科技动态|城市污水干管运行风险评估方法指标体系与评估准则的研究
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谢震方. 城市污水干管运行风险评估方法指标体系与评估准则的研究[J]. 净水技术, 2019, 38(6): 1-10.
XIE Z. Research of indicator system and evaluation criterion for urban sewage mains operation risk assessment method[J]. Water Purification Technology, 2019, 38(6):1-10.
谢震方
（上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司， 上海 200082）
编辑札记
近些年来城市内涝时有发生，城市排水系统逐渐成为行业关注的焦点。污水干管作为城市排水系统的重要组成部分，建立污水干管的评估指标体系和完善的评估模型显得尤为关键。现将《上海市中心城区污水干线收集系统现状分析及能力评估》研究成果分享给行业人士，希望可以为相关研究提供技术参考。
排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和城市排水防涝、防洪的骨干工程。污水干管作为排水系统的重要组成部分，在其中发挥着核心作用。随着城市建设日新月异的发展以及环境要求的不断提高，城市排水系统规模日益扩大，管理水平的要求也越来越高。
风险评估是量化评估某一事件或者事物带来的影响或损失的可能程度。风险评估可发现系统潜在运行风险，及早采取应对措施，对保障系统安全运行有重要指导作用。近年来国外有学者开展了污水干管风险评估的研究，但国内对于污水干管的技术评估目前没有形成全面的评估指标体系和完善的评估模型。
课题概况
2017年度上海市“科技创新行动计划”社会发展领域项目“上海市中心城区污水干线总管连通和调控关键技术研究”项目的子课题三“上海市中心城区污水干线收集系统现状分析及能力评估”（项目编号：17DZ1202603）。
研究内容
针对上海中心城区污水干线总管系统实际运行状况，探明影响污水干线总管系统运行的重要因素；采用环境风险评价、层次分析法等科学手段，开展上海中心城区干线总管和主要节点泵站的收集能力、输送能力和跨区调度能力等方面评估；确立现有干线总管系统在正常排水条件、管道及设备检修状态、超限水量和突发灾害性事件下的潜在安全风险，划分干线总管各管段重要性等级，并识别干线总管系统风险管段。
研究成果
城市污水干管运行风险评估系统
城市污水干管运行风险评估方法从风险发生可能性和风险发生后影响两个方面建评估指标体系，其中风险发生可能性由物理特性、运行状况、外部环境、性能表现四个方面构成，风险发生后影响由系统影响、社会影响和环境影响三个方面构成。每个方面通过具体的评价指标来开展评估，比如物理特性指标的具体评价指标包括管段材料、施工方式、密封材料、防腐措施和支线连接数。城市污水干管运行风险评估体系层次结构图如图1所示。
图 1 城市污水干管运行风险评估体系层次结构图
城市污水干管运行风险评估指标评价准则
城市污水干管运行风险评估体系具体评估指标根据其物理意义、表现形式以及资料情况，可以分为定性指标与定量指标。
定性指标
定性指标需要对具体指标设置不同的评价等级，并赋予每个等级相应的评估分数，便于详细评估。城市污水干管运行风险评估体系中定性指标有17项。
（1）管段材料
污水干线总管承担着城市污水收集与集中输送排放的任务，管段材料对工程的质量、造价及环境效益有着较大的影响。由于设计年份不同，采用的设计标准和施工方式存在一定的差异，导致不同时期管道选用的管段材料亦各不相同。目前污水干线总管的管材主要有混凝土管、钢筋混凝土管、钢管、铸铁管等，其中采用混凝土材质管道是排水干管管材的主流。混凝土是一种在常温条件下就能从液态向固态转化并产生高强度的独特材料，按照制备方式可分为预制结构与现浇结构。参考工程案例，现浇结构管道或箱涵容易受到现场施工条件影响，钢筋骨架尺寸准确度差，焊接牢固性差，混凝土现场浇筑只能采用振动成型，混凝土易产生离析、分层、局部产生不密实，抗渗性差[7]。而预制管段或箱涵一般在工厂机械化生产，生产原材料、半成品、成品有严格的检测手段，整个生产过程处于严格的控制状态，钢筋骨架尺寸准确，焊接牢固，整体受力性好，混凝土密实度好，强度高，抗渗性能好[8]。因此现浇结构混凝土材质管段在运行风险上大于预制结构混凝土的管段。
本研究将管段材料按预制结构与现浇结构分为两个等级，并设置相应的评估分数（表1），分数越高，代表管段材料发生风险可能性越大。
表1 管段材料等级及评估分数
（2）施工方式
污水干线总管常用施工方式可分为开挖施工和非开挖施工，其中非开挖施工主要有盾构施工和顶管施工两类方法。施工方式由管道建设年限、施工现场条件、工程规模等因素决定，同时施工方式决定了管段材料，衔接方式等。与开挖施工相比，非开挖施工的管段设计规格上要求更高，而且管段材料为预制结构，且施工质量受气候条件和地层条件影响较少，因而非开挖施工的管段运行安全性优于开挖施工。非开挖施工中顶管施工的运行风险优于盾构施工，主要体现在以下几个方面：
①结构的承载体系：顶管施工无论外水压力和内水压力均作用在管段整体结构上，承载体系清晰，结构强度易保证；而盾构施工一般以双层结构（即外衬砌+内衬）为主，内衬施工是分段分批实施，容易导致双层结构之间承载分配的不均匀，增加工程风险。
②防水性能：由于盾构的管节间纵向、环向的接头数量较多，对于需承受一定内水压的排水管道来说存在一定的渗漏风险，而顶管法的管段制作和养护工艺均在工厂完成，混凝土管壁有较好的水密闭性能，容易使接缝达到密封防水要求。
③抗腐蚀性：顶管为成品制作，采用橡胶圈密封，且接口较少，内壁可采用涂料防腐，而盾构由于接口较多且接口处多采用螺栓连接，容易发生锈蚀。
本研究将施工方式分为开挖施工、盾构施工和顶管施工三个等级，并设置相应的评估分数（表2），分数越高，代表施工方式发生风险可能性越大。如果管段存在多种施工方式，则以占管段总长度比例最大的施工方式作为该管段的施工方式。
表2 施工方式等级及评估分数
（3）密封材料
污水干线总管的不透水性和耐久性，在很大程度上取决于敷设管道时接口的质量，管道接口应具有足够的强度、防渗漏、能抵抗内部输送污水或外部地下水的浸蚀并有一定的弹性。按接口的弹性，一般分为柔性接口、刚性接口和半柔半刚接口三种形式。柔性接口允许管道纵向轴线交错3~5 mm或交错一个较小的角度。而不致引起渗漏。刚性接口不允许管道有轴向的交错，常用的刚性接口有水泥砂抹带接口、钢丝网水泥砂浆抹带接口。半而柔半刚性接口介于这述两种接口形式之间，常用的是预制套环石棉水泥接口。
柔性接口一般通过定型密封材料（止水带、止水条）进行防水处理，止水带根据材质可分为橡胶类、塑料类、金属类和复合材料类。复合材料类密封材料结合多种材料特点，抗渗漏性能优于其他三种单一材质的密封材料。比如采用镀锌钢边橡胶复合式止水带，基本上可以克服纯橡胶桥式止水带的这些不足。而且这种复合式止水带还具有双重功能，即一方面可以延长途径，延缓渗水速度，另一方面镀锌钢边和混凝土有着良好的粘附性，使止水带能承受较大的拉力和扭力，从而保证橡胶止水带的混凝土中的有效变形范围内不会产生松动和脱落现象，提高止水效果。
表3 密封材料等级及评估分数
本研究将密封材料分为柔性接口、半柔半刚接口和刚性接口三个等级，其中柔性接口按材质分为复合材料止水带与单一材料止水带，每个等级设置相应的评估分数（表3），分数越高，代表接口形式发生风险的可能性越大。
（4）防腐措施
根据目前排水箱涵的普遍腐蚀规律，箱涵常水位以上至顶板，最容易发生腐蚀。在早期设计中，排水管道不做特殊的防腐处理。设计阶段主要对重力流状况下非漫流污水管道进行防腐蚀处理，但是由于压力流管道在未达到设计水量或低峰流量时仍是重力流状态，所以单纯以重力流与压力流作为是否采取防腐措施的依据是不恰当的。目前管道防腐材料及方法有很多种，近些年一般考虑采用的防腐涂料包括弹性聚氨酯类、环氧类耐酸碱防水防腐涂料。每种方法均有其优点，而管道内壁未做特殊防腐处理、即未使用防腐涂层的管道运行风险明显大于采用防腐涂层的管道。因此本研究将防腐措施分为内部全防腐措施、部分防腐措施和无防腐措施三个等级，每个等级设置相应的评估分数（表4），分数越高，代表防腐措施发生风险可能性越大。
表4 防腐措施等级及评估分数
（5）运行年份
一般情况下，随着运行年份增加，管道内部发生结构性缺陷的可能性增加，导致运行风险增加。据日本1989年~1992年统计数据显示，在三年内发生由于排水管道结构性损坏导致的道路塌陷事故共1万7千余件中，大多数事故发生在运行超过30年的管道中。考虑国内污水干管设计年限普遍为50年，本项目将运行年份分为5个等级，每个等级设置相应的评估分数（表5），分数越高，代表运行年份发生风险可能性越大。
表5 运行年份等级及评估分数
（6）维修记录
管道维修记录一定程度上预判管道的运行风险。由于同一管段的施工工艺和运行状况大致相同，某一管段如果在一定时间内维修频率较高，则未来该管段其他位置发生风险的可能性也就越大，该管段就需要重点关注。本项目重点关注过去5~10年的维修记录，按照维修位置所在管段进行了归类，并按维修记录次数对管段评估打分（表6），维修记录次数越多则相应的评估分数也就越高。
表6 维修记录等级及评估分数
注：每个等级中多一次维修记录评估分数加上10分，维修次数≥5次评估分数为100分。
（7）运营条件
根据管道内水位和满管时间不同，污水干线总管的运营条件可分为长期非满管流/重力流、满管流/压力流和非满管流/重力流交替、长期满管流/重力流。以往研究成果和运行经验表明，不同运营条件下管道内受硫酸盐腐蚀强度从强到弱为：长期非满管流/重力流＞满管流/压力流和非满管/重力流交替＞长期满管流/压力流。
本项目将运营条件按管道内水位分为满管/压力流、部分满管/部分压力流、非满管/重力流2个等级，每个等级设置相应的评估分数（表7），分数越高，代表该运营状态下发生风险可能性越大。
表7 运营条件等级及评估分数
（8）地质条件
污水干线总管埋深位主要位于10~15m范围内，对污水干线总管运行安全造成威胁的地质条件有粉性土、砂土可能导致的流砂、管涌、地基液化，以及软土的触变性和蠕变性导致的地基沉降或差异性沉降等问题。质条件分为正常地质条件域与不良地质条件，其中不良地质条件主要包括浅层砂层发育、地基回填土不密实、堤岸地基不密实等，不良地质条件根据评估对象所在区域实际地质特点进一步划分等级。每个等级设置相应的评估分数（表8），分数越高，代表该地质条件下发生风险可能性越大。
表8 地质条件等级及评估分数
（9）周围大型工程建设活动
虽然外部工程建设活动可以通过技术手段在很大程度上减少对周围环境的影响，比如打桩作业可以通过预钻孔、设防震沟等措施加以限制，但有时也很难照顾到邻近的所有设施，因此污水干线周围存在工程建设活动，尤其是大型工程建设活动可能会对污水干线的安全性造成影响。统计目前污水干线周围的大型工程建设活动数量，并按数量等级评估打分（表9）。
表9 周围大型工程建设活动等级及评估分数
注：每个等级中周围大型工程建设活动数量多一个评估分数加上30分
（10）地面交通
地面道路等级可以一定程度上反映干线总管上方地面道路车辆通行数量，本项目参考《公路工程技术标准》（JTG B01—2014），将将地面道路划分为五个等级（表10），每个等级设置相应的评估分数，地面交通等级越高，代表地面常规通行车辆数越多，发生运行风险可能性就越大。
表10 地面交通等级及评估分数
（11）正常输水能力
正常输水能力可以反映在正常工况下（包括雨天与旱天），管段输水能力是否能满足现状或规划输送能力的需求。由于管段输水能力主要决定于管段提升泵站的输送能力，因此可通过管段下游提升泵站间接得到管段的输送能力。本项目首先统计不同降雨情况下干线总管提升泵站的输水情况，然后通过提升泵站与管段的位置关系，进一步确定管段输水能力，最后将管段雨天最大输水量与设计最大截流量进行比对，确定管段最大负荷率。最大负荷率划分为四个等级（表11），每个等级设置相应的评估分数，最大负荷率越大，代表管段在正常工况下发生运行风险越高。
表11 正常输水能力等级及评估分数
（12）事故输水能力
事故输水能力主要指管段在检修维护、发生应急事故时，输水能力下降情况。通过计算事故输水量与正常输水能力的比值，确定管段事故输水能力，评估管段是否具有分段停水检修能力及跨片区调度能力。本项目将事故输水能力划分为五个等级（表12），每个等级设置相应的评估分数。事故输水能力越低，代表检修维护或发生应急事故时管段输水量下降幅度越大，发生运行风险可能性就越大。
表12 事故输水能力等级及评估分数
（13）泵站安全运行能力
表13 泵站安全运行能力等级及评估分数
提升泵站作为干线总管系统重要组成，其安全运行能力直接决定了管段发生风险的可能性。本项目参考《泵站安全鉴定规程》泵站安全类别综合评定，将泵站安全运行能力划分为四个等级（表13），并对每个等级设置相应的评估分数。泵站安全运行能力分数越高，代表泵站影响安全运行的缺陷越多，管段发生运行风险可能性越高。
（14）地区重要性
城市中心区是城市结构的核心地区和城市功能的重要组成部分，是城市公共建筑和第三产业的集中地，为城市及城市所在区域集中提供经济、政治、文化、社会等活动设施和服务空间，并在空间特征上有别于城市其他地区。交通干道是城市道路网的骨架，联系城市的主要工业区、住宅区、港口、机场和车站等额货运中心，承担着城市主要交通任务。污水干线总管多是浅埋于道路下面，发生风险后会对管段上方与邻近区域的社会生产与居民生活产生一定影响。本项目结合城市活动区域与交通道路情况建立地区重要评估等级（表14），并对每个等级设置相应的评估分数。评估分数越高，说明发生风险后造成的社会影响越大。
表14 地区重要性等级及评估分数
备注：1）如果管段同时跨越几个等级，按其中最高等级打分；
2）如果管段上方道路为其他行车道路或交通干道，同时与交通干道存在交叉，则在原有等级打分基础上，交叉1条加5分；
3）如果管段上方或邻近区域有历史文化风貌区核心保护范围、三甲医院、火车站、机场、学校，所得分数加10分
（15）水环境功能区
表15水环境功能区等级及评估分数
备注：如果管段所在区域跨越多个等级水环境功能区，则以最高功能水环境功能区评估
管段发生风险后会导致污水渗出，不仅对周边地表水环境造成污染，而且会导致上游泵站以及支线泵站被迫放江，对上游地表水环境也会造成污染。而管段发生风险后对地表水环境造成的环境影响大小与水质控制标准有关。《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）依据地表水水域环境功能和保护目标，地表水环境按功能高低依次划分为五类，对应地表水五类水域功能将地表水环境质量标准基本项目标准值分为五类，不同功能类别分别执行相应类别的标准值。水域功能类别高的标准值严于水域功能类别低的标准值。同一水域兼有多类使用功能的，执行最高功能类别对应的标准值。而城市地表水环境功能主要是II类到V类功能区，因此本项目将管段周边和管段上游地表水环境参照II类到V类功能区划分等级（表15），并对每个等级设置相应的评估分数。评估分数越高，说明发生风险后造成的环境影响越大。
（16）土层渗透性
与工程建设密切相关的地下水主要为第四系地层中的潜水、微承压水和承压水。污水干线总管埋深位主要位于10~15 m范围内，干线总管发生风险后渗出污水会地下水造成一定的污染，尤其是浅层分布的潜水与微承压水。不同地质条件的土壤渗透系数不同，粉性土和砂土会增大土层渗透性。而厚粉性土和砂土一般分布在不良地质条件区域内，因此土层渗透性评价准则可参考地质条件评价准则（表8）。
（17）用地类型
不同用地类型下的土壤环境质量控制标准值不同。在土地资源不同的利用方式下，基于保守情景确定的筛选值可用于判定是否开展场地详细调查和健康风险评估的指导值。本项目参考《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB 50137—2011）以及评估对象所在城市具体地方标准将用地类型分为敏感用地与非敏感用地两个等级（表16），评估分数越高，代表土壤健康风险评估筛选值越严格，发生风险后造成的环境影响越大。
表16 用地类型等级及评估分数
定量指标
定量指标的评估结果是具体数值，需要将具体数值转换成评估分数。城市污水干管运行风险评估体系中定性指标有8项，包括支线连接数、水质状况、输水量、输水量百分比、连通能力、路面交通拥堵情况、管段周边、人口密度。
本研究将支线连接数、输水量、水质状况、路面交通拥堵情况、管段周边以及人口密度这6项指标均采用线性插值法计算评估分数，数据最大值评估分数100，最小值评估分数0，介于最大值和最小值的数据用0~100之间的分数来表示，计算公式如公式（1）所示。
输水量百分比是确定管段输水量在整个系统中所占比例。首先统计干线总管提升泵站的输水情况，然后通过提升泵站与管段的位置关系，进一步确定管段输水量以及各管段系统末端污水处理厂厂前管段输水量，最后计算管段输水量与干线总管系统末端处理污水处理厂厂前管段输水量的比值。输水量百分比评估分数计算公式如公式（2）所示。
输水量百分比评估分数用介于0~100之间的数值表示，输水量百分比越高，则评估分数越高，说明风险发生后造成的系统影响就越大。
连通能力评估是判断在检修维护、发生事故时，管段污水输水量是否可以部分或全部调配至相邻管段输送至末端污水处理厂处理，实现不同干线总管系统间污水量调配。本研究连通能力评估分数计算公式如公式（3）所示。
连通能力评估分数用介于0~100之间的数值表示，管段可调配水量占管段正常输水量的比值越小，则连通能力评估分数越大，说明风险发生后造成的系统影响就越大。
综合分数
城市污水干管运行风险评估体系具体评估指标的评估分数按照层次结构（图1）和权重分布，加权求和并逐阶向上归并，最终可得到污水干管评估管段的综合分数，综合分数计算公式如公式（4）所示。
当得到污水干线评估管段的综合分数后，即可按照综合分数高低对所有评估管段排序，划分干线总管各管段重要性等级，识别出高损坏风险的污水管段。
结论
通过对城市污水干管运行风险评估方法的具体指标给出量化评估准则，完善了已有评估体系。评估结果为评判城市污水干管的现状以及后续决策提供了科学依据，对今后污水干线总管的风险管控具有实际的指导意义。后续还可以结合管涵的实际管理维护、工程检测与在线监测，进一步深化完善风险评估体系。