基于GIRAFFE軟件的云南麗江大研古鎮(zhèn)供水管網(wǎng)抗震可靠性評估*

和麗榮，杜 坤，宋志剛，周 明，徐冰峰，杜 雨

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.中建二局第三建筑工程有限公司，湖北 武漢430022)

基于GIRAFFE軟件的云南麗江大研古鎮(zhèn)供水管網(wǎng)抗震可靠性評估*

和麗榮1，杜 坤1，宋志剛1，周 明1，徐冰峰1，杜 雨2

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.中建二局第三建筑工程有限公司，湖北 武漢430022)

GIRAFFE是由美國康奈爾大學(xué)開發(fā)的一款非商業(yè)軟件，也是目前世界范圍內(nèi)唯一一款廣泛用于評估供水管網(wǎng)抗震可靠性的軟件。鑒于國內(nèi)學(xué)者對該軟件的研究及應(yīng)用尚未見報道，該文介紹了該軟件的功能及優(yōu)點、使用時應(yīng)注意的問題與存在不足，這對相關(guān)研究的開展具有促進(jìn)作用。麗江大研古鎮(zhèn)是我國著名旅游景點且處于地震頻發(fā)區(qū)，應(yīng)用GIRAFFE軟件評估了VII度、VIII度地震烈度下大研古鎮(zhèn)管網(wǎng)供水可靠性，其中包括7個社區(qū)、4個重要旅游景點及二所學(xué)校，所得結(jié)果對管網(wǎng)抗震設(shè)計、震后救災(zāi)工作開展具有一定指導(dǎo)意義。

供水管網(wǎng)；地震；可靠性評估；GIRAFFE軟件；云南麗江古鎮(zhèn)

城市供水管網(wǎng)為人們的日常生活、生產(chǎn)及消防提供用水，是生命線工程的重要組成部分[1]。歷次震害表明，地震會造成埋地管道不同程度破損[2]，導(dǎo)致管網(wǎng)供水能力下降，這不僅影響人們?nèi)粘Ｉ罴吧a(chǎn)，還會削弱消防救援能力，加劇地震后火災(zāi)次生災(zāi)害[3]。供水管網(wǎng)可靠性指在規(guī)定使用狀態(tài)下，規(guī)定時間內(nèi)管網(wǎng)達(dá)成預(yù)定輸水功能的能力。開展供水管網(wǎng)抗震可靠性評估，不僅能使震后恢復(fù)重建工作具有針對性，還有助于優(yōu)化供水管網(wǎng)抗震設(shè)計，具有重要的研究意義及實用價值[4-6]。

針對地震時供水管網(wǎng)可靠性評估，李杰、陳玲俐[7]等提出了基于一次二階矩的評估法，該方法假定漏損點位于管網(wǎng)節(jié)點，利用功能函數(shù)展開式的線性部分簡化計算。符圣聰?shù)萚8]通過假定滲漏點位于管道中間位置，采用管線震損概率的反正弦函數(shù)計算地震時管道可能滲漏面積，對震損管網(wǎng)進(jìn)行水力分析?；谕瑯蛹僭O(shè)，杜坤[9]等提出適用于低壓供水管網(wǎng)“分步迭代”的水力計算方法，提高了水力計算結(jié)果精度。值得注意的是，上述研究都假定管道漏損點位于管網(wǎng)節(jié)點或中間位置，而實際中管網(wǎng)震損具有明顯的隨機(jī)特征，無論是管道破損位置、破損形式及破損口面積都具有極大不確定性，因此基于上述方法的評估結(jié)果值得考證。

針對地震時管網(wǎng)破損的隨機(jī)特征，國外學(xué)者Hwang[10]最早引入蒙特卡洛模擬，通過泊松隨機(jī)數(shù)確定各管道漏點個數(shù)。美國康奈爾大學(xué)Rourke[11-13]耗時10年，累計投入4 500萬美元開發(fā)了GIRAFFE軟件用于震后供水管網(wǎng)功能評價。該軟件具有確定性和隨機(jī)性模擬兩大功能，其中隨機(jī)性模擬通過產(chǎn)生足夠數(shù)量的隨機(jī)場景評估不同地震烈度下管網(wǎng)供水可靠性。在該軟件中，由于管道破損位置、破損形式及破損口面積的隨機(jī)特征被充分考慮，使其評估結(jié)果比Hwang等所得結(jié)果更可靠。例如，Liu[14]等利用GIRAFFE軟件評估了1994年洛杉磯地震后供水系統(tǒng)服務(wù)性能，Javanbarg[15]利用該軟件評估了日本大阪市供水管網(wǎng)在1995年阪神地震作用下供水性能，均表明評估結(jié)果與實際情況基本相符。此外，Wang[16]利用GIRAFFE軟件評估了重建后的洛杉磯供水系統(tǒng)在58種場景下服務(wù)性能，Bonneau[17]、Romero[18]等學(xué)者也將該軟件應(yīng)用于其它一些城市的供水管網(wǎng)可靠性評估。

雖然GIRAFFE軟件在世界范圍被廣泛應(yīng)用，但目前國內(nèi)學(xué)者針對該軟件的研究及應(yīng)用尚未見報道。鑒于此，利用GIRAFFE軟件評估了云南麗江大研古鎮(zhèn)在不同地震烈度下供水管網(wǎng)可靠性，研究內(nèi)容及意義包括三個方面：①介紹了GIRAFFE軟件功能及其優(yōu)點，說明了該軟件使用時應(yīng)該注意的問題，這對國內(nèi)學(xué)者使用該軟件具有一定指導(dǎo)意義；②指出了該軟件存在的不足，這對完善GIRAFFE軟件，促進(jìn)相關(guān)研究開展具有積極意義；③云南麗江屬環(huán)太平洋地震帶、歐亞地震帶的組成部分，是我國破壞性地震較多、受災(zāi)特別頻繁和嚴(yán)重的地區(qū)之一。本文構(gòu)建了麗江大研古鎮(zhèn)供水管網(wǎng)水力模型，應(yīng)用GIRAFFE軟件評估該管網(wǎng)在不同地震烈度下的可靠性，評估結(jié)果有助于震后應(yīng)急措施的制定，具有一定現(xiàn)實意義。

1 GIRAFFE軟件功能及其優(yōu)點

如前述，GIRAFFE軟件包括確定性與隨機(jī)性模擬兩大功能，確定性模擬針對的是地震后特定場景下管網(wǎng)服務(wù)性能評價，需要收集地震后管網(wǎng)破損資料并構(gòu)建該場景下管網(wǎng)水力模型。隨機(jī)性模擬用于評估可能地震烈度下管網(wǎng)服務(wù)性能，由于地震源、場地條件等不確定因素，地震時管網(wǎng)破損口形式、位置，甚至管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都具有較大隨機(jī)性，因此需要產(chǎn)生足夠數(shù)量的隨機(jī)場景以獲得準(zhǔn)確的統(tǒng)計特性。圖1給出了GIRAFFE軟件隨機(jī)模擬流程圖，其中第III部分通過蒙特卡洛模擬產(chǎn)生震損管網(wǎng)場景是GIRAFFE軟件的最大創(chuàng)新。在執(zhí)行蒙特卡洛模擬產(chǎn)生震損管網(wǎng)場景時，GIRAFFE軟件首先產(chǎn)生泊松隨機(jī)數(shù)確定管道上破損點位置，然后產(chǎn)生兩組均勻隨機(jī)數(shù)判定破損狀態(tài)及滲漏類型，最后排除負(fù)壓點并檢查管網(wǎng)連通性。

此外，相對于以往研究，GIRAFFE軟件的優(yōu)點還體現(xiàn)在如下幾個方面：①GIRAFFE軟件采用EPANET這一最廣泛使用的管網(wǎng)計算引擎，保證了管網(wǎng)水力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性；②在進(jìn)行破損管網(wǎng)水力分析時，GIRAFFE軟件首次提出應(yīng)區(qū)分滲漏點與爆管點，并指出滲漏管道仍具有一定輸水能力，而爆管管道則完全斷裂，使得爆管狀態(tài)下的管網(wǎng)水力模擬結(jié)果更符合實際；③收集了大量管網(wǎng)震損資料，將管道漏損細(xì)分為5類并給出各類漏點滲漏面積計算公式，使漏損管網(wǎng)水力模擬結(jié)果更符合實際。

2 GIRAFFE軟件使用中應(yīng)注意的問題

相較于以往研究，雖然GIRAFFE軟件克服了許多難題，但作為一款開源的非商業(yè)軟件，其兼容性欠佳，在使用中應(yīng)注意如下問題：①構(gòu)建管網(wǎng)水力模型時，應(yīng)按英制單位定義管長、管徑及節(jié)點標(biāo)高等參數(shù)單位，否則會導(dǎo)致計算結(jié)果錯誤；②必須嚴(yán)格按說明書修改管網(wǎng)INP文件，直接采用EPAENT導(dǎo)出的INP文件，會導(dǎo)致GIRAFFE程序鎖死錯誤；③輸入文件中的所有節(jié)點流量不能賦予零值，否則程序會提示計算溢出錯誤。

3 GIRAFFE軟件存在不足

作為一款非商業(yè)軟件，GIRAFFE還存在如下不足值得進(jìn)一步完善。

(1)GIRAFFE軟件通過添加空水池和虛擬管段模擬管網(wǎng)爆管與漏損，這需要改變原始管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增大了計算量。此外，筆者還發(fā)現(xiàn)，由于需要通過反復(fù)修改管網(wǎng)INP文件以改變管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在對大型管網(wǎng)進(jìn)行可靠性評估時，程序經(jīng)常報錯，需要多次嘗試才能得到最終結(jié)果。

(2)爆管及滲漏可能使供水管網(wǎng)處于低壓運(yùn)行狀態(tài)，實際中管網(wǎng)節(jié)點流量受水壓的降低會減小，而GIRAFFE軟件未考慮低壓運(yùn)行狀態(tài)下管網(wǎng)節(jié)點流量的變化，使得管網(wǎng)水力模擬結(jié)果可能與實際不符。

4 案例分析——以麗江大研古鎮(zhèn)供水管網(wǎng)為例

4.1 可靠度指標(biāo)SI值計算

GIRAFFE軟件隨機(jī)模擬功能通過蒙特卡洛模擬產(chǎn)生足夠數(shù)量管網(wǎng)震損場景，以統(tǒng)計平均值評估管網(wǎng)各節(jié)點及管網(wǎng)整體供水可靠性。對一次蒙特卡洛模擬或確定性模擬，當(dāng)單個節(jié)點因出現(xiàn)負(fù)壓或連通性問題被隔離時，該節(jié)點震后節(jié)點流量為0，此時節(jié)點供水可靠度SI=0；相反，當(dāng)震后節(jié)點流量能滿足時，SI=1；管網(wǎng)整體可靠度指標(biāo)為節(jié)點流量滿足數(shù)與總節(jié)點數(shù)的比值。若執(zhí)行n次蒙特卡洛模擬，則將n次的統(tǒng)計平均值作為可靠度計算值。

4.2 研究對象

大研古鎮(zhèn)位于云南省西北部麗江市，城區(qū)中心拔高度為2 418 m，是中國保存最為完好的古鎮(zhèn)之一。大研古鎮(zhèn)北倚象山、金虹山、西枕獅子山，呈北高南底，西陡東緩地勢。大研古鎮(zhèn)采用高位水池分區(qū)供水，供水管網(wǎng)覆蓋面積為3.8 km2，服務(wù)人口約2.5萬人。該區(qū)非河道段管材采用K9級球墨鑄鐵管T型接口，位于河道中管段采用K9級球墨鑄鐵管TF自錨式接口。

圖2 麗江大研古鎮(zhèn)供水管網(wǎng)水力模型

供水管網(wǎng)水力模型如圖2所示，其中管線總長約58.6 km，包括612個用水節(jié)點、777節(jié)管段，管道直徑在150 mm 至400 mm范圍內(nèi)。在計算管道平均震害率時，本文采用了美國生命線協(xié)會(ALA)的統(tǒng)計的計算式，具體可參見文獻(xiàn)[19]。

4.3 評估結(jié)果

本次研究采用GIRAFFE軟件隨機(jī)模擬功能評估了麗江大研古鎮(zhèn)市政管網(wǎng)在地震烈度VII、VIII度時供水可靠性，評估結(jié)果見圖3、圖4。總體來說，地震烈度越大，管網(wǎng)供水可靠性越低；地形標(biāo)高越大或離水源越遠(yuǎn)，地震時該區(qū)域的供水可靠性越低；再者，供水干管服務(wù)區(qū)域的可靠性高于末端或支管服務(wù)區(qū)域，上述結(jié)論與預(yù)期相符，表明GIRAFFE軟件的隨機(jī)模擬評估功能可行。

具體而言，在地震烈度VII度時，該區(qū)域的平均供水可靠性下降至0.87，最不利區(qū)域為地勢較高的新華社區(qū)，供水可靠性下降至0.44；其次是離水源較遠(yuǎn)的北門坡社區(qū)、尚義社區(qū)金虹路沿線區(qū)域，供水可靠性下降到0.68。地震烈度VIII度時，區(qū)域的平均供水可靠性下降至0.75，新華社區(qū)供水可靠性為0.23，北門坡社區(qū)、尚義社區(qū)金虹路沿線供水可靠性下降至0.45。

表1給出了該區(qū)域中6個重點單位供水可靠度，其中位于新華社區(qū)的萬古樓供水可靠度最低，VIII度烈度時其供水可靠度僅為0.19；位于水源、主干管附近的四方街，VIII度地震烈度時的供水可靠度仍高達(dá)0.96；位于地形較低的麗江市一中、金虹學(xué)校、忠義市場、木府供水可靠性均在0.7～0.9之間。上述評估結(jié)果對地震后的抗震搶險、防止火災(zāi)次生災(zāi)害具有一定指導(dǎo)意義。

圖3 地震烈度VII度時管網(wǎng)供水可靠度染色圖

圖4 地震烈度VIII度時管網(wǎng)供水可靠度染色圖

表1 VII、VIII度地震烈度下重點單位供水可靠度

5 結(jié)論

介紹了GIRAFFE軟件基本功能、優(yōu)點及存在問題與不足。與以往研究相比，GIRAFFE軟件采用EPANET計算引擎，保證了管網(wǎng)水力計算結(jié)果可靠性；再者，明確指出爆管會改變管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出采用隨機(jī)模擬法產(chǎn)生震損場景，以統(tǒng)計量形式計算管網(wǎng)抗震可靠度；但GIRAFFE軟件存在計算量大、兼容性差等問題。此外，在進(jìn)行低壓供水管網(wǎng)水力分析時，GIRAFFE軟件未考慮節(jié)點流量隨水壓變化，導(dǎo)致計算結(jié)果可能與實際不符。

應(yīng)用GIRAFFE軟件評估了麗江大研古鎮(zhèn)VII、VIII度地震烈度時管網(wǎng)供水可靠性，結(jié)果表明，GIRAFFE軟件所得結(jié)果與預(yù)期相符，其隨機(jī)模擬功能可行。地震烈度為VII度時，區(qū)域平均供水可靠性為0.87；VIII度時，區(qū)域平均供水可靠性為0.75。此外，不同片區(qū)供水可靠性差異較大，地勢較高新華社片區(qū)供水可靠性最低，VIII度地震烈度時供水可靠性僅為0.23；位于水源及供水干管附近的四方街供水可靠性最高，VIII度地震烈度時供水可靠性高達(dá)0.96。上述結(jié)果表明，除地震烈度因素外，管網(wǎng)水力條件對供水可靠性影響較大。對地勢較高、水力條件較差的片區(qū)，可考慮適當(dāng)放大配水管管徑提高供水可靠性。結(jié)合隨機(jī)模擬評估法，將抗震可靠性納入管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計仍值得進(jìn)一步研究。

[1] 楊丹. 供水系統(tǒng)震害與功能失效模式分析[D]. 哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所, 2011.

[2] 王威, 候本偉, 田杰,等. 城市供水管網(wǎng)抗震安全性模糊-隨機(jī)模擬評價[J].土木工程學(xué)報,2013(s2):278-281.

[3] Fragiadakis M, Christodoulou S E. Seismic reliability assessment of urban water networks[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2014, 43(3):357-374.

[4] 楊超. 城市供水管網(wǎng)震害評估研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2011.

[5] Yoo D G, Jung D, Kang D, et al. Seismic hazard assessment model for urban water supply networks[J]. Journal of Water Resources Planning & Management, 2015, 142(2)：162-175.

[6] Mani A, Tabesh M, Zolfaghari M R. Hydraulic performance of post-earthquake water distribution networks based on head driven simulation method[J]. Water Science & Technology Water Supply, 2013, 13(5):1281-1288.

[7] 陳玲俐, 李杰. 城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)抗震功能可靠度分析[J]. 工程力學(xué), 2004, 21(4):45-50.

[8] 符圣聰, 江靜貝, 黃世敏. 地震時供水管網(wǎng)的可靠性和功能分析(上)[J]. 工程抗震與加固改造,2007, 29(2):98-102.

[9] 杜坤, 龍?zhí)煊? 郭勁松,等. 地震導(dǎo)致滲漏的供水管網(wǎng)水力模擬[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2013, 35(3): 126-130.

[10] Hwang H H M, Lin H, Shinozuka M. Seismic performance assessment of water delivery systems[J]. Journal of Infrastructure Systems, 1998,4(3):118-125.

[11] O'Rourke T D. Seismic hazards and water supply performance[J]. Journal of Earthquake Engineering, 2010, 14(7):1022-1043.

[12] O'Rourke T D, Jeon S S, Toprak S, et al. Earthquake response of underground pipeline networks in christchurch, NZ[J]. Earthquake Spectra, 2014, 30(1):183-204.

[13] O'Rourke T D, Trautmann C H. Earthquake Ground Rupture Effects on Jointed Pipe[C]// Lifeline Earthquake Engineering@sThe Current State of Knowledge, 1981. ASCE, 2015:65-80.

[14] LIU Gee Yu, Yeh C H, HUNG H Y, et al. Seismic analysis of water supply systems by earthquake scenario simulation[J].Society for Social Management Systems Internet Journal 2012,10(5):51-58.

[15] Javanbarg M B, Takada S. Seismic reliability assessment of water supply systems[J]. British Corrosion Journal, 2013, 25(2):108-114.

[16] WANG Y, O'Rourke T D. Seismic performance evaluation of water supply systems[J]. Multidisciplinay Center for Earthquake Engineering Research, 2008,26(5):128-134.

[17] Bonneau.Water supply performanc during earthquakes and extreme events[D].NY,U.S.A:School of Civil and Environmental Engineering, Cornell Univ.,2008.

[18] Romero N, O'Rourke T D, Nozick L K, et al. LosAngeles Water Supply Response to 7.8 M w Earth-quake[C]// Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering Conference,2009:1-12.

[19] Luna R, Balakrishnan N, Dagli C H. Postearthquake recovery of a water distribution system: Discrete event simulation using Colored Petri Nets[J]. Journal of Infrastructure Systems, 2011, 17(1):25-34.

Abstract:GIRAFFE is a non-commercial software developed by Cornell University, which is currently the only widely used software in the world scope for seismic reliability evaluation of water distribution system (WDS). Considering the research and application of the software of domestic scholars has not been reported, this study introduces the advantages, the problems should pay attention to and shortcomings of the software, which plays a promoting role in the development of related research. Lijiang ancient town is famous tourist attractions in China and located in the earthquake prone region. The seismic reliability of WDS of Lijiang ancient town in 7 and 8 degree earthquake intensity is evaluated using GIRAFFE software, including 7 communities, 4 of the most important tourist attractions and two schools, the evaluation results has certain guidance meaning for seismic design of WDS, disaster relief work after earthquake.

Key words:water distribution system; earthquake; reliability evaluation; GIRAFFE software; Lijiang ancient town

Seismic Reliability Evaluation of Water Distribution System of Lijiang Ancient Town Using GIRAFFE Software

HE Lirong1, DU Kun1, SONG Zhigang1, ZHOU Ming1, XU Bingfeng1and DU Yu2

(1.KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China; 2.TheThirdConstructionEngineerCompanyLTDofChinaConstructionSecondEngineerBureau,Wuhan430022,China)

和麗榮,杜坤,宋志剛，等. 基于GIRAFFE軟件的麗江大研古鎮(zhèn)供水管網(wǎng)抗震可靠性評估[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(4)：98-101,145. [HE Lirong,DU Kun, SONG Zhigang, et al. Seismic Reliability Evaluation of Water Distribution System of Lijiang Ancient Town Using GIRAFFE Software[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：98-101,145.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.017.]

TU99.32；X43；P315

A

1000-811X(2017)04-0098-05

2017-03-07

2017-05-04

國家自然科學(xué)基金(51608242)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年項目(2017FD094)；云南省教育廳基金項目(2015Y077)

和麗榮(1988-)，女，納西族，云南麗江人，碩士研究生，主要從事生命線工程抗震研究. E-mail： 641435783@qq.com

杜坤(1986-)，男，湖北仙桃人，博士，講師，主要從事市政工程研究. E-mail： 250977426@qq.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.017