姜灃珊,解智強(qiáng),徐佳瑞,傅星峰,劉克會(huì),王艷霞

(1.云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650504; 2.云南大學(xué)國際生態(tài)與安全研究院,云南 昆明 650504;3.北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市系統(tǒng)工程研究所,北京 100083 )

0 引 言

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展,中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快推進(jìn),地下空間在城市發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮了重要的作用,如綜合管廊建設(shè)、城市軌道建設(shè)、地下停車場(chǎng)大量的規(guī)劃與建設(shè)為城市提供了便捷服務(wù)。然而,地下管線系統(tǒng)在城市建設(shè)、運(yùn)維和管理方面存在諸多問題,比如不善的管理和運(yùn)行期限不到,這給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來了嚴(yán)重的災(zāi)害損失,對(duì)公眾安全構(gòu)成了威脅,也動(dòng)搖了公眾對(duì)地下管線系統(tǒng)安全運(yùn)行和便捷服務(wù)的期望和信心。城市地下深埋著許多管線,而地鐵隧道的施工往往會(huì)引起地表的擾動(dòng),這必然會(huì)導(dǎo)致埋設(shè)的地下管線發(fā)生變形甚至破壞[1-2]。這些城市地下管線事故不僅對(duì)居民生活產(chǎn)生重要影響,還對(duì)城市的公共安全構(gòu)成威脅。因此,當(dāng)前的地下空間管理研究需要采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、危機(jī)生命周期理論等方法來應(yīng)對(duì)地下管線事故的應(yīng)急管理。為了平衡城市發(fā)展速度和地下管線負(fù)荷,有必要合理規(guī)劃城市地上建筑和地下管線。此外,通過信息化手段加強(qiáng)安全檢查和隱患排查,并及時(shí)更換老舊地下管線,建設(shè)地下管線綜合信息管理系統(tǒng),成為地下管線的后期普查研究的主要方向和內(nèi)容[3-5]。

在傳統(tǒng)的地下管線災(zāi)害預(yù)防領(lǐng)域,有學(xué)者對(duì)城市地下管線檢測(cè)的技術(shù)方法進(jìn)行了研究和應(yīng)用,從理論方法對(duì)現(xiàn)有的管線檢測(cè)方法進(jìn)行了分析和總結(jié)。結(jié)合工程實(shí)例,采用不同的探測(cè)方法和試驗(yàn)參數(shù),對(duì)比分析近節(jié)距平行管道、非金屬管道和深埋管道的探測(cè)效果[6]。目前主要的方法是結(jié)合工程,在地下管線探測(cè)情況下使用地質(zhì)雷達(dá)儀[7]。廈門市在地下管線信息化領(lǐng)域進(jìn)行了研究,結(jié)合“廈門市地下管線檢測(cè)與信息化建設(shè)”項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐。他們通過研究城市地下管線工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)庫建設(shè)技術(shù)和數(shù)據(jù)模型等方面,基于商業(yè)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)的研發(fā)以及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)等手段,通過技術(shù)和管理機(jī)制,探索和實(shí)踐地下管線信息管理。他們解決了地下管線管理系統(tǒng)(XMUPIS)中的一些關(guān)鍵問題和算法,建立了地下管線的動(dòng)態(tài)管理機(jī)制,確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,有效發(fā)揮了地下管線空間分析和輔助決策的功能[8]。此外,在前期政策制定方面,通過分析國外(歐洲、日本)和中國(北京、杭州、“臺(tái)灣”)綜合管廊的發(fā)展現(xiàn)狀,指出地下綜合管廊的優(yōu)勢(shì)和在認(rèn)識(shí)、法制、規(guī)劃管理、投資等方面存在的問題,并針對(duì)法制提出了相關(guān)對(duì)策,發(fā)展規(guī)劃管理、監(jiān)督機(jī)制、投資建設(shè)和運(yùn)營機(jī)制[9]。另外,利用物聯(lián)網(wǎng)等科技手段,對(duì)地下管線進(jìn)行了一定的保護(hù)[10]。同時(shí),有學(xué)者研究了利用殼模型有限元法分析斷層作用下管子的地震響應(yīng)。離斷層較遠(yuǎn)的管道與土體之間變形相對(duì)較小的管道直段變形相當(dāng)于非線性彈簧,引入有限元模型,使模型中的殼單元主要用于分析淺表面附近變形較大的管段,從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間[11]。

隨著GIS應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,有學(xué)者對(duì)管網(wǎng)建立系統(tǒng),基于OpenGL等技術(shù)開發(fā),建立科學(xué)的三維管線系統(tǒng)[12]。有學(xué)者也采用三維數(shù)值模擬方法,建立了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體和地下管線的耦合作用三維有限元分析模型。他們通過對(duì)施工過程進(jìn)行仿真分析,預(yù)測(cè)了地下管線的安全性。這種方法能夠更準(zhǔn)確地模擬隧道施工對(duì)地下管線的影響,并提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)[13]。在地下管線維護(hù)領(lǐng)域,隨著城市對(duì)供熱需求的增加,供熱地下管線的長度也迅速增長,這導(dǎo)致了供熱地下管線事故的頻發(fā)。因此,城市供熱地下管線的安全問題已經(jīng)成為市政地下管線安全研究的重要焦點(diǎn),也是一個(gè)迫切需要解決的熱門問題[14]。作為城市的“生命線”,地下燃?xì)夤芫€的破損和事故會(huì)給城市運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響。因此,城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)在管理地下燃?xì)夤芫€時(shí)需要重視預(yù)防管線外損事故的工作。首先,需要對(duì)管線進(jìn)行復(fù)測(cè)。管線復(fù)測(cè)是指定期對(duì)地下燃?xì)夤芫€進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估,以確保其運(yùn)行狀態(tài)符合安全標(biāo)準(zhǔn)。通過定期的復(fù)測(cè)工作,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線的異常情況,如腐蝕、破損等,以便進(jìn)行修復(fù)和加固,從而防止外損事故的發(fā)生。其次,管線交底也是非常重要的一環(huán)。管線交底是指在燃?xì)夤艿婪笤O(shè)前,要將管道的線路、性質(zhì)和特點(diǎn)等信息向相關(guān)責(zé)任單位和人員進(jìn)行交底,使其了解并掌握管道的情況和安全操作要求。通過管線交底,可以增強(qiáng)相關(guān)責(zé)任單位和人員對(duì)燃?xì)夤芫€的安全意識(shí),提高他們的操作技能,從而減少不當(dāng)操作引發(fā)的外損事故。另外,管線監(jiān)護(hù)也是管理地下燃?xì)夤芫€安全的重要措施之一。管線監(jiān)護(hù)包括對(duì)管線周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)和管理,如地質(zhì)條件、土壤腐蝕性等。通過定期巡檢和監(jiān)測(cè),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線周圍環(huán)境的變化和風(fēng)險(xiǎn),采取相應(yīng)的防護(hù)措施,減少外界因素對(duì)管線的影響,從而避免外損事故的發(fā)生。總之,針對(duì)地下燃?xì)夤芫€的外損事故,城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)需要采取管線復(fù)測(cè)、管線交底和管線監(jiān)護(hù)等管理要點(diǎn),以確保管線的安全運(yùn)行。這些管理要點(diǎn)的實(shí)施對(duì)于減少外損事故、保障城市燃?xì)夤?yīng)安全具有至關(guān)重要的作用。[15]。

本文簡(jiǎn)述了目前國外主要地下管線事故原因,其中包括需求增長、城市擴(kuò)張等,分別介紹了各自的成因、特點(diǎn)和危害現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上對(duì)城市化背景下地下管線事故發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析(圖1),同時(shí)通過信息化對(duì)策研究,為地下管線事故中需要解決的一些問題提出意見和建議。

圖1 2021年中國主要地下管線事故(來源:全國地下管線事故統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告(2021年度))

1 地下管線存在的主要問題

目前國內(nèi)的地下管線按照其物理性質(zhì)主要分為三類:①金屬管線,由鑄鐵和鋼材構(gòu)成;②電纜管線,由鋼和鋁材料構(gòu)成;③非金屬地下管線,由水泥、陶瓷和塑料材料構(gòu)成。本文主要對(duì)以下管線災(zāi)害進(jìn)行研究:①供熱地下管線;②燃?xì)獾叵鹿芫€;③排水地下管線。目前很多地下管線災(zāi)害問題,都跟其性質(zhì)相關(guān)。

1.1 供熱地下管線存在的問題

供熱網(wǎng)絡(luò)的地下管道事故頻發(fā)主要有三個(gè)原因。

首先,地下供熱管道普遍存在質(zhì)量差、運(yùn)行環(huán)境差、長期超限運(yùn)行、年久失修、老化以及管道設(shè)備腐蝕等問題。這些問題導(dǎo)致管道的質(zhì)量下降,容易導(dǎo)致管道爆裂和各種形式的開漏、暗漏等問題。其次,管網(wǎng)系統(tǒng)不完善、老化和維護(hù)不善會(huì)導(dǎo)致地下管線出現(xiàn)淤積、堵塞、腐蝕、滲漏等問題。這些隱患往往得不到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和消除,進(jìn)一步加劇了地下管道事故的發(fā)生。此外,供熱地下管線的基礎(chǔ)資料缺失也是導(dǎo)致事故頻發(fā)的原因之一。缺乏準(zhǔn)確的管線定位信息,給外部施工工作帶來困難,容易發(fā)生挖斷管線的事故。綜上所述,地下供熱管道事故的發(fā)生與地下管道的質(zhì)量問題、管網(wǎng)系統(tǒng)的老化和維護(hù)不善以及基礎(chǔ)資料的缺失有關(guān)。為了減少事故的發(fā)生,需要加強(qiáng)對(duì)管道質(zhì)量的監(jiān)管和維護(hù),完善管網(wǎng)系統(tǒng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決隱患,并加強(qiáng)對(duì)管道基礎(chǔ)資料的記錄和管理。這樣才能提高供熱網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性,確保市民的供熱需求得到滿足。

1.2 燃?xì)獾叵鹿芫€存在的問題

燃?xì)馐鹿实脑蚝芏?在輸配氣體的過程中,控制不力或安全意識(shí)薄弱都可能導(dǎo)致事故發(fā)生,對(duì)人們的身心健康、財(cái)產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此,我們需要了解燃?xì)膺\(yùn)行過程中可能造成隱患、影響整體供氣系統(tǒng)可靠性的各個(gè)環(huán)節(jié),總結(jié)安全事故,分析隱患成因,進(jìn)行控制和治理,避免事故發(fā)生[16]。燃?xì)獾叵鹿艿赖闹饕獑栴}可概括為非法作業(yè)、管網(wǎng)老化腐蝕、溫度變化和土壤沉降、施工管理不規(guī)范和非法壓力占用。

1.3 排水地下管線存在的問題

排水地下管線事故可以大致分為滲漏、堵塞和塌陷三類。其中,地下管線塌陷事故發(fā)生的次數(shù)較多。具體來說,排水地下管線的事故可細(xì)分為15個(gè)類別,包括地下管線腐蝕、井體損壞、穿孔、地下管線變形、破損、接頭錯(cuò)位、接頭漏水、井壁裂縫、井底損壞、裂縫以及墻體受損等。其中,地下管線腐蝕和裂縫是主要的事故類型,原因是排水地下管線在使用過程中受到?jīng)_刷和污水腐蝕;排水地下管線通常鋪設(shè)在道路下方,受到土壤和地面荷載的影響,容易因荷載不均而破裂漏水;而地下管線破壞主要是由于城市建設(shè)過程中施工不當(dāng)造成的人為因素[17-19]。

2 主要地下管線事故的信息化應(yīng)對(duì)方法

當(dāng)前地下管線信息化工作伴隨地理信息技術(shù)的發(fā)展,得到了深入應(yīng)用,在城市地下管線后普查時(shí)代,地下管線信息能夠在城市地下管線的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和災(zāi)害預(yù)防過程中發(fā)揮積極作用。

2.1 路面塌陷災(zāi)害的信息化應(yīng)對(duì)

總的來說,近年來的路面塌陷事故與地下管線的運(yùn)行密切相關(guān)。地下管線的破損、泄露等故障會(huì)影響市政道路下土層的結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致路面塌陷災(zāi)害的發(fā)生。為了解決這個(gè)問題,可以采用干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)技術(shù)進(jìn)行信息化應(yīng)對(duì)。InSAR是一種用于空間對(duì)地觀測(cè)的技術(shù),它結(jié)合了傳統(tǒng)的SAR遙感技術(shù)和射電天文干涉技術(shù)。通過向目標(biāo)區(qū)域發(fā)送微波信號(hào)并接收反射回來的信號(hào),InSAR可以獲取目標(biāo)地區(qū)的SAR復(fù)圖像對(duì),并通過相位值計(jì)算出地形、地貌以及表面微小變化的情況。這種技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)等方面有廣泛應(yīng)用。InSAR技術(shù)可以應(yīng)用于數(shù)字高程模型的構(gòu)建、地殼形變的監(jiān)測(cè)等方面。利用此技術(shù),可以監(jiān)測(cè)地上-地下變形,結(jié)合地下管線的圖像缺陷識(shí)別技術(shù),共同發(fā)現(xiàn)地上地下存在的災(zāi)害問題。在此基礎(chǔ)上,管理者能夠快速發(fā)現(xiàn)地下管線風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,并采取應(yīng)對(duì)措施。通過信息化技術(shù)的支持,可以預(yù)測(cè)和預(yù)防地下管線缺陷災(zāi)害的發(fā)生(如圖2所示)。

圖2 基于InSAR監(jiān)控的城市道路塌陷風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)分析(https://www.sohu.com/a/360344770_450565.)

2.2 城市洪澇災(zāi)害的信息化應(yīng)對(duì)

城市洪澇災(zāi)害中,地下管線的脆弱性暴露無遺,近30年來,城市排水系統(tǒng)信息化被廣泛應(yīng)用于城市洪澇災(zāi)害的防治,目前城市洪澇主要應(yīng)對(duì)方法之一的水力模型,是通過水力模型的建設(shè),研究分析地下排水管線的運(yùn)維情況,從而為城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供支持與幫助,進(jìn)而增強(qiáng)城市地下排水管線系統(tǒng)應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的能力(如圖3左)。

圖3 基于水力模型的城市排水管線系統(tǒng)洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(左)與基于韌性量度的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(右引自:《環(huán)滇池區(qū)域城市安全韌性評(píng)》,測(cè)繪出版社,2023.8)

近年來,隨著全球氣候變化和城市化進(jìn)程的加快,專家和學(xué)者逐漸認(rèn)識(shí)到城市洪澇災(zāi)害不僅是一個(gè)社會(huì)問題,因此城市洪澇災(zāi)害問題逐漸轉(zhuǎn)向城市系統(tǒng)韌性領(lǐng)域進(jìn)行研究,在信息化時(shí)代,城市洪澇災(zāi)害的韌性基于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等一系列包括城市排水系統(tǒng)在內(nèi)的大數(shù)據(jù)分析研究,從而建立城市洪澇災(zāi)害韌性評(píng)價(jià)指數(shù)和評(píng)價(jià)模型,從而科學(xué)、客觀與全面地分析和評(píng)價(jià)城市洪澇災(zāi)害韌性,從全局層面找到洪澇災(zāi)害的致災(zāi)因子,促進(jìn)新環(huán)境下洪澇災(zāi)害的科學(xué)解決。

2.3 城市燃?xì)夤芫€災(zāi)害的信息化應(yīng)對(duì)

城市發(fā)展中后期,城市燃?xì)獾叵鹿芫€事故頻發(fā),城市公共安全風(fēng)險(xiǎn)面臨著極大的挑戰(zhàn)。然而,對(duì)于城市燃?xì)獾叵鹿芫€事故風(fēng)險(xiǎn)的研究還仍處于一個(gè)較為初始的階段。城市燃?xì)獾叵鹿芫€風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)的識(shí)別與監(jiān)測(cè)一直是研究中的難點(diǎn),因此,在信息化逐漸普及的時(shí)代,如何科學(xué)應(yīng)對(duì)城市燃?xì)獾叵鹿芫€所隱含的風(fēng)險(xiǎn)成為目前亟待解決的問題。

城市燃?xì)夤芫€災(zāi)害的信息化應(yīng)對(duì)主要集中在三個(gè)方面,首先是城市燃?xì)獾叵鹿芫€數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化的建立,通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理城市內(nèi)各建設(shè)管理單位的城市燃?xì)獾叵鹿芫€數(shù)據(jù),也為城市之間的數(shù)據(jù)交換整合提供支持。其次是城市燃?xì)獾叵鹿芫€模型構(gòu)建,在已有的地理信息系統(tǒng)中,利用城市燃?xì)獾叵鹿芫€標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),構(gòu)建城市燃?xì)獾叵鹿芫€模型,在燃?xì)獗L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中,實(shí)現(xiàn)城市燃?xì)獾叵鹿芫€的數(shù)字化重建。最后是城市燃?xì)獾叵鹿芫€實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立,通過布設(shè)在城市燃?xì)獾叵鹿芫€周圍的大量實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、氣體壓力、泄漏情況等,結(jié)合城市燃?xì)獾叵鹿芫€數(shù)字化重建結(jié)果,最終實(shí)現(xiàn)城市燃?xì)獾叵鹿芫€狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與事故預(yù)測(cè),形成城市燃?xì)獾叵鹿芫€智慧管理系統(tǒng)(如圖4所示)。

圖4 城市燃?xì)夤芫€風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及其等級(jí)分布分析示意圖

3 結(jié) 論

近十年來,伴隨著中國城市的擴(kuò)張,越來越多的城市更加重視信息化在地下管線災(zāi)害應(yīng)對(duì)和防治中的利用,尤其是地下管線后普查時(shí)代,對(duì)管線信息的深入分析和研究,成為防止地下管線災(zāi)害發(fā)生的重要技術(shù)手段,在對(duì)國內(nèi)一些主要地下管線災(zāi)害事故進(jìn)行分析后,本文研究認(rèn)為信息化工作在城市地下管線災(zāi)害事故中發(fā)揮的作用日漸重要:

(1)面對(duì)極端暴雨天氣,城市排水設(shè)施的能力需要全面提升。特別是在薄弱區(qū)域,需要升級(jí)排水設(shè)施,增加排水能力,以彌補(bǔ)不足。同時(shí),對(duì)于容易受損的地下隧道、地下通道、地鐵、地下停車場(chǎng)等區(qū)域,應(yīng)該建設(shè)避難脫險(xiǎn)基礎(chǔ)設(shè)施,并設(shè)置清晰易懂的逃生和避難指示標(biāo)志。此外,需要對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)隱患區(qū)域進(jìn)行全面排查,提前采取防范措施和應(yīng)急管理,建立城市地下排水管線信息系統(tǒng)。針對(duì)不同等級(jí)的暴雨和洪水災(zāi)害,制定相應(yīng)的應(yīng)急管理和處置預(yù)案,規(guī)劃群眾疏散路線,并制定信息化應(yīng)對(duì)策略,提高風(fēng)險(xiǎn)管控能力。

(2)針對(duì)燃?xì)獗ㄊ鹿?反思和總結(jié)中發(fā)現(xiàn),許多事故導(dǎo)致嚴(yán)重傷亡的原因是因?yàn)槿狈︻A(yù)防安全對(duì)策措施。此外,緊急搶險(xiǎn)部門掌握的信息不全面,地下管線責(zé)任單位未按規(guī)定報(bào)送地下管線埋設(shè)情況備案,導(dǎo)致政府不了解情況,無法及時(shí)采取有效控制措施來減少風(fēng)險(xiǎn)。因此,在信息化領(lǐng)域需要加強(qiáng)這方面的應(yīng)對(duì)措施,提高信息收集和共享的能力,以加強(qiáng)預(yù)防和應(yīng)急管理。

(3)隨著城市的擴(kuò)張,地下管線事故的數(shù)量和傷亡人數(shù)逐漸增加。根據(jù)地下管線類型來看,給水、排水、熱力和工業(yè)地下管線事故以及井蓋類事故主要由其自身的結(jié)構(gòu)隱患導(dǎo)致,需要加強(qiáng)日常監(jiān)控、維護(hù)和信息化評(píng)估。而燃?xì)?、電力和電信線纜事故主要由外力破壞引起。城市地下管線的安全問題越來越受到社會(huì)關(guān)注,因此,專業(yè)的管線分析和研究也變得十分重要。信息化可以預(yù)防這些問題的發(fā)生,減少管線事故的損失和防止影響的進(jìn)一步擴(kuò)大。