巴振寧，王鳴鑠，梁建文

(1.天津大學土木工程系，天津 300072;2.濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

城市排水管網處于地下，不易及時發(fā)現存在的安全隱患。我國一些城市的市政排水管網大多修建于20世紀60年代，時間較久，由于管道自然老化以及施工質量、管材和接口方式等方面存在缺陷，排水管網經常會出現失效風險，尤其在強降雨天氣時，會造成排水不及時，引發(fā)城市內澇等問題。因此，對市政排水管網運行安全進行風險評估，在風險事故未發(fā)生時進行及時整改，降低管道失效風險，是十分必要的。目前，國內外學者針對市政排水管網運行安全風險評估做了大量的研究工作，如王彪等[1]以較為成熟的油氣管網風險評估作為參考，首次對排水管網運行安全風險評估進行了討論，探討了風險評估在排水管網領域應用的可行性；朱婷[2]通過建立雨水管網內澇模型，將模糊綜合法與內澇模型相結合對內澇危害進行了分析；顏文濤等[3]以健康度為分析對象，建立了污水管網的灰色關聯綜合評價模型，并以四川省某市污水管網作為實例進行了分析；米莉[4]以城市污水管網氣體爆炸風險為研究對象，通過文獻和實際調查建立了爆炸風險評價指標體系，并運用層次分析法計算了各評價指標的權重；Zerger等[5]采用支持向量機模型，通過訪問一組代表性的訓練數據(已檢查過的下水道數據)來預測其他未知下水道結構的狀況。然而，針對市政排水管網運行安全的風險評估，大多只考慮各類風險因素的獨立作用，很少考慮各類風險因素之間相互作用的影響。由于市政排水管網埋置在地下，所處的環(huán)境十分復雜，各風險因素之間不可避免地會有交叉作用，對管道的結構功能會產生嚴重的影響，若在風險評估中忽略各風險因素之間的相互作用，則會造成評估結果的準確性低。同時，市政排水管網由大量管道構成，傳統(tǒng)的風險評估方法主要依賴于專家意見，難以評估管道數量龐大的管網系統(tǒng)，其應用性有限。

針對上述問題，本文引入改進的網絡分析(ANP)法來計算各個風險因素的權重，能有效地考慮風險因素之間的相互影響，并采用改進的模糊綜合評價法，借助三角形分布隸屬函數以及對基礎數據的等級劃分，實現對含大量管段的管網系統(tǒng)進行多層次遞階風險評價。最后，以蘇州市工業(yè)園區(qū)內排水管網作為工程實例，利用基于改進的模糊網絡分析(F-ANP)方法對該排水管網運行安全進行風險評估，并與內部檢測結果進行對比，以驗證該方法的適用性。

1 市政排水管網風險評估指標體系的建立

市政排水管網的失效模式與其他市政管網不同，分為結構性失效和功能性失效兩種。其中，結構性失效具體是指管道本身產生的斷裂、破損等結構上的破壞，對排水管網整體的結構性能和使用壽命有很大的影響，常見的結構性失效有管道斷裂等；功能性失效主要是指由于外來物在管道中堆積，導致管道水流受阻，譬如由于排水管網處在城市居民區(qū)，會有路面上的樹枝垃圾等流入管網中，日積月累致使管網無法排放足夠的水，引發(fā)雨水污水外溢。因此，市政排水管網發(fā)生管道失效事故，通常不是由單一因素造成的，而是人員、管道及設備、管理和環(huán)境等多種因素之間相互影響、相互耦合的綜合結果。本文在借鑒以往研究成果[6-8]并征詢專家意見的基礎上，參照《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》(GB/T 50476—2008)、《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站維護技術規(guī)程》(CJ 68—2007)、《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》(CJJ 181—2012)和 《城鎮(zhèn)排水管道結構等級評定》(DB11/T 1492—2017)等標準規(guī)范，結合市政排水管網運行的特點，構建了基于“人-機(管道及設備)-管-環(huán)”的市政排水管網風險評估指標體系，見圖1。

圖1 市政排水管網風險評估指標體系Fig.1 Risk assessment index system of municipal drainage network

2 改進的F-ANP方法

本文利用改進的F-ANP方法對市政排水管網運行安全進行風險評估的步驟如下：

2.1 利用改進的ANP方法確定評價指標權重

網絡層次分析(Analytic Network Process,ANP)法是在層次分析(Analytic Hierarchy Process)法基礎上發(fā)展起來的，多被用于復雜繁瑣問題的分析，其宗旨是為了將人對復雜問題的處理方式和思維方式數學化和量化，從而解決現實問題[9]。

ANP方法考慮了元素之間的聯系，在ANP法中，一般將層次分為控制層和網絡層?？刂茖又饕繕撕蜎Q策準則；網絡層中所有元素均是由控制層中的元素控制的，相互之間不是獨立的，網絡層中的每一個元素都可能受到其他元素的影響。ANP層次結構見圖2。

圖2 ANP層次結構Fig.2 ANP hierarchy

傳統(tǒng)的ANP方法采用九標度法，用1～9標度構造判斷矩陣，標度所對應的術語概念模糊，專家的主觀判斷主導標度的確定，因此易使判斷結果背離實際[10]。此外，計算結果需要通過一致性檢驗，若判斷矩陣不具有一致性，則破壞了其優(yōu)選排序的功能，需要重新構造構判斷矩陣，違背了專家的本意且計算量大。改進的ANP方法采用三標度法來構造判斷矩陣，計算結果不需要進行一致性檢驗，不僅提高了精度，而且更加便捷，因此具有較好的適用性[11]。

(1) 構建主準則判斷矩陣：以管道失效事故發(fā)生的可能性為第一準則(控制層元素)，以Ui為子準則(此子準則為各一級指標，網絡層元素)，并以比較間接優(yōu)勢度的方式構建子準則下的判斷矩陣XUi:

(1)

其中：

(2)

(2) 構建次準則判斷矩陣：仍以管道失效事故發(fā)生的可能性為第一準則，再分別以Ui層中的各影響因子Uij為新的子準則(此子準則為各二級指標，即網絡層元素)，求得Uj因素集中各因素對Uij的相對重要性，并構造判斷矩陣：

(3)

對所構造出的各判斷矩陣進行歸一化處理，分別得到第j個子準則下、第i個因素集進行比較的矩陣Wij:

Wij=(X1,X2,…,Xn)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 改進的模糊綜合評價

由于在現實項目中，很多因素是無法進行精準描述的[12]，排水管網的運行安全風險就是屬于這一類，無法精準地判定其風險程度，而只能用一些定性的詞語來描述，如高、較大等。對于這類事件，常采用模糊數學的方法來解決。模糊評價法就是基于模糊數學理論，通過建立隸屬函數或隸屬度概念，用數學語言來描述事物的不確定性，具體步驟如下：

(1) 建立評價指標集U：確定目標事物的評價對象，評價對象U是評價指標的集合，其具有層次性，可構建出多級評價指標體系：

一級評價指標為

U={U1,U2,…,Um}

(8)

二級評價指標為

U1={U11,U12,…,U1i}

(9)

U2={U21,U22,…,U2j}

(10)

Un={Un1,Un2,…,Unk}

(11)

(2) 建立評語集：針對建立的評價對象，對可能產生的結果進行分析，將確定的評價結果用集合的方式表示出來并形成評語集V。一般來說，建立的評語集中評語數量越多，最終的評價結果就越精準，但會造成計算量成倍增加。本文將評價結果分為5個等級，表示風險等級從低到高。建立的評語集如下：

V={V1,V2,…,Vn}

(12)

V={V1,V2,V3,V4,V5}={低，較低，中等，較高，高}

(13)

(3) 單個因素模糊評價：針對每個評價指標確定對應的風險等級叫做單個因素的模糊評價，其中評價指標集到評語集用一個映射來連接，這個映射叫做隸屬函數，即：

f:U→F(V)

(14)

根據相關研究表明，常用的適用于城市市政管線運行安全風險評估的隸屬函數是三角形函數，并且以等差為0.28的三角形分布函數最為準確，該三角形分布隸屬函數有著較好的符合度[13]。

改進的模糊綜合評價法將每個評價指標依據所對應的基礎數據進行風險等級劃分，從而使得每個評價指標都能確定相應的風險等級權重Ai(i為評價指標的風險等級，i=1,2,3,4,5)，借助三角形分布隸屬函數，無需依賴專家逐一給出隸屬度，就能實現大量數據的模糊評價工作。對單一因素j的模糊評價結果為Ej：

Ej=Ai·R

(15)

其中，R代表隸屬函數矩陣。

(4) 多個因素模糊綜合評價：綜合所有單個因素評判結果Ej為新的集合R′，并根據已求得的因素權重W，可得到所有因素對U的綜合影響[14]：

R′=(E1,E2,…,En)T

(16)

E=W·R′

(17)

求解出綜合評判向量E后，判斷評判向量中最大值所處的位置并結合評語集，即可知評價對象U的風險等級[15]。

3 實例應用與分析

本文以蘇州工業(yè)園區(qū)排水管網作為工程實例，采用基于改進的F-ANP方法對其運行安全進行風險評估。

3.1 工程概況

蘇州工業(yè)園區(qū)是地處蘇州城東金雞湖畔的高科技工業(yè)園區(qū)，是現代化、園林化、國際化的新城區(qū)，行政面積達288 km2，下轄4個街道，常住人口約80.78萬人，是中國和新加坡兩國政府的重要合作共建項目。

從蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網運維公司GIS數據可知，園區(qū)內排水管網共有24 436段，除去基礎屬性數據不夠完整的以外，本次針對GIS數據完整的23 341段管段進行風險評估。蘇州工業(yè)園區(qū)內實際排水管網分布見圖3。

圖3 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網分布圖Fig.3 Distribution of drainage network in Suzhou Industrial Park

根據當地水務公司提供的GIS數據，能夠了解到蘇州工業(yè)園區(qū)排水管網工程的概況：園區(qū)內大部分管段服役年限在10年到20年之間，約有14 544段，而服役年限在20年以上的有513段，整體上看大部分管段處于浴盆曲線的第二階段和第三階段，見圖4；園區(qū)內排水管網的材質較多樣，最主要的是塑料管，具體有HDPE和UPVC管，其次是鋼筋混凝土管，除此之外，還有少量的鋼管和球墨鑄鐵管，見圖5。

圖4 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網各管齡占比Fig.4 Proportion of pipe age of drainage network of Suzhou Industrial Park

圖5 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網各管材占比Fig.5 Proportion of pipe material of drainage network of Suzhou Industrial Park

3.2 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網運行安全風險評估與分析

以蘇州工業(yè)園區(qū)內水務公司提供的排水管網GIS數據為基礎，結合相關專家的打分情況，對園區(qū)內排水管網運行安全進行風險評估。

3.2.1 利用改進的ANP方法計算評價指標的權重

以管道及設備風險因素評價為例,采用改進的ANP方法確定該因素各評價指標的權重。邀請對排水管道風險評估有經驗的專家，以管道失效事故發(fā)生的可能性為主準則，以比較設備本體U21、外加保護U22間接優(yōu)勢度的方式采用三標度法構建判斷矩陣：

對上述構建的判斷矩陣進行歸一化處理，組成管道及設備風險因素內的判斷矩陣XU2：

以管徑評價指標U211為次準則，將U21內元素進行兩兩比較得到判斷矩陣：

對加權超矩陣求極限，可得到管道及設備因素各評價指標的權重向量：

P2=(0.166 6,0.166 6,0.166 6,0.173 1,0.077 0,0.077 0,0.173 1)

同理,可以得出其他因素各評價指標的權重，見表1。

表1 蘇州工業(yè)園區(qū)排水管網運行安全風險評估指標 體系的權重Table 1 Weight of index system of operation safetyrisk assessment for municipal drainagenetwork in Suzhou Industrial Park

3.2.2 改進的模糊綜合評價法

各因素評價指標的權重計算完成后，需要進行模糊綜合評價。首先，確定各評價指標的風險等級劃分準則，根據實測數據對每段管段的不同評價指標進行風險等級劃分。以管道及設備因素為例，建立市政排水管網運行安全管道及設備因素風險等級劃分準則如下(見表2)：

表2 市政排水管網運行安全管道及設備因素風險 等級劃分準則Table 2 Criteria for risk classification of pipeline andequipment factors of the operation safety ofmunicipal drainage network

管徑：管徑與管道失效概率呈負相關關系，研究[16-18]表明管道管徑越小，管道轉動慣量越小，彎矩抗性越差，管道結構更容易惡化。我國實際排水管網數據表明，管徑多在DN300～900之間，由此將管徑劃分為5個風險等級。

管齡：管道的服役年限越長，管道受到外界環(huán)境的影響越久，管道結構抗力越差。據統(tǒng)計，我國目前排水管網主要是在20世紀80年代后開始敷設的，由此將管齡劃分為5個風險等級。

管材：混凝土管的失效概率比塑料管要大，但塑料管材擁有更好的抗腐蝕性。結合已有研究[16-18]對雨水管網脆弱性評價管材等級的劃分結論，將管材劃分為5個風險等級。

埋深：排水管道在運行過程中會受到上覆土壓力、地面車輛等荷載的作用，突然的車輛荷載超載會導致管道出現斷裂或破損。但在一定深度內隨埋深的增加管道越安全，由此將管道埋深劃分為5個風險等級。

管長：管道長度越長，管道所跨區(qū)域越大，管網運行環(huán)境越復雜，管道失效風險越大。通過統(tǒng)計目前我國市政排水管網的管長數據得出管道長度主要集中在20～200 m之間，由此將管長劃分為5個風險等級。

防腐措施和警示標志：防腐措施和警示標志難以用定量的語言進行準確的等級劃分，本文依據防腐措施越完善、警示標志越明顯，管道越不易發(fā)生失效事故為原則來進行風險等級劃分，由此將防腐措施和警示標志劃分為5個風險等級。

市政排水管網其他因素的風險等級劃分準則見表3至表5。

表3 市政排水管網運行安全人為因素風險等級 劃分準則Table 3 Criteria for risk classification of human factorsof the operation safety of municipal drainagenetwork

表4 市政排水管網運行安全管理因素風險等級劃分準則Table 4 Criteria for risk classification of managementfactors of the operation safety of municipaldrainage network

表5 市政排水管網運行安全環(huán)境因素風險等級劃分準則Table 5 Criteria for risk classification of environmentalfactors of the operation safety of municipaldrainage network

由于管道數量龐大，依據專家意見得到管道每個評價指標的隸屬度是不現實的。各因素評價指標風險等級劃分完成后，只需要將管道基礎數據對應到相應的風險等級當中，即可進行模糊綜合評價，不必依賴專家給出隸屬度意見。該工業(yè)園區(qū)內某管段管道及設備因素各評價指標實測數據見表6。

表6 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網某管段管道及設備因素 各評價指標的實測數據Table 6 Measured data of pipeline and equipmentfoctors of drainage network in SuzhouIndustrial Park

確定了各評價指標所屬風險等級后，可借助三角形分布的隸屬函數對其進行模糊綜合評價。等差為0.28的三角形分布的隸屬函數矩陣R為

則Ⅰ～Ⅴ級風險等級權重分別為A1～A5：

由公式(13)，可分別得到單個評價指標的模糊評價結果，以上述管段的管道及設備因素為例，分別計算出E21～E27,見表7。完成單一風險因素評價后，結合改進的ANP方法得到的權重值，進行多因素下的模糊綜合評價，其評價結果見表8。

表7 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網某管段管道及設備因素各評價指標模糊綜合評價結果Table 7 Fuzzy comprehensive evaluation results of pipeline and equipment factors of a pipe section in drainage networkin Suzhou Industrial Park

表8 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網某管段多因素各評價指標模糊綜合評價結果Table 8 Fuzzy comprehensive evaluation results of multi-factor indicators of a pipe section in drainagenetwork in Suzhou Industrial Park

由最大隸屬度原則可知，該管段運行安全綜合風險評估結果為Ⅲ級，屬中等風險。同理，可計算得出其他管段的風險等級，為了使每個管段的風險評估結果在GIS上清晰、直觀地表現出來，將風險評估結果導入到排水管網GIS數據中，通過GIS軟件即可展示該工業(yè)園區(qū)內排水管網運行安全風險評估結果分布，見圖6。

圖6 蘇州工業(yè)園區(qū)排水管網運行安全風險評估結果 分布圖Fig.6 Distribution of operation safety risk assessment result of drainage network in Suzhou Industrial Park

經過評估，蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網運行安全主要處于Ⅱ級(較低風險)和Ⅲ級(中等風險)兩個風險等級，其中處于較低風險的管段有21 557段，占總評估管段的92%，處于中等風險的管段共有1784段，占總評估管段的8%。故可以認為蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網整體運行安全風險較低，管理水平較高，不需要進行管理制度和方式的改變。但針對風險評估等級為Ⅲ級即中等風險的管段，由于其具有一定發(fā)生管道失效事故的風險，建議對其進行初步的排查與檢測。

本次風險評估結果表明，蘇州工業(yè)園區(qū)排水管網運行安全的主要風險等級集中在較低風險和中等風險兩種評估結果上，未出現低風險和高風險兩種極端情況，這與評價方法中風險等級的劃分以及支持評估的基礎數據有關。雖然風險等級的類別不多，但不同管段之間運行安全風險的相對大小情況同樣對于水務公司的運維管理具有一定的借鑒意義。

3.3 風險評估結果與檢測數據的對比

為了驗證風險評估結果的合理性，本文將風險評估結果與選取的該園區(qū)內排水管網檢測點處的內部檢測結果進行了對比，具體檢測點位置見圖7,各個檢測點處內部檢測狀態(tài)，見圖8。

圖7 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網檢測點位置圖Fig.7 Location map of detection points of drainage network in Suzhou Industrial Park

圖8 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網各檢測點處內部檢測 狀態(tài)圖Fig.8 Inspection photo of detection points of drainage network in Suzhou Industrial Park

由圖8可見，選取的該工業(yè)園區(qū)內排水管網3個檢測點處都有管道破損現象，其中檢測點1處圖片顯示出管道由于破損已經有漏水事故發(fā)生，檢測點2處則是出現了管道變形和破損現象，檢測點3處管道由于老化已經出現管道破損，并已發(fā)生漏水現象，而這三個有管道失效事故發(fā)生可能性的檢測點在風險評估結果中均顯示為Ⅲ級即中等風險。管道內部檢測情況表明，利用基于改進F-ANP方法得出的市政排水管網風險等級是可信的，該方法能夠較為準確地評估市政排水管網運行安全的風險。

3.4 典型管段的風險評估結果分析

本文選取蘇州工業(yè)園區(qū)內婁葑片區(qū)和唯亭片區(qū)的管段作為典型管段，對其運行安全進行風險評估，其結果見圖9。由圖9可見，此兩處典型管段為蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網安全運行綜合風險較高的區(qū)域，相對較高的風險評估結果(Ⅲ級中等風險)集中出現。由當地水務公司提供的2019年前5個月管道維修記錄可知，一共57次排水管道失效事故中有41次發(fā)生在這兩處區(qū)域，占比高達71.93%，說明此兩處區(qū)域為管道失效事故高發(fā)管段，與風險評估結果相符，同時該評估結果也獲得了水務公司管理人員的認可。

圖9 蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網典型管段運行安全 風險評估結果分布Fig.9 Distribution of operation safety risk assessment result of typical pipe section of drainage network in Suzhou Industrial Park

4 結 論

本文運用基于改進的F-ANP方法對蘇州工業(yè)園區(qū)內市政排水管網運行安全進行了風險評估。先采用改進的ANP法確定評價指標的權重，不僅考慮了評價指標之間的相互影響，而且與傳統(tǒng)的相對獨立評價指標的評估方法相比，可使評價結果更加客觀且符合實際情況；然后利用改進的模糊綜合評價法，借助三角形分布隸屬函數以及對基礎數據風險等級的劃分，實現了大量管道數據的多層次遞階風險評價；最后以蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網作為工程實例，利用改進的F-ANP方法對該排水管網運行安全進行了風險評估，得到該園區(qū)內市政排水管網運行安全的風險等級,同時在蘇州工業(yè)園區(qū)內排水管網中選取了3個檢測點進行了內部檢測，并將風險評估結果與內部檢測數據進行對比，結果顯示兩者符合度較好，表明基于改進的F-ANP方法得到的風險評估結果可以為水務公司提供較為準確的管網維護建議，具有一定的實用價值。