1、供水管網爆管事故分析與對策探討何 芳，劉遂慶（同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）摘要：對爆管的概念進行定義，區分爆管事故與漏水事故，分析爆管產生的原因，總結爆管事故的規律。提出可以建立爆管預測模型，通過科學管理和管網技術改造，有效減少爆管事故的發生率，提高供水系統安全性。關鍵詞：供水管網；爆管事故；預測模型；對策1 引言目前，由于供水管網的老化，管網維護費用不足，爆管問題日益突出。分析研究爆管問題的目的是找出影響爆管的主要因素及其相互作用關系，建立爆管的預測模型，對管網的現狀進行評價，對未來做出預測，建立管網維護管理的決策系統，尋求經濟有效的管網修復和更新策略，實

2、現對管網的科學管理。2 爆管事故的定義與分類管網維護數據文檔記錄是進行爆管分析最重要的基礎資料。不同的供水部門在定義管道漏水和爆管的概念時缺乏一致性，所以在建立維護數據文檔時易引起混亂，對評價配水系統的現狀也會帶來一定困難。因此有必要區分管道漏水和爆管的概念，建立嚴格有效的管網維護記錄文檔，對管網進行有效的管理。爆管是指由于管道的結構性損壞，管道漏水上升到地面，必須立即進行維修的情況。當然，有時爆管事故發生以后，可能數日后才被發現，有時甚至無法發現，這是因為爆管引起的漏水直接進入到附近的排水管渠而無法到達地面。另外，對管道爆裂的不同方式也有必要進行區分，爆管的類型可分為環向破裂、縱向破裂、承口

3、破裂、管壁穿孔。3 爆管事故原因分析與預測3.1 爆管事故原因分析引發管道爆管的原因主要包括 5 類：管道材料和管道接口的原因；管道內外部受壓的原因；溫變應力變化的原因；管道基礎的原因；其他特殊原因。3.2 爆管事故的一般規律導致爆管的機理非常復雜，在現有條件下，對影響爆管的因素進行準確的、定量的描述仍相當困難。此外，由于數據歷史記錄年限短，數據記錄不詳細，所以可以利用的有效數據十分缺乏。國內外許多研究者已經在尋求爆管規律方面進行了一些研究，基本上都是以管網維護數據記錄為基礎，采用統計學的方法得到關于爆管的統計規律。（1）埋地管道壽命周期曲線被稱為“浴缸曲線”，如圖 1 所示2。整個管段的壽命

4、周期可分為 3 個階段。第一個階段是安裝后的初期階段，此時爆管的原因主要是管道施工質量低和管道質量問題。這時爆管事故可能會不斷出現，然后被修復，爆管頻率會逐漸下降。一旦系統通過了這段“童年時期”，就進入了第二個階段。第二階段是管道的“成熟時期”，此時管道的運行相對穩定。只是因為第三方介入或是過重的荷載造成的偶然的爆管，此時爆管頻率較低。第三個階段是管道的“衰老時期”，因為管道老化和退化，此階段爆管的頻率大增。不是每一個管段都會經歷這 3 個階段，每個階段的長短也會不同，這與管段不同的工作條件有關。圖 1 埋地管道壽命周期的“浴缸曲線”（2）管徑與爆管率之間是負相關的，表示管徑大的管段爆管率要小

5、于管徑小的管段的爆管率。一般DN75 DN200 的管段爆管比例最高，有時可占管道總長度的 80%；DN200 DN300 的管段次之可占管道總長度的 30%。（3）爆管時間和氣溫有密切的關系。寒冷的季節爆管率明顯大于其他季節，尤其是在冰凍到解凍期間。例如 12 月和 1 月發生的爆管可占全年爆管總數的 50%以上。（4）目前室外給水管道采用的管材主要有鑄鐵管、鋼管、預應力鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、塑料管等。使用最多的是灰口鑄鐵管，其次是鋼筋混凝土管。大量的爆管事故發生在鑄鐵管上。在城市化進程的不同階段，所采用的管道材料有所不同，當時的管道制造技術和安裝技術水平都對爆管率有較大的影響。使用球墨

6、鑄鐵管可以基本上避免爆管。（5）隨時間增加的石棉水泥管道的爆管主要是以管道環向破裂為主。鑄鐵管爆管率的增大是因為管道受到腐蝕，而管道環向破裂的情況會隨著時間的增加而減少。（6）管壁內外的腐蝕是爆管事故發生的主要原因之一。因出廠的水中需保持一定的余氯，且水中可能含有的各種微量化學成分，故鑄鐵管和鋼管易發生腐蝕。同時，由于管道周邊土壤環境中的電腐蝕等因素也會造成鑄鐵管和鋼管管壁變薄、強度降低，增加漏水和爆管的可能性。（7）管道爆管事故有聚集現象。Goulter 和 Kazemi對管道爆管事故進行時間和空間上的分析后得出結論：有足夠的證據可以證明一次管道維修結束以后很有可能在不久以后會在其附近不斷發

7、生更多的爆管事故。把這種現象解釋為：由于管道的破裂產生的漏水導致了事故點附近的管道基礎損壞；由于維修的需要把管道露出地面，管道周邊的溫度條件發生了變化；在管道維修過程中，事故點附近的管道結構和基礎受到了擾動。城市的老城區發生管道爆管事故聚集的情況要比新城區明顯。（8）管道在經過 2 3 次事故之后就會進入管道事故多發階段。管道發生 2 到 3 次事故前后的事故模式從本質上來說是有區別的，在建立預測模型時應考慮。（9）新安裝的管道爆管的可能性較小，但以后每次發生爆管都會減少后繼爆管發生的時間間隔。（10）管道的爆管率與冬季最大冰凍穿透深度、霜凍指數有關，主要是由于冰凍荷載的加大。在夏季非常干燥的

8、季節，爆管率也會增加，主要原因是土壤收縮增加了作用于管道上的切應力造成的。（11）如果管道連續經歷 2 個寒冷的時間段，第一個時間段的爆管率會大于第二個時間段。原因是第一個時間段的霜凍作用于系統中較薄弱的管段，已經對管網進行一定程度的修復，為管網經歷第二個寒冷期做好了準備。（12）爆管率隨著溫度的降低而增加。有國外學者研究發現爆管率受管道水流溫度的影響要大于環境氣溫的影響，水溫的下降對爆管率有決定性的影響。（13）夜間的爆管頻率要高于白天。3.3 爆管預測模型要想評價管網現狀，對管網進行修復和更新，必須選定一個管網狀態指標。與管道狀態密切相關的管道爆管次數為最合適的評價指標。爆管模型的建立再加

9、上經濟評價模型，可以幫助管網管理者評價管網現狀，制定出合理的管網修復和更新計劃。爆管預測模型可以分為物理模型和統計模型兩大類。3.3.1 物理模型4爆管預測的物理模型是試圖分析作用在管道上的荷載，管道抗荷載的能力，管道內外所受腐蝕的程度、范圍來預測管道事故。導致爆管的物理機理極其復雜，有些情況尚無法完全解釋清楚。這些物理機理包括：管道結構特性、管道材料類型、管道與土壤的相互作用、管道安裝質量；管道內部水流的壓力和管道外部荷載的大小；由發生在管道內外的化學反應、生物反應和電化學反應造成的管道材料腐蝕。物理模型分為單因素的物理模型、確定性物理模型和概率性物理模型。例如：單因素的物理模型中的管道 -

10、 土壤相互作用模型，同時考慮平面上和縱向上的受力。Rajani，Zhan 和 Kuraoka 建立了管道 - 土壤作用分析模型，計算由管道內外部壓力和溫度變化造成的縱向影響。軸向應力x 和圓周應力y 可由式（1）、式（2）計算：式中：Ep 為管道彈性模量；u 為縱向方向 x 上的位移；vp 為管道的 Poisson 比例；p 為線性熱膨脹系數；pi 為管道內部壓力；T 為溫度差；Es 為土壤的彈性模量；D，t 分別為管道直徑和管道壁厚度；ks 為管道 - 土壤的作用模量；x1，x2，x3，k為管道和土壤函數的特性常數。該模型可以對觀測到的一些現象給出正確的解釋。導致管道事故的物理原因分析所需的

11、數據通常不易獲得或者需要高昂花費而獲得。因此，物理模型一般只用于大型的主干管道，因為一旦發生事故，則損失巨大。3.3.2 統計模型3爆管預測統計模型是以管網運行的爆管數據記錄為依據，利用統計的方法建立爆管事故的量化規律。統計模型可以分為確定性統計模型和概率性統計模型。確定性統計模型包括時間指數模型、時間線性模型等；概率性統計模型包括多變量概率模型和單變量組過程概率模型，多變量概率模型還可以進一步細分為比例危險模型、加速壽命模型與實時 Poisson 模型。Shamir和 Howard 利用回歸分析得出爆管預測模型屬于確定性統計模型的時間指數模型，爆管次數和管齡的指數關系為式中：t 為從現在算起

12、的使用年限；N（t）為每年每單位長度爆管的次數；N（t0）為管道剛安裝那一年的爆管次數；g 為到 t 年時的管齡；A 為爆管率增長的系數a- 1.爆管分析預測最終目標是建立更具科學性和準確性的物理模型。一個真正的物理模型應該包括所有導致爆管的因素，而不需要利用統計的方法。其前提條件是要有足夠有效的數據，而要得到這些數據付出的代價過高。所以，統計模型是目前較好的方法，特別是對規模較小的供水系統來說更是如此。目前，即使建立管道爆管統計預測模型也存在較大困難。主要原因有：）缺乏準確的管道特性數據，如管長、管徑、管材等。缺乏準確的、時間足夠長的管道維護歷史記錄，特別是對于那些敷設時間長的管道。值得注意

13、的是，有研究發現預測結果和實際觀測結果的比較表明：長期的維護數據記錄文檔得到的結果不一定比短期維護數據記錄文檔得到的結果好。原因是近年來供水部門開始重視對維護數據的記錄，爆管記錄的完整性、準確性提高。4 爆管事故的對策（1）選用管材時，推薦采用球墨鑄鐵管，采用柔性膠圈接口。（2）提高施工技術，加強施工全過程的質量控制，嚴格按設計要求和施工規范施工。（3）提高管網運行安全數據現場監測技術，加強管網數據收集和建立事故快速反應及處置機制。應充分利用 SCADA 系統對管網進行廣泛長期的數據監測、收集和分析，以取得全面的數據和經驗，了解和掌握管網漏水情況，管道外圍因素變化，地下水文及地質條件變化等實時

14、狀態和變化趨勢。如管道漏水會使地下管道周圍土壤流失，形成土壤中的孔洞，改變管道的穩定性，造成管道爆裂。數據現場監測系統建設和新技術應用是保障管網安全運行的關鍵。為了預防爆管事故，降低爆管事故發生率，需要逐步完善管網壓力、流量和漏水同步實時監測，及時修復管道漏水事故，有效降低漏水率，起到提高水資源利用效率和預防爆管事故的雙重作用。（4）建立以降低漏水和減少爆管事故為目標的運行調度管理模式，制定安全運行技術規范。供水管網運行調度的目標是保證管網供水壓力、流量、水質和安全。到目前為至，供水管網運行調度一般是以宏觀區域壓力和流量調度為對象，以保證管網用戶服務壓力為目標，而對管網安全可靠性，特別是爆管事

15、故預防的調度技術不夠完善。在管網運行調度中，應增加管道安全保護運行調度內容，可采用管道壓力控制閥或減壓閥對重點監控管道進行壓力限制，制定水泵安全開關規程，以防止破壞性“水錘壓力”產生，形成適合管網運行安全技術需求的調度模式，預防爆管事故發生。（5）進行管網漏水和爆裂事故數據和因素分析，制定管網改擴建規劃方案，逐年更新改造管網材料，提高管網抗御災害能力，逐步消除管網爆管事故隱患。通過分析歷史數據，盡可能控制和減少引發爆管的風險因素，把爆管造成的不良影響減到最小。可以從以下 3 個方面進行控制：建立管齡、管道條件及當地環境條件為影響因素的爆管預測或預報模型，得到管網維修和新投資計劃；建立季節氣候為

16、影響因素的爆管事故預測或預報模型，適時改變管網運行操作；建立管道運行壓力和實際操作為影響因素的爆管事故預測或預報模型，為管網優化調度提供依據。（6）建立管網 GIS 信息化管理和管網動態運行模擬軟件系統，建立以運行安全保障為目標的信息化管理平臺。運用計算機信息化管理手段，建立供水管網地理信息管理系統和管網運行動態模擬軟件，可以快速、準確地記錄和查詢管網檔案數據，分析管網運行狀態、壓力分布和壓力變化，掌握和快速分析管網中事故原因、管網安全薄弱環節，對管網中易發事故管道進行實時重點監測，降低爆管率。同時，可以對管網中不同管段進行安全分級、分類，制定管網材料、設備和配件的更新改造優先次序，使管網更新

17、改造投資效益最大，更新改造方案為最優，運行安全性提高最快。參 考 文 獻1 SMITH L A. Option for Leak and Break detection and Repair for DrinkWater Systems. Battelle Press，2000.2 PELLETIER G，MAILHOT A，VILLENEUVE J P. Modeling Water PipeBreaks-Three Case Studies，Water Resources Planning and Management，200（3 3 / 4）：115 - 123.3 KLEINER Y，RAJANI B. Comprehensive review of structural deteriorationof water mains：statistical models，Urban Water，200（1 3）：151 - 164.4