張蓓 謝昱姝 白光 姚衛(wèi)華 尹鑫偉

（北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所，北京 100054）

作為城市生命線系統(tǒng)的重要組成部分，供熱系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是保障居民正常生活的基本條件，是城市功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保證［1］。截至2020年底全國集中供熱面積約122.66 億m2［2］，隨著熱力管網(wǎng)規(guī)模的不斷加大，結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，各種管道事故日益增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在供熱系統(tǒng)事故和故障中，熱力管網(wǎng)故障最為常見。鑒于管網(wǎng)直埋敷設(shè)在交通干線下，其帶壓、高溫的運(yùn)行模式，使得其安全問題不易被發(fā)現(xiàn)。一旦發(fā)生爆管，既會影響居民正常供熱，還可能影響了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行秩序，甚至?xí)斐奢^嚴(yán)重的社會影響。因此有必要對供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)開展相關(guān)研究。

國內(nèi)外學(xué)者使用不同方法對供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)開展研究，黃濤等［3］引入模糊層次分析法，建立了供熱管網(wǎng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，并應(yīng)用實(shí)際工程案例的三段管網(wǎng)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。唐黎明［4］明確了供熱管網(wǎng)安全運(yùn)行的影響因素，并以烏魯木齊某集中供熱管網(wǎng)項(xiàng)目為例，運(yùn)用事故樹分析法和層次分析法建立了風(fēng)險(xiǎn)評估模型，并運(yùn)用ABC 分類法得到了供熱管網(wǎng)項(xiàng)目面臨的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)以及一般風(fēng)險(xiǎn)。朱麗榕等［5］以管網(wǎng)的自身風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)建直埋管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，通過專家打分法和matlab 軟件計(jì)算，量化風(fēng)險(xiǎn)因子的影響程度，構(gòu)建供熱管網(wǎng)運(yùn)行評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。張妍［6］在供熱管網(wǎng)安全評價(jià)研究中引入風(fēng)險(xiǎn)評估，建立供熱風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)系統(tǒng)模型，通過運(yùn)用AHP對供熱管網(wǎng)進(jìn)行量化評估。張繼信等［7］依靠事故樹和事件樹分析得到了導(dǎo)致供熱管網(wǎng)泄漏的基本事件組合和泄漏的主要后果，并建立了基于蝴蝶結(jié)模型（Bow-tie）的潛在危險(xiǎn)因素及后果分析圖，為城市供熱管網(wǎng)的安全管理提供參考依據(jù)。綜上可知，現(xiàn)有供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估主要集中使用層次分析法、事故樹和事件樹開展分析，未有效解決風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)模糊性、隨機(jī)性與不確定性對評估結(jié)果的不利影響，同時(shí)指標(biāo)體系的構(gòu)建未考慮風(fēng)險(xiǎn)屬于可能性和后果嚴(yán)重性的組合［8］。

針對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系構(gòu)建不足，權(quán)重依賴性強(qiáng)等問題，參照現(xiàn)有實(shí)際管網(wǎng)信息和故障分析結(jié)果對供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)可能性和后果嚴(yán)重性進(jìn)行評估，擴(kuò)充和完善供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估的指標(biāo)體系，并利用層次分析法和熵權(quán)法進(jìn)行主客觀組合賦權(quán)，最后通過某城市某區(qū)域直埋供熱管網(wǎng)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可能性和有效性。

1 供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系構(gòu)建

風(fēng)險(xiǎn)是突發(fā)事件發(fā)生的可能性與其產(chǎn)生的后果的組合［8］，依據(jù)此建立涵蓋供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)可能性和事故后果嚴(yán)重性的供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，前者主要是對管網(wǎng)日常的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評價(jià)，包括管網(wǎng)易損性指標(biāo)、腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害、管理因素；后者主要是可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)所產(chǎn)生的損失情況，以爆管危害、影響區(qū)域和人群進(jìn)行預(yù)測評估。

1.1 管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)可能性指標(biāo)

主要用于描述管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的要素內(nèi)容，針對可能性的5 項(xiàng)指標(biāo)，其具體情況分析和評分方法如下。

1.1.1 管網(wǎng)易損性指標(biāo)P1

1）設(shè)計(jì)裕量。設(shè)計(jì)裕量p11主要是依據(jù)管道壁厚實(shí)現(xiàn)對管道安全系數(shù)的評價(jià)，評價(jià)公式見式（1）：

式中，ti為安全系數(shù)的比值；Tri為第i 個(gè)管段的管道壁厚設(shè)計(jì)值；Tdi為第i 個(gè)管段的管道壁厚理論計(jì)算值。安全系數(shù)與設(shè)計(jì)裕量的對應(yīng)關(guān)系見表1。

2）管齡指標(biāo)。管網(wǎng)運(yùn)行信息指標(biāo)p12主要評價(jià)管線運(yùn)行情況，評價(jià)公式見式（2）：

式中，p12i為管齡指標(biāo)，Yri為第i 個(gè)管段的實(shí)際管齡；Ydi為第i 個(gè)管段的設(shè)計(jì)使用壽命。當(dāng)Yri＞Ydi時(shí)，p12i取值為0。

3）埋深指標(biāo)。管線埋深指標(biāo)p13主要評價(jià)管線覆蓋層最小深度（若管段有2 種及以上路面類型，按埋深最淺的情況評分）的情況，具體評分可參考表2。

表2 不同埋深方式的評分

其中每50 mm 水泥保護(hù)層相當(dāng)于增加200 mm的覆土厚度；每100 mm 水泥保護(hù)層相當(dāng)于增加300 mm 的覆土厚度；管道套管相當(dāng)于增加600 mm的覆土厚度；加強(qiáng)水泥蓋板相當(dāng)于增加600 mm 的覆土厚度；警告標(biāo)志帶相當(dāng)于增加150 mm 的覆土厚度；網(wǎng)欄圍住相當(dāng)于增加460 mm 的覆土厚度。

4）施工因素。施工因素p14主要是評價(jià)管線施工單位和施工過程中的情況和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，具體評分可參考表3。

表3 施工因素的評分

1.1.2 腐蝕P2

按照設(shè)計(jì)規(guī)范［9］的要求，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)管道一般無縫鋼管、電弧焊或高頻焊焊接鋼管，對其腐蝕的評價(jià)分為2 部分：

1）電化學(xué)腐蝕p21，參考技術(shù)規(guī)范［10］中陰極保護(hù)電位和雜散電流情況，具體評分可參考表4。

表4 腐蝕情況的評分

2）土壤腐蝕p22，參考檢驗(yàn)要求［11］中土壤電阻率、土壤pH值和土壤Cl-含量情況，具體評分可參考表4。

1.1.3 第三方破壞P3

1）施工破壞。施工破壞p31主要是根據(jù)管線附近施工活動開展情況進(jìn)行評價(jià)，施工的頻繁程度會直接影響管線被破壞的情況，施工越頻繁，被破壞的情況越高，具體評分可參考表5。

表5 施工破壞情況的評分

2）違章占壓。違章占壓p32，此項(xiàng)主要是對違法建筑、構(gòu)筑物及門頭牌匾占壓熱力管道行為進(jìn)行評價(jià)，評分主要根據(jù)占壓后是否采取了相關(guān)措施設(shè)置分?jǐn)?shù)，具體評分可參考表6。

表6 違章占壓情況的評分

3）車輛輾壓。車輛碾壓p33會導(dǎo)致地基沉降，一旦超過允許的變形值，將引起管道破壞，嚴(yán)重威脅著管道的安全運(yùn)行。車輛輾壓A33i，此項(xiàng)主要是針對管線上方道路情況進(jìn)行評價(jià)，評分主要根據(jù)管道上方道路情況設(shè)置分?jǐn)?shù)，具體評分可參考表7。

表7 車輛輾壓情況的評分

1.1.4 自然災(zāi)害情況P4

自然災(zāi)害主要是由于不可抗力導(dǎo)致的地震和寒潮天氣對供熱管網(wǎng)的破壞。

1）地震。地震p41對供熱影響的概率作為評價(jià)指標(biāo)，具體評分可參考表8。

表8 地震情況的評分

2）寒潮天氣。以寒潮天氣p42對供熱影響的概率作為評價(jià)指標(biāo)，具體評分可參考表9。

表9 寒潮天氣影響情況的評分

1.1.5 管理因素P5

1）運(yùn)維水平。運(yùn)維水平p51具體評分可參考表10。

表10 運(yùn)維水平的評分

2）歷史事故影響。歷史事故對于表征結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)具有重要意義，歷史事故影響p52具體評分可參考表11。

表11 歷史事故概率的評分

1.2 管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重性指標(biāo)

管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重性指標(biāo)主要用于描述管網(wǎng)事故發(fā)生造成的后果，針對后果嚴(yán)重性的2 項(xiàng)指標(biāo)，其具體情況分析和評分方法如下。

1.2.1 泄漏危害（S1）

泄漏危害主要是介質(zhì)短期危害性情況，取決于壓力s11（權(quán)重0.5）和規(guī)格s12（權(quán)重0.5）情況，評分分值可參考表12。

表12 溫度和壓力評分

1.2.2 事故影響（S2）

對于城市供熱管線事故影響評估的維度可以劃分為受影響人員和斷供影響2 方面。

1）受影響人員。受影響人員s21包括了用戶數(shù)量（權(quán)重0.15）和用戶類別（權(quán)重0.25）2 方面，具體評分可參考表13。

表13 受影響人員的評分

2）斷供影響。斷供影響s22包括了受影響區(qū)域面積（權(quán)重0.3）和受影響時(shí)間（權(quán)重0.3）2 方面，具體評分可參考表14。

表14 受影響區(qū)域和時(shí)間的評分

2 供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)評價(jià)方法

2.1 風(fēng)險(xiǎn)可能性指標(biāo)評價(jià)

對可能性的5 類風(fēng)險(xiǎn)因素的22 項(xiàng)子指標(biāo)，按照式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中，P為可能性指標(biāo)的分值；Pi為可能性下設(shè)第i個(gè)一級指標(biāo)的分值；Wi為可能性下設(shè)第i 個(gè)一級指標(biāo)分值的權(quán)重；pij為第i 個(gè)一級指標(biāo)下的第j 個(gè)二級指標(biāo)的分值；wij為第i 個(gè)一級指標(biāo)下的第j 個(gè)二級指標(biāo)的權(quán)重。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重性指標(biāo)評價(jià)

對后果嚴(yán)重性的2 類風(fēng)險(xiǎn)因素的4 項(xiàng)子指標(biāo)，同時(shí)考慮供熱系統(tǒng)脆弱性，按照式（4）進(jìn)行計(jì)算得到修正系數(shù)，用以反映供熱事故的無形損失及應(yīng)急管理對后果嚴(yán)重性的影響。

式中，S 為后果嚴(yán)重性的分值；Sk為后果嚴(yán)重性下設(shè)第k 個(gè)一級指標(biāo)分值；Vk為后果嚴(yán)重性下設(shè)第k 個(gè)一級指標(biāo)分值的權(quán)重；skl為第k 個(gè)一級指標(biāo)下的第l個(gè)二級指標(biāo)的分值；vkl為第k 個(gè)一級指標(biāo)下的第l 個(gè)二級指標(biāo)的權(quán)重。

綜合以上評價(jià)得分，得到供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評分R最終得分。

3 基于層次分析法和熵權(quán)主客觀組合賦權(quán)的權(quán)重確定

綜合相關(guān)專家的傾向和經(jīng)驗(yàn)與供熱管網(wǎng)自身的客觀情況，利用組合賦權(quán)法［12］，計(jì)算組合權(quán)重：

為決策者對該賦權(quán)方法與其他賦權(quán)方法的一致性程度在確定組合權(quán)重時(shí)的相對重要性，本評價(jià)對象中=0.7；為決策者對第k種賦權(quán)方法的偏好度，需滿足，本評價(jià)對象中對層次分析法偏好度取0.7，對熵權(quán)偏好度取0.3；由于只有2 種賦權(quán)方法，通過Spearman 相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到賦權(quán)一致性系數(shù)。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)例概況

將風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型應(yīng)用于某城市區(qū)域內(nèi)供熱管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，敷設(shè)方式為直埋和不通行地溝，管材采用預(yù)制直埋管Q235 B，運(yùn)行溫度為150 ℃，運(yùn)行壓力為2.5 MPa，熱水溫度110 ℃，設(shè)計(jì)使用30 a，2007年11月投入運(yùn)行，管線路上方路面有交通干線、人行道、綠化帶等。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)過程

4.2.1 組合賦權(quán)

根據(jù)第3 節(jié)所述進(jìn)行組合賦權(quán)。先聘請多位專家采用AHP 進(jìn)行主觀賦權(quán)，構(gòu)建判斷矩陣，以二級指標(biāo)管網(wǎng)易損性指標(biāo)為例，判斷短陣為：

通過判斷矩陣計(jì)算出主觀權(quán)重；通過熵權(quán)法進(jìn)行客觀賦權(quán)，計(jì)算得到管網(wǎng)易損性指標(biāo)的信息熵值為（0.812 5，0.797 0，0.853 6，0.796 5，0.638 5，0.758 0，0.820 6），代入信息熵計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，管網(wǎng)易損性指標(biāo)層次分析法權(quán)重、熵權(quán)法權(quán)重及組合賦權(quán)法權(quán)重見表15。

表15 管網(wǎng)易損性指標(biāo)權(quán)重

4.2.2 風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果計(jì)算

根據(jù)前述方法，按照案例資料情況對指標(biāo)進(jìn)行評分計(jì)算，無資料指標(biāo)按照平均標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)，風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果如表16 所示。

表16 某城市區(qū)域內(nèi)某段供熱管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果

該區(qū)域內(nèi)供熱管網(wǎng)整體水平處于良好以上水平，其中75%以上的管網(wǎng)處于優(yōu)良狀態(tài)，約25%的管道存在一般的劣化跡象，需要引起關(guān)注，風(fēng)險(xiǎn)在可承受的范圍內(nèi)，但是需要注意的是0.03%的管網(wǎng)需要引起注意，其可能影響供熱管網(wǎng)的正常運(yùn)行。

評價(jià)結(jié)果中，第三方的破壞屬于影響風(fēng)險(xiǎn)等級的主要因素，與第三方造成的城市集中供熱管網(wǎng)損壞事故的出現(xiàn)頻次正逐年上升的趨勢一致，減少土層移動，故意打擊以及重型車輛的通行，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級控制；在我國當(dāng)下的城市集中供熱管網(wǎng)故障中，70%左右都源于城市集中供熱管網(wǎng)的管道腐蝕，由此可見管道腐蝕的嚴(yán)重程度。供熱管網(wǎng)一般采用碳鋼制造，從腐蝕指標(biāo)分析，進(jìn)行有效的陰極保護(hù)電位可以有效控制地下金屬構(gòu)件免遭電化學(xué)腐蝕，降低供熱管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)等級，這與美國、日本和前蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家早在20 世紀(jì)七八十年代就開展較完善的管道陰極保護(hù)技術(shù)相符。從管齡分析中，管齡在5 ～8 a的供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)較為穩(wěn)定，隨著管齡的增加風(fēng)險(xiǎn)等級增加，中等風(fēng)險(xiǎn)占比呈現(xiàn)兩頭高中間低，與故障曲線呈現(xiàn)一致。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果驗(yàn)證

以該區(qū)域的2018—2021年的事故/事件情況為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，事故/事件管網(wǎng)數(shù)量為54 條，對這些管網(wǎng)按照上述風(fēng)險(xiǎn)評估方法進(jìn)行計(jì)算，可知風(fēng)險(xiǎn)級別Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的數(shù)量分別為15、38、1，風(fēng)險(xiǎn)級別Ⅳ、Ⅴ的數(shù)量為0。

利用式（7）對精準(zhǔn)度Ac 進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果驗(yàn)證，可知本次風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果的精準(zhǔn)度為72.2%。

式中，Ni為與風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)的管網(wǎng)數(shù)量。

5 結(jié)論

1）在事故機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有供熱管網(wǎng)的基礎(chǔ)信息，發(fā)揮專家決策者相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了符合實(shí)際運(yùn)行狀況的涵蓋供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)可能性和事故后果嚴(yán)重性的供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。

2）建立直埋供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，基于AHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)進(jìn)行權(quán)重確定，避免了使用1 種賦權(quán)方式導(dǎo)致的指標(biāo)權(quán)重失衡問題。

3）分析某城市某區(qū)域供熱管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀，結(jié)果顯示75%以上的管網(wǎng)處于優(yōu)良狀態(tài)，以既往事故/事件數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，評估結(jié)果的精準(zhǔn)度為72.2%，驗(yàn)證了該指標(biāo)模型和評估方法對于供熱管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估的有效性。