0 引言

供水管网的老化将导致供水管道漏损、爆管、水质变差以及水力学性能的降低，增大运行和维护成本，实施供水管网优化维护尤为重要。供水管网中每个管道的自身特点、周围环境以及失效机理不同，所采取的维护技术也有明显差异^[1]。随着科学技术的进步，供水管道维护技术不断更新，呈现发展迅速、范围广和种类多的特点，特别是非开挖修复由于具有不开挖、少开挖地表的特点，20世纪70年代在发达国家兴起，之后逐渐形成产业并得到广泛应用。这些不同的供水管道维护技术具有不同的适用条件、经济成本和效益。合理选择供水管道维护技术，对于提高工程质量、降低成本，减少对环境、交通的负面影响等方面具有重要的意义。

由于供水管网修复技术的参数复杂，实施后效果难于量化评估，当前大多数研究者在单目标优化、多目标优化过程中通常简化考虑维修和更换措施两类，提出管道最佳更换的时间和管道对象，而对于修复技术进行简化考虑为一种或两种类型^[2]。当前，供水管网非开挖修复技术的选择主要以规范法为主，如AWWA^[3]综合考虑了6个主要因素，包括管道面临的问题、水力过程与运行压力要求、管道属性（如管材、位置、管长）、阀门与服务用户特性、维修时间要求、场地特征等，通过一般性的流程进行技术选择，并将修复技术划分为四种等级，成为当前供水管道修复技术选择的重要参考。近些年来，研究者通过设定关键指标（如经济成本等），采用经验分析、层次分析法等进行技术选择^[4]。总体上，我国在供水管网维护技术方面，尚未形成系统化的技术体系，城市供水管网优化维护尚缺乏综合和系统的方法进行技术评估和选择，无法进行多种维护技术进行系统化权衡。本研究结合最新的研究进展，提出了供水管网维护技术的层次化体系架构。探索构建了供水管道维护技术的多阶段递进式优选模式，具有综合性、实用性和可操作性等特点，并以浙江省某县城为典型案例开展应用，旨在为我国供水管网优化维护技术的优选提供基础支撑。

1 供水管网维护技术的层次化体系架构

供水管道修复技术的选择尤为复杂，通常受到诸多因素的影响，如管网技术特征（如管材、管径、工作区要求）、周围环境特征（如土壤类型）、服务用户数量、社会因素以及经济成本等^[5]。欧洲国家公用事业的调查发现表明，供水管道维护的直接和间接成本和管道维护后的改善效果是决策者最主要的决策准则，其次为减少交通中断对道路使用者影响、减少修复工作的持续时间^[6]。本研究在充分融合已有成果的基础上，按照维护技术的修复特点，将供水管道维护技术分为两个大类，开挖修复技术（Ⅰ）和非开挖修复技术（Ⅱ），其中，开挖维护技术包括两个小类：开挖更换技术（Ⅰ-1）、开挖维修技术（Ⅰ-2）；非开挖修复技术包括三个小类：结构性修复技术（Ⅱ-1）、半结构性修复技术（Ⅱ-2）、非结构性修复技术（Ⅱ-3）。供水管道维护的每个小类还具体包含诸多子类技术，如结构性修复技术包括原位固化法（Ⅱ-1-1）、缩径内衬法（Ⅱ-2-1）等，见图1。供水管道修复的小类技术仍可继续细分，如根据内衬材料、安装方式、固化方式（如热水或蒸汽循环、紫外线照射等）、保护层数量等方面的差异，原位固化法技术还可进一步细分，如Parka等^[7]考虑了原位固化法的5种技术类型。受到研究数据可得性的限制，本研究考虑管道修复技术的大类、小类、子类三个层面。

图1 供水管网维护技术体系的层次化框架   

Fig.1 Hierarchical framework of water supply network maintenance technology system

2 供水管道维护技术的多阶段递进式优选模式

供水管道维护技术选择主要目的是通过选取技术可行、经济合理的维护技术，实现管道结构完整、水力可靠、水质安全以及经济合理。本研究创新提出了供水管道包括“可挖性辨识-缺陷性判别-适宜性评估-偏好性优选”四个阶段递进式优选模式如图2所示，其中，阶段一为基于特征参数，进行供水管网维护技术可挖性辨识；阶段二为基于缺陷指数，进行供水管网维护技术缺陷型判别；阶段三为基于匹配系数，开展供水管网维护技术适用性评估，进行供水管网维护技术子类选择；阶段四为基于费用效益，开展供水管网维护技术偏好性评估，在子类技术中进行决策。该技术选择模式从供水管道维护技术的大类辨识、小类判别到子类评估，从供水管道维护技术的评估到优选，实现了逐级细化与不断递进。

图2 供水管网维护技术的多阶段递进式优选模式   

Fig.2 Multi-stage progressive optimization mode of water supply network maintenance technology

2.1 阶段一：基于特征参数的维护管道可挖性辨识

基于维护管道的特征参数，进行供水管道维护技术大类选择，明确是进行开挖维护还是非开挖维护。管道可挖指数计算的特征参数主要包括：(1)道路建设时间；(2)支管弯管数量；(3)开挖深度；(4)地下水埋深情况，(5)交通繁忙程度。各指标及其分级如表1所示，具体计算公式见式（1）～式（4):

 

式中，C_k为第供水管道k的可挖指数，取值如小于3（即属于1,2等级），则采取非开挖修复大类的技术进行管道维护；Z为供水管道可挖性辨识采用的指标个数，即Z=5;U_k,i为供水管道k第i项指标的评级结果，即为1,2，…，4;O_k,i为供水管道k第i项指标的实际值；D_i,m为第i项指标第m分级值，m=1,2，…，4;Round（·）为计算结果取整函数；A_i为指标i的权重，采用变异系数法确定，无量纲；A′_i是第i项指标分级值的标准差；A_i^-是第i项指标分级值的平均值；α，β分别为评价指标的类型，其中α表示该指标越大评价分级越低，β表示该指标越大评价分级越高，下同。

  

表1 供水管道可挖性评价的指标及其分级

Tab.1 Excavation evaluation index and classification of water supply pipeline

 

注：(1)主要参考相关规范如《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332-2002）、《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）等确定；(2)分级参考各繁忙路段车流量调查数据。

2.2 阶段二：基于问题表征的维护管道缺陷性判别

以供水管道所面临的问题为导向，进行维护管道缺陷程度评价，进行供水管道维护技术的小类选择。供水管道面临的问题主要分为两类，即结构性问题或功能性问题。结构性问题表现为结构遭受损伤，管道的强度、刚度和结构稳定性受到影响；功能性问题表现为结构未受损伤，管道的过流能力、水质等受到影响。其中，进行结构性问题的诊断，在很大程度依赖于供水管道结构性直接检测技术的发展；进行功能性问题的诊断，除了供水管道的流量、压力等直接监测外，还依赖于供水管网水力学模型的构建和补充。结构性与功能性缺陷指数计算所采用的指标及其分级如表2所示，具体公式见式（5）～式（12):

 

 

其中，S_k和F_k分别为第供水管道k的结构性缺陷指数和功能性缺陷指数，Q、N分别为供水管道结构性缺陷指数和功能性缺陷指数计算采用的指标个数，即Q,N=4;V_k,i和W_k,i分别为供水管道k第i项指标的评级结果，即为1,2，…，4;O′_k,i和O″_k,i分别为供水管道k结构性缺陷功能性评价的第i项指标的实际值；D′_i,1、D″_i,1为第i项指标第m分级值，m=1,2，…，4;Round（·）计算结果的取整函数；A_i为指标i的权重，采用变异系数法确定，无量纲；A′_i是第i项指标分级值的标准差；A_i^-是第i项指标分级值的平均值。

  

表2 供水管道的缺陷表征指标及其分级

Tab.2 Defect characterization index and classification of water supply pipeline

 

注：(1)管道由于腐蚀或不均匀受力产生细小的裂缝；(2)指标等级的划分主要依据相关规范，如《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）、《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332-2002）等确定；(3)数据分级依据文献[15]。

根据管道结构性与功能性缺陷的特征，供水管网维护小类技术选择原则如下：(1)如果管道结构性较差，则采用结构性修复技术、开挖更换为主的技术；(2)如果管道结构性中，通常采用半结构性修复技术、开挖维修为主的技术；(3)如果管道结构性好，但功能性差，主要采用非结构性修复技术、开挖维修为主的技术；(4)对于结构性好，功能性好的管道，可不采取维护措施进行持续观察，具体如表3所示。

  

表3 供水管网维护的小类技术选择矩阵

Tab.3 Sub category technology selection matrix of water supply network maintenance

 

2.3 阶段三：基于匹配关系的维护技术适宜性评价

不同的供水管道维护技术适用于不同管径、埋深、地质条件等条件。针对供水管道面临的问题类别，基于设计参数与施工要求等进行管道维护技术适用指数计算。技术适用性通常考虑如下方面的指标匹配要求：(1)管道特征：管材、管径、管道横截面形状、最大允许转角；(2)施工要求：交通疏解要求、场地要求等。对于特定供水企业，可通过询问用户一些施工相关问题，去除不符合的技术措施，代表性指标如表4所示。这些项指标作为刚性指标，任何一项不符合匹配参数的技术要求去除该技术，具体计算公式见式（13）～式（14):

 

式中，M_j,k为第j项维护技术对供水管道k的适用指数，如果该指数非零则不符合要求；F_k,i为供水管道k第i项指标的实际值；L_j,i为供水管道k第i项指标的技术要求；R为供水管道技术适用性评价的指标个数；X_j,i,k为第j项修复技术第i项对供水管道k符合性系数，为0,1变量。

2.4 阶段四：基于费用效益的维护技术偏好性优选

在适用性技术初选基础上，进行不同供水管道维护技术的偏好性评估。根据决策者特征确定决策方法，非理性决策者通常采用随机决策、模仿决策、惯性决策等方式，理性决策者采用费用、效益核算方法，计算倾向指数（P_j,k）。其中，(1)费用应从供水管道的全生命周期视角进行核算，考虑全部成本，包括直接经济投入以及间接社会与环境影响费用。根据维护管道管径的不同，维护技术的单位成本也有所差异^[8]。本研究在文献调研、市场调研的基础上，给出了代表性指标如表4所示。通常管道不同状态，维护技术取高低值范围不同，对于状态较差的管道，通常取高成本。(2)效益主要包括管道生命周期的延长、状态指数的变化、管道粗糙度、管网可靠性的变化等^[9]。维护技术倾向指数的计算公式见式（15）和式（16):

  

表4 供水管道维护技术适用性评价指标

Tab.4 Applicability evaluation index of water supply pipeline maintenance technology

 

注：(1)工厂制作管径为100～300mm，现场制作管径为100～1 600 mm;(2)离心法管径为200～600mm；高压气体法管径为≤150mm;(3)管材通常为混凝土、钢、铸铁等。

 

其中，P_j,k为第j项维护技术对供水管道k的倾向指数，如该指数非零则不符合要求；G_j,i为供水管道修复技术j第i项指标的实际值；H_k,i为供水管道k第i项指标的偏好性要求；T为供水管道技术偏好性评价的指标个数；Y_j,i,k为第j项修复技术第i项对供水管道k符合性系数，为0,1变量。

  

表5 供水管道维护修复技术偏好性评价指标

Tab.5 Preference evaluation index of water supply pipeline maintenance technology

 

注：(1)汇率按照1美元=6.5元（人民币）计算。

3 技术应用分析

3.1 案例区供水管网概述

以浙江省某县城作为案例区，开展管道维护技术的递进式选择模式应用分析。该案例区供水管网空间分布如图3所示，共包括68个节点，94条管段，1个水厂，供水管道总长约37.5km。根据石小林等^[15]基于三角模糊数的贝叶斯供水管网评价模型研究，该案例区中健康评价等级为Ⅲ类的有3个供水管道，具体为53号管道（位于新建路），55号管道（位于新建路）和71号管道（位于城南路）。其中，53号管道、55号管道管径偏小、埋深较浅，处于车流量大的路段，防腐层均有一定程度的破坏；71号管道管龄较长，且使用的是应该淘汰的混凝土管，存在安全隐患。

图3 研究案例区的供水管网分布   

Fig.3 Distribution of water supply network in case study area

3.2 递进式选择模式的应用分析

采用“可挖性辨识-缺陷性判别-适宜性评估-偏好性优选”多阶段递进式优选模式，针对案例区的供水管道及其环境特征优选维护技术，具体如下：

阶段一基于特征参数的维护技术性辨识结果如表6所示。53号、55号和71号供水管道的可挖指数分别为3、3和2。因此，53号、55号供水管道可采取非开挖修复大类的技术进行管道维护，而71号供水管道可采取开挖修复大类的技术进行管道维护。

  

表6 案例区供水管道的可挖指数评价

Tab.6 Excavation characteristics of water supply pipeline in case study area

 

阶段二基于缺陷表征的维护技术缺陷性判别结果如表7所示。53号、55号和71号供水管道的结构性缺陷指数分别为2、4和2，功能性缺陷指数分别为3、4和4。基于供水管网优化维护技术类别选择矩阵（如表3所示），53号供水管道主要采用结构性修复技术，55号供水管道可采用非结构性修复技术，71号供水管道可采用开挖更换修复技术。

  

表7 案例区供水管道的缺陷指数评价

Tab.7 Defect characteristics of water supply pipeline in case study area

 

注：(1)数据来源文献[15]。

阶段三基于匹配关系的维护技术适宜性评估结果如表8所示。53号供水管道可采用原位固化法、缩径内衬法、穿插法、碎（裂）管法等技术进行维护，55号供水管道可采用水泥砂浆喷涂法、环氧树脂喷涂法修复技术进行维护，71号供水管道可采用开挖更换修复技术进行维护。

  

表8 供水管道维护技术适用性特征

Tab.8 Applicability characteristic of water supply pipeline in case study area

 

阶段四基于费用效益的维护技术偏好性优选结果如表9所示。综合考虑经济成本、使用寿命偏好性指标，选择成本较低、使用寿命较长的修复技术，53号供水管道采用缩径内衬法进行维护，55号供水管道采用水泥砂浆喷涂法进行维护，71号供水管道采用开挖更换进行维护。

  

表9 供水管道维护技术的偏好性特征

Tab.9 Preference characteristics of water supply pipeline in case study area

 

4 结论

研究构建了供水管网维护技术的层次化体系架构，提出了供水管道维护技术的多阶段递进式优选模式，包括“可挖性辨识-缺陷性判别-适宜性评估-偏好性优选”多个阶段，以浙江省某县城为案例区开展应用，为供水企业管网维护决策提供了支撑。递进式选择模式实现了从大类、小类到子类，从技术评估到技术优选，实现逐级递进，有利于提高供水管网维护决策的科学性和合理性。当前，技术选择过程中仍然存在较大不确定性，这主要是由于研究者或决策者对各项技术措施带来的效果、经济费用等仍缺乏精准的认知。及时有效地获取供水管道维护技术及其使用材料的有效性、持久性以及生命周期成本等方面动态而可靠的数据，对于提高管道维护技术优选的精准性尤为重要。未来时期，随着供水管网实时监测、检测技术的日益进步以及供水管网智慧平台的不断建立，供水企业决策者将不断寻求以技术选择的递进式模式为内核，构建直接服务于其管网维护管理的智能化、精准化决策支持平台，从而提升其供水管网规划、建设和管理的现代化与信息化水平。

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褚俊英