賀笑怡，李德林，董紹環(huán)

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032；3.青島市城市建設(shè)檔案館，山東 青島 266003)

1 引 言

近些年，隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)基礎(chǔ)的日益發(fā)展，城市地下管線安全管理水平得到了逐步提升，但因?yàn)榈叵鹿芫€容量不足、工程隱蔽、老化嚴(yán)重、第三方破壞、無序建設(shè)等問題，城市地下管線安全事故每年都時(shí)有發(fā)生，地下管線安全形勢嚴(yán)峻。2013年11月22日，山東青島中石化東黃輸油管道泄漏原油進(jìn)入市政排水暗渠，在形成密閉空間的暗渠內(nèi)油氣積聚遇火花發(fā)生爆炸，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7.5億元。2021年6月13日，湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖社區(qū)集貿(mào)市場發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿剩刂?021年6月14日，共造成25人死亡，138人受傷。

為強(qiáng)化管理規(guī)劃引領(lǐng)統(tǒng)籌建設(shè)消除安全隱患，2014年6月3日國務(wù)院發(fā)布了關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見(國辦發(fā)[2014]27號(hào))，力爭用5年時(shí)間，完成使用年限超過50年材質(zhì)落后和漏損嚴(yán)重的供排水管網(wǎng)改造；對(duì)存在事故隱患的供熱、燃?xì)狻㈦娏?、通信等地下管線進(jìn)行維修、更換和升級(jí)改造；推進(jìn)雨污分流管網(wǎng)的改造和建設(shè)；推進(jìn)城市電網(wǎng)、通信網(wǎng)架空線入地改造工程；實(shí)施城市寬帶通信網(wǎng)絡(luò)和有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)光纖入戶改造。用10年左右時(shí)間，建成較為完善的城市地下管線體系，使地下管線建設(shè)管理水平能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，應(yīng)急防災(zāi)能力大幅提升。

2 地下管線安全隱患挖掘分析的主要內(nèi)容

(1)通過利用現(xiàn)有掌握的綜合地下管線數(shù)據(jù)普查成果資料，同時(shí)搜集有關(guān)地形圖以及道路、建(構(gòu))筑物等專題數(shù)據(jù)，初步摸清地下管線所在的地理空間位置、分布及周邊環(huán)境等情況。

(2)綜合分析目前地下管線所存在的自身安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，包含穿越交叉分析、安全間距分析、建(構(gòu))筑物占?jí)悍治龅?，作為地下管線數(shù)據(jù)挖掘分析利用的重要輔助技術(shù)手段，為行業(yè)管理部門、安全應(yīng)急部門、專業(yè)管線權(quán)屬單位等提供決策依據(jù)，進(jìn)而采取相應(yīng)的安全措施及時(shí)消除安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，確保城市地下管線運(yùn)行安全。

3 地下管線安全隱患挖掘分析方法實(shí)現(xiàn)

3.1 技術(shù)路線

在本研究中，管線數(shù)據(jù)采用目前青島市已有市三區(qū)綜合地下管線數(shù)據(jù)庫，并收集地形圖等數(shù)字成果資料建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，滿足本研究的實(shí)際需求。管線數(shù)據(jù)挖掘分析工作內(nèi)容主要包括地下管線挖掘分析工具的開發(fā)建設(shè)和綜合分析目前市三區(qū)地下管線所存在的自身安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，編制分析研究報(bào)告。本研究技術(shù)路線流程如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線流程圖

3.2 已有資料收集分析

目前，青島市市三區(qū)地下管線數(shù)據(jù)主要包括普査成果、補(bǔ)測補(bǔ)繪數(shù)據(jù)成果以及竣工測量等數(shù)據(jù)。自2013年以來，青島市市三區(qū)地下管線普查與數(shù)據(jù)更新工作已進(jìn)行了8年，建立了較為完善的綜合地下管線數(shù)據(jù)庫。綜合地下管線數(shù)據(jù)庫的建立，為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)、地下空間開發(fā)利用、城市管理和應(yīng)急搶險(xiǎn)等工作提供了必要的基礎(chǔ)信息支撐。截止到2020年底，數(shù)據(jù)庫中管線數(shù)據(jù)長度一萬余千米，此數(shù)據(jù)庫成果作為本研究數(shù)據(jù)挖掘分析的主要對(duì)象。本研究重點(diǎn)根據(jù)目前所掌握的管點(diǎn)和管線空間信息及屬性內(nèi)容進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)隱患的數(shù)據(jù)挖掘分析。

另外，根據(jù)收集的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，提取其中的道路面數(shù)據(jù)、地上建(構(gòu))筑物數(shù)據(jù)、特殊場所(學(xué)校、醫(yī)院和加油站)數(shù)據(jù)等應(yīng)用于管線數(shù)據(jù)的挖掘分析利用。

3.3 挖掘分析工具算法實(shí)現(xiàn)

針對(duì)管線數(shù)據(jù)，常見的安全隱患分析方法有穿越交叉分析、安全間距分析、建筑物占?jí)悍治?、覆土深度分析和壽命分析等。本文根?jù)掌握的數(shù)據(jù)屬性情況，著重從以下三個(gè)方面對(duì)地下管線數(shù)據(jù)的安全隱患進(jìn)行挖掘分析。

3.3.1 穿越交叉分析

管線穿越交叉分析主要排查分析范圍內(nèi)高危管線與其他類別管溝或高危管溝與其他類別管線段穿越交叉的情況，通過ArcGIS提供的緩沖區(qū)分析、疊加分析、空間統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)現(xiàn)穿越交叉管線段的自動(dòng)提取和統(tǒng)計(jì)分析。具體算法實(shí)現(xiàn)如下：

①以分析范圍內(nèi)某一管溝為例，遍歷選取該分析范圍內(nèi)所有與該管段水平方向有交點(diǎn)的管線段；

②通過利用管段的埋深和管徑值，計(jì)算獲取兩條管段在豎直方向上的空間關(guān)系，包括穿越、交叉等，考慮到部分穿越、交叉情況是由管線數(shù)據(jù)在探測過程中無法有效獲取關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)導(dǎo)致的，因此，在本研究過程中未實(shí)際考慮管線穿越、交叉的情況，僅是根據(jù)數(shù)據(jù)屬性信息分析。

③對(duì)于穿越和交叉碰撞的管線段，計(jì)算兩管線段水平交點(diǎn)處的垂直距離；

④根據(jù)《青島市地下管線探測與信息化建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(2016修編版)》(下稱《導(dǎo)則》)中對(duì)地下管線探查的精度規(guī)定，埋深限差δth為 0.15 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當(dāng) h<100 cm時(shí)，則以 100 cm帶入計(jì)算)，因此，本研究取 15 cm為選取管線與管溝穿越交叉分析結(jié)果的限差，并記錄穿越和交叉管線段的屬性信息；

⑤分別對(duì)每類管溝重復(fù)上述分析；

⑥統(tǒng)計(jì)穿越和交叉的管線段，記錄其位置、類型、垂直凈距等信息，為穿越交叉挖掘分析提供輔助支撐。

3.3.2 安全間距分析

本研究安全間距分析分為水平凈距分析、垂直凈距分析和建筑物間距分析，利用地下管線數(shù)據(jù)以及地上建筑物面數(shù)據(jù)，通過ArcGIS的緩沖區(qū)分析、疊加分析、空間統(tǒng)計(jì)分析等，實(shí)現(xiàn)安全間距隱患管線段的提取和統(tǒng)計(jì)分析。具體算法實(shí)現(xiàn)如下：

(1)水平凈距分析和建筑物間距分析

①以某一給水管段為例，根據(jù)《GB50289-2016城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》(下稱《規(guī)劃規(guī)范》)中對(duì)“工程管線之間及其與建(構(gòu))筑物之間的最小水平距離”的相關(guān)規(guī)定，以給水管線與其他管線間最小安全凈距的最大值為半徑建立緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)多邊形即為該給水管線與其他管線間可能存在的凈距隱患的最大范圍；

②將所有管段和建筑物面數(shù)據(jù)與該緩沖區(qū)多邊形進(jìn)行疊置分析，排除多邊形外的管段，識(shí)別多邊形內(nèi)的管線類型(a、b、c……)；

③以該給水管段為中心，分別以多邊形區(qū)域內(nèi)的a、b、c等類別管線和建筑物面數(shù)據(jù)與給水管線的最小安全凈距為緩沖區(qū)半徑建立緩沖區(qū)，將該緩沖區(qū)與對(duì)應(yīng)類型進(jìn)行疊置分析，緩沖區(qū)多邊形內(nèi)的管段和建筑物面數(shù)據(jù)就是與給水管線間凈距不符合安全要求的數(shù)據(jù)；

④計(jì)算并記錄兩管線段間和管線段與建筑物面數(shù)據(jù)間的最小距離，將該值與《規(guī)劃規(guī)范》中規(guī)定的最小水平凈距作對(duì)比，計(jì)算最小距離與最小水平凈距的差值；

⑤根據(jù)《導(dǎo)則》中對(duì)地下管線探查的精度規(guī)定，平面位置限差δts為 0.1 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當(dāng) h<100 cm時(shí)，則以 100 cm帶入計(jì)算)，取 10 cm為選取管線段水平凈距和建筑物間距的限差，排除最小距離與最小水平凈距差值小于或等于 10 cm的管線段，并記錄管線段的屬性信息；

⑥分別對(duì)每類管線重復(fù)上述分析；

⑦統(tǒng)計(jì)不滿足安全凈距要求的管線段，記錄其位置、類型、水平凈距等信息，為水平凈距和建筑物間距挖掘分析提供輔助支撐。

(2)垂直凈距分析

①以某一給水管段為例，根據(jù)《規(guī)劃規(guī)范》中對(duì)“工程管線交叉時(shí)的最小垂直凈距”的相關(guān)規(guī)定，以給水管線與其他管線間最小安全凈距的最大值為半徑建立緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)多邊形為給水管線與其他管線間可能存在的凈距隱患的最大范圍；

②將所有管線段與該緩沖區(qū)多邊形進(jìn)行疊置分析，排除多邊形外的管線段，識(shí)別多邊形內(nèi)的管線類型(a、b、c……)；

③以該給水管段為中心，分別以多邊形區(qū)域內(nèi)的a、b、c等類別管線與給水管線的最小安全凈距為緩沖區(qū)半徑建立緩沖區(qū)，將該緩沖區(qū)與對(duì)應(yīng)類型進(jìn)行疊置分析，緩沖區(qū)多邊形內(nèi)的管線段就是與給水管線間凈距不符合安全要求的數(shù)據(jù)，并計(jì)算這些管線段與該給水管線段是否存在水平方向上的交點(diǎn)，若存在交點(diǎn)即垂直凈距不符合《規(guī)劃規(guī)范》的要求；

④計(jì)算兩管線段間的水平交點(diǎn)處的垂直距離，將該值與《規(guī)劃規(guī)范》中規(guī)定的最小水垂直凈距作對(duì)比，并計(jì)算與最小垂直凈距的差值；

⑤根據(jù)《導(dǎo)則》中對(duì)地下管線探查的精度規(guī)定，埋深限差δth為 0.15 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當(dāng) h<100 cm時(shí)，則以 100 cm帶入計(jì)算)，取 15 cm為選取垂直凈距不符合《規(guī)劃規(guī)范》要求的限差，排除與最小垂直凈距的差值小于或等于 15 cm的管線段，并記錄管線段的屬性信息；

⑥分別對(duì)每類管線重復(fù)上述分析；

⑦統(tǒng)計(jì)不滿足垂直凈距要求的管線段，記錄其位置、類型、垂直凈距等信息，為垂直凈距挖掘分析提供輔助支撐。

3.3.3 建(構(gòu))筑物占?jí)悍治?/p>

建(構(gòu))筑物占?jí)悍治隼玫叵鹿芫€數(shù)據(jù)和地上建筑物面數(shù)據(jù)，通過ArcGIS提供的疊加分析、空間統(tǒng)計(jì)分析等，實(shí)現(xiàn)建(構(gòu))筑物占?jí)汗芏蔚奶崛『徒y(tǒng)計(jì)分析。具體算法實(shí)現(xiàn)如下：

①以某一地上建筑物面數(shù)據(jù)為例，提取該范圍面，將所有管線段與該多邊形進(jìn)行疊置分析，排除多邊形外的管線段，識(shí)別多邊形內(nèi)的管線段，多邊形內(nèi)的管線段即為被建(構(gòu))筑物占?jí)旱墓芫€段；

②若多邊形內(nèi)的管線段為市政管線接入小區(qū)的管線段，且以上桿點(diǎn)、出地點(diǎn)、示蹤點(diǎn)、起止點(diǎn)作為接入小區(qū)內(nèi)最后一個(gè)點(diǎn)，程序自動(dòng)過濾該部分占?jí)旱墓芫€段；

③計(jì)算占?jí)汗芫€段的長度，根據(jù)《導(dǎo)則》中對(duì)地下管線探查的精度規(guī)定，平面位置限差δts為 0.1 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當(dāng) h<100 cm時(shí)，則以 100 cm帶入計(jì)算)，取 10 cm為選取管線段占?jí)洪L度的限差，排除占?jí)洪L度小于或等于 10 cm的管線段，并記錄管線段的屬性信息；

④分別對(duì)每個(gè)建筑物面數(shù)據(jù)重復(fù)上述分析；

⑤統(tǒng)計(jì)被建(構(gòu))筑物占?jí)旱墓芫€段，記錄其位置、類型、占?jí)洪L度等信息，為建(構(gòu))筑物占?jí)和诰蚍治鎏峁┹o助支撐。

4 地下管線安全隱患挖掘分析示例

4.1 穿越交叉分析

以某十字路口為例，分析范圍如圖2所示，該分析范圍面積約 12 346 m2，地下管線長度約 5 242.53 m，管線段數(shù)287段，其中暗渠管溝約 504 m。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中管線高程屬性信息，結(jié)合本研究算法進(jìn)行穿越交叉分析，分析結(jié)果如圖3所示，該區(qū)域管線與管溝存在交叉的點(diǎn)位共有54處，其中不穿越交叉20處，穿越交叉34處，共34處點(diǎn)位可能存在管溝穿越交叉的安全隱患。

圖2 管線安全隱患挖掘分析范圍圖示

圖3 穿越交叉分析結(jié)果示例

4.2 安全間距分析

(1)水平凈距分析和垂直凈距分析

以某十字路口為例，分析范圍如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中管線高程屬性信息，使用本研究分析方法，結(jié)果顯示水平凈距不符合規(guī)范的有130段，共計(jì) 2 690.4 m；垂直凈距分析顯示管段交叉點(diǎn)位400處，不符合垂直凈距規(guī)范的有114處，占比約28.5%。該分析結(jié)果可作為外業(yè)調(diào)查管線水平凈距和垂直凈距安全隱患的參考資料使用。

(2)建筑物間距分析

以某路段為例，如圖4所示，該分析范圍面積約 5 256 m2，道路南側(cè)有三棟居民樓，地下管線長度約 2 433 m，段數(shù)為205段。根據(jù)庫中現(xiàn)有管線數(shù)據(jù)與地上建筑物進(jìn)行間距分析，其中不符合建筑物間距規(guī)范的管段有23段，共 203.75 m，部分分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 建筑物間距分析范圍圖示

圖5 建筑物間距分析結(jié)果示例

4.3 建(構(gòu))筑物占?jí)悍治?/h3>

以某路段南側(cè)為例，該地區(qū)存在暗渠管線被建筑物占?jí)呵闆r，如圖6高亮部分所示。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行建(構(gòu))筑物占?jí)悍治?，共分析管?12段，總長度 4 745.14 m，其中被建筑物占?jí)汗芏?段，663.28 m，均為暗渠管線，占?jí)洪L度占比約14.11%。該段暗渠因受建筑物長期占?jí)?，易造成管線沉降變形，導(dǎo)致管線破裂，建議作為重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行排查核實(shí)，為相關(guān)部門下一步整治隱患提供重要依據(jù)。

圖6 建(構(gòu))筑物占?jí)悍治龇秶鷪D示

5 總 結(jié)

城市地下管線安全隱患挖掘分析研究是一個(gè)涉及測繪學(xué)、地理學(xué)、城市規(guī)劃學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科的復(fù)雜問題，關(guān)系到人民群眾生命財(cái)產(chǎn)完全和城市地下空間未來的建設(shè)與發(fā)展，不僅對(duì)管線的運(yùn)營管理有重要作用，同時(shí)對(duì)于確保地下管線與城市協(xié)調(diào)發(fā)展，保障城市安全運(yùn)行也有重大意義。

本文根據(jù)地下管線空間布局的特點(diǎn)及原則，確定了一套管線穿越交叉分析、安全間距分析和建(構(gòu))筑物占?jí)悍治龅难芯糠椒?，并以青島市市三區(qū)地下管線數(shù)據(jù)庫部分?jǐn)?shù)據(jù)為例，進(jìn)行了地下管線安全風(fēng)險(xiǎn)隱患的實(shí)例分析。在當(dāng)前我國地下管線安全事故頻發(fā)的背景下，研究成果對(duì)城市地下管線潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患排渣治理具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。