城市供水管網(wǎng)極端寒潮災(zāi)害影響特征與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

胡群芳，車德路，宋朝陽(yáng)，王 飛，方宏遠(yuǎn)，赫 磊，朱慧峰

（1.同濟(jì)大學(xué) 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；2.城市安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；4.上海城市水資源開發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上海 200082；5.鄭州大學(xué) 黃河實(shí)驗(yàn)室（鄭州大學(xué)），河南 鄭州 450001；6.同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；7.上海市供水管理事務(wù)中心，上海 200081）

近年來(lái)，受全球氣候變化的影響，人們普遍預(yù)計(jì)極端天氣將變得更加常見［1］。城市基礎(chǔ)設(shè)施作為保障城市正常運(yùn)行和健康發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［2］，在極端氣候條件下的運(yùn)行安全保障能力和防災(zāi)能力及水平至關(guān)重要［3］。為此，城市供水管網(wǎng)是城市基關(guān)鍵礎(chǔ)設(shè)施和重要生命線［4］，其受冬季低溫影響更為顯著［5］，尤其氣候下引起的寒潮災(zāi)害導(dǎo)致破壞更為劇烈。如2016年1月上海市遭遇35年來(lái)最強(qiáng)寒潮侵襲，造成DN500以上大口徑管損事件46起［6］，累計(jì)修復(fù)水表約18萬(wàn)件；2021年初上海市連續(xù)遭遇兩輪“霸王級(jí)”寒潮，期間造成DN500以上大口徑管損事件70起，累計(jì)修復(fù)水表超4萬(wàn)件［7］。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近20年來(lái)，上海冬季極端低溫天氣的發(fā)生率呈現(xiàn)增強(qiáng)、加劇趨勢(shì)，即寒潮發(fā)生頻率提高，單次寒潮的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)、最低溫度降低。因此，保障供水系統(tǒng)在寒潮期間的運(yùn)行安全成為政府部門和企業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。

極端低溫冰凍影響被廣泛認(rèn)為是產(chǎn)生管道損壞故障的重要因素［8］。當(dāng)季節(jié)性溫度下降時(shí)，管道損壞的頻率會(huì)顯著增加［9］，每年約60%的管損事件量與低溫的頻率和強(qiáng)度有關(guān)［10］。冬季最高的故障率通常與第一次冬季霜凍有關(guān)，但如果低溫峰值進(jìn)一步下降，第一次霜凍后的故障率也會(huì)繼續(xù)增加［11］。管道周邊地層中土體水分的凍結(jié)和膨脹對(duì)管道施加額外的應(yīng)變，被認(rèn)為是主要誘發(fā)因素［12］。對(duì)于冬季寒潮的影響，我國(guó)部分學(xué)者從可靠度角度［13-14］出發(fā)，開展了寒潮管損調(diào)查［15］以及極端低溫對(duì)水表影響［16］等方面研究。

盡管低溫凍結(jié)對(duì)供水系統(tǒng)的影響已逐步得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的日益關(guān)注，但目前寒潮對(duì)城市供水管網(wǎng)災(zāi)害破壞研究依然較為分散，且較多停留在現(xiàn)象學(xué)階段，尤其缺乏對(duì)寒潮基本特征、溫度在土壤中的傳導(dǎo)過(guò)程及其供水系統(tǒng)的影響規(guī)律和寒潮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵問(wèn)題的研究。為此，以上海市供水系統(tǒng)為例，重點(diǎn)研究寒潮過(guò)程對(duì)城市供水系統(tǒng)的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)抗災(zāi)能力提升和更新改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 供水管網(wǎng)極端寒潮災(zāi)害分析

以上海市2020 年底至2021 年初的2 輪寒潮過(guò)程為例，從供水壓力、流量、管道維修等角度分析寒潮期間供水系統(tǒng)的狀態(tài)變化過(guò)程，揭示寒潮對(duì)供水系統(tǒng)影響的一般規(guī)律。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用的數(shù)據(jù)包括上海市氣象數(shù)據(jù)、供水管網(wǎng)壓力流量數(shù)據(jù)、管網(wǎng)管損數(shù)據(jù)以及埋地管道溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（埋深分別為180 cm 和250 cm）。數(shù)據(jù)分別來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）［17］公開的上海氣象數(shù)據(jù)、上海市供水管理部門以及現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)埋地管道管頂土壤溫度監(jiān)測(cè)，其中，上海氣象站包括浦東新區(qū)站點(diǎn)（代號(hào)583211）、寶山區(qū)站點(diǎn)（代號(hào)583620）和閔行區(qū)站點(diǎn)（代號(hào)583670）。

1.2 兩輪寒潮過(guò)程

2020 年底至2021 年初上海市連續(xù)遭遇了2 輪“霸王級(jí)”寒潮，溫度變化過(guò)程如圖 1所示。第1次寒潮從2020 年12 月29 日持續(xù)到2021 年1 月4 日，共7d。寒潮來(lái)臨時(shí)伴隨降雨，最大小時(shí)降雨量為1.4mm，期間有連續(xù)4天最低氣溫低于0℃。在溫度下降過(guò)程中，氣溫在48h內(nèi)從17℃降至?6.5℃，降低23.5℃；在溫度恢復(fù)過(guò)程中，氣溫在96h內(nèi)從?6.5℃升至14℃，升高20.5℃。

圖1 2次寒潮氣溫變化過(guò)程Fig.1 Temperature change process of two cold waves

第1 次寒潮結(jié)束后，上海馬上遭遇了第2 次寒潮。從2021 年1 月5 日到2021 年1 月13 日，寒潮持續(xù)了9d，降溫初期伴有零星降雨，期間最低溫度連續(xù)6d 低于0℃。在溫度下降過(guò)程中，氣溫在72h 內(nèi)從9℃降至?7.5℃，降低16.5℃；在溫度恢復(fù)過(guò)程中，氣溫在144h內(nèi)從?7.5℃升至16℃，溫度升高23.5℃。

1.3 極端寒潮對(duì)供水系統(tǒng)的影響

從3 個(gè)方面分析寒潮對(duì)上海市供水系統(tǒng)的影響，包括供水壓力、供水流量和供水管道的影響。壓力流量數(shù)據(jù)來(lái)自上海主要地區(qū)的840個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)和40個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)，數(shù)據(jù)采樣頻率為1次·h-1。供水管網(wǎng)管損數(shù)據(jù)來(lái)源于供水管理部門。

1.3.1 對(duì)供水壓力的影響

上海主要地區(qū)840個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均壓力和氣象溫度的變化如圖 2 所示。根據(jù)寒潮前28d 的壓力記錄，正常情況下的最高和最低平均壓力分別為245.5kPa 和220.4kPa。在第1 次寒潮影響期間，最高和最低平均壓力分別降至240.3kPa和202.0kPa，下降了2.1%和8.3%。在第2 次寒潮影響期間，最高和最低平均壓力分別為239.3kPa和200.4kPa，下降了2.5%和9.1%。

圖2 2次寒潮氣溫與平均壓力的變化過(guò)程Fig.2 Temperature and average pressure change process of two cold waves

根據(jù)圖 2，在12 月30 日以前，盡管氣溫已降至?5℃，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力在快速降溫過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的異常波動(dòng)。低溫持續(xù)一段時(shí)間后，壓力出現(xiàn)明顯下降，波動(dòng)幅度變大，這表明寒潮對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行壓力的影響有滯后性。這一現(xiàn)象的主要原因在于供水管道埋地下，外界氣溫的波動(dòng)需要通過(guò)環(huán)境傳導(dǎo)過(guò)程才能影響至管道，這一過(guò)程受埋深、土壤環(huán)境、降雨量等諸多因素影響。通常埋深越深、環(huán)境導(dǎo)熱性能越差、降雨量越低，寒潮影響的滯后性越顯著。

圖3 給出了管頂溫度和平均壓力的變化過(guò)程?？梢?，在2次寒潮期間，管頂溫度降低過(guò)程與供水壓力降低過(guò)程是一致的，這表明供水壓力的變化與管周溫度的變化密切相關(guān)。由于管周溫度受外界氣溫和環(huán)境傳導(dǎo)過(guò)程的影響，進(jìn)一步造成了寒潮影響的滯后性。

圖3 2次寒潮管頂土壤監(jiān)測(cè)溫度與平均壓力的變化過(guò)程Fig.3 Soil temperature at pipe top and average pressure change process of two cold waves

1.3.2 對(duì)供水流量的影響

圖4 顯示了寒潮期間的日供水量變化。第1 次寒潮的單日最大供水量為908.5×104m3，比前28d的正常水平增加了8.9%；第2次寒潮期間單日最大流量為957.6×104m3，與正常水平相比增加了14.8%。此外，流量從12 月31 日和1 月9 日開始出現(xiàn)顯著增加，這與壓力的異常波動(dòng)和監(jiān)測(cè)到的管頂溫度開始下降時(shí)間相吻合，進(jìn)一步說(shuō)明了低溫穿透周邊環(huán)境影響到埋地管道是導(dǎo)致供水系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。

圖4 2次寒潮期間溫度與日供水量變化Fig.4 Change of temperature and daily water sup?ply during two cold waves

此外，受供水高峰影響，正常情況下的供水小時(shí)流量在一天內(nèi)多為雙峰分布。但從12 月31 日和1月9 日開始的2d 內(nèi)，小時(shí)流量基本為單峰分布，見圖 5。主要原因是此時(shí)的外界最低氣溫已穿透土壤并開始影響供水管道，管道溫差變形增大，漏損量增加，且漏失的水量基本填平了小時(shí)流量的谷值，使曲線呈現(xiàn)出單峰分布。

圖5 2次寒潮期間溫度與小時(shí)供水量變化Fig.5 Change of temperature and hourly water sup?ply during two cold waves

從供水壓力和流量的變化可以看出，寒潮已經(jīng)嚴(yán)重影響了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在造成供水壓力下降的同時(shí)，也造成了供水量的大幅上升。正常情況下上海市單日最高供水量為最大供水能力的65%左右，受寒潮影響，這一比例已上升至76.6%。因此，如果供水量持續(xù)上升，不僅會(huì)造成大量的水體漏失，甚至可能導(dǎo)致供水系統(tǒng)癱瘓。

1.3.3 對(duì)供水管道維修的影響

根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在第1 次寒潮之前的28d里，上海DN500 以上管道的日平均故障數(shù)為1.7。在這2 次寒潮中管道維修的數(shù)量明顯增加，包括各種泄漏和爆管，如圖 6 所示。在2 次寒潮期間，日均管損量分別為3.0次和4.3次，是正常水平的1.8和2.5倍。值得注意的是，2次寒潮期間的單日管損數(shù)量最多的日期均處于溫度上升初期。從土壤溫度監(jiān)測(cè)來(lái)看，這一階段亦是管頂溫度下降階段。換言之，寒潮的低溫侵入土壤造成管周溫度降低是導(dǎo)致管損的直接因素，由于土壤溫度傳導(dǎo)過(guò)程的影響，管損數(shù)量的增加與外界氣溫的變化過(guò)程亦存在滯后效應(yīng)。

圖6 2次寒潮氣溫與管損事件的變化過(guò)程Fig.6 Temperature and pipe damage events change process of two cold waves

圖7和圖 8分別給出了寒潮期間不同管材和管齡的管損率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)圖 7，管損率最高的為鑄鐵管，主要原因在于鑄鐵屬于脆性材料，強(qiáng)度低、延展性差，材料對(duì)溫度附加應(yīng)力的抵抗能力差。其次是鋼管，盡管鋼管本身強(qiáng)度較高，但由于采用剛性連接（如焊接和法蘭），與承插接口相比，這類接口的允許極限位移較低，對(duì)于溫差變形的抵抗能力較差。根據(jù)圖 8，事故率隨著管齡的增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明管道的服役年限越久，管道的材料性能退化越明顯，抵擋寒潮的能力越差。

圖7 不同管材的失效率Fig.7 Failure rates of different pipe materials

圖8 不同管齡的失效率Fig.8 Failure rates of different pipe ages

1.3.4 對(duì)其他供水設(shè)施的影響

圖9統(tǒng)計(jì)了極端寒潮對(duì)上海市供水系統(tǒng)中的二次供水設(shè)備和水表的破壞情況以及期間每天所接到的熱線數(shù)量。同樣地，寒潮對(duì)二次供水設(shè)備和水表的破壞明顯滯后于降溫過(guò)程，都是在極低溫過(guò)后溫度升高時(shí)爆發(fā)。這可能是由于溫度持續(xù)低于冰點(diǎn)溫度造成外露設(shè)備結(jié)冰并產(chǎn)生損壞，在溫度上升階段結(jié)冰融化后設(shè)備開始漏水，進(jìn)一步導(dǎo)致維修熱線數(shù)量的增加。

圖9 兩次寒潮對(duì)供水系統(tǒng)的影響Fig.9 Impact of two cold waves on water supply system

2 寒潮分類及其物理過(guò)程特征

2.1 氣象寒潮定義

參考我國(guó)規(guī)范《寒潮等級(jí)》（GB/T 21987—2017）［18］中給出了寒潮定義：使某地日最低氣溫24h內(nèi)降溫幅度不小于8℃，或48h 內(nèi)降溫幅度不小于10℃，或72h 內(nèi)降溫幅度不小于12℃，而且使該地日最低氣溫不大于4℃的冷空氣活動(dòng)。為進(jìn)一步了解上海市寒潮特征，這里調(diào)研了上海氣象部門，收集了上海市自1960年以來(lái)不同氣象站的數(shù)據(jù)，并對(duì)寒潮特征進(jìn)行分析。

2.2 氣象寒潮特征

收集到上海市自1960 年以來(lái)11 個(gè)氣象站的寒潮過(guò)程記錄，其中浦東站的時(shí)間跨度為1997—2020年，其他站的時(shí)間跨度均為1960—2020 年。各區(qū)站的寒潮記錄次數(shù)有所不同，見表 1。

表1 上海市氣象站寒潮統(tǒng)計(jì)信息Tab.1 Cold wave statistical information of Shang?hai Meteorological Station

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，不同年份的寒潮記錄頻次差異較大。其中，1966年出現(xiàn)的頻次最多，全上海市單站寒潮過(guò)程累計(jì)120站次，而1964年寒潮過(guò)程最少，單站寒潮過(guò)程累計(jì)為零站次。圖 10 給出了1996—2020 年所有監(jiān)測(cè)站記錄的寒潮頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢?，近20年寒潮過(guò)程頻次呈加劇趨勢(shì)。

圖10 近20年寒潮頻次統(tǒng)計(jì)Fig.10 Frequency statistics of cold wave in the past 30 years

表2給出了每站不同級(jí)別寒潮的發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果。若取所有站的均值分析，上海市最低氣溫不大于?3℃的寒潮年均發(fā)生次數(shù)為0.40次，最低氣溫不大于?5℃的寒潮年均發(fā)生次數(shù)為0.21次，最低氣溫不大于?7℃的寒潮年均發(fā)生次數(shù)為0.08次。

表2 氣象寒潮頻次統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of recurrence period

采用當(dāng)日最低溫度、24h 降溫、48h 降溫、72h 降溫、過(guò)程最低溫度、持續(xù)時(shí)間共計(jì)6個(gè)因素對(duì)氣象寒潮事件進(jìn)行描述。以寶山站數(shù)據(jù)為例，對(duì)每次寒潮事件分別統(tǒng)計(jì)6種因素，并給出頻率分布，見圖 11。

圖11 不同寒潮特征指標(biāo)的頻率分布Fig.11 Frequency statistics of cold wave in the past 30 years

根據(jù)頻率統(tǒng)計(jì)圖可以得到如下規(guī)律：

（1）對(duì)于三日內(nèi)降溫幅度而言，24h 或48h 降溫幅度為單峰分布，分別為9℃和11℃，72h降溫幅度為雙峰分布，分別為10℃和13℃。部分寒潮日降溫幅度可達(dá)19℃以上。

（2）對(duì)于過(guò)程最低溫度，?3℃的出現(xiàn)概率較大，占比20%，部分寒潮最低溫度可達(dá)?7℃以下。過(guò)程最低溫度是對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行安全產(chǎn)生重要影響的指標(biāo)。

（3）對(duì)于持續(xù)時(shí)間，大部分寒潮持續(xù)時(shí)間在3d左右，5d以上的概率低于10%。

3 寒潮極端溫度設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)分析

城市供水系統(tǒng)中管網(wǎng)、水表等多種設(shè)施敷設(shè)在不同環(huán)境中，大部分設(shè)施因淺埋或暴露在外部而受到氣溫的影響，因此在3.1 節(jié)中采用低溫重現(xiàn)期來(lái)考慮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)供水管網(wǎng)中的埋地管道，考慮管道敷設(shè)環(huán)境及地下水影響，由于土體溫度傳導(dǎo)過(guò)程的存在，外界氣溫的影響存在滯后效應(yīng)，因此3.2節(jié)中通過(guò)管道維修數(shù)量來(lái)進(jìn)行修正。

3.1 最低溫度重現(xiàn)期

通過(guò)對(duì)每年的最低溫度記錄進(jìn)行分析，可以獲得低溫過(guò)程的基本分布規(guī)律，為水表等外露設(shè)施的設(shè)防提供依據(jù)。需要指出的是，這里的最低溫度指每年氣象溫度的最低值，不特指寒潮事件。

最低溫度重現(xiàn)期的分析步驟如下：

（1）將統(tǒng)計(jì)周期P年內(nèi)有K次最低氣溫不大于t℃的事件記為事件A，由于事件A 的發(fā)生是獨(dú)立的，因此可以用泊松（Poisson）分布進(jìn)行分析。此時(shí)，發(fā)生k次的概率為

式中：vt為最低溫度不大于t℃的平均發(fā)生率；N為該地區(qū)溫度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的總數(shù)；Pi為第i個(gè)溫度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)周期；ni，t為第i個(gè)溫度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)最低溫度不大于t的次數(shù)。當(dāng)同一年份內(nèi)最低溫度不大于t℃的事件發(fā)生次數(shù)大于1次時(shí)，事件計(jì)數(shù)規(guī)則如下：若相鄰2 次事件發(fā)生時(shí)間較為接近，且可判斷為同一次冷空氣導(dǎo)致的，此時(shí)可計(jì)為一次事件；否則分別統(tǒng)計(jì)。

（2）根據(jù)式（2）獲得平均發(fā)生率后，即可計(jì)算得到事件的重現(xiàn)期，如式（3）：

式中：T0，t為最低溫度不大于t℃的重現(xiàn)期。

（3）由于事件發(fā)生概率的穩(wěn)定性，事件A的超越概率可以根據(jù)式（4）計(jì)算：

式中：fM，t為M年內(nèi)最低溫度不大于t℃的超越概率。

根據(jù)上述方法對(duì)上海市年最低溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，首先計(jì)算統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)每個(gè)年份最低溫度的發(fā)生頻次，然后根據(jù)式（2）計(jì)算平均發(fā)生率?？紤]到水表法定更換周期，這里以6 年為周期計(jì)算最低溫度的超越概率值，見表 3。

表3 上海市等效溫度作用特征點(diǎn)計(jì)算Tab.3 Calculation of equivalent temperature ac?tion characteristic in Shanghai

根據(jù)表 3 繪制上海市最低溫度概率密度曲線，如圖 12所示。

圖12 等效溫度概率密度曲線Fig.12 Density of equivalent temperature probability

根據(jù)圖 12，這里對(duì)上海市最低溫度作用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步定義，規(guī)則如下：

（1）罕遇低溫：所在地域遭遇6 年超越概率為2.4%對(duì)應(yīng)的最低氣溫值，上海地區(qū)取值為?10℃，重現(xiàn)期252年。

（2）設(shè)防低溫：所在地域遭遇6 年超越概率為57.4%對(duì)應(yīng)的最低氣溫值，上海地區(qū)取值為?7℃，重現(xiàn)期7年。

（3）多遇低溫：所在地域遭遇6 年超越概率為93.8%對(duì)應(yīng)的最低氣溫值，上海地區(qū)取值為?5℃，重現(xiàn)期2年。

3.2 埋地管道寒潮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

工程經(jīng)驗(yàn)表明，并不是所有的低溫過(guò)程或氣象寒潮均會(huì)對(duì)管道運(yùn)行造成影響。主要原因有兩點(diǎn)：①如果寒潮期間的最低溫度較低，管周溫差變形沒(méi)有超出管道的極限值，管道將不受影響；②受土體溫度傳導(dǎo)過(guò)程的影響，如果寒潮持續(xù)時(shí)間較短，低溫將無(wú)法傳至管周附近，管道運(yùn)行亦不受影響。如圖13，黃浦供水管理所2017年初寒潮（最低溫度?2℃）前后維修量的統(tǒng)計(jì)表明，寒潮期間維修量變化并不明顯，整個(gè)寒潮期間也沒(méi)有發(fā)生集中性維修，表明本次寒潮對(duì)埋地管道運(yùn)行的影響可以忽略。

圖13 黃浦供水管理所2017年初寒潮前后維修量分析Fig.13 Analysis of maintenance volume before and after the cold wave in early 2017 at Huang?pu Water Supply Management Institute

換言之，只有當(dāng)寒潮期間的最低氣溫下降到一定程度且維持一定的時(shí)間后，才會(huì)影響埋地管道的運(yùn)行。其中，最低溫度的影響尤為重要。本文通過(guò)氣溫?cái)?shù)據(jù)和管道維修數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，從維修率的角度識(shí)別對(duì)管道運(yùn)行造成不利影響的寒潮基準(zhǔn)。

為此，對(duì)寒潮前后的維修量進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]到維修過(guò)程的不確定性，日維修量變化可能波動(dòng)較大，因此，這里采用維修率的概念，即連續(xù)若干天的平均維修量。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)影響因子來(lái)分析寒潮對(duì)維修率的影響，具體定義如下：

式中：η為影響因子；MP為寒潮發(fā)生前TP天內(nèi)的維修總量；MA為寒潮發(fā)生后TA天內(nèi)的維修總量。TP和TA一般取最低溫度到達(dá)前3～4d。

圖14 給出了寒潮過(guò)程最低溫度與影響因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由分析可知，當(dāng)寒潮過(guò)程最低溫度高于?4℃時(shí)，大部分影響因子在1附近；當(dāng)寒潮過(guò)程最低溫度低于?6℃時(shí)，影響因子均大于1，且隨著溫度的降低，影響因子有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。例如，當(dāng)寒潮過(guò)程最低溫度為?8℃時(shí)，部分影響因子可達(dá)3以上。由于寒潮次數(shù)限制，這里沒(méi)有捕捉到實(shí)際?5℃時(shí)的情況，但可以推斷，對(duì)管道運(yùn)維造成不利影響的過(guò)程最低溫度基本在?5℃左右。

圖14 過(guò)程最低溫度-影響因子統(tǒng)計(jì)Fig.14 Statistics of process minimum temperatureinfluence factor

圖14還可以直接對(duì)維修配件需求量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)寒潮發(fā)生前的物資儲(chǔ)備計(jì)劃。當(dāng)寒潮過(guò)程最低溫度小于?4℃時(shí)，影響因子在1左右，變異系數(shù)10%，管網(wǎng)維修量變化不大，配件儲(chǔ)備計(jì)劃參考日常情況上調(diào)10%左右。當(dāng)過(guò)程最低溫度在?5～?7℃時(shí)，影響因子大于1，均值為1.8，變異系數(shù)為15%，配件儲(chǔ)備計(jì)劃應(yīng)為日常情況的2倍左右。當(dāng)過(guò)程最低溫度小于?7℃時(shí)，影響因子均值為2.2，變異系數(shù)為91%，配件儲(chǔ)備計(jì)劃應(yīng)為日常情況的3倍左右。

4 結(jié)語(yǔ)

研究了寒潮對(duì)于供水系統(tǒng)的影響規(guī)律及設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，包括極端寒潮對(duì)供水系統(tǒng)壓力、流量和管道維修的影響、氣象寒潮特征分析以及低溫設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等。主要結(jié)論如下：

（1）極端寒潮會(huì)對(duì)供水系統(tǒng)造成多方面嚴(yán)重的破壞，包括壓力的降低、供水量的增加以及管損事件的集中爆發(fā)，受土體溫度傳導(dǎo)過(guò)程的影響，寒潮對(duì)于供水系統(tǒng)的影響存在滯后效應(yīng)。

（2）上海市氣象寒潮總體出現(xiàn)增加趨勢(shì)，近60年來(lái)，上海市最低氣溫?3～0℃的寒潮年均發(fā)生次數(shù)為0.76 次，最低氣溫?5～?3℃的年均發(fā)生次數(shù)為0.40次，最低氣溫不大于?7℃的年均發(fā)生次數(shù)為0.08次。

（3）對(duì)上海市最低溫度作用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，對(duì)應(yīng)的多遇、設(shè)防、罕遇低溫的最低溫度值分別為?5℃、?7℃、?10℃，6 年超越概率為93.8%、57.4%、2.4%。

（4）實(shí)際統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，氣象寒潮不一定會(huì)對(duì)埋地管道運(yùn)行造成影響，現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)維修資料表明，對(duì)管道運(yùn)維造成不利影響的寒潮最低溫度基準(zhǔn)在?5℃左右。

作者貢獻(xiàn)聲明：

胡群芳：研究命題提出、研究方案設(shè)計(jì)、寒潮對(duì)上海市供水系統(tǒng)的影響及寒潮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究。

車德路：寒潮對(duì)上海市供水系統(tǒng)的影響分析。

宋朝陽(yáng)：上海歷史寒潮特征以及低溫設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究。

王 飛：上海歷史寒潮特征以及低溫設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究。

方宏遠(yuǎn)：供水管網(wǎng)極端寒潮災(zāi)害分析。

赫 磊：寒潮對(duì)上海市供水系統(tǒng)的影響分析。

朱慧峰：寒潮對(duì)上海市供水系統(tǒng)的影響分析。