据分析：排水管网病害分析及改造策略
导 读 Abstract
基于排水管网排查数据，利用ArcGIS Pro对排水管网病害情况进行了统计和分析，同时建立了排水管网改造优先级评价指标体系，为排水管网改造工作的开展次序提供了参考。结果表明，地块内排水管道约有1/4出现缺陷，其中结构性缺陷约占60%，缺陷程度较轻（1级和2级）的管道占比略高于缺陷程度较重（3级和4级）的管道；从地块尺度上看，排水管网缺陷等级集中在2~3级，92.17%地块混接点密度低于6.1 个/hm²；但少数地块的混接点密度明显高于其他地块从排水分区尺度上看，老城区的排水管网的缺陷密度较高、缺陷程度较严重、混接点密度较大，新城区结构性缺陷程度较严重。
引用本文：陈俊宇. 排水管网病害分析及改造策略研究［J］. 给水排水，2023，49（9）：137-143.
01、研究范围、研究方法、数据来源
1.1 研究范围
本次研究的范围是厦门市思明区和湖里区的地块内排水管网，排水管道总长5775.85 km，收水面积约92 km²。思明区和湖里区为已高度开发的区域，城镇化率均已达100%，2020年常住人口共211万，人口较为稠密。
1.2 研究方法
1.2.1 排水管网数据统计
提取思明区和湖里区的土地利用现状图中的各个地块范围，利用ArcGIS Pro将排水管网排查数据中的排水管道、检查井等排水设施要素的管道长度、缺陷管道长度、缺陷等级、管龄、是否混接等属性，以及地下水埋深、居住人口、工作人口等信息，统计在各个地块范围内，使每个地块具备后续分析所需的各种属性。
1.2.2 层次分析法
层次分析法是一种系统分析方法，该方法将人对系统的主观判断进行客观描述，实现数量化和层次化，增强决策的有效性，适用于各种决策问题，因此本文采用层次分析法对排水管网改造优先级进行评估。
（1）层次结构的建立。将排水管网改造优先级的相关因素按照隶属关系，划分目标层、准则层和指标层三个层次，建立层次结构。
（2）构造判断矩阵。根据建立的层次结构，构造判断矩阵，对同一层次的指标采用两两比较的方法判断指标之间的重要程度，参照9点标度法对指标之间的重要程度进行赋值，赋值如表1所示。
表1 9点标度
（3）计算指标权重，一致性检验。应用yaahp软件计算权重值，并根据一致性检验结果调整判断矩阵，直至通过一致性检验。
1.3 数据来源
本研究作为2022年厦门市社科重大课题的一部分，排水管网等数据由行业主管部门提供。
02、排水管网改造优先级评价指标体系
2.1 排水管网改造优先级评价层次结构
层次结构的目标层为排水管网改造优先级；准则层是目标层的下层，反映影响排水管网改造优先级的相关因素，包括自然因素、社会因素、管网特征。指标层是指标体系的底层，包含各个具体指标，自然因素的下层指标是地下水埋深，社会因素的下层指标包括工作人口密度、居住人口密度，管网特征包括缺陷管道密度、缺陷管道等级、混接点密度、管龄。层次结构如图1所示。
图1 排水管网改造优先级评价指标体系
2.2 排水管网改造优先级评价指标说明
2.2.1 构建指标体系的思路
本次排水管网改造优先级评价的目标是，在地块尺度上综合评价排水管网病害情况以及排水管网所承受的外部压力情况，以优先改造排水管网病害严重且承受外部压力大的地块为原则，确定各个地块排水管网改造的优先级。排水管网病害情况在准则层中表达为“管网特征”，排水管网承受的外部压力来自于自然和社会，在准则层中表达为“自然因素”和“社会因素”。指标层中的具体指标是从众多自然因素、社会因素、管网特征中分析筛选出能够体现排水管网的病害程度、对排水管网施加的压力程度，且便于在地块尺度上量化的指标。各个指标经过对原始数据的标准化运算，采用层次分析法确定指标权重，最终由各个指标加权计算得出排水管网改造优先级评价结果。
2.2.2 自然因素
在管道施工符合有关规定的条件下，通常排水管网受到的自然因素的影响主要是地下水。地下水通过管道破损处入渗污水管道，会导致污水被稀释、管道高水位运行加剧，进而可能造成污水处理厂进水浓度降低，以及管道缓冲水量冲击的能力和排水能力降低。
我国南方地区地下水位较高，污水管道中地下水比例可高达28%~40%。厦门市水系众多且滨海，临水区域地下水埋深普遍较浅，地下水对排水管网的影响较大。因此本次评价中，自然因素对排水管网的影响用地下水埋深来表达，地下水埋深越浅，对排水管网施加的外部压力越大。
2.2.3 社会因素
社会因素对排水管网的影响主要包括排水户、运营管理、城市建设对排水管网的影响。本次评价的思明区和湖里区为已高度开发的区域，下垫面硬化比例高，同时考虑到在地块尺度上分析城市建设水平难度较大，因此本次评价中不考虑城市建设水平带来的差异。此外，排水管网的运营管理水平难以量化，本次评价中不予考虑。排水户对排水管网施加的压力通过工作人口密度（人/hm²）、居住人口密度（人/hm²）来表征。
2.2.4 管网特征
本次评价中的管网特征体现地块中排水管网的病害情况，包括缺陷管道密度（m/hm²）、缺陷管道等级、混接点密度（个/hm²）、管龄（年）4个指标。
缺陷管道密度为单位面积内的缺陷管道长度，缺陷管道等级由加权平均的算法计算得出。缺陷管道密度、缺陷管道等级的计算方法如式（1）和式（2）所示。
式中 Dek——k地块缺陷管道密度，m/hm²；
Lk·——地块k范围内所有的缺陷管道长度，包括功能性缺陷管道长度和结构性缺陷管道长度，m；
Ak——地块k的占地面积，hm²；
式中 Dfk——k地块缺陷管道等级；
Lki——k地块范围内缺陷管段i的长度，m；
Dki——k地块范围内缺陷管段i的等级，数值范围为1~4，数值根据《城镇排水管道检测与评估技术规程》（CJJ181-2012）中的缺陷等级分类，1代表轻微缺陷，2代表中等缺陷，3代表严重缺陷，4代表重大缺陷。
雨污混接是指在分流制排水系统中，污水错误接入雨水管道或雨水错误接入污水管道的现象，其中污水进入雨水管道可能导致污水直排，雨水进入污水管道会引起污水处理水量的增加、进水浓度的降低、污水管网输送容量被侵占。雨污混接是排水系统中的常见病害，严重影响排水系统的效能，因此本次评价中予以重点考虑。
管龄是影响管道健康程度的重要因素，研究表明，变形、管内障碍物、破损/腐蚀与接口问题等典型缺陷的缺陷率均随管龄增加而逐渐升高，因此本次评价将管龄纳入管网特征指标。
2.3 排水管网改造优先级评价权重
影响因素分级评分如表2所示。如同一地块中，不同区域的地下水位埋深分级不同，以所占面积最大的地下水埋深分级为该地块的地下水位埋深分级；同一地块中排水管道的管龄不同的，取管龄平均值为该地块的管龄。
表2 影响因素分级评分标准
根据9点标度法，指标之间两两比较，得出判断矩阵如表3~表5所示。
表3 A—B判断矩阵
表4 C—B2判断矩阵
表5 C—B3判断矩阵
判断矩阵通过一致性检验，确定指标权重如图2所示。
图2 排水管网改造优先级评价指标权重
03、结果与分析
3.1 排水管网病害情况分析
3.1.1 排水管道缺陷情况分析
排水管道缺陷主要分为功能性缺陷和结构性缺陷两类，其中，功能性缺陷是指导致管道过水断面发生变化，影响通畅性能的缺陷，包括沉积、结垢、残墙、坝根、树根、浮渣等；结构性缺陷是指管道结构本体遭受损伤，影响强度、刚度和使用寿命的缺陷，包括破裂、变形、腐蚀、错口、起伏、脱节、接口材料脱落、支管暗接、异物穿入、渗漏等。本次研究范围内的排水管道中，缺陷性管道长度占比23.97%，缺陷管道中功能性和结构性占比分别为37.64%、62.36%，说明地块内管道整体质量较好，缺陷以结构性缺陷为主。
排水管道缺陷等级分为1、2、3、4级,分别代表轻微、中等、严重、重大缺陷。从缺陷程度来看,此四类缺陷等级的管道占比分别为24.72%、34.26%、17.46%、23.56%,以2级缺陷占比最高,各缺陷等级占比较为平均;1、2级和3、4级缺陷管道占比分别为58.99%,、41.01%,缺陷程度较轻的管道占比较高,说明地块内排水管道缺陷程度整体较轻。地块内排水管网缺陷情况统计如图3所示。
图3 排水管网缺陷情况
从地块尺度分析，本次研究范围内出现缺陷管道的地块面积占所有地块面积的94.19%。在出现缺陷管道的地块中，缺陷管道密度De的平均值为138.4 m/hm²，功能性缺陷管道密度平均值为54.4 m/hm²，结构性缺陷管道密度平均值为86.3 m/hm²，结构性缺陷管道密度明显高于功能性缺陷管道密度；缺陷管道等级Df平均为2.41，其中功能性缺陷管道的缺陷等级平均为2.56，结构性缺陷管道的缺陷等级平均为2.35差异不明显；Df数据分布较为集中，标准差为0.58，距平均值一个标准差的数值范围内，即Df在1.83和2.99之间的地块数量占72.27%，Df数据分布如图4所示。
图4 缺陷管道等级数据分布
图5 排水管网缺陷密度和缺陷等级分布
选取筼筜北4#、17~18号沟、湖光-嘉莲、嘉莲、莲前、前埔、观音山、枋湖、县后东、五缘湾南共10个排水分区作为典型排水分区，并按照老城区、次新区、新城区将排水分区分类如表6所示。
表6 典型排水分区分类
从排水分区尺度来看，筼筜北4#、湖光-嘉莲、嘉莲排水分区的功能性缺陷管道密度较大，同时功能性缺陷等级较高，这说明建设年代较远的排水管道可能功能性缺陷问题更加突出；湖光-嘉莲、嘉莲、观音山、五缘湾南、县后东排水分区的结构性缺陷管道密度较大，说明地块内排水管道可能普遍存在结构性缺陷；莲前、观音山、前埔、县后东、五缘湾南排水分区的结构性缺陷等级较高，这说明建设年代较近的排水管道可能结构性缺陷程度问题更加突出。
3.1.2 排水管道混接情况分析
本次研究的地块内排水管网混接点共有18 706个，出现混接点的地块占所有地块面积的84.51%。经统计，出现混接点的地块中，平均每个地块的混接数量为9.5个；混接点密度平均值为1.7 个/hm²，最大值为61.2 个/hm²，标准差为4.4 个/hm²，距平均值一个标准差数值范围内，即混接点密度低于6.1个/hm²的地块面积占总面积的92.17%，说明各地块的混接点密度差异较小，但少数地块混接点密度大，明显高于其他地块。混接点密度空间分布如图6所示。
图6 混接点密度空间分布
从排水分区尺度来看，筼筜北4#、湖光-嘉莲、嘉莲、17~18号沟排水分区的混接点密度较大，说明老城区的排水管网混接现象较为突出。
3.2 排水管网改造策略分析
3.2.1 排水管网改造优先级评价结果
根据以上建立的排水管网改造优先级评价指标体系，各地块的排水管网改造优先级评分平均为49.1分，最低值为30分，最高值为77.0分，标准差为6.6分，距平均值一个标准差的数值范围内，即排水管网改造优先级评分在42.5分至55.7分之间的地块面积占总面积的70.96%，说明各地块的排水管网改造优先级评分数值总体而言较为集中。排水管网改造优先级评分的空间分布图如图7所示。
图7 排水管网改造优先级评分分布
从排水分区尺度来看，老城区的排水管网改造优先级评分较高，这是因为老城区多临水而建，地下水位较高，排水管网受自然因素影响较大；居住和工作人口较为稠密，排水管网承受来自社会因素的外部压力较大；排水管道缺陷密度、缺陷等级较高、混接点密度较大，且排水管网建设年代较久远，排水管道病害严重。次新区和新城区的排水管网改造优先级评分相当，且新城区的评分略高，这是因为新城区工作人口密度较大，排水管道缺陷、混接等病害更严重。
3.2.2 排水管网改造策略建议
根据排水管网改造优先级评价结果，从地块尺度来看，评分越高的地块，开展排水管网改造的需求越迫切，可优先开展此类地块的排水管网改造；从排水分区尺度来看，老城区排水管网改造需求更加迫切，可优先开展老城区的排水管网改造。此外，从流域尺度来看，筼筜北4#、17~18号沟、湖光-嘉莲、嘉莲的排水管网病害较为严重，可能对其受纳水体的水环境治理造成不利影响，建议重点开展该流域（图8所示）的排水管网改造。
图8 建议重点实施排水管网改造的流域
04、结论与建议
本文基于排水管网排查数据，对排水管网病害情况进行了统计和分析，得出如下结论：
(1)地块内排水管道约有四分之一出现缺陷，其中结构性缺陷约占六成，缺陷等级为1、2、3、4的管道占比较为平均，缺陷程度较轻（1级和2级）的管道占比略高于缺陷程度较重（3级和4级）的管道，说明地块内排水管道整体情况较好；
(2)从地块尺度上看，地块内结构性缺陷管道密度明显高于功能性缺陷管道密度，排水管道缺陷等级在2~3范围内较为集中，且不同地块之间混接点密度差异较小，92.17%地块混接点密度低于6.1 个/hm²，但少数地块混接点密度明显高于其他地块；
(3)从排水分区尺度上看，老城区的排水管网的缺陷密度较高、缺陷程度较严重、混接点密度较大，新城区结构性缺陷程度较严重。
此外，本文采用层次分析法，建立了排水管网改造优先级评价指标体系，计算了各个地块的地下水埋深、工作人口密度、居住人口密度、缺陷管道密度、缺陷管道等级、混接点密度、管龄共7个指标，得出了各个地块的排水管网改造优先级评分，为排水管网改造工作的开展次序提供了参考。从排水管网改造优先级评价结果分析，老城区排水管网受自然和社会因素影响较大、管道病害较严重，改造需求更为迫切。
