城市排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展

張 瑩

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

城市排水系統(tǒng)是保障城市安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)了城市雨水和污水的收集、輸送、處理和排放的功能。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)排水管網(wǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019 年，我國(guó)城市排水管道總長(zhǎng)度已達(dá)73.7 萬(wàn)千米。市政排水管網(wǎng)多敷設(shè)于地下，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)管理難度大，部分管網(wǎng)存在管道腐蝕老化、設(shè)計(jì)排水能力偏低、養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等問(wèn)題，對(duì)排水系統(tǒng)的運(yùn)行造成了安全隱患，甚至發(fā)生內(nèi)澇積水、污水冒溢、道路塌陷、氣體爆炸等事故，嚴(yán)重威脅了城市排水安全、環(huán)境安全、交通安全和居民的生命安全。

排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與評(píng)估可以為排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的防范提供科學(xué)依據(jù)，主要包括：（1）為排水管網(wǎng)的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)和修復(fù)計(jì)劃的制定提供依據(jù)；（2）為排水系統(tǒng)提標(biāo)改造工程計(jì)劃的制定提供依據(jù)；（3）為城市內(nèi)澇災(zāi)害防治規(guī)劃與措施的制定提供依據(jù)；（4）為排水管道作業(yè)人員及周圍居民的生命健康安全風(fēng)險(xiǎn)防范機(jī)制的建立和完善提供依據(jù)。因此，排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估對(duì)預(yù)防排水系統(tǒng)運(yùn)行事故、保障城市安全具有重要意義。

1 排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)事件

1.1 排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)類型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同類型的排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展了研究工作，總體而言，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)影響的主體，排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可分為四種類型：

（1）管道結(jié)構(gòu)和功能風(fēng)險(xiǎn)：指排水管道結(jié)構(gòu)和功能損害或失效的風(fēng)險(xiǎn)，包括內(nèi)澇積水、污水冒溢以及管道結(jié)構(gòu)損害風(fēng)險(xiǎn)等。

（2）周圍基礎(chǔ)設(shè)施和地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)：主要指由于管道破損滲漏等原因引起的地面、道路塌陷，以及周邊其他基礎(chǔ)設(shè)施破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)：主要包括由于管道滲漏引起的周邊土壤和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，以及合流制管網(wǎng)溢流和分流制雨水排放對(duì)河道水體造成的污染。

（4）人員健康與安全風(fēng)險(xiǎn)：主要指由于排水管道的封閉空間和輸送污水的性質(zhì)產(chǎn)生有毒或可燃性氣體，導(dǎo)致管道運(yùn)維養(yǎng)護(hù)人員中毒的風(fēng)險(xiǎn)和管道氣體爆炸引起人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，以及排水系統(tǒng)中微生物氣溶膠引發(fā)的工作人員健康風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 排水管網(wǎng)主要運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)事件

城市排水管網(wǎng)運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)事件包括內(nèi)澇積水、污水冒溢、管道結(jié)構(gòu)損害、路面塌陷、地下水和土壤污染、溢流污染、有害氣體中毒、氣體爆炸、微生物暴露風(fēng)險(xiǎn)等。

（1）內(nèi)澇積水風(fēng)險(xiǎn)

隨著近年來(lái)極端天氣的增多，城市內(nèi)澇已經(jīng)成為我國(guó)主要自然災(zāi)害之一，全國(guó)60%以上城市發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害。城市內(nèi)澇積水是多因素綜合作用的結(jié)果，包括降雨、地形、下墊面、管網(wǎng)排水能力、周圍河網(wǎng)調(diào)蓄能力等因素。相關(guān)研究表明，強(qiáng)降雨、管網(wǎng)排水能力不足、局部地勢(shì)低洼、下墊面不透水面積大是城市內(nèi)澇的主要原因，河網(wǎng)調(diào)蓄能力、河道頂托等因素也對(duì)區(qū)域內(nèi)澇積水有不可忽視的影響[1-4]。其中，管網(wǎng)排水能力與管網(wǎng)覆蓋率、管網(wǎng)設(shè)計(jì)排水能力、泵站排水能力和運(yùn)行情況、管道淤積狀況、調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)情況等密切相關(guān)；下墊面的地面硬化程度、滲透性特征一般采用綜合徑流系數(shù)表征；地面高程和坡度是影響積水的兩大地形因子；河湖水面率、河網(wǎng)密度、河道水位等因子則對(duì)區(qū)域的河網(wǎng)調(diào)蓄能力有重要影響。

（2）污水冒溢風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)污水管道水量過(guò)大或水位過(guò)高時(shí)，可能導(dǎo)致排水不暢，甚至污水流出地面，發(fā)生污水冒溢。污水冒溢的直接原因是管網(wǎng)高水位甚至滿管運(yùn)行、蓄水空間不足，從而失去了緩沖排水水量沖擊的能力。當(dāng)前，造成城市污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行和污水冒溢的原因較為復(fù)雜，主要包括五個(gè)方面：a.管網(wǎng)、泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低；因前期規(guī)劃和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏低，排水能力不足，隨著污水接入量增大，用水高峰期污水管網(wǎng)調(diào)蓄空間降低。b.泵站運(yùn)行管理導(dǎo)致的高水位運(yùn)行；部分城市的污水泵站出于節(jié)約動(dòng)力、減少污水廠溢流等原因，將進(jìn)水水位壅高后才開(kāi)始提升，導(dǎo)致其服務(wù)范圍內(nèi)管網(wǎng)高水位運(yùn)行。c.污水廠處理能力不足；部分城市污水廠時(shí)常超負(fù)荷運(yùn)行，為滿足水環(huán)境保護(hù)要求，需盡量減少溢流，這必然導(dǎo)致管網(wǎng)和泵站運(yùn)行水位被動(dòng)壅高。d.管網(wǎng)破損滲漏、雨污混接混流、河水倒灌等原因引起的外水入侵導(dǎo)致管網(wǎng)調(diào)蓄空間下降；國(guó)內(nèi)外相關(guān)調(diào)查顯示，城市管網(wǎng)中外水入侵占比約25%～70%[5]，嚴(yán)重削弱了污水管網(wǎng)的實(shí)際排水能力。e.管網(wǎng)淤積、堵塞等因素導(dǎo)致過(guò)水?dāng)嗝鏈p少；污水管網(wǎng)中大多存在顆粒物沉降導(dǎo)致的底泥淤積問(wèn)題，部分管道淤積深度甚至?xí)^(guò)管徑的50%，若清淤養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，將引起管道排水能力下降?？偟膩?lái)說(shuō)，管網(wǎng)和泵站排水能力、下游泵站運(yùn)行管理情況和污水廠處理能力對(duì)污水冒溢的發(fā)生有著決定性影響，外水入侵情況和管網(wǎng)淤積等因素也是導(dǎo)致污水冒溢的重要的因素。

（3）管道結(jié)構(gòu)損害風(fēng)險(xiǎn)

管道結(jié)構(gòu)損害是指管道結(jié)構(gòu)本體遭受損傷，發(fā)生對(duì)其強(qiáng)度、剛度和使用壽命產(chǎn)生影響的缺陷和破壞?！冻擎?zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》（CJJ 181—2012）中規(guī)定了十種管道結(jié)構(gòu)性缺陷，包括破裂、變形、腐蝕、錯(cuò)口、起伏、脫節(jié)、接口材料脫落、支管暗接、異物穿入和滲漏等[6]。管道結(jié)構(gòu)損害是決定排水管道是否需要進(jìn)行修復(fù)的關(guān)鍵因素。管道發(fā)生結(jié)構(gòu)損害的概率受管齡、管材、管徑、接口形式等管道自身性狀因素和路面交通荷載、覆土深度、土壤類型、周邊施工擾動(dòng)等環(huán)境因素影響[7]。一般來(lái)講，管齡越大，管道材料老化和腐蝕程度越嚴(yán)重，管道越容易發(fā)生損壞；管道材質(zhì)及其強(qiáng)度是管道損壞的內(nèi)在因素；管道接口的性質(zhì)對(duì)管道錯(cuò)位、脫節(jié)缺陷的發(fā)生有重要影響；管道所在道路的交通荷載狀況、覆土深度、土壤類型和施工擾動(dòng)等對(duì)管道承受外界荷載或環(huán)境腐蝕作用有顯著影響。

（4）地下水和土壤污染風(fēng)險(xiǎn)

水利部2016 年公開(kāi)的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)淺層地下水水質(zhì)普遍較差[8]。排水管網(wǎng)破損引發(fā)的污水外滲是造成地下水和土壤污染的主要原因之一。因管道埋藏地下，外滲污水量及其污染風(fēng)險(xiǎn)的量化評(píng)估十分困難，目前，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究較少。國(guó)外相關(guān)調(diào)查表明，管道外滲污水量約占旱天污水量的2%～6%[9]。研究發(fā)現(xiàn)，地下水中硝酸鹽氮、大腸桿菌、硼等指示污染物的濃度與污水管道的泄露有密切聯(lián)系[10-11]。影響污水外滲的因素較多，主要包括地下水位、管道污水水位、管道破損面積、管道基礎(chǔ)和周圍土壤的孔隙率、滲透性以及土壤的飽和度等[9，11-12]。已有學(xué)者基于達(dá)西定律建立污水外滲率預(yù)測(cè)的理論模型，但目前尚不成熟，參數(shù)的取值和預(yù)測(cè)結(jié)果都具有較大的不確定性[12]。此外，污水外滲量與其造成環(huán)境污染的程度并無(wú)正相關(guān)關(guān)系，例如，降雨可能導(dǎo)致污水外滲量的增加，但污染物濃度也可能因雨水稀釋作用而降低[11]。

（5）溢流污染風(fēng)險(xiǎn)

本文將合流制系統(tǒng)溢流和分流制系統(tǒng)雨水排放造成環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)稱為溢流污染風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，傳統(tǒng)點(diǎn)源污染逐漸得到有效控制，溢流污染已成為影響我國(guó)城市水環(huán)境質(zhì)量改善的重要問(wèn)題。溢流污染現(xiàn)象反映出排水系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)滿足排水防汛安全和環(huán)境保護(hù)雙重需求的現(xiàn)狀，是排水系統(tǒng)問(wèn)題的一個(gè)集中體現(xiàn)。造成溢流污染的原因復(fù)雜，主要包括三個(gè)方面[13-15]：a.排水體制自身不完善。例如，分流制系統(tǒng)存在大量雨污混接錯(cuò)接造成“無(wú)效”的分流；合流制系統(tǒng)污水廠處理能力與截流干管截流能力不匹配形成廠前溢流；溢流污水調(diào)蓄及就地處理設(shè)施不完善等。b.管道清淤養(yǎng)護(hù)不及時(shí)。部分排水管道失養(yǎng)或養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致管道內(nèi)沉積污染物不能及時(shí)清除，雨天沉積物因大流量沖刷混入雨污水中，隨溢流污水或雨水排放至水體。c.地表徑流污染影響。城市屋頂、街道等不透水表面上蓄積的各類污染物在降雨和地表徑流的沖刷下進(jìn)入排水管網(wǎng)，隨溢流污水或雨水排放進(jìn)入水體。由此，影響溢流污染風(fēng)險(xiǎn)的因素包括分流制系統(tǒng)雨污混接程度、合流制系統(tǒng)截流和調(diào)蓄能力、污水處理廠處理能力、管道淤積狀況、降雨特征、下墊面特征等。

（6）路面塌陷風(fēng)險(xiǎn)

路面塌陷是指地面由于地下物質(zhì)移動(dòng)而發(fā)生的急劇下沉。路面塌陷事故成因復(fù)雜，據(jù)一項(xiàng)對(duì)2005～2015 年期間我國(guó)路面塌陷事件的統(tǒng)計(jì)[16]，人為因素在路面塌陷事件的成因中占比65%，而管道破損滲漏在人為因素中占比55%，是對(duì)道路塌陷影響最大的因素之一。許多城市的老城區(qū)排水管道建設(shè)年代久遠(yuǎn)，管材的老化導(dǎo)致其抗拉和抗沖擊強(qiáng)度降低，容易出現(xiàn)管道破損和滲漏。管道破損滲漏發(fā)生后，一方面外滲污水會(huì)沖蝕路基之下的土體，帶走土體形成沖蝕坑，在外荷載作用下引發(fā)路面塌陷；另一方面，地下水或地表水也可能會(huì)攜帶管道周圍土體入滲管內(nèi)，土體流失引起路基下空洞的形成，進(jìn)而導(dǎo)致路面塌陷[17]。王帥超[17]通過(guò)室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，地下空洞的空洞跨徑增大和上覆土層的減小是導(dǎo)致空洞塌陷的直接原因；空洞塌陷的臨界跨徑與空洞周圍土的容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、外部荷載以及上覆土層厚度等關(guān)系密切。同時(shí)，對(duì)于已發(fā)生地下空洞的區(qū)域，強(qiáng)降雨和周圍地鐵、隧道或管線的施工擾動(dòng)等外部因素也會(huì)加劇路面塌陷的進(jìn)程。

（7）有害氣體中毒風(fēng)險(xiǎn)

排水管道是相對(duì)封閉的空間，空氣流通性差，容易形成厭氧環(huán)境。污水中的有機(jī)物在管道環(huán)境中被微生物分解，產(chǎn)生H2S、CH4、SO2、HCN 等有害氣體，這些氣體在管道積累達(dá)到一定濃度后泄露，會(huì)導(dǎo)致人員中毒，嚴(yán)重危害排水管道作業(yè)人員的健康。其中，H2S 是排水管道中最典型的有毒氣體，人體暴露在含H2S 氣體的環(huán)境中，可能引發(fā)眼部刺激、頭痛、惡心，甚至窒息和死亡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1994-2005年我國(guó)北京、上海、天津發(fā)生的硫化氫中毒事故中就有40 多人傷亡[18]。H2S 一般通過(guò)厭氧環(huán)境下含硫有機(jī)物分解和硫酸鹽還原菌（SRB）對(duì)硫酸鹽的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生。排水管道沉積物是H2S 氣體的重要來(lái)源，H2S 主要產(chǎn)生于沉積物表層有機(jī)物和管道內(nèi)生物膜中的SRB 菌的還原反應(yīng)。常見(jiàn)[19]通過(guò)實(shí)地調(diào)研探索了我國(guó)南方某城市排水管網(wǎng)及其附屬構(gòu)筑物中H2S的產(chǎn)生規(guī)律和影響因素，研究表明，水流的擾動(dòng)和溫度變化對(duì)H2S 的產(chǎn)生和釋放影響較大，跌水井和泄壓井等水流波動(dòng)劇烈處H2S 氣體的含量最高；低溫對(duì)H2S 氣體的產(chǎn)生和釋放都有顯著的抑制作用，例如，當(dāng)?shù)畾鉁卦?2℃以上時(shí)，H2S 最高濃度大于60 ppm，而跌水井氣溫在8℃～16℃，H2S 最高濃度為12 ppm。一些停留時(shí)間較長(zhǎng)的構(gòu)筑物，如格柵井和化糞池井等容易產(chǎn)生和積累液相H2S，而液相H2S通常在下游跌水井中釋放。在排水管道運(yùn)維養(yǎng)護(hù)工作中，合理通風(fēng)換氣和穿戴個(gè)人防護(hù)用具可有效降低有害氣體中毒風(fēng)險(xiǎn)。

（8）氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)

排水管道中的可燃性氣體積聚達(dá)到一定濃度后，遇明火會(huì)發(fā)生爆炸，威脅排水作業(yè)人員和周圍居民的生命安全，還會(huì)對(duì)周邊排水管道和路面造成破壞。我國(guó)許多城市都發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的排水管道爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004～2011 年重慶市主城區(qū)共發(fā)生37 起污水管道和化糞池爆炸事故，造成70 多人傷亡[20-21]。排水管道內(nèi)的可燃性氣體包括內(nèi)源性可燃?xì)怏w和外源性可燃?xì)怏w。內(nèi)源性可燃?xì)怏w典型的是甲烷（CH4），主要由微生物厭氧分解污水和沉積物中的有機(jī)物產(chǎn)生，CH4的產(chǎn)生受溫度、污水濃度、水力停留時(shí)間、管道生物膜量、管道沉積物狀況等多種因素影響。外源性可燃?xì)怏w包括汽油、石油、苯等揮發(fā)性可燃物，主要來(lái)源于加油加氣站油氣泄露、企業(yè)排放含可燃?xì)怏w的化工廢水、居民傾倒液化氣殘?jiān)萚22]。同時(shí)，作為排水管網(wǎng)中氣體爆炸的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，檢查井內(nèi)管網(wǎng)交匯狀況直接影響了可燃性氣體的積聚，因此檢查井內(nèi)連接管道和化糞池的個(gè)數(shù)也是氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要風(fēng)險(xiǎn)因素[22]。

（9）微生物暴露風(fēng)險(xiǎn)

生活污水中存在大量細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)等病原微生物，在污水的輸送和處理過(guò)程中，由于激蕩、擾動(dòng)等原因，病原微生物逸散到空氣中形成生物氣溶膠污染物，可能會(huì)對(duì)排水相關(guān)工作人員和周邊居民的生命健康造成威脅[23]。這類由微生物氣溶膠帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)稱為微生物暴露風(fēng)險(xiǎn)。微生物氣溶膠常見(jiàn)的暴露途徑包括皮膚接觸和呼吸吸入。目前，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已形成了較為成熟的微生物定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，常用的有基于暴露情景建立的暴露評(píng)估模型和表征暴露劑量與健康風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系的劑量- 響應(yīng)模型等[24-25]。影響微生物暴露風(fēng)險(xiǎn)的因素較多，包括：微生物氣溶膠濃度及其粒徑分布、被評(píng)估人群暴露于微生物氣溶膠中的時(shí)間、預(yù)計(jì)從業(yè)時(shí)長(zhǎng)、安全防護(hù)措施和防護(hù)用具使用狀況等。其中，微生物氣溶膠的濃度和粒徑分布隨空間和時(shí)間變化極大，其產(chǎn)生和擴(kuò)散受溫度、濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度等氣象條件以及排水構(gòu)筑物類型和運(yùn)行條件等多方面因素影響[26]。

2 排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法通?？煞譃槿悾憾ㄐ栽u(píng)估方法、定量評(píng)估方法、定性與定量結(jié)合的綜合評(píng)估方法。不同類型下的常用評(píng)估方法見(jiàn)表1。

表1 常用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法表

2.1 定性評(píng)估方法

典型的定性評(píng)估方法包括風(fēng)險(xiǎn)矩陣法和專家評(píng)估法。

風(fēng)險(xiǎn)矩陣法是一種基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主體需求和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別建立的，將風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)危害程度等級(jí)相結(jié)合來(lái)描述風(fēng)險(xiǎn)大小的方法[27-28]。Johansen 等[29]利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法對(duì)丹麥哥本哈根市約1 200 km 的污水管網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行粗評(píng)估，研究采用的HAZOP工具就是一種典型的基于“風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生頻率- 后果”矩陣建立的定性風(fēng)險(xiǎn)分析方法。風(fēng)險(xiǎn)矩陣法也被廣泛應(yīng)用于職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，常見(jiàn)的有羅馬尼亞職業(yè)事故和職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法（羅馬尼亞MLSP模型）、澳大利亞職業(yè)健康與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法（澳大利亞UQ 模型）、國(guó)際采礦與金屬委員會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法（ICMM 模型）中的矩陣法等。馮玉超等[30]采用多種職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)了污水處理廠接觸NH3、H2S 和粉塵作業(yè)崗位的職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其中包含澳大利亞UQ 法和ICMM 矩陣法。

專家評(píng)估法是通過(guò)咨詢相關(guān)領(lǐng)域的專家，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件及相關(guān)影響因素進(jìn)行描述、解釋和評(píng)價(jià)的方法。專家評(píng)估法常見(jiàn)的有德?tīng)柗品ê蛯＜以u(píng)分法。專家評(píng)估法很少單獨(dú)使用，一般作為一些綜合評(píng)估方法的組成部分，例如，層次分析法（AHP）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中，通常需要采用專家評(píng)價(jià)來(lái)構(gòu)造判斷矩陣計(jì)算指標(biāo)權(quán)重和對(duì)指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建也可結(jié)合德?tīng)柗品ㄟM(jìn)行專家咨詢[31]。

2.2 定量評(píng)估方法

定量評(píng)估方法一般是基于大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分析和評(píng)估的方法[32]。典型的定量評(píng)估方法包括理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮u(píng)估方法、仿真模型情景模擬法和統(tǒng)計(jì)模型法。

理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮u(píng)估方法是采用基于實(shí)驗(yàn)和實(shí)證研究建立的理論模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法。例如，歐盟計(jì)算機(jī)輔助排水管網(wǎng)修復(fù)科技項(xiàng)目（CARE-S）中研發(fā)并建立了基于生物化學(xué)機(jī)理對(duì)管道外部和內(nèi)部腐蝕情況的預(yù)測(cè)和評(píng)估的理論模型Extcorr 和WATS 模型[33]。美國(guó)EPA 針對(duì)有毒物質(zhì)建立的致癌/ 非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型是一種基于劑量- 響應(yīng)關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，有大量?shí)驗(yàn)室和流行病學(xué)數(shù)據(jù)作支撐[34]。梁錦釗等[35]采用EPA 方法對(duì)排水管道作業(yè)人員吸入管道內(nèi)有害氣體的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，其中，有害氣體污染濃度、管道作業(yè)人員暴露在污染氣體中的時(shí)間、頻率等參數(shù)通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)、調(diào)研以及理論模型估算等方法獲取。

基于仿真模型的情景模擬法在內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中有較多的應(yīng)用。王詩(shī)婧[36]采用商業(yè)仿真模型軟件Infoworks ICM 開(kāi)展了不同降雨情景下區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和評(píng)估，基于模型預(yù)測(cè)的積水深度和積水時(shí)間實(shí)現(xiàn)了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征識(shí)別。蘇伯尼等[37]基于二維水動(dòng)力仿真模型開(kāi)展了福建省龍巖市某區(qū)在不同暴雨情景下的內(nèi)澇動(dòng)態(tài)模擬，獲取了該區(qū)域內(nèi)澇積水的時(shí)空分布特征和災(zāi)害損失情況。實(shí)際應(yīng)用中，仿真模型情景模擬法也可與層次分析法等綜合評(píng)估方法相結(jié)合，作為重要指標(biāo)的計(jì)算和預(yù)測(cè)工具。孫阿麗[38]基于SWMM 仿真模型對(duì)上海市某區(qū)域在不同降雨情景下的內(nèi)澇積水情況進(jìn)行了模擬，并采用層次分析法結(jié)合模擬降雨積水深度和歷時(shí)等參數(shù)開(kāi)展區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，形成不同情景下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

統(tǒng)計(jì)模型，又稱概率模型，是指基于大量歷史數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析建立的描述風(fēng)險(xiǎn)影響因素變量和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)之間關(guān)系的模型。常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)模型方法包括多元線性回歸模型、邏輯回歸模型、多元判別分析法、證據(jù)推理法、群分析法、馬爾科夫鏈模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型等[33]。Bakry 等[39]采用多元線性回歸方法基于管網(wǎng)歷史CCTV 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析建立了化學(xué)注漿修復(fù)后污水管和檢查井結(jié)構(gòu)與功能狀況預(yù)測(cè)與評(píng)估模型。Alasqqar 等[40]采用多元判別分析法建立了巴格達(dá)市污水干管結(jié)構(gòu)損壞預(yù)測(cè)模型。統(tǒng)計(jì)模型也可與其他方法結(jié)合，作為綜合評(píng)估方法來(lái)使用。例如，Hawari 等[41]結(jié)合模糊集合理論、模糊網(wǎng)絡(luò)分析法、蒙特卡洛模擬和證據(jù)推理法建立了污水重力和壓力管網(wǎng)的健康狀況評(píng)估模型。

2.3 綜合評(píng)估方法

定性與定量相結(jié)合的綜合評(píng)估方法是多因素、多指標(biāo)評(píng)價(jià)和決策中常用的手段。綜合評(píng)估過(guò)程通常包含評(píng)估指標(biāo)體系的建立，指標(biāo)權(quán)重的確定和綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建等步驟，評(píng)價(jià)的依據(jù)主要包括數(shù)據(jù)、模型和專家知識(shí)等。常見(jiàn)的綜合評(píng)估方法包括層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等。

層次分析法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家A.L.Saaty 在20 世紀(jì)70 年代提出的一種多目標(biāo)綜合決策方法，它模擬了人的思維過(guò)程，并將人的主觀判斷客觀量化，實(shí)現(xiàn)了決策思維過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)[42]。其一般步驟見(jiàn)表1。張文俊等[43]利用層次分析法構(gòu)建了污水干管運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，結(jié)合專家評(píng)分計(jì)算獲得各級(jí)指標(biāo)權(quán)重，為污水管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供指導(dǎo)和依據(jù)。劉威等[44]建立了排水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并采用結(jié)合了層次分析法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)方法確定指標(biāo)權(quán)重。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)的方法[42]。其一般步驟見(jiàn)表1。范小花等[45]基于模糊綜合評(píng)價(jià)法建立了污水管網(wǎng)氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并將模型應(yīng)用于某小區(qū)污水管道氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)法是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力和強(qiáng)容錯(cuò)性建立模擬人類思維模式的綜合評(píng)價(jià)模型的方法。常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）模型和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）模型。Najafi 等[46]和Sousa 等[47]基于管網(wǎng)特性和歷史CCTV 管網(wǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)建立了用于預(yù)測(cè)污水管網(wǎng)健康狀況的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為管網(wǎng)預(yù)防性檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是基于灰色系統(tǒng)理論建立的對(duì)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)的量化比較分析方法，利用各方案與最優(yōu)方案之間關(guān)聯(lián)度的大小對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行比較、排序，從而進(jìn)行評(píng)價(jià)。其一般步驟見(jiàn)表1。徐得潛等[48]結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法和層次分析法建立了合流制管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，涵蓋甲烷氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)、硫化氫中毒風(fēng)險(xiǎn)、溢流污染風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等四大類風(fēng)險(xiǎn)，

綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果依賴于方法的選擇，選擇不同的評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果不盡相同。實(shí)際應(yīng)用中，除單一評(píng)價(jià)方法外，還時(shí)常將不同方法組合使用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以取得更為科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。例如，前文提到的層次分析法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重，綜合考慮了決策者、專家的主觀傾向以及管道自身客觀情況[44]。而徐得潛等[48]建立的組合方法在不同階段采用不同的評(píng)估方法，將層次分析法用于風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素權(quán)重的確定，灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估。

3 結(jié) 語(yǔ)

排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與評(píng)估對(duì)保障城市排水系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)影響的主體，將排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分為四種類型，涵蓋九種主要運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)事件，包括內(nèi)澇積水、污水冒溢、管道結(jié)構(gòu)損害、路面塌陷、地下水和土壤污染、溢流污染、有害氣體中毒、氣體爆炸、微生物暴露風(fēng)險(xiǎn)等。本文基于目前相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究成果，闡述了不同風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生主要原因及影響因素。

目前，排水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用的方法可分為定性評(píng)估方法，定量評(píng)估方法，及綜合評(píng)估方法三種類型，常用方法包括風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、專家評(píng)分法、理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮u(píng)估方法、仿真模型情景模擬法、統(tǒng)計(jì)模型法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)法以及灰色綜合評(píng)價(jià)法等。在實(shí)際應(yīng)用中，建議根據(jù)評(píng)估目標(biāo)和數(shù)據(jù)的可獲得性選擇適宜的方法進(jìn)行評(píng)估。