供水系統(tǒng)地震韌性評價關(guān)鍵問題分析

李 倩，郭恩棟，李玉芹，劉志斌

(1. 中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

韌性是一個物理學(xué)概念，其定義為材料在破裂前所吸收的能量與體積的比值[1]，表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力[2]。地震韌性是在震動荷載作用下，材料可吸收較大的能量產(chǎn)生一定變形而不破壞的性質(zhì)[3]。作為城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，供水系統(tǒng)的韌性評價成為學(xué)者和工程師們十分關(guān)注的問題，但目前面臨的問題是，供水系統(tǒng)地震韌性是從韌性城市理論中衍生出來的新興研究課題，對其含義、研究內(nèi)容、研究方法及路線等尚不明確。因此本文搜集了國內(nèi)外關(guān)于韌性問題的百余篇文獻資料，對韌性的含義、評價方法進行歸納總結(jié)分析，目的是明確供水系統(tǒng)地震韌性研究的范疇及可行方案。

1 供水系統(tǒng)地震韌性的含義

1.1 韌性概念研究現(xiàn)狀

最早將自然災(zāi)害與韌性(Resilience)聯(lián)系起來的有Timmerma和Primm兩位學(xué)者。Todini[4]在循環(huán)供水系統(tǒng)設(shè)計研究中提出，供水系統(tǒng)韌性是一種抵抗過度壓力和失效的能力。Rose[5]通過對比模擬數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)，計算了生命線工程遭受自然災(zāi)害的直接經(jīng)濟損失、間接經(jīng)濟損失和恢復(fù)期產(chǎn)生的資本量，從經(jīng)濟學(xué)角度闡述了供水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的災(zāi)害韌性概念。Bruneau[6]首次提出韌性包括四個屬性和四個維度，四個屬性是魯棒性(Robustness)、快速性(Rapidity)、智能性(Resourcefulness)和冗余性(Redundancy)；四個維度是物理維、服務(wù)維、社會維和經(jīng)濟維，這些屬性和維度可應(yīng)用于任何工程系統(tǒng)。聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略[7]認為韌性是工程系統(tǒng)在應(yīng)對自然災(zāi)害威脅時所具有的重要屬性。Syed[8]認為提高建筑標準和防災(zāi)意識可以提高工程系統(tǒng)的韌性。Crowley[9]通過分析地震對工程系統(tǒng)造成的損失，提出了地震韌性概念和影響韌性的主要因素。WANG[10]、Fujita[11]討論了魯棒性和韌性，認為魯棒性是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能，應(yīng)當符合規(guī)范標準，而韌性具有多種含義，主要是減少事故發(fā)生概率和提高恢復(fù)能力。Penny[12]認為有效的城市規(guī)劃可以提高地震韌性，包括合理的供水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)布局。他研究了智利某市的地震韌性，結(jié)果表明應(yīng)該將這種設(shè)計理念納入到城市規(guī)劃建設(shè)中。

1.2 韌性含義關(guān)鍵問題分析

通過近20年對供水系統(tǒng)地震韌性概念的研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)術(shù)界認為供水系統(tǒng)在遭遇地震時的韌性體現(xiàn)在三個階段——抵抗階段、吸收階段、恢復(fù)階段。其概念包含兩方面內(nèi)容，①是供水系統(tǒng)抗震性能的韌性水平，該方面韌性水平體現(xiàn)在抵抗階段和吸收階段，抵抗階段韌性水平的優(yōu)劣表現(xiàn)為系統(tǒng)失效概率，即供水系統(tǒng)的易損性、震害率等；吸收階段韌性水平的優(yōu)劣表現(xiàn)為地震對系統(tǒng)造成的損失程度，即功能損失、經(jīng)濟損失等。②是供水系統(tǒng)震后恢復(fù)能力的韌性水平，該方面韌性水平體現(xiàn)在恢復(fù)階段，韌性水平的優(yōu)劣表現(xiàn)為震后恢復(fù)時間、恢復(fù)程度、恢復(fù)路徑等。

本文作者LI[13]根據(jù)以上參考文獻，提出供水系統(tǒng)地震安全性(Safety)定義為：在本地區(qū)應(yīng)采取的設(shè)防烈度水平的地震作用下，供水系統(tǒng)地震破壞等級不重于中等破壞，震后能保持70%供水服務(wù)功能(供水量)的能力。供水系統(tǒng)震后恢復(fù)能力(Recovery)定義為：供水系統(tǒng)震后以本地區(qū)資源和人力在2～3d內(nèi)將供水服務(wù)功能恢復(fù)至正常水平的70%或以上的能力。這兩個定義雖不能直接為供水系統(tǒng)地震韌性研究所用，但其概念可應(yīng)用于韌性含義當中，綜合考慮韌性概念的兩方面內(nèi)容，本文認為供水系統(tǒng)地震韌性包括地震安全性和震后恢復(fù)能力。也就是說，供水系統(tǒng)地震韌性既表現(xiàn)為系統(tǒng)本身抵抗吸收地震災(zāi)害的能力，又表現(xiàn)為震后通過有限資源將系統(tǒng)快速恢復(fù)的能力，韌性應(yīng)該是這兩種能力的綜合。

2 供水系統(tǒng)地震韌性評價基準

2.1 輸入基準

Albert[14]、Callaway[15]、Cohen[16]、Paul[17]基于圖論(Graph theory)將基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)抽象為簡化模型，定義其中的關(guān)鍵節(jié)點，以關(guān)鍵節(jié)點供水壓力為基準，建立韌性模型衡量網(wǎng)絡(luò)韌性。Strogatz[18]、Newman[19]、Boccaletti[20]應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化拓撲結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。Jeon[21]、WANG[22]、SHI[23]、Tabucchi[24]分析了美國北嶺6.6級地震對美國洛杉磯供水系統(tǒng)的影響，采用節(jié)點負壓處理方法，通過GIRAFFE軟件構(gòu)建了供水系統(tǒng)的地震對應(yīng)模型，計算地震對供水系統(tǒng)中重要用水節(jié)點的地震可靠度。Halfaya[25]結(jié)合Toprak[26]、Adachi[27]、Mahmood[28]、GUO[29]的研究成果，通過分析管道的尺寸、管道的特征以及管道的接頭形式，評估了供水系統(tǒng)震后的供水能力，研究表明應(yīng)根據(jù)區(qū)域發(fā)生地震的頻率和劇烈程度為基準，來配備相應(yīng)的管道。

對于輸入基準，學(xué)者們多是針對某一供水系統(tǒng)，以某項或多項指標為基準，評價該區(qū)域供水系統(tǒng)地震韌性，但這一基準并不能為所有供水系統(tǒng)所用，因此無法進行比較。供水系統(tǒng)地震韌性評價分為地震安全性評價和震后恢復(fù)能力評價兩部分，曾有學(xué)者嘗試將這兩個研究方向結(jié)合起來，全面評價供水系統(tǒng)地震韌性水平，但由于沒有提出相應(yīng)的評價基準，以至于不能對供水系統(tǒng)的韌性水平進行橫向或縱向比較。對于一個具體的供水系統(tǒng)，使用多大程度的地震作用作為基準輸入，是供水系統(tǒng)地震韌性評價及等級劃分的關(guān)鍵問題。已有研究表明應(yīng)根據(jù)各個區(qū)域發(fā)生地震的頻率和劇烈程度為基準，來配備相應(yīng)的管道，而根據(jù)《GB 18306-2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[30]可知，中國各地都有本地區(qū)固有的抗震設(shè)防烈度，以這一固有烈度水平為基礎(chǔ)，判斷該地區(qū)的韌性水平符合實際并具有可比性。本文將地震烈度作為需要輸入的地震作用，它綜合考慮了多種地震宏觀影響結(jié)果，給出了定性的等級劃分?！禛B 50032-2003室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設(shè)計規(guī)范》[31]規(guī)定，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度及以上地區(qū)的室外給水工程設(shè)施，必須進行抗震設(shè)計，抗震設(shè)防烈度按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進行計算，按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度采取抗震措施。因此對供水系統(tǒng)地震韌性評價，以本地區(qū)應(yīng)采取的抗震設(shè)防烈度水平的地震作用作為基準輸入，評價結(jié)果更具合理性且能進行橫向或縱向比較。

2.2 輸出基準

WU[32]、Mitrani[33]為了評估供水系統(tǒng)的恢復(fù)能力研發(fā)了一套評估軟件。Davis[34]對供水系統(tǒng)的地震影響進行了廣泛研究，他將Ballantyne[35]、Taylor[36]、Shinozuka[37]、Markov[38]、Hwang[39]等人對供水系統(tǒng)的可靠性和適用性研究成果進行了系統(tǒng)性分析，將供水系統(tǒng)服務(wù)功能分為五類，比較了服務(wù)功能在地震前和地震后的變化。LI[40]、莊寶玉[41]、周曉帆[42]基于蒙特卡洛仿真模擬建立供水系統(tǒng)震害概率預(yù)測模型，分析了供水系統(tǒng)整體的抗震性能。劉威(2012)[43]將遺傳算法、遺傳-模擬退火算法、蟻群算法和微粒群算法等現(xiàn)代組合優(yōu)化算法應(yīng)用于供水系統(tǒng)抗震拓撲優(yōu)化中，通過算例對各種算法的優(yōu)劣進行了對比分析，擇優(yōu)為基準評價供水系統(tǒng)韌性水平。

對供水系統(tǒng)地震韌性評價的各個輸出項，也應(yīng)建立起相應(yīng)的評價基準。目前對于供水系統(tǒng)地震韌性評價基準，國外的研究中多是根據(jù)同一區(qū)域震前震后進行比較，或以供水壓力等為基準，就如何提高供水系統(tǒng)韌性這一問題進行討論，而國內(nèi)多是承襲建筑物抗震設(shè)計理念，以“小震不壞、中震可修、大震不倒”為基準評價供水系統(tǒng)韌性水平，這一基準可作為評價韌性的前提或框架，但我們應(yīng)該確定“不壞”、“可修”和“不倒”之間的界限，只有這樣才能進行等級劃分以及實現(xiàn)不同區(qū)域間的比較。現(xiàn)行標準規(guī)范限定了現(xiàn)役不同工程結(jié)構(gòu)的性能水準，地震韌性所要求的性態(tài)水準應(yīng)與之相匹配，否則就會造成滿足韌性要求時不滿足現(xiàn)行各規(guī)范要求或滿足現(xiàn)行各規(guī)范要求但不滿足韌性要求的相互矛盾的現(xiàn)象。例如在《GB/T24336- 2009生命線工程地震破壞等級劃分》[44]中，供水管網(wǎng)地震破壞等級達到中等破壞時，平均每10 km泄漏點數(shù)介于2和5之間，管網(wǎng)功能大部分保持，中震即為設(shè)防烈度水平的地震作用，那么中震可修的性態(tài)基準即為破壞等級在中等破壞以內(nèi)。

3 供水系統(tǒng)地震韌性評價指標

3.1 評價指標研究現(xiàn)狀

Todini[4]的研究成果表明，設(shè)計供水系統(tǒng)壓力網(wǎng)絡(luò)最有效的方法是循環(huán)拓撲，該方法能夠保證系統(tǒng)中有足夠的供水壓力，使其克服漏損點的影響并有效地向用戶供水。相反，在樹狀分布網(wǎng)絡(luò)中，供水系統(tǒng)故障在可靠度方面可能會產(chǎn)生重要影響，因為一些節(jié)點會在一段時間內(nèi)不能服務(wù)或服務(wù)水平很差。因此，通過添加管道和關(guān)閉閥門來調(diào)整循環(huán)拓撲是改善供水系統(tǒng)服務(wù)水平的方法之一，他還提出了一種衡量供水系統(tǒng)應(yīng)對故障能力的指標。Prasad[45]、Jayaram[46]針對這個指標的某些缺陷提出了改進方法。Tierney[47]、Cagnan[48]、Scawthorn[49]、O’Rourke[50]、Cimellaro[51]研究了地震中供水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的中斷時間、恢復(fù)進度以及如何減少中斷時間。Cutter[52]根據(jù)韌性的四個屬性，針對社區(qū)的供水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)建立了一套評價指標，將不同社區(qū)的韌性水平進行比較。Susan[53]、Jonas[54]、GUO[55]從最大化利用地下水源、連接外部蓄水池和定額使用供水等三個維度分析了供水系統(tǒng)震后恢復(fù)時間的最小化問題。吳吉東[56]根據(jù)韌性的四個維度提出了城市韌性判定指標體系。Pedcris[57]基于層次分析法提出了城市社區(qū)的韌性評價指標。

3.2 評價指標關(guān)鍵問題分析

在供水系統(tǒng)韌性評價方法研究之初，就有學(xué)者提出了以供水系統(tǒng)對擾動的抵抗能力和系統(tǒng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的速度為評價指標，來衡量供水系統(tǒng)的韌性水平。但之后的20年間，學(xué)者們的研究重點分成了兩個方面，一方面是基于供水系統(tǒng)抗震性能，以易損性、震害率、功能損失、經(jīng)濟損失等為評價指標，或以供水管網(wǎng)為研究對象，以關(guān)鍵用水節(jié)點的水壓和可靠度為評價指標，評價供水系統(tǒng)地震安全性的韌性水平；另一方面是基于恢復(fù)能力，以恢復(fù)時間、恢復(fù)速度、恢復(fù)路徑、恢復(fù)程度、投入資源等為評價指標，評價供水系統(tǒng)震后恢復(fù)能力的韌性水平。前文指出，韌性評價應(yīng)是對供水系統(tǒng)的地震安全性和震后恢復(fù)能力進行綜合評價，那么下一步就是確定地震安全性指數(shù)和震后恢復(fù)能力指數(shù)的評價指標，通過文獻分析，用于評價地震安全性的評價指標有震害率(R1)、易損性(R2)、功能損失(R3)、經(jīng)濟損失(R4)、水池蓄水量(R5)、水質(zhì)參數(shù)(R6)、關(guān)鍵節(jié)點可靠度(R7)、關(guān)鍵節(jié)點水壓(R8)；用于評價震后恢復(fù)能力的評價指標有震后供水能力(R9)、供水中斷時間(R10)、恢復(fù)時間(R11)、恢復(fù)速度(R12)、恢復(fù)路徑(R13)、恢復(fù)程度(R14)、投入資源(R15)。這里存在兩個關(guān)鍵問題，①是以上各評價指標并非相互獨立，如震害率(R1)與功能損失(R3)、經(jīng)濟損失(R4)相關(guān)，恢復(fù)時間(R11)與恢復(fù)速度(R12)相關(guān)等，如何選擇合理且具有可操作性的評價指標，將各項評價指標引入評價模型中，且如何考慮各指標的影響權(quán)重，這是本文今后需要研究的重點問題。②是關(guān)鍵性評價指標引入不充分，如投入資源(R15)，震后恢復(fù)能力與所投入的人力物力、材料設(shè)備、組織管理等因素關(guān)系緊密，但目前對這一指標的研究很少，相關(guān)評價模型多采用估算或假設(shè)的方式定義該指標，對于投入資源(R15)的研究，作者曾提出供水管網(wǎng)總長度與在崗人員數(shù)量關(guān)系公式，以及基于震后修復(fù)效率的恢復(fù)時間計算公式，如何將之前的研究應(yīng)用于韌性評價中也是今后需要討論的重點問題。

4 供水系統(tǒng)地震韌性評價模型

4.1 評價模型研究現(xiàn)狀

Rossman[58]提出了一種供水系統(tǒng)韌性指數(shù)(R)，該指數(shù)被定義為三個指標的乘積：

R=RαRβRγ。

(1)

式中：Rα是用來描述供水服務(wù)需求的，基于暫時斷水的用戶數(shù)量來確定；Rβ描述的是水的儲備量，基于蓄水池中水深來確定；Rγ是基于水質(zhì)參數(shù)來確定的。

這些指標可用于評估供水系統(tǒng)的服務(wù)水平。Rossman利用意大利地震區(qū)的一個小鎮(zhèn)作為案例研究，采用軟件EPANET對小鎮(zhèn)的供水系統(tǒng)進行了分析，分析結(jié)果包括在一定程度的供水壓力和水質(zhì)要求前提下，供水需求與韌性指數(shù)的關(guān)系。

Miles[59]、CHANG[60]運用綜合方法處理韌性的四個屬性，構(gòu)建了災(zāi)害損失評估模型，定量評價了供水系統(tǒng)的地震韌性，他認為生命線工程之間的關(guān)聯(lián)對韌性評價具有重要意義，為此提高生命線工程的地震韌性需要加強部門間的合作和信息共享：

韌性(Resilience)=Ra(魯棒性)+Rb(冗余性)+Rc(智能性)+Rd(快速性)。

(2)

WANG[61]、SHI[62]、Dominic[63]、Paolo[64]認為韌性不是系統(tǒng)屬性而是應(yīng)急屬性，對韌性進行橫向或縱向比較是困難的，他們分別從系統(tǒng)可靠度和震后供水率兩個角度分析了供水系統(tǒng)的震后恢復(fù)能力，根據(jù)恢復(fù)水平和恢復(fù)路徑提出了韌性的評價框架。

Barth[65]運用空間網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對道路、輸電、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施進行了定量分析及建模：

地震韌性=恢復(fù)能力/(危險性因子×脆弱性因子×

暴露性因子)=恢復(fù)能力/地震易損性。

(3)

Lhomme[66]、Denis[67]將供水系統(tǒng)韌性分為抵抗能力、吸收能力和恢復(fù)能力，以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“冗余率”為韌性指數(shù)來測量韌性。李彤玥[68]基于網(wǎng)絡(luò)拓撲理論建立了供水系統(tǒng)地震韌性評價模型。

4.2 評價模型關(guān)鍵問題分析

對于供水系統(tǒng)地震韌性評價，最重要的是選取適當?shù)脑u價指標(R1、R2、R3…Rn)定義韌性指數(shù)(R)來衡量其性能。通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前提出的三個評價模型中，(1)是基于供水系統(tǒng)抗震性能對地震安全性的韌性水平進行評價，沒有體現(xiàn)恢復(fù)能力的評價指標，(2)和(3)是關(guān)于供水系統(tǒng)地震韌性計算的理論性框架，不具有實際可操作性。2013年有學(xué)者將供水系統(tǒng)韌性分為抵抗能力、吸收能力和恢復(fù)能力，但其評價指標僅為供水管網(wǎng)的“冗余率”，即從安全角度考慮，供水管網(wǎng)中設(shè)置的多余管道，該類管道是為了保障主管道出現(xiàn)故障情況下供水系統(tǒng)仍可正常運行，本文認為冗余率沒有體現(xiàn)出供水系統(tǒng)在震后的恢復(fù)能力，也不能完全體現(xiàn)抵抗和吸收能力，該指標僅能體現(xiàn)供水系統(tǒng)四個屬性的其中之一。故供水系統(tǒng)地震韌性評價方法的關(guān)鍵問題是，目前還沒有評價方法及模型，可對供水系統(tǒng)的地震安全性和震后恢復(fù)能力進行綜合評價。根據(jù)前人的經(jīng)驗及理論導(dǎo)向，本文將韌性指數(shù)(Resilience)分為地震安全性指數(shù)(Safety)和震后恢復(fù)能力指數(shù)(Recovery)，并認為韌性是地震安全性和震后恢復(fù)能力這兩者的性態(tài)能力疊加，以極限狀態(tài)為例，如某區(qū)域供水系統(tǒng)在強震中仍可正常運行，即使其恢復(fù)能力差，但韌性水平可被接受；相反，若某區(qū)域供水系統(tǒng)地震安全性差，但可迅速恢復(fù)，其韌性水平也可被接受，故供水系統(tǒng)地震韌性指數(shù)可表示為：

Resilience=Safety+Recovery。

(4)

5 結(jié) 語

通過文獻調(diào)研法對供水系統(tǒng)地震韌性的含義、評價方法進行歸納分析，本文總結(jié)出以下四個關(guān)鍵問題：

(1)供水系統(tǒng)地震韌性既表現(xiàn)為系統(tǒng)本身抵抗吸收地震災(zāi)害的能力，又表現(xiàn)為震后通過有限資源將系統(tǒng)快速恢復(fù)的能力，因此本文認為供水系統(tǒng)地震韌性包括地震安全性和震后恢復(fù)能力兩方面內(nèi)容，韌性應(yīng)該是這兩種能力的綜合。

(2)為了使供水系統(tǒng)地震韌性評價結(jié)果更具合理性且能進行橫向或縱向比較，本文首次提出以本地區(qū)應(yīng)采取的抗震設(shè)防烈度水平的地震作用作為基準輸入，在此基礎(chǔ)上建立供水系統(tǒng)地震韌性評價模型及進行等級劃分。對于供水系統(tǒng)地震韌性評價的各項指標，應(yīng)建立相應(yīng)的評價基準，現(xiàn)行標準規(guī)范限定了現(xiàn)役不同工程結(jié)構(gòu)的性能水準，地震韌性所要求的性態(tài)水準應(yīng)與之相匹配。

(3)本文總結(jié)了定義地震安全性指數(shù)(Safety)以及震后恢復(fù)能力指數(shù)(Recovery)可采用的評價指標。通過對供水系統(tǒng)地震韌性的評價指標進行歸納分析發(fā)現(xiàn)，各評價指標在一定程度上存在相關(guān)性，另有部分重要評價指標的相關(guān)研究極少，如何選擇合理且具有可操作性的評價指標，將各項評價指標引入評價模型中，如何對重要評價指標進行深入研究，這些都是本文今后需要研究的重點問題。

(4)目前供水系統(tǒng)地震韌性評價方法和模型存在諸多問題，沒有可對地震安全性和震后恢復(fù)能力進行綜合評價的方法，本文將韌性指數(shù)分為地震安全性指數(shù)和震后恢復(fù)能力指數(shù)。