20180722智慧水务资料包05智慧管网08澳門自來水股份有限公司城市供水管網狀況預測分

PREVOIR——城市供水管網狀況預測分析與更新對策模型李志土，陳康庭，李茵，黃麗娟澳門自來水股份有限公司摘要：Prevoir是澳門自來水與法國蘇伊士集團Ondeo公司合作的一個關於城市供水管網運行狀況預測分析和更新對策的模型。該模型基於管網GIS地理信息，爆漏歷史記錄，地理薄弱區域，供水信息，財務成本等資料進行建模，驗證并模擬預測出未來管網狀況和換管方案，為自來水公司的科學換管計劃提供依據。關鍵詞：Prevoir；模擬；換管計劃PREVOIR——WaterSupplyNetworkQualityAnalysisandPredictionModelJackyLEI,AnnieCHEN,YinLI,CherryHUANGTheMacaoWaterSupplyCo.,LtdAbstract:ProjectPREVOIRisajointprojectbetweenMacaoWaterandSUEZOndeoSystems.ItoffersMacaoWateranewsolutionforanalysisandresearchondistributionnetworkquality.PREVOIRisasimulatorforpre-viewingnetworkcondition,inordertomakenetworkpiperenewalplanning.GISbasicinformation,5yearsburstandleakrecords,vulnerablearea,watersupply,financeandimpactetc.werecollectedformodelbuildup,calibrationandvalidation.Differentsimulationsweremadebasedondifferentassumptionsofinvestmentorburstrate,whichhelpMacaoWatertofindouttheweakestandthemostsensitivepipesthatneedtobereplaced,andbettermanagepiperenewalstrategies.Keywords:PREVOIR;Simulator;Piperenewalstrategies1Prevoir項目簡介1.1項目背景1.1.1澳門管網現狀澳門作為全球人口最密集的地區，也擁有非常密集的地下公共供水管網（見圖1）。截至2015年1月，澳門主管網總長約558公里，其中以石墨鑄鐵管為主體，約佔主管總長的82%，從上世紀90年代開始澳門自來水新鋪供水主管管材以石墨鑄鐵管為主，並有計劃地於換管工程中取代原有的石棉管及鑄鐵管。鋼管和不銹鋼管約佔總管長的7%，鑄鐵管約為7%，其他類管材總和占4%左右。澳門管網整體較年輕，平均管齡約為15年。從地理上看，澳門管網分為兩大部分：澳門半島和離島，澳門半島的管網密集而老舊，離島許多土地為新發展區，因此管網相對稀疏而年輕。由於澳門境內主要的水廠都位於澳門半島，離島地區的用水大部分依靠西灣大橋及友誼大橋的兩條DN800清水管由澳門半島輸送而至。圖1澳門供水管網示意圖澳門自來水供水主管網每年發生約150單爆喉事件。管網的老化、管道材質欠佳、管網水壓變化、氣溫變化、施工影響等因素都不同程度地導致了管道狀況的惡化，其薄弱部位就會發生漏水或爆管的現象。此外，澳門大部分土地靠填海而來，過往三十年歷經多次大規模的填海工程，城市由內而外擴展，但填海區域土地因自然沉降而出現不同程度的變形和破損，填海區域土地的沉降亦導致了管道的拉脫、變形甚至斷裂。爆管和漏水事件的多發不僅導致了自來水的大量損失，也帶來了高額維修費用，交通堵塞，用戶停水等後果。一方面給自來水公司和社會帶來了經濟損失，另一方面供水企業的形象在市民心中亦有所降低，產生了很多負面的影響。1.1.2以往的換管模式澳門自來水每年安排更換一定比例的老舊管網。以往每年的管網更換計劃主要依靠對管網有着豐富經驗的資深員工指导下施行。通常的做法為針對爆管頻率較高的某些區域或退化嚴重的某種管材進行集中更換。這種方法有着自身的缺點，其一，随着时间的推移，當管網中最易定位的管段已更新完畢時，继续靠簡單的经验模式换管將变得越来越难。其二，經驗模式受到人的制約比較大，而供水管網加上多年積累的管網工程影響，其複雜性極強，即使是對管網歷史比較熟悉的員工，產生錯漏也難以避免。其三，培養這類經驗豐富的員工往往需要較長的時間投入。因此，澳門自來水公司嘗試利用數學模型的方式來分析預測未來管網的運行表現，幫助制定換管計劃。1.2研究目的“PREVOIR”是澳門自來水公司与法国的SUEZONDEsystem一起合作的一个管網預測模型项目。主要針對城市供水管網的基本信息和歷史表現進行分析，預測未來5-10年的管網狀況。該項目的目的主要有：增加對管網現狀的了解；提供管網未來運行表現的預測，即預測哪些管段相對薄弱，發生爆管的可能性更大，或對城市、社會產生的影響更大；在預測的基礎上更好地管理管網更新計劃，減少公司因爆管而發生的經濟損失和形象損失。2實施方法和過程2.1数据输入2.1.1供水管網的基本地理信息供水管網的的地理信息為整個研究項目的基礎。具體來說包括管線的SHP文件、管材、管齡、管徑、接口等。2.1.2爆點和漏點歷史資料包括多年歷史的爆點和漏點的SHP文件、爆漏點所在管段的管材、管徑、爆漏時間、爆漏點發於管段的具體位置、產生原因、維修方式等。2.1.3地理薄弱區域這部分資料主要為確定哪些地區的管網較易受到填海沉降、海水侵蝕、洪澇災害等的影響。2.1.4供水基本信息包括管網上各個監測點的供水壓力、流量等數據。2.1.5成本影響主要為發生爆漏後用於維修損毀管段的材料費用、施工成本、行政費用等。2.1.5爆漏嚴重程度主要為定義水管爆裂后影響的嚴重程度,具體如下：管線的重要性：是否為輸水主幹管，爆管後造成的降壓幅度等。供水中斷區域的重要性：供水服務連接客戶密度，中斷供水客戶的數量等優先級或敏感客戶：醫院，VIP客戶，學校，監獄等。干預的困難：交通是否困難，道路是否狹窄等。2.2数据筛选不同於生產數據，管網維護過程中所產生的很多信息都來自於人手的記錄收集，其完整性、準確性、規範性都未如理想。若要將數據輸入模型中使用，必須對它們進行整理、規範、分類、篩選。2.3建模2.3.1管網衰老和破裂模型管網衰老和破裂模型也稱為隊列模型，該模型基於兩個子模型，一是離散的年度時間步長條件下的不均勻馬爾可夫鏈（NMHC）統計模型，另一個是基於線性擴展尤爾過程(LEYP:LinearExtendedYuleProcess)的失效模型。管網系統在每個時期所處的狀態是隨機的，從一時期到下一時期的狀態按照一定的概率轉移，下時期的狀態只取決於本時期的狀態和轉移概率。前文所提及的輸入信息都將作為模型的因子函數被考慮，並根據其預測斷裂的風險，模擬水管老化過程和破損現象。2.3.2管網破裂後嚴重程度評估根據2.1.6，管網破裂後產生的嚴重程度按照一定原則分級，並將之賦予每一條管線。當模型以數學角度計算出斷裂風險時，嚴重程度作為係數與預測結果相乘，即得到考慮社會影響後的管網破裂預測結果。2.4驗證模型和結果的可靠性將通過兩個驗證過程來保證：校準：該模型共有五年歷史數據，其中前四年作為模型的輸入數據亦作為校準數據，用於驗證模型是否適合澳門供水管網的實際情況，確保該模型計算管道破損率的正確性。交叉驗證：最後一年的歷史數據不作為模型的輸入數據，僅用作交叉驗證，確保模型具有較好的預測性能。3模擬結果和對比本次Prevoir項目所研究的模型以2008至2012年共5年的數據為基礎，預測未來7年即2013至2019年的管網狀況及換管策略。根據歷史數據，模型分析所得出的澳門地區供水管網基本狀況如下：多數的爆漏點發生於較小比例的管網，約0.7%長度的管網涵蓋了大部分的爆漏點；約三分之一的爆漏點發生於鑄鐵管，而球墨鑄鐵管的爆管率較低；管徑、供水壓力、溫度、歷史爆漏次數等因素對所有管材均有影響；管齡、沉降、接口密度、降雨等因素對部分管材有影響；模擬得出的三個方案如下：3.1方案一方案一為管網更換投資為零情況下的模擬。該方案的主要目的為了解當不做任何維護的情況下，供水管網將面臨的惡化程度。根據模擬結果，如果每年零投資的情況下，每年每公里的爆管率從2012年的0.2105上升為2019年的0.245左右。狀態差、有破裂風險的管線佔總管長的比例由2012年的12%上升為2019年的14%。3.2方案二方案二為管網更新投資額度與實際年度投資計劃額度相當情況下的模擬。本方案主要目的是為了查看在同樣投資的情況下，將Prevoir模擬出的結果與靠經驗模式編排出的換管計劃做比較。根據模擬結果，如果按照每年投資約九百萬澳門幣（未考慮通貨膨脹的因素）進行換管，每年每公里的爆管率可以從2012年的0.2105下降為2019年的0.146～0.135之間。由於管網狀態的惡化而造成的爆管由2012年的80.43個下降為2019年的44.5個。平均每年換管率約為0.78%，每年的維修費用可由2012年的188萬左右下降為140萬左右。由於爆管而損失的水量由2012年的18.6萬方下降為2019年的10.2萬方。在模擬的未來7年中，管網老化的年齡約為5.48年。表1Prevoir方案二模擬結果數據表IDofsimulation:2201220152019Burstrate(burst/km/a.)-exceptforburstscausedbyworks-Lowerlimit0.21050.16260.1347Burstrate(burst/km/a.)-exceptforburstscausedbyworks-Upperlimit0.21050.17480.1459Averagenumberofburstsduetodeterioration80.4358.8644.55Investmentamount(kMOP$)089848992Ratioofrenewallength00.74%0.71%IDofsimulation:2201220152019Reparationcost(kMOP$)188615791395Waterlossesfromvisibleleakagesofmains(m³)186217136,099102,825Networkaging2.325.48圖2方案二Prevoir模擬結果示意圖圖2即為方案二Prevoir的模擬結果圖示，不同顏色的管線為按照不同年份次序模型建議更換的管線。圖3和圖4為Prevoir換管計劃和年度投資換管計劃的細節對比，模型模擬和經驗模式都對某區的管網提出了更換建議。不同的是Prevoir根據管段的老化程度和爆管的嚴重程度採取分不同年份逐步更換的計劃，而年度投資計劃則採取同一區域整體改造的策略。圖3Prevoir模擬某區換管計劃圖4MasterPlan某區換管計劃3.3方案三方案三為以確定的爆管率為目標進行模擬。根據模擬結果，如果2019年每公里的爆管率目標為0.13（AWWA建議的參考爆管率），2013年和2014年的投資額度較低，而往後的五年平均每年投資維持在一千二百萬澳門幣左右（未考慮通貨膨脹的因素）。開始兩年通過更換惡化程度比較嚴重的管段可以明顯有效的改善管網的狀況，用最小的成本的即可達到最優化的結果。而當管網狀況變得比較平均時，想要在此基礎上再提高管網的質量時就需要加大投資用以維持或提高管網的表現。方案三中，因管材的惡化而造成的爆管由2012年的80.4個下降為2019年的39.7個。平均每年換管率約為1%左右，每年的維修費用可由2012年的188萬左右下降為132萬左右。由於爆管而損失的水量由2012年的18.6萬方下降為2019年的9.1萬方。在模擬的未來7年中，管網老化的年齡約為5.27年。表2方案三模擬結果數據表IDofsimulation