基于GIS 信息的供水管网更新改造探讨

杨 弦，顾丽华，樊敏敏，陶 杰

(上海浦东威立雅自来水有限公司，上海 200127)

在社会对供水服务要求不断提高的背景下，供水企业需要围绕提高管理水平和强化成本控制的双重目标优化管网资产管理。一方面，加强城市供水管网漏损控制，合理利用水资源，减少无收入水量，降低城市供水成本，保证城市供水压力;并不断改善输水水质，避免因管网材质、状况等原因造成二次污染。另一方面，控制管网改造所需的固定资产投资和养护成本费用，提高运营和养护水平。因此，管网更新改造作为管网资产管理的重要工作之一，就显得尤为重要。

1 浦东供水管网系统现状

截止到2013年底，浦东威立雅供水范围672 km2，管道总长度约5 255 km(包括原13家乡镇水厂供水的集约化地区)。口径在DN200以下的管道1 948 km，DN200～DN500的2 160 km，DN500以上的1 147 km。管材按长度由高到低排序，依次为球墨铸铁管、PVC管、PE管、铸铁管和钢管。2013年DN200以下管道的漏点数约3 768次、DN200以上的265次(包括主动和非主动探漏)。

浦东威立雅高度重视GIS系统的开发和应用，从合资伊始就投入大量的资源进行GIS系统的建设，收集的信息包括管道、阀门、消火栓、水表构件的属性信息以及GPS定位信息［1］。经过基于C/S结构的GIRIS系统、基于B/S结构的网络版GIS系统WebGIS这一系列演变之后，于2013年完成GIRIS系统到ArcGIS系统的升级以及WebGIS的二次开发。这些工具的开发和应用极大地提高了公司的管网管理水平。

目前的系统以ArcGIS为信息平台、管网数据为基础、地理数据为支撑，并与多个管网业务系统充分结合，可以读取管网信息(自GIS)、运行信息(自控制中心SCADA)、客户投诉信息(自呼叫中心)、养护信息(自PDA工单管理系统)、客户服务信息(自CSMS)、水质信息(自Aqualab)、帕玛劳、水力模型、消火栓监测、Aquadiag、管网土壤取样检测结果等。浦东威立雅综合以上信息的检测结果，用以实现更高效的管网运行管理。

2 管网改造政策背景及依据

根据国务院【2012】3号文件《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》，要求主管部门和各地政府分别贯彻实施，编制了相关标准和行动指南，以切实保障饮用水安全。

住房和城乡建设部针对我国城镇供水设施现状和存在问题，组织编制了《城镇供水设施建设与改造技术指南》(2012年10月)，提出了系统、全面、可行的技术对策和措施。在管网建设和改造方面，分别建议了建设和改造的优先考虑因素、综合方法(管网地理信息系统、水力模型和水质模型、漏损检测等)、管材选择和施工技术等。另外，在《城市供水管网漏损控制及评定标准》(CJJ 92—2002)中指出［2］，供水企业编制管网改造工作计划应符合:

(1)结合城市发展规划，应按10年或10年以上的发展需要来确定;

(2)结合提高供水安全可靠性;

(3)结合改善管网水质;

(4)结合改进管网不合理环节，使管网逐步优化;

(5)漏水较频繁或造成影响较严重的管道，应作为改造的重点;

(6)具体改造计划通过上述因素的综合分析比较，加以确定。

在国家政策及行业标准的指导下，上海市供水管理处牵头对上海供水管网漏损因素及控制进行分析评价，组织编制了《上海市降低供水管网漏损率、产销差率行动指南》(2013年2月)，提出管网改造的依据和实施计划如下［3］:

(1)从管道材质本身角度:年久老化、材质差、无内衬、非标等管道;

(2)从管道爆管/漏损统计角度:易漏、易爆管道;

(3)从服务质量角度:依据用户水压、水质的投诉信息，结合管道的漏损维修记录;

(4)从水力工况角度:运用水力模型模拟筛选。

3 改造决策方法探讨

供水管网优化问题求解的前提条件是确定优化改造问题的决策变量，即确定改造管段。决策变量选择的正确与否直接影响着最终改造方案的优劣程度［4］。

在进行改造决策优化前，浦东威立雅基于以上管网改造依据，优先考虑更换水泥管、白铁管、铸铁管;对于其他材料的管道，通过割管目测来判断其内外衬完好状况、沉积物堵塞程度、管道腐蚀情况，结合该管道铺设年代、水质水压投诉和养护修漏记录的多少，来判断其更换必要性。同时考虑的决策因素包括服务水压、水质和管道状况、投诉记录、工程结合条件等。

这些依据已经较全面，但在管道腐蚀程度和剩余使用寿命判断上还缺乏量化的科学依据，也无法区分水黄问题的真正来源(如:小区内地下管道、小区内加压泵站等二次供水设施，或是小区外市政管道)。因此，为了更科学地讨论管道更新的必要性，评价更新后的效果，浦东威立雅引进了一系列新的评价手段和方法，如:管道状况和土壤腐蚀性实验室检测、流动管网检测技术Aquadiag、管网安全统计分析软件MOSARE等，完成从事后性决策到预防性决策的转换。

3．1 管道状况检测

管道取样检测是掌握管道状态的科学手段，用于推断管道使用寿命，建议或验证改困/改造计划和方案。对于旧管道检测，结合其铺设环境周边的土壤腐蚀性水平，进行管道材料分析(包括基本形貌、内外表面基本信息、厚度分析、金相分析、力学性能、管道状况)，并预测其剩余使用寿命，为管道更新改造提供科学依据。检测结果(土壤和旧管)导入GIS系统，丰富了管网资产管理数据库中的管道数据和环境数据。另外，新管道检测还能为管道供应商和施工单位的选择及评估提供参考，避免管道质量问题引起的后续维修和更新。

仅2013年，浦东威立雅送检的管道样品有69个，针对MOSARE(3．3)建议的高故障率管道、对供水安全有重要意义的管道(特别是大口径管道)、列入改造/改困计划的管道、集约化地区旧管道，检测结果为掌握管道状况、制定或验证管道改造/改困提供了大量数据支持。尤其值得一提的是，对于缺少GIS信息的集约化地区，管道检测结果无疑是宝贵的信息来源。

3．2 土壤腐蚀性检测

土壤检测着重分析管道铺设土壤环境的湿度、质地、电阻率、pH和土壤异质等，综合反映其腐蚀性。对于大口径新排管道项目，在管道采购前进行铺设沿线离散点土壤检测研究，对位于强腐蚀性区域的管段制定相应的外防腐方案，以延长使用寿命，降低管道漏损，减少更新改造投资;旧管道与周边离散点土壤腐蚀性检测结果进行匹配，可协助预测管道实际剩余使用寿命。

浦东威立雅还将土壤检测结果录入GIS系统，达到一定足够数量后，根据离散采样点的空间分布将土壤采样点在地图上可视化，创建连续的“土壤腐蚀性表面地图”。截止到2013年底，浦东威立雅已完成土壤样品送检78个，绘制的土壤腐蚀区域图如图1所示，初步反映了供水区域内土壤腐蚀性的分布情况。

图1 土壤腐蚀区域图Fig．1 Area Chart of Soil Corrosion

3．3 Aquadiag

为加强地下供水管网资产的管理，浦东威立雅引入了移动管网检测技术和设备Aquadiag。这一技术是威立雅集团下属SADE公司为地下供水管网开发的、非破坏性的移动诊断技术。其最大优点之一就是能够在不进行路面开挖和不断水的情况下，采集、检测管网水样本，从而全面评估供水管道的运行情况。

作为一个对管网水质、管道状态进行检测的多参数移动平台，Aquadiag通过车上配备的水流回路和检测设备，从消防栓上获取水样，并利用车载实验平台进行分析。在高低流量下，可以采集以下参数:流量、压力、浊度、温度、pH、电导率、总铁、悬浮物、锰、硬度、溶解氧、余氯、总氯、氯化物、硫酸盐、碱度、一氯胺、游离胺、亚硝酸盐、总大肠杆菌、E大肠杆菌以及LSI和Larson这两个通过计算得到的指数。其中，高流量下检测项目(包括5 min浊度、悬浮物、总铁和流量)的综合评分反映管网参数。经过近两年的应用，Aquadiag在管网状况和水质管理方面的作用逐步得到广泛认可，并于2013年12月获得“上海市企业管理现代化创新成果”三等奖。

Aquadiag主要判断水质及水质相关的管道状况;3．1的管道材料检测主要判断管道的剩余使用寿命。二者结合，为验证管道改造(主要是≤DN300的管道)方案提供双重依据。

3．4 MOSARE

MOSARE作为威立雅水务开发的管网安全统计分析软件，是管网管理的辅助决策工具。通过对GIS数据库数据进行管网老化统计分析，预测管道故障概率的高低排序。在众多管道故障率统计预测方法中，MOSARE软件采用泊松定律和生存率定律，将GIS系统中的管网信息进行归类分析，图示不同管径不同年代管道故障率分布情况，并评估不同管道属性(如管径、管材、铺设年代、道路负荷、水压等)对管道故障发生所具有的影响，从中找出真正的影响因素。根据这些因素对管道进行分组，认为同组管道有类似故障类型和故障概率(预计爆管次数/(km·年))，计算不同管道组的故障率或者到下一次故障前的剩余寿命，从而筛选出预测到故障率高的管道。图2、表1和表2分别列出了历史故障分析、高风险管道组别和多指标分析权重分配。

图2 历史故障分析图表Fig．2 Analysis Diagram of Historical Failure

在完成故障率评估之后，再加以多指标分析(如:反复维修费用指数、中断客户供水数量影响指数、管道水力重要性指数、潜在漏失水量指数、中断敏感用户供水影响指数、交通中断影响指数、敏感区域爆管事故影响指数等)，结合故障带来的后果及管道更新的可能性，进行管道故障后果评估、综合风险评分和管道更新优先度计算方法，最终筛选出应该优先更新改造的管道清单。

2012年的MOSARE分析报告筛选出17条建议优先更新的大口径管道(DN300以上)，其中7条于2012年完成更新，剩余7条列入2013年度更新计划。该项技术在今后管网更新改造的科学决策过程中，还将继续发挥重要作用。

表1 高风险管道组别清单Tab．1 List of High-risk Pipe Category

表2 多指标分析权重分配Tab．2 Multi-index Analysis of Weight Distribution

4 结语

浦东威立雅的管网改造工作立足于现状，并在传统改造依据基础上，着眼未来，引进管道和土壤腐蚀性检测、Aquadiag检测、MOSARE分析等国外先进经验，完成了从事后性决策到预防性决策的转换。在管网信息采集和分析、明确高风险管道、科学制定经济有效的管网改造计划方面，浦东威立雅迈出了领先的步伐，也可为国内其他城市的管网改造提供借鉴。

［1］戴婕，王雪峰，张东，等．博园区浦东片供水管网安全保障技术集成［J］．给水排水，2011，36(11):115-118．

［2］CJJ 92—2002，城市供水管网漏损控制及评定标准［S］．2002．

［3］上海市供水管理处．上海市降低供水管网漏损率、产销差率行动指南［R］．2013．

［4］金溪．供水管网改造多目标优化理论研究与应用［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008．