生滿管的管線進(jìn)行重點維護(hù)和清淤工作；這在通常沒有借助模型仿真和數(shù)值模擬的情況下，管線維護(hù)人員根本無法做出類似的判斷，只能沒有針對性的進(jìn)行維護(hù)，造成大量人力、物力、財力的浪費(fèi)。

除了上面所說的能夠通過模型仿真定位出關(guān)鍵/薄弱管線位置外，還可以定位出容易發(fā)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(guān)鍵積水位置進(jìn)行相關(guān)人員和設(shè)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(lán)色的點及代表2年一遇降雨時會發(fā)生積水的檢查井；而黃色則代表5年一遇才會發(fā)生冒溢的檢查井。

在該建模過程中，主要解決以下技術(shù)問題：第一， 解決了水力模型技術(shù)和高質(zhì)量的排水管線數(shù)據(jù)結(jié)合問題，并對城市排水系統(tǒng)現(xiàn)狀評價，首先對排水管線雨污混接點的識別，管線網(wǎng)絡(luò)上下游追蹤等新技術(shù)，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(huán)節(jié)的判斷。對不同規(guī)劃條件下的市政及小區(qū)排水管線承載能力做出科學(xué)評價。第二，實現(xiàn)了DSM(數(shù)字地表模型)數(shù)據(jù)、庭院排水管線數(shù)據(jù)與水力模型的集成，對城市內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行精確的預(yù)測與評價，實現(xiàn)了不同降雨重現(xiàn)區(qū)內(nèi)城市洪水的發(fā)生時間，最大災(zāi)害時間，分布范圍以及洪水消退等洪澇演進(jìn)過程模擬，實現(xiàn)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(zāi)減災(zāi)預(yù)案制定實施提供科學(xué)決策支持。第三，解決城市內(nèi)澇表達(dá)方式跨平臺表達(dá)實現(xiàn)，通過基于底層開發(fā)新的跨平臺工具，使國際專業(yè)模型軟件的城市內(nèi)澇演進(jìn)表現(xiàn)手段在國內(nèi)三維虛擬現(xiàn)實平臺中獲得真實客觀的展示，為成果拓展應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 排水模型應(yīng)用

（1）地下管線承載力科學(xué)評估：提高城市規(guī)劃工作對地下管線承載力的科學(xué)評價，規(guī)劃部門需要確定現(xiàn)有的排水管線能否滿足因為各種建設(shè)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(shù)對排水管線的負(fù)載力進(jìn)行水力評估分析，根據(jù)未來城市擴(kuò)張及發(fā)展情況，建立各種預(yù)案（考慮人口變化的預(yù)案以及不同強(qiáng)度的暴雨預(yù)案等）且用模型進(jìn)行預(yù)案運(yùn)行并分析得出科學(xué)合理的結(jié)論；從而由原來基于經(jīng)驗的地下管線規(guī)劃與建設(shè)方法升級到依托科學(xué)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(guī)劃與決策工作更趨科學(xué)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(jìn)一步地梳理和了解地下管線的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可結(jié)合地下管線三維效果圖及管線縱斷面圖修正和檢查現(xiàn)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(hù)部門對現(xiàn)有管線問題進(jìn)行排查和維護(hù)。

（3）城市洪水風(fēng)險分析和預(yù)警：利用模型技術(shù)進(jìn)行水力模擬分析，得出不同強(qiáng)度暴雨下城市可能會發(fā)生積水的范圍和程度，輔助防汛部門進(jìn)行汛期防洪工作的布置和安排，指導(dǎo)與排水系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的河道、水閘、泵站等水力附屬設(shè)施的調(diào)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(xiàn)狀管線的分析模擬定位出了示范片區(qū)易發(fā)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(guān)的理論基礎(chǔ)。

3.思考

城市重要地下管線安全運(yùn)行能力評價研究將繼續(xù)向動態(tài)模擬化方向發(fā)展。城市地下管線安全運(yùn)行能力評價研究經(jīng)歷了從一般定性描述到定量和機(jī)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(yùn)行問題的客觀本質(zhì)，同時也增加了研究的難度。實質(zhì)上現(xiàn)代意義上的城市地下管線安全運(yùn)行能力研究就是資源開發(fā)與區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略研究，它是為制定有關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)的。為了提高城市地下管線安全運(yùn)行研究的科學(xué)性與實用性，必須加強(qiáng)城市地下管線安全運(yùn)行的動態(tài)模擬研究，建立一套能反映城市地下管線安全運(yùn)行能力本質(zhì)的評估模型體系，實現(xiàn)對城市地下管線安全運(yùn)行能力的估算與動態(tài)變化過程的預(yù)測。城市地下管線安全運(yùn)行能力評價模型必須能反映問題的本質(zhì)，技術(shù)上可行，科學(xué)上有依據(jù)，要反映城市地下管線安全運(yùn)行問題的多元性、非線性、動態(tài)性、多重反饋的基本特征。同時還需要加強(qiáng)對城市地下管線安全運(yùn)行能力基礎(chǔ)理論研究，即城市地下管線系統(tǒng)的復(fù)雜性理論要素之間的復(fù)雜性研究，以給城市地下管線安全運(yùn)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(fā)決策、規(guī)劃、計劃和社會協(xié)調(diào)發(fā)展、為控制性詳細(xì)規(guī)劃編制提供科學(xué)依據(jù)。