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 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)濟損失達50億元，間接經(jīng)濟損失達400億元。

城市重要地下管線在運行環(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(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)安全運行，具有重要的現(xiàn)實意義。

（2）加快推進城市地下空間現(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統(tǒng)一，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

（3）增強城市基礎(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)濟活動，促進空間分布形態(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行，充分發(fā)揮市場配置資源的基礎(chǔ)性作用，增強市政公用產(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、燃氣等重要地下管線）安全運行能力評估方法。結(jié)合現(xiàn)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(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、排水和燃氣等的安全運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行能力評價（地下排水、給水和燃氣等）信息模型；

第二、結(jié)合現(xiàn)有成熟模型軟件及其專題地圖表達工具，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。

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(shù)據(jù)。

（3）通過自主研發(fā)，結(jié)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(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(shè)計降雨下管線負荷圖

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)進行整理，分析并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行校驗，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(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，補充原有數(shù)據(jù)存在的一些盲區(qū)，進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)：

長遠來看，可結(jié)合實際需求進一步利用模型進行各種改造設(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，管線負荷加大，成滿管運行，且當(dāng)管內(nèi)的水位持續(xù)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(biāo)記為1的表示該處管段在1年一遇降雨程度下已經(jīng)滿負荷狀態(tài)運行；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荷；顯然，在一年一遇的情況下就已經(jīng)發(fā)生管線滿負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)生滿管的管線進行重點維護和清淤工作；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(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)澇表達方式跨平臺表達實現(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)對排水管線的負載力進行水力評估分析，根據(jù)未來城市擴張及發(fā)展情況，建立各種預(yù)案（考慮人口變化的預(yù)案以及不同強度的暴雨預(yù)案等）且用模型進行預(yù)案運行并分析得出科學(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，進一步地梳理和了解地下管線的空間拓撲結(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部門對現(xiàn)有管線問題進行排查和維護。

（3）城市洪水風(fēng)險分析和預(yù)警：利用模型技術(shù)進行水力模擬分析，得出不同強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行能力評價研究經(jīng)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(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行研究的科學(xué)性與實用性，必須加強城市地下管線安全運行的動態(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。同時還需要加強對城市地下管線安全運行能力基礎(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、為控制性詳細規(guī)劃編制提供科學(xué)依據(jù)。