城市化背景下中國地下管線事故信息化防治對策

姜灃珊,解智強,徐佳瑞,傅星峰,劉克會,王艷霞

(1.云南大學地球科學學院,云南 昆明 650504; 2.云南大學國際生態(tài)與安全研究院,云南 昆明 650504;3.北京市科學技術研究院城市系統(tǒng)工程研究所,北京 100083 )

0 引 言

近年來,隨著經濟社會的持續(xù)快速發(fā)展,中國城鎮(zhèn)化進程加快推進,地下空間在城市發(fā)展進程中發(fā)揮了重要的作用,如綜合管廊建設、城市軌道建設、地下停車場大量的規(guī)劃與建設為城市提供了便捷服務。然而,地下管線系統(tǒng)在城市建設、運維和管理方面存在諸多問題,比如不善的管理和運行期限不到,這給社會經濟帶來了嚴重的災害損失,對公眾安全構成了威脅,也動搖了公眾對地下管線系統(tǒng)安全運行和便捷服務的期望和信心。城市地下深埋著許多管線,而地鐵隧道的施工往往會引起地表的擾動,這必然會導致埋設的地下管線發(fā)生變形甚至破壞[1-2]。這些城市地下管線事故不僅對居民生活產生重要影響,還對城市的公共安全構成威脅。因此,當前的地下空間管理研究需要采用系統(tǒng)動力學理論、危機生命周期理論等方法來應對地下管線事故的應急管理。為了平衡城市發(fā)展速度和地下管線負荷,有必要合理規(guī)劃城市地上建筑和地下管線。此外,通過信息化手段加強安全檢查和隱患排查,并及時更換老舊地下管線,建設地下管線綜合信息管理系統(tǒng),成為地下管線的后期普查研究的主要方向和內容[3-5]。

在傳統(tǒng)的地下管線災害預防領域,有學者對城市地下管線檢測的技術方法進行了研究和應用,從理論方法對現(xiàn)有的管線檢測方法進行了分析和總結。結合工程實例,采用不同的探測方法和試驗參數,對比分析近節(jié)距平行管道、非金屬管道和深埋管道的探測效果[6]。目前主要的方法是結合工程,在地下管線探測情況下使用地質雷達儀[7]。廈門市在地下管線信息化領域進行了研究,結合“廈門市地下管線檢測與信息化建設”項目進行實踐。他們通過研究城市地下管線工程建設技術標準體系、數據庫建設技術和數據模型等方面,基于商業(yè)數據庫和系統(tǒng)的研發(fā)以及系統(tǒng)架構設計等手段,通過技術和管理機制,探索和實踐地下管線信息管理。他們解決了地下管線管理系統(tǒng)(XMUPIS)中的一些關鍵問題和算法,建立了地下管線的動態(tài)管理機制,確保數據的實時性和準確性,有效發(fā)揮了地下管線空間分析和輔助決策的功能[8]。此外,在前期政策制定方面,通過分析國外(歐洲、日本)和中國(北京、杭州、“臺灣”)綜合管廊的發(fā)展現(xiàn)狀,指出地下綜合管廊的優(yōu)勢和在認識、法制、規(guī)劃管理、投資等方面存在的問題,并針對法制提出了相關對策,發(fā)展規(guī)劃管理、監(jiān)督機制、投資建設和運營機制[9]。另外,利用物聯(lián)網等科技手段,對地下管線進行了一定的保護[10]。同時,有學者研究了利用殼模型有限元法分析斷層作用下管子的地震響應。離斷層較遠的管道與土體之間變形相對較小的管道直段變形相當于非線性彈簧,引入有限元模型,使模型中的殼單元主要用于分析淺表面附近變形較大的管段,從而節(jié)省計算時間[11]。

隨著GIS應用技術的發(fā)展,有學者對管網建立系統(tǒng),基于OpenGL等技術開發(fā),建立科學的三維管線系統(tǒng)[12]。有學者也采用三維數值模擬方法,建立了隧道支護結構、土體和地下管線的耦合作用三維有限元分析模型。他們通過對施工過程進行仿真分析,預測了地下管線的安全性。這種方法能夠更準確地模擬隧道施工對地下管線的影響,并提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全風險[13]。在地下管線維護領域,隨著城市對供熱需求的增加,供熱地下管線的長度也迅速增長,這導致了供熱地下管線事故的頻發(fā)。因此,城市供熱地下管線的安全問題已經成為市政地下管線安全研究的重要焦點,也是一個迫切需要解決的熱門問題[14]。作為城市的“生命線”,地下燃氣管線的破損和事故會給城市運行帶來嚴重的影響。因此,城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)在管理地下燃氣管線時需要重視預防管線外損事故的工作。首先,需要對管線進行復測。管線復測是指定期對地下燃氣管線進行檢測和評估,以確保其運行狀態(tài)符合安全標準。通過定期的復測工作,可以及時發(fā)現(xiàn)管線的異常情況,如腐蝕、破損等,以便進行修復和加固,從而防止外損事故的發(fā)生。其次,管線交底也是非常重要的一環(huán)。管線交底是指在燃氣管道敷設前,要將管道的線路、性質和特點等信息向相關責任單位和人員進行交底,使其了解并掌握管道的情況和安全操作要求。通過管線交底,可以增強相關責任單位和人員對燃氣管線的安全意識,提高他們的操作技能,從而減少不當操作引發(fā)的外損事故。另外,管線監(jiān)護也是管理地下燃氣管線安全的重要措施之一。管線監(jiān)護包括對管線周圍環(huán)境的監(jiān)測和管理,如地質條件、土壤腐蝕性等。通過定期巡檢和監(jiān)測,可以及時發(fā)現(xiàn)管線周圍環(huán)境的變化和風險,采取相應的防護措施,減少外界因素對管線的影響,從而避免外損事故的發(fā)生。總之,針對地下燃氣管線的外損事故,城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)需要采取管線復測、管線交底和管線監(jiān)護等管理要點,以確保管線的安全運行。這些管理要點的實施對于減少外損事故、保障城市燃氣供應安全具有至關重要的作用。[15]。

本文簡述了目前國外主要地下管線事故原因,其中包括需求增長、城市擴張等,分別介紹了各自的成因、特點和危害現(xiàn)狀。在此基礎上對城市化背景下地下管線事故發(fā)展趨勢進行分析(圖1),同時通過信息化對策研究,為地下管線事故中需要解決的一些問題提出意見和建議。

圖1 2021年中國主要地下管線事故(來源:全國地下管線事故統(tǒng)計分析報告(2021年度))

1 地下管線存在的主要問題

目前國內的地下管線按照其物理性質主要分為三類:①金屬管線,由鑄鐵和鋼材構成;②電纜管線,由鋼和鋁材料構成;③非金屬地下管線,由水泥、陶瓷和塑料材料構成。本文主要對以下管線災害進行研究:①供熱地下管線;②燃氣地下管線;③排水地下管線。目前很多地下管線災害問題,都跟其性質相關。

1.1 供熱地下管線存在的問題

供熱網絡的地下管道事故頻發(fā)主要有三個原因。

首先,地下供熱管道普遍存在質量差、運行環(huán)境差、長期超限運行、年久失修、老化以及管道設備腐蝕等問題。這些問題導致管道的質量下降,容易導致管道爆裂和各種形式的開漏、暗漏等問題。其次,管網系統(tǒng)不完善、老化和維護不善會導致地下管線出現(xiàn)淤積、堵塞、腐蝕、滲漏等問題。這些隱患往往得不到及時的發(fā)現(xiàn)和消除,進一步加劇了地下管道事故的發(fā)生。此外,供熱地下管線的基礎資料缺失也是導致事故頻發(fā)的原因之一。缺乏準確的管線定位信息,給外部施工工作帶來困難,容易發(fā)生挖斷管線的事故。綜上所述,地下供熱管道事故的發(fā)生與地下管道的質量問題、管網系統(tǒng)的老化和維護不善以及基礎資料的缺失有關。為了減少事故的發(fā)生,需要加強對管道質量的監(jiān)管和維護,完善管網系統(tǒng),及時發(fā)現(xiàn)和解決隱患,并加強對管道基礎資料的記錄和管理。這樣才能提高供熱網絡的安全性和可靠性,確保市民的供熱需求得到滿足。

1.2 燃氣地下管線存在的問題

燃氣事故的原因很多,在輸配氣體的過程中,控制不力或安全意識薄弱都可能導致事故發(fā)生,對人們的身心健康、財產和社會穩(wěn)定發(fā)展產生不利影響。因此,我們需要了解燃氣運行過程中可能造成隱患、影響整體供氣系統(tǒng)可靠性的各個環(huán)節(jié),總結安全事故,分析隱患成因,進行控制和治理,避免事故發(fā)生[16]。燃氣地下管道的主要問題可概括為非法作業(yè)、管網老化腐蝕、溫度變化和土壤沉降、施工管理不規(guī)范和非法壓力占用。

1.3 排水地下管線存在的問題

排水地下管線事故可以大致分為滲漏、堵塞和塌陷三類。其中,地下管線塌陷事故發(fā)生的次數較多。具體來說,排水地下管線的事故可細分為15個類別,包括地下管線腐蝕、井體損壞、穿孔、地下管線變形、破損、接頭錯位、接頭漏水、井壁裂縫、井底損壞、裂縫以及墻體受損等。其中,地下管線腐蝕和裂縫是主要的事故類型,原因是排水地下管線在使用過程中受到沖刷和污水腐蝕;排水地下管線通常鋪設在道路下方,受到土壤和地面荷載的影響,容易因荷載不均而破裂漏水;而地下管線破壞主要是由于城市建設過程中施工不當造成的人為因素[17-19]。

2 主要地下管線事故的信息化應對方法

當前地下管線信息化工作伴隨地理信息技術的發(fā)展,得到了深入應用,在城市地下管線后普查時代,地下管線信息能夠在城市地下管線的災害風險評價和災害預防過程中發(fā)揮積極作用。

2.1 路面塌陷災害的信息化應對

總的來說,近年來的路面塌陷事故與地下管線的運行密切相關。地下管線的破損、泄露等故障會影響市政道路下土層的結構,從而導致路面塌陷災害的發(fā)生。為了解決這個問題,可以采用干涉合成孔徑雷達(InSAR)技術進行信息化應對。InSAR是一種用于空間對地觀測的技術,它結合了傳統(tǒng)的SAR遙感技術和射電天文干涉技術。通過向目標區(qū)域發(fā)送微波信號并接收反射回來的信號,InSAR可以獲取目標地區(qū)的SAR復圖像對,并通過相位值計算出地形、地貌以及表面微小變化的情況。這種技術在地質災害監(jiān)測、地殼運動觀測等方面有廣泛應用。InSAR技術可以應用于數字高程模型的構建、地殼形變的監(jiān)測等方面。利用此技術,可以監(jiān)測地上-地下變形,結合地下管線的圖像缺陷識別技術,共同發(fā)現(xiàn)地上地下存在的災害問題。在此基礎上,管理者能夠快速發(fā)現(xiàn)地下管線風險區(qū)域,并采取應對措施。通過信息化技術的支持,可以預測和預防地下管線缺陷災害的發(fā)生(如圖2所示)。

圖2 基于InSAR監(jiān)控的城市道路塌陷風險數據分析(https://www.sohu.com/a/360344770_450565.)

2.2 城市洪澇災害的信息化應對

城市洪澇災害中,地下管線的脆弱性暴露無遺,近30年來,城市排水系統(tǒng)信息化被廣泛應用于城市洪澇災害的防治,目前城市洪澇主要應對方法之一的水力模型,是通過水力模型的建設,研究分析地下排水管線的運維情況,從而為城市規(guī)劃和設計提供支持與幫助,進而增強城市地下排水管線系統(tǒng)應對洪澇災害的能力(如圖3左)。

圖3 基于水力模型的城市排水管線系統(tǒng)洪澇風險評價(左)與基于韌性量度的城市洪澇風險評價(右引自:《環(huán)滇池區(qū)域城市安全韌性評》,測繪出版社,2023.8)

近年來,隨著全球氣候變化和城市化進程的加快,專家和學者逐漸認識到城市洪澇災害不僅是一個社會問題,因此城市洪澇災害問題逐漸轉向城市系統(tǒng)韌性領域進行研究,在信息化時代,城市洪澇災害的韌性基于社會、經濟和環(huán)境等一系列包括城市排水系統(tǒng)在內的大數據分析研究,從而建立城市洪澇災害韌性評價指數和評價模型,從而科學、客觀與全面地分析和評價城市洪澇災害韌性,從全局層面找到洪澇災害的致災因子,促進新環(huán)境下洪澇災害的科學解決。

2.3 城市燃氣管線災害的信息化應對

城市發(fā)展中后期,城市燃氣地下管線事故頻發(fā),城市公共安全風險面臨著極大的挑戰(zhàn)。然而,對于城市燃氣地下管線事故風險的研究還仍處于一個較為初始的階段。城市燃氣地下管線風險隱患點的識別與監(jiān)測一直是研究中的難點,因此,在信息化逐漸普及的時代,如何科學應對城市燃氣地下管線所隱含的風險成為目前亟待解決的問題。

城市燃氣管線災害的信息化應對主要集中在三個方面,首先是城市燃氣地下管線數據庫標準化的建立,通過標準化數據庫統(tǒng)一管理城市內各建設管理單位的城市燃氣地下管線數據,也為城市之間的數據交換整合提供支持。其次是城市燃氣地下管線模型構建,在已有的地理信息系統(tǒng)中,利用城市燃氣地下管線標準化數據,構建城市燃氣地下管線模型,在燃氣爆炸風險評價模型中,實現(xiàn)城市燃氣地下管線的數字化重建。最后是城市燃氣地下管線實時監(jiān)測系統(tǒng)建立,通過布設在城市燃氣地下管線周圍的大量實時監(jiān)控傳感器,實時監(jiān)測溫度、氣體壓力、泄漏情況等,結合城市燃氣地下管線數字化重建結果,最終實現(xiàn)城市燃氣地下管線狀態(tài)的實時監(jiān)控與事故預測,形成城市燃氣地下管線智慧管理系統(tǒng)(如圖4所示)。

圖4 城市燃氣管線風險評價及其等級分布分析示意圖

3 結 論

近十年來,伴隨著中國城市的擴張,越來越多的城市更加重視信息化在地下管線災害應對和防治中的利用,尤其是地下管線后普查時代,對管線信息的深入分析和研究,成為防止地下管線災害發(fā)生的重要技術手段,在對國內一些主要地下管線災害事故進行分析后,本文研究認為信息化工作在城市地下管線災害事故中發(fā)揮的作用日漸重要:

(1)面對極端暴雨天氣,城市排水設施的能力需要全面提升。特別是在薄弱區(qū)域,需要升級排水設施,增加排水能力,以彌補不足。同時,對于容易受損的地下隧道、地下通道、地鐵、地下停車場等區(qū)域,應該建設避難脫險基礎設施,并設置清晰易懂的逃生和避難指示標志。此外,需要對高風險隱患區(qū)域進行全面排查,提前采取防范措施和應急管理,建立城市地下排水管線信息系統(tǒng)。針對不同等級的暴雨和洪水災害,制定相應的應急管理和處置預案,規(guī)劃群眾疏散路線,并制定信息化應對策略,提高風險管控能力。

(2)針對燃氣爆炸事故,反思和總結中發(fā)現(xiàn),許多事故導致嚴重傷亡的原因是因為缺乏預防安全對策措施。此外,緊急搶險部門掌握的信息不全面,地下管線責任單位未按規(guī)定報送地下管線埋設情況備案,導致政府不了解情況,無法及時采取有效控制措施來減少風險。因此,在信息化領域需要加強這方面的應對措施,提高信息收集和共享的能力,以加強預防和應急管理。

(3)隨著城市的擴張,地下管線事故的數量和傷亡人數逐漸增加。根據地下管線類型來看,給水、排水、熱力和工業(yè)地下管線事故以及井蓋類事故主要由其自身的結構隱患導致,需要加強日常監(jiān)控、維護和信息化評估。而燃氣、電力和電信線纜事故主要由外力破壞引起。城市地下管線的安全問題越來越受到社會關注,因此,專業(yè)的管線分析和研究也變得十分重要。信息化可以預防這些問題的發(fā)生,減少管線事故的損失和防止影響的進一步擴大。