白妙顺城市生命线工程供水管网安全风险评估一一以NJ市为例[].净水技术，2025，44(s1)：160-167.
摘要【目的】供水管网安全风险评估是城市生命线工程建设的关键环节，依据江苏省发布的《江苏省城镇供水管道安全风险评估指南（试行）》对供水管网进行风险评估，而在实际应用中基础数据通常存在不同程度的缺失或异常，如何保证基础数据的准确性及实用性至关重要。【方法】采用层次分析法构建包括管网风险发生的可能性及发生后的影响后果等指标的评估模型，并利用空间数据处理技术进行数据清洗及数据预处理。【结果】以NJ市为例，结果表明，NJ市主城区内供水管网无重大风险（IV)管段，低风险（I)）占比22.9%，一般风险（Ⅱ）占比67.1%，而较大风险（Ⅲ）供水管段占比10%，其中，管材、管龄及管径是影响风险等级的关键因素。【结论】通过数据预处理技术提高了评估模型的实用性及适用性，能有效识别供水管网风险管段，为城市供水管网风险管控提供依据和指导。
关键词城市生命线工程供水管网风险评估数据预处理空间分析
BAl Miaoshun1.2."
(1. Shanghai Municipal Engineering Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China;2. Shanghai Water Design & Engineering Co., Ltd., Shanghai 200092, China)
Abstract[Objective] The safety risk assessment of water supply networks is a critical component of urban lifeline engineering. This study conducts a risk assessment of the water supply pipeline network based on the Guidelines for Safety Risk Assessment of Urban Water Supply Pipeline in Jiangsu Province (Trial). In practical applications, however, basic data offen suffer from incompleteness or abnormalities, making the accuracy and usability of input data crucial. [Methods] An evaluation model was established using the analytic hierarchy process (AHP), incorporating indicators such as the probability of risk occurrence and the consequences of risk events. Spatial data processing techniques were applied to xxconduct data cleaning and preprocessing. [Results] Taking NJ City as a case study, the results showed that there were no major-risk (level IV) pipeline sections within the main urban area. Low-risk (level I) sections accounted for 22.9%, medium-risk (level II) sections for 67.1%, and high-risk (level II) sections for 10%. Pipe material, pipe age, and pipe diameter were identified as the key factors influencing the risk levels. [Conclusion] The use of data preprocessing techniques enhances the practicality and applicability of the evaluation model, enabling effective identification of highrisk pipeline segments and providing a scientific basis and guidance for water supply network risk management in urban areas.
Keywordsurban lifeline projectwater supply network；
城市生命线工程是城市基础设施的核心，对维持城市基本功能和保障国家经济及民众生活至关重要川。其安全性直接关联到城市健康运行和人民生命财产安全，是城市安全体系的关键要素。
[收稿日期】2025-03-19
【基金项目】上海市科委"科技创新行动计划”（22dz1201800）
【通信作者】白妙顺（1986一），男，工程师，研究方向为供水管网智能化应用、供水管网漏损控制，E-mailbmst163t@163.com。
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供水管网安全作为城市安全的重要一环，对其进行安全风险评估具有重要意义[2-3],国内外学者已开始采用一些技术对供水管网安全进行风险评估。王亚楠等关注影响城市供水管网管道结构稳定性的因素，构建了城市供水管网管道结构稳定性风险评估模型及风险评估标准，并将模型进行实际应用，结果表明该模型能够反映出供水管网管道结构稳定性方面存在的问题。许兴中5通过分析管道因
素与供水管网漏损之间的关系，建立了基于模糊数学的供水管网漏损风险评估模型，并成功进行实际应用。戚雷强等间选取管道埋深、管压、管材、管龄、管径、道路荷载、水龄7个评估指标，构建了供水管网风险评估模型，并在上海市MH区进行应用，结果表明，管龄和管材对管道风险影响显著。供水管道风险评估模型尽管已被广泛研究，但存在评估体系不完善的问题，且对数据清洗、数据处理等过程关注较少，而在实际应用过程中，数据清洗及数据处理等过程均是不可避免的环节，对评估模型的准确性及实用性至关重要。
上海在2021年12月发布《城市供水管网安全风险评估技术规范》（DB31/T1332一2021），旨在指导上海市城市供水管网安全风险评估。在2023年8月，江苏省住建厅发布《江苏省城镇供水管道安全风险评估指南（试行）》（以下简称《评估指南》），相对于上海地标，评估指南考虑了后果影响指标，其评估结果更加具有全面性、准确性和指导性。为此，本文参考《评估指南》，从供水管网风险评估体系完善及数据预处理等方面全流程对城市生命线工程供水管网风险评估研究，并以NJ市为例，为NJ市供水管道风险排查提供指导意见。
1供水管网安全风险评估模型构建
1.1建立供水管网安全风险评估指标体系
供水管网安全风险包含管网风险发生的可能性估计风险及管网风险发生后的影响后果估计风险。此外，水司的安全管理水平也会影响管网风险发生的可能性估计风险，通常转化为修正系数，对可能性估计风险进行修正。根据江苏省发布的《评估指南》构建图1的评价指标体系来确定供水管网安全风险。
1.1.1可能性评估指标
可能性评估指标主要含供水独立计量区域（DMA）运行情况评估指标及供水管道本身发生爆管的可能性评估指标。供水DMA的运行情况评估指标主要涉及管网的运行状态，主要包括管网漏损率、目标控制点压力稳定性、近5年历史事件数、区域内施工场地数量等。供水管道本身发生爆管的可能性评估指标主要有管道的物理属性、管道的敷设情况以及管道腐蚀情况。管道物理属性包括管材、管龄、管径、结构安全等指标：管道的敷设情况包括地面活动情况、建构筑物占压、管道和周边建筑及
图1供水管网安全风险评估指标体系 Fig.1 Index System for Safety Risk Assessment of Water Supply Network
其他管线的间距是否满足要求、管道埋深是否符合要求、管道穿跨越情况等指标：管道腐蚀包括地面管段腐蚀和土体腐蚀等指标。
1.1.2安全管理水平评估指标
为全面提高管道的安全运行水平及事故防范能力，建立安全管理水平评估指标，并采用半定量风险评估方法计算，将评估结果作为可能性等级的修正系数。安全管理水平评估指标主要含第三方施工管
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控水平评估指标、企业安全管理水平评估指标。第三方施工管控水平主要包括第三方施工破坏历史事件率、四方交底率、信息报告与共享、智慧监测；企业安全管理水平评估指标主要有管道工程竣工验收资料、信息化系统建设管理、安全培训（企业内部）安全机构及人员配备、应急救援和日常运行管理。应急救援包括抢险救援能力、应急预案的制订及应急演练：日常运行管理包括管道检查制度/计划/记录/处理、巡检周期、操作记录和日志、压力监测点布设密度。
1.1.3后果评估指标
后果性指标主要考虑社会影响，包括停水用户数量、交通中断、中断供水时长和敷设区域等，主要考虑供水管道发生突发性爆管后所产生的社会影响。
1.2量化评估指标
根据《评估指南》对各评估指标进行量化，各评估指标评分标准见《评估指南》中附录A可能性评估指标体系、附录B安全管理水平评估指标体系和附录C后果性评估指标体系。
1.3确定评估指标权重
供水管网安全风险评估中，模糊性是其固有特征之一。应用精确数学模型可能因权重分配不合理而导致评估结果失真。因此，专家评分法在此类评估中更为适宜。然而，专家对各评估指标对供水管网安全风险影响的主观性可能导致评估结果的偏差或错误。为解决此问题，采用层次分析法（AHP）来确定各评估指标的权重。主要计算步骤包括建立层次结构模型、构建判断矩阵、求解矩阵特征向量及矩阵一致性检验。
1.3.1构建判断矩阵
根据供水管网安全风险评估指标体系，将各评估指标设置为A1A2，""An。判断矩阵的构建需基于各评估指标的相对重要性进行对比分析，为此，需设定一个量化标准，以衡量某一评估指标相对于另一评估指标的重要性。层次分析法采用1~9的标度，具体量化因子及其对应的重要性关系如表1所示。通过各评估指标间的比较确定标度值，构造判断矩阵，由构造方式可知，判断矩阵为互反矩阵。
1.3.2求解判断矩阵最大特征值及对应特征向量
判断矩阵的构建不可避免地会引人一定误差，但AHP对精确度的要求并非极端严格。因此，采用
表1AHP标度值对应关系 Tab.1Correspondence between Scale Values of AHP
方根法对判断矩阵进行求解，通过数学变换求解判断矩阵的最大特征值（Amx）及对应的特征向量W：[W,W2,..,WmJT
步骤1：计算判断矩阵A=（ai）mm中每行元素乘积的m次方根得到向量W，如式（1）。
(1)
步骤2：对向量W进行归一化处理，如式（2）。
(2)
步骤3：计算判断矩阵的入max，如式（3）。
(3)
根据式(1)和式(2)计算权重向量W-[w.W2.， WmJ，即各评估指标在评估体系中的权重。此外，再根据式（3）计算最大特征值入mx。为验证理论设计和实际计算结果是否一致，还需进行一致性检验。
1.3.3矩阵的一致性检验
AHP能够将主观判断进行量化，但在构建模型的过程中需保证判断逻辑的一致性，以防止逻辑与结果之间出现偏差。因此，需要根据入m及对应的特征向量W对计算结果进行一致性检验，具体检验如式(4)。
(4)
Cr一判断矩阵的随机一致性指标值。
当Cr<0.1时，表明模型在建立过程中的判断逻辑和判断矩阵具有较高的一致性，这通常意味着权重分配是合理的。反之，则表明模型的一致性不足。需要对判断矩阵进行重新调整，直至达到一致性要求。平均随机一致性指标值如表2所示。
表2AHP平均随机一致性指标值 Tab.2 AHP Average Random Consistency Index Value
1.4风险分级标准
根据江苏省发布的《评估指南》将风险等级划分为I（低）、Ⅱ（一般）Ⅲ（较大）IV（重大）4个等级，并用不同颜色标注，具体如图2所示。
对重大风险的供水管道应当立即采取维修、更新改造措施，直至风险水平降至可接受范围内；对较大风险的供水管道应采取维修、更新改造措施或加强管理，将风险降至一般风险及以下，若仍不能降低风险等级，应对管道实施检测合监测；对一般风险的供水管道应增加巡检频次；对低风险的供水管道应定期巡查维护。
图2供水管网安全风险分级标准 Fig.2Classification Standard for Safety Risks of Water Supply Network
2评估指标的预处理方法
2.1管道基础属性数据预处理
管道管材、管龄、埋深都会存在不同程度的缺失或异常，可利用管道拓扑连接关系，将信息完整的管线向缺失管线延申，考虑延申过长会与实际情况存在较大差异，设定延申距离，仍然缺失的管线设定缺省值。
2.2路面属性数据的预处理
对于管道地面活动情况、管道跨越情况，不同管道对应的情况关联度不大，因此，对存在缺失的管线信息采用比例最高的值作为缺省值。
2.3高程数据预处理
高程数据对压力评估有重大影响，对收集到的管线信息中管段起始终止高程为0或为空的管线，利用已有的起始终止建立全区域的数字高程模型（DEM），再利用DEM对管段起始终止高程为0或为空的管线进行补充。
2.4目标控制点压力稳定性指标数据预处理
目标控制点压力稳定性指标主要根据各供水企业设定的基准值进行判断计算，计算方式为目标控制点的最大实际运行压力与最小实际运行压力之差与设计运行压力的比值。由于供水管网中的目标控制点通常不会过于密集，为了全面评估供水管网的运行压力稳定性，通常将管网内所有压力监测点均视为目标控制点。
泰森多边形是对空间平面的一种剖分，其特点是多边形内的任何位置离该多边形的压力监测点的距离最近，离相邻多边形内压力监测点的距离远，且每个多边形内含且仅包含一个压力监测点。泰森多边形在空间部分上的等分性特征。因此，可用于解决最近点、最小封闭圆等问题，利用监测点泰森多边形形成的面与管道做空间相关性计算，将多边形范围内的管道绑定对应压力监测点信息。
2.5历史事件指标数据预处理
根据历史漏水、维修、爆管事件点位坐标点与最近管线进行绑定，最终统计所有管线出现历史事件数。
2.6停水影响用户量指标数据预处理
按影响用户数量占该行政区域[县（市、区】内总用户数量的比例进行计算。城市管道以环状管网布置为主，单管影响用户有限，在没有建立管网水力模型与用户绑定关系前提下，无法建立任意管道对用户影响程度的准确评估。可根据历史维修记录对用户影响程度统计。
2.7敷设区域指标数据预处理
敷设区域指标是周边一定距离范围内的重点保障对象数量，一般指学校、医疗机构、具有调度指挥功能的党政军机关、火车站、客运站、具有地下空间的商场、地铁站、消防站等标志性场所。如存在同一个用户具有多个水表，这将影响重点对象数量的统计。为此，需对同一用户点进行聚类，以保障重点对象数量的准确性，再通过一定距离的范围约束，将重点保障对象数量信息绑定到管段上。
2.8交通中断指标数据预处理
交通中断指标是根据历史事件情况、地质条件、抢维修能力判断供水爆管后对周边道路产生的影响。由于直接判断交通中断的具体时长具有不确定性，但考虑到交通中断时长与管段管径密切相关，通常，爆管管径越大，其交通中断时长越长，反之，中断
时长越短。因此，可建立管径与交通中断时长的对应关系。具体管径对应的交通中断分级需根据水司历史抢维修记录统计。
2.9中断供水时长指标数据预处理
中断供水时长指标是从供水爆管后关闭阀门及修复冲刷后重新开启阀门的时间。根据调研结果，该指标通常与管段管径密切相关，管径越大，中断供水时长越久，反之，中断供水时长越短。因此，可建立管径与中断供水时长的对应关系。具体管径对应的中断供水时长分级需根据水司历史抢维修记录统计。