供水管網優化維護的理論與技術框架分析

褚俊英，王 浩，邵 煜，俞亭超

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058)

供水管網作為城市基礎設施的重要組成部分，直接關系到城鎮供水安全與人類健康，具有極其重要的地位。供水管網漏損與爆管等失效事件不斷發生，帶來極其嚴重社會經濟和生態環境影響。進行供水管網優化維護，確保管網流量、流速、壓力和水質等指標滿足要求且經濟有效，已成為保障城鎮供水安全的關鍵。長期以來，研究者在供水管道維護優化決策的優先權計算、單目標優化以及多目標優化的數值算法及其實踐應用方面取得了多項進展。如Shamir等[1]建立了經濟優化模型，計算比較了爆管費用和換管費用的凈現值，量化給出了供水管道的最優更換時間，并在加拿大卡爾加里市應用。基于層次分析法或資金分配指數的優先權方法，具有層次清楚、可操作性強等特點，得到廣泛的應用[2]。綜合經濟性、可靠性等目標，基于管道水力學計算、遺傳算法的供水管道維護多目標尋優技術也取得了一定進展，并在澳大利亞、加拿大等國家的多個城市得到應用[3-4]。總體上，供水管網優化維護注重特定方法的研究及應用，但在優化維護的基礎理論方面薄弱，尚缺乏統一的技術框架。本研究系統梳理了供水管網優化維護的發展歷程，提出供水管網優化維護的3個基礎理論，系統給出面向全生命周期的供水管網優化維護的技術路線，旨在為我國供水管網維護規劃制定、決策優化與建設實施提供技術支撐。

1 供水管網優化維護的發展歷程

供水管網優化維護主要針對供水管網存在輸水能力差、存在安全隱患等問題，綜合考慮技術經濟特點，識別維護管道對象，確定維護時機，進行維護優化決策，并實施搶修、修復和更新改造的活動，以最大化減少供水管道漏損與爆管等失效事件帶來的負面影響。隨著城市化進程的不斷推進以及供水管網檢測、監測以及維護技術的變革，世界上供水管網維護逐漸從被動應急向主動優化轉變，從傳統技術向現代技術轉變，從短期戰術向中長期戰略轉變。如何更好地維護使供水管網處于良好狀態，始終是供水管理決策者面臨的重要挑戰。本研究在文獻分析的基礎上，總結了供水管網優化維護發展的3個階段。

1.1 被動應急維護階段：經驗性優化

20世紀80年代之前，供水企業缺乏可靠的地下供水管道檢測技術，難以對供水管網的基本狀態進行判斷，供水管網以建設為主而忽視管道維護，當時我國出臺了GB 50268—97《給水排水管道工程施工及驗收規范》，2008年進行了修訂。供水管道維護主要采取被動性的應急方式，即“不漏不修，漏了再修”，實行經驗性優化策略。該階段供水企業基本建立了完善的應急維修系統，供水管道出現失效后，通過經驗方式進行管道維修與更換的比選決策。隨著供水管網的不斷老化，供水管網漏損與爆管頻率不斷增大，導致企業、居民、商店、學校、倉儲受淹以及道路交通中斷等，給世界各國城市社會經濟發展帶來災害性的影響。供水企業采取基于經驗性優化的被動應急維護策略，帶來供水管網維護投資大、潛在健康威脅突出以及社會影響嚴重等問題[5]。該階段，美國環保署調查提出未來20年美國需要772億美元來維護現有的供水管道系統[6]，加拿大預計未來15年升級城市供水管網系統的費用約115億加元[7]。

1.2 主動預防維護階段：多目標優化

20世紀80年代至今，供水管網檢測、監測、修復以及維護方面技術不斷進步，非開挖修復技術取得突破性進展，技術的規范性程度不斷提高。如我國出臺了CJJ 159—2011《城鎮供水管網漏水探測技術規程》、CJJT 226—2014《城鎮供水管網搶修技術規程》以及CJJT 244—2016《城鎮給水管道非開挖修復更新工程技術規程》等。該階段著眼于中長期尺度的積極主動性維護策略，成為供水企業的選擇，可有效阻止供水管道漏損與爆管等失效發生，提高供水管網的績效水平，在世界上得到廣泛應用[8]。該階段供水企業開始對供水管網維護費用進行詳細核算，除了考慮直接費用外，還將管道失效所帶來間接社會影響(如用水者服務的中斷、公共健康的威脅)進行經濟量化[9]，并充分融合供水管網的可靠性、彈性等多種目標，進行多目標的優化維護決策。該階段，美國水行業協會1987年出臺了《供水管網更新維護手冊M28》(2014年更新到第3版)，我國出臺了CJJ 207—2013《城市供水管網運行、維護及安全技術規程》，從而對供水企業管網維護目標與策略提出了規范化要求。供水企業采取更為主動的方式，進行管道狀態檢測、管道狀態評估，建立了基于狀態的主動性維護策略。一些供水企業更進一步地考慮管道失效可能性以及失效影響，評估供水管道失效風險，建立了面向風險的優化維護策略[10]。總體上，該階段供水企業優化維護更具綜合性，既包括管道失效前日常態的優化維護，也包括管道失效后應急態的優化維護，尤為側重中長期的供水管道失效動態風險管控，實現多目標優化供水維護專家系統(或決策支持系統)不斷建立和應用[11]。

1.3 智慧精準維護階段：自適應優化

未來，隨著大數據、物聯網、人工智能以及數據挖掘等信息技術迅猛發展，供水管網維護將進入智慧精準維護階段，根據管道自身以及周邊環境特點進行自適應優化維護決策將成為供水企業的選擇。如智能管道傳感技術(smart pipe sensor technology)能夠嵌入管道，持續監控管道的完整性并及時報告供水管道狀態；基于Android的供水管網移動端巡檢系統，可實現信息采集、巡檢系統導航定位、管網事故搶險維修和系統信息管理等多種功能[12]。該階段，供水企業著力構建集管道資產全面感知、遠程實時控制、智能預測預警、自適應優化決策一體化的智慧管網維護GIS平臺系統，實現管網維護的精細化、標準化和智能化，為供水管網漏損識別控制、維護方案優化以及智能調度控制等提供現代化決策支持[13]。

2 供水管網優化維護的基本理論

針對供水管網優化維護的基本理論缺失問題，本研究在文獻分析基礎上提出了供水管網維護的3個基本理論：管道失效理論、管道可維護理論以及決策優化理論。

2.1 管道失效理論

研究者通常針對管道失效的極端情況如爆管、漏損等開展研究，實際上供水管道失效包括更為廣泛的內容，不僅包括管道漏損、爆管等結構性失效，還包括了輸水能力降低、壓力不足、水質不滿足要求等功能性失效。從失效程度看，供水管道失效可分為軟失效和硬失效兩種類型。其中，軟失效主要由于供水管道老化、腐蝕等，導致管道存在部分漏損、輸水能力降低、壓力不足以及水質較差等退化性問題，但危害程度相對較小，依然可以帶病運行實現連續供水的服務功能；硬失效則是供水管道發生較大漏損、爆管或水質超標嚴重等突發性問題，帶來較大社會經濟危害，導致部分節點供水強行中斷，無法實現供水的服務功能。

管道失效主要有兩種表達形式：①確定性表達，如管道失效次數(單位為次/(a·km))，或管道失效時間(或管道下次失效時間、兩次管道失效的時間間隔、管道剩余服務期等，單位為a)；②不確定性表達，如管道失效概率或第n次失效的管齡概率分布等[14]。

供水管道失效影響因素眾多，通常可以分為以下幾類[15]：物理因素(如管齡、管材、管壁厚度、管徑、接口類型、管道內襯、安裝特征等)、環境因素(如土壤類型、氣候、地下水、道路特征以及地震活動特點等)、操作因素(如管道水質、水壓、流速、水錘等)。供水管道失效的機理尤為復雜，屬于多因素作用于供水管道上的非線性累積效應，具有很大的隨機性和不確定性，每個管道都有其特殊的失效機制。硬失效往往不具有明顯的退化過程，失效前通常難以檢測；軟失效則主要受到退化性因素的影響，如管道裂紋、管道腐蝕導致的管壁變化等，管道失效前可根據特征做出預判。

(a) 基本維護 (b) 中間維護

(c) 全新維護 (d) 提升維護圖1 生命周期的供水管道失效動態演變與維護效果Fig.1 Dynamic evolution and maintenance effect on failure of water supply pipe in whole life cycle

大量研究數據的統計規律分析表明，供水管道的失效過程(即故障模式)與時間的推移有直接關系，通常符合“浴缸曲線”。供水管道全生命周期的動態演變過程中，可以分3個主要時期(圖1)：①幼年磨合期，供水管網建設運行早期，管道失效主要來源于建設與安裝質量不好、地面不均勻沉降導致管道位移等方面。隨著不斷磨合，供水管道失效率緩慢下降。該時期進行供水管道建設與施工的質量控制、全面檢驗可有效降低管道失效率。②成熟隨機期，供水管道運行相對穩定，管道失效率較低。該時期供水管道失效主要受到隨機因素影響，如承重負荷、第三方擾動等。通過增大供水管網系統冗余、實行壓力控制、進行管道清洗等，可提高安全系數和可靠性，降低管道失效率。③老化磨損期，隨著時間推移，管道不斷老化和劣化，供水管道失效率將迅速增加，導致系統可靠性迅速下降、維護費用顯著增大。進行主動性、預防性的管道維修與修復，可降低供水管道失效率，延長管道的服務期。當然，并非所有的供水管道都經歷3個完整時期，每個時期的長度對于所處各種環境條件的不同管道也有明顯差異。對供水管道失效規律的認知，在很大程度上受到數據可靠性與可得性的限制。其中，老化磨損期是供水管道失效研究的重點，也是管道優化維護的關鍵期，該時期開展供水管道失效規律觀測與量化分析，是提高供水管網可靠性、降低維護成本、延長管道生命周期的重要基礎。

2.2 管道可修復理論

管道可修復理論描述了供水管道維護與管道狀態之間的動態關系。早期的研究側重通過經濟性識別哪些管道進行維護，假定管道失效概率服從隨機分布，忽視維護措施與管道狀態之間的量化關系。21世紀以來，供水管道維護措施維護效果逐漸得到關注，研究者通常將管道狀態表達為管齡函數，管道更換后修改管齡重新計算管道狀態。隨著管道維護措施呈現多樣化，研究者探索不同類的維護措施并與管道狀態指數進行經驗性的量化關聯，從而對實施維護后管道狀態進行動態修正[16]。本研究在文獻整理基礎上，借鑒相關研究進展，豐富了管道可修復理論，提出管道維護措施與管道狀態4個主要類型(圖1)：①基本維護，維護后管道失效率仍然保持失效前一時刻的狀態，即“修復如舊”，管道失效率保持現有規律不變；②中間維護，經過維修以后，管道失效率有所降低，但不能使管道狀態完全恢復到全新，管道狀態介于“修復如舊”和“修復如新”之間；③全新維護，管道維護后能夠恢復到全新狀態，供水管道失效率與全新管道失效規律一致；④提升維護，隨著科學技術進步，管道維護材料、安裝與施工等質量明顯提升，管道維護后相對全新狀態進一步提升，管道失效率相對全新管道失效率明顯降低。總體上，通過管道更新(采用原有管材或新材料)進行供水管道維護可考慮為全新或提升維護，采用穿插法、原位固化法等進行管道修復可考慮為中間維護，而采用不銹鋼發泡筒法等方式進行管道局部維修則考慮為基本維護。

2.3 優化決策理論

供水管網維護的優化決策理論描述了不確定條件下，決策者綜合權衡經濟性、可靠性以及水質等多目標，通過優化算法識別供水管道的維護對象、維護時機并進行維護措施決策的理論。根據企業特點如何設定多目標和決策變量、如何通過高效優化算法輔助決策已成為該理論研究的熱點。本研究按照決策者的決策特點，將供水管道維護的決策優化過程分為3類：①完全理性決策，即決策者具有完全理性，能通盤考慮供水管網維護的成本及其所帶來的影響和收益，根據自身價值判斷標準，通過量化計算分析做出最優化決策；②非理性決策，即決策者具有非理性特征，其供水管網維護決策很大程度上受到認知、判斷等主觀因素的影響，主要通過定性分析做出經驗化決策；③有限理性決策，即決策者具有有限理性，在信息不對稱、數據不完善條件下，按照自身價值判斷，通過定性與定量分析相結合做出滿意化決策。

3 面向全生命周期的供水管網優化維護一體化技術框架

確定具有大量決策變量的大型供水系統的最優更新維護計劃是一項具有挑戰性的任務。供水管網優化維護應堅持問題導向、因地制宜和創新引領的基本原則，以供水管網存在的問題為導向，注重技術和經濟優化分析，積極采用新技術、新設備和新材料，提高供水管網維護措施的針對性、實用性和高效性。面向全生命周期的供水管網優化維護一體化技術框架(圖2)主要包括數據融合、狀態辨識、措施集合、優化決策以及方案實施5個層面。其中，數據融合是基礎，狀態辨識是根本，措施集合是抓手，優化決策是核心，方案實施是重點。

3.1 數據融合：從傳統記錄向大數據轉變

全面、可靠的供水管網基礎數據是開展管網優化維護的重要基礎。隨著互聯網、大數據、云平臺與人工智能的發展，除了傳統人工記錄、統計資料外，借助各種途徑(如SCADA監控系統、GIS空間分析、遙感分析以及物探等)，精確到每個管段尺度，實現海量、多源異構、類型多樣的供水管網大數據融合和數據轉換是重要發展趨勢。從發展趨勢看，對供水管道的內部運行數據(如壓力、流量、流速、水質等)、管道資產特征及維護情況(如管齡、管材、失效時間、失效影響、維護措施等)、管道外部環境(如溫度、土壤、地下水、交通、覆土等)等多元數據進行有效集成，形成“管內-管道-管外”一體化的動態數據庫，提高決策者對供水管網系統的認知程度，從而為供水管網狀態評估、優化決策提供基礎支撐。

3.2 狀態辨識：從狀態評價向風險辨識轉變

在數據融合基礎上，供水企業可根據供水管網特點與維護要求，采用經驗判斷法、統計回歸法、優先權排序法、檢測探測法等方法進行管網狀態識別，為供水管網的優化維護決策提供依據。其中，經驗判斷法具有主觀性較強、操作簡單的特點；檢測探測法具有客觀性強，但耗時長、費用相對較高的特點；統計回歸法對歷史觀測數據的依賴性強，主要分為物理模型和統計模型，前者注重分析管道失效的物理機制，通常考慮的影響因子包括土壤特性(如pH值、電阻率、通氣條件等)、溫度等[17]，而后者注重分析管道失效的統計學規律，考慮的影響因子包括管材、管齡、管壁厚度、土地利用等[18]；優先權排序法通常根據經驗確定優先權指標，設定規則進行優先權排序，可操作性強，如丁相毅等[19]提出了基于因子分析的供水管網健康狀態評價方法。從未來發展趨勢看，綜合考慮供水管道失效的可能性及其所帶來的影響的風險辨識日益得到關注。其中，管道失效所帶來的影響程度不僅包括節點用水中斷的直接影響，也包括管網中用水節點的流量損失、修復過程中交通擾動和健康威脅等間接影響。

圖2 面向全生命周期的供水管網優化維護一體化技術框架Fig.2 Integrated general technical framework for optimal maintenance of water supply networkon perspective of whole life cycle

3.3 措施集合：從傳統技術向革新技術轉變

傳統的供水管網維護措施主要以維修和更換管道措施為主。隨著科學技術進步，新技術、新產品、新工藝不斷得到研發和市場應用，供水管道維護從傳統技術向革新技術轉變。這些革新技術包括新型管材、新型管道維護與修復技術等，導致供水管道韌性強、生命周期長，能夠減少腐蝕所帶來供水水質下降，降低溫度應力對管道結構的影響以減少漏損事件的發生。例如，供水管網非開挖技術取得突破性進展，將極大減少新管道安裝費用并降低現有管道修復的成本。再比如，低成本、高精度的供水管道探地雷達技術得到開發應用[20]，為供水企業實行精準化和經濟性的管道維護提供了可能。應盡快建立供水管網優化維護的措施集合，并對各項措施的技術適用性、經濟可行性以及社會可接受性進行具體分析，為供水管網優化決策提供詳細的備選方案庫。

3.4 優化決策：從單目標決策向多目標優化轉變

在供水管網維護資金有限的條件下，為保障供水的水量、水質以及壓力滿足要求，供水企業傳統的單目標決策向多目標優化轉變，通過優化算法尋優，動態識別管網中不同時間的維護對象、維護措施和維護效果。傳統的經濟性目標始終是決策者關注的熱點,隨著對供水管網觀測和認識水平的不斷提高，近些年來研究者對于經濟成本的考慮更為綜合，包括了管道失效所帶來的用戶直接、間接影響以及社會影響等費用。此外，實現提高供水管網水力可靠性、水質安全性以及彈性等多元目標，也逐漸成為決策者的價值取向。通過多目標的權衡分析和尋優，供水企業愈加采取更為主動地預防性維護措施，以減少用戶投訴，提高供水系統的績效水平。

3.5 方案實施：從短期計劃向全生命周期管理轉變

基于優化決策結果，供水企業進一步制定供水管網維護的實施計劃，從短期計劃逐漸向生命周期管理轉變，從中長期的視角開展動態化、高效化地維護。供水企業將根據供水管網維護方案年度的實施情況進行動態跟蹤評估，不斷滾動修正后續的年度計劃，以生命周期為基礎實現供水管道失效與維護在動態中均衡，最大化地降低不確定性。

4 結 語

針對供水管網存在輸水能力差、存在安全隱患等問題，供水管網優化維護旨在綜合考慮技術經濟特點，識別維護管道對象和時機，進行維護優化決策，并實施搶修、修復和更新改造的活動，以最大化減少供水管道失效所帶來的負面影響。本研究充分融合已有研究成果，分析了供水管網優化維護發展的3個階段，提出了供水管網維護的3個基本理論，并探索建立了面向全生命周期的一體化技術框架。研究旨在推動供水企業采取更積極主動和優化維護策略，實現從傳統記錄向大數據融合轉變、從狀態評價向風險辨識轉變，從傳統技術向革新技術轉變、從單目標決策向多目標優化轉變以及從短期計劃向全生命周期管理轉變，建立更為現代、高效的供水管道維護模式。從未來發展趨勢看，隨著技術不斷進步，供水管網維護的智能化、精準化程度將明顯提升。