摘 要：
为准确分析现状雨水管网健康状态，提出一种雨水管网健康度评价方法。该方法基于水力模型模拟结果与管网测绘数据构建了包含排水能力指标与工程属性指标的多层次评价指标体系，运用改进层次分析法(AHP)对指标赋权，利用逼近理想排序法(TOPSIS)进行信息融合，进而评价雨水管网健康度。以北京某区域为实例进行管网健康度评价，研究结果表明：该区域管网的排水能力得分为0.46,工程属性得分为0.97,综合健康度为0.61,综合健康度等级为“中等”。管网健康度等级分布与内涝积水风险叠加分析发现积水位置均位于健康度较低的管道附近，验证了方法的合理性。该方法不仅可以评价区域管网综合健康度，还可获得每根管道的健康度。在实际工程中，可分别从排水能力和工程属性两个角度针对等级较低的管网优先养护和改造，提升雨水管网运维与改造的效率。
关键词：
雨水管道;健康度评价;指标体系;水力模型;降雨;城市内涝;排水管网;
作者简介：
马晴晴(1996—),女，硕士研究生，主要从事城市排水管网系统优化研究。
*王昊(1987—),男，讲师，博士，主要从事城市排水管网系统优化研究。
基金：
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2022ZX07108-002);
引用：
马晴晴，吴珊，王昊，等． 雨水管网健康度评价与应用［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 3) : 195-204.
MA Qingqing，WU Shan，WANG Hao，et al． Health degree evaluation and application of rainwater pipe network［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 3) : 195-204.
0 引 言
雨水管网是排除地面雨水、防止内涝灾害发生的重要基础设施,若雨水管网健康度低，则无法充分发挥应有的排水能力和效率，影响城市正常的运行秩序和安全。因此，雨水管网作为城市排水系统运行管理的重要内容，需要对其健康度进行科学的诊断分析，及时地发现和解决关键管道存在的问题，确保雨水管网系统正常发挥排水功效，提高在役运行管网的健康度。
管网的健康性一般是指在规定的时间和条件下，其能够稳定、持续地完成预定功能，且不对社会、经济、环境造成负面影响的状态。目前国内外对于雨水管道健康度评价的相关研究中，一类是基于管道的实际检测结果展开评价。如方门福等采用CCTV技术、QV技术及人工巡视等手段检测管道内部状态，确定其结构性缺陷的类别和等级，进而提出根据管道缺陷状况评价管道健康状况的方法。缺陷类型识别常常依赖人工判断，需要消耗大量人力物力，因此，有学者提出自动识别和分类缺陷的方法，如LI等提出一种基于卷积神经网络的排水管道缺陷位置识别与自动分类的方法，为评估过程节省大量成本。管道存在结构性缺陷也往往会造成排水能力下降，甚至出现防涝工作效果不理想的现象,这种利用检测结果的评价分析能够直观反映管道的物理状态，便于后续的修复和改造。但是，地下管道的检测技术是一项有风险、投资高且周期长的项目,且根据城市管网规模的不同，每年只能对一小部分的管网进行检测。郑茂辉等基于极限学习机(ELM)和粒子群优化(PSO)算法，建立新型排水管道结构性状况评价模型。通过利用CCTV检测样本集对模型进行训练，实现输入管道的管材、管龄、管径、埋深、管长、坡度和所在道路类型，得到管道结构性状况的分类预测，但该模型需要大量的样本数据训练模型，才能实现较高的预测准确率，且评价中缺少对管道水力运行状态的考虑。
另一类评价方法是将水力模型模拟结果作为评价指标，如袁浩应用暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model, SWMM)对实际管网数据建模，将模型模拟结果作为评价雨水管网健康度的依据。周小飞在评价运城内涝风险时，利用水力模型分析不同重现期暴雨条件下的城区内涝情况，并将节点的溢流状况和管道充满度作为评估雨水管道的排水能力的依据。ZHU等基于SWMM模型、投影追踪方法、普通克里格法等提出一种估算排水区域淹没风险的方法，并将该方法作为评价雨水管网的排水能力的依据。这一类评价方法主要基于水力模型等工具针对某些假设的工况进行模拟，而且，通常是将一个区域作为评价对象，且大多数研究的重点是内涝情况。因此，得到的评估结果往往不能直接反映每个具体管道存在的实际问题，指导后期改造工作的针对性不强。
还有一类评价方法是选取具有代表性的因子构建指标体系，再通过层次分析法、SPSS法、模糊综合评价法等数学方法对指标体系进行权重计算及叠加分析，得到评价结果。如李晓静基于管网普查数据与社会经济因素对一定区域内的管网进行评价，评价指标包括：排水体制、管网密度、人均管长、管线体制、雨污混接、管径衔接不当、管线断头、逆坡管道。评价结果可以反映一定区域的管网状态，但无法体现单根管道的综合状况，且评价过程并不是只针对管网的状况，还考虑了大量环境因素的影响。
以上研究可见，雨水管网健康度评价具有重要意义。本文根据雨水管道水力运行状况和工程结构状态分析提出雨水管网多属性综合健康度评价方法，该方法采用以排水能力和工程属性为核心的多层次指标体系，从多角度分析健康度下降的原因，并依据评价结果给出管道改造和维护次序，使雨水管道的提升改造工作具有客观的依据和明确的方向，进而为雨水管网系统的运行管理和升级改造提供科学的依据。
1 雨水管道健康度评价方法
构建合理的评价方法可以实现量化分析现状雨水管网健康度。雨水健康度评价包括评价指标确定、指标值的确定和标准化、指标权重计算与健康度耦合。
1.1 评价指标确定
对于雨水管网而言，健康状况主要体现在管网排水能力和工程结构属性两方面，其中排水能力指标直接反映出一定区域内管网在排水过程中的运行状况，工程属性指标是指管网是否满足建设标准，反映管道所存在的隐患问题。
1.1.1 排水能力指标
排水能力指标是指能够反映出管道在排水过程中运行状态的指标，体现了管道排除雨水的能力，包括管道充满度、检查井溢流量、检查井溢流时间、管道瓶颈状态、管道排水标准，各指标具体含义如下：
(1)管道充满度。
充满度指管道内水深与管径的比值，能够反映管道剩余排水能力。若充满度为1(满管运行),则管道达到最大排水能力，处于超载状态。
(2)检查井溢流量。
溢流指管道在超载状态下运行，雨水仍持续汇入管网，剩余的雨水从管道连接的检查井处溢出的现象。溢出的水量越大，说明管道排水能力越不足。
(3)检查井溢流时间。
指与管道连接的检查井处形成溢流的时间，在一定程度上反映了该管道排水能力受限制的时间。溢流时间越长，表明管道及时排雨的能力越差。
(4)瓶颈管状态。
指当管道发生超载且出现水力坡度大于管道坡度的现象；说明此时管道内的流量超过了其满流设计流量，出现该现象的原因是管道自身的过流能力不足，并非受下游管道顶托作用。
(5)管道排水标准。
对不同重现期降雨条件下的管道状态进行分析，将管道上游连接的检查井是否出现溢流作为临界状态，判断管道对应的排水重现期标准，即管道排水标准；该指标反映了管道对内涝风险缓解所能发挥的最大作用，排水标准值越高，说明所能及时排除的雨量越多，排水能力越强。
1.1.2 工程属性指标
雨水管网在使用过程中应尽量避免出现的工程不合理现象包括：逆坡、大管径接小管径、断头管段、雨污混接、跌水过大；这些现象会影响管网的正常运行，且前四项指标一般情况下不允许出现在设计阶段。但实际运行的管道往往会由于下列原因出现工程属性不合理现象：(1)建设施工过程中的偏差。城市化进程加快导致管网系统建设的施工难度增加，工程误差难以避免。(2)使用运行过程中未按照要求对管道进行日常养护。(3)建成的管道受到城市地铁、高架路/桥建设，以及房屋拆迁等影响，出现位置、高程或连接关系的改变。(4)雨水管道受到地面不均匀沉降影响，发生位置或高程偏离等。本研究所涉及的工程属性指标含义如下：
(1)逆坡。
指管道坡度为负值，管道的上游高程值小于下游高程值，管道若出现逆坡现象则无法依靠重力作用顺利排雨。逆坡数值越大，则管道正常运行的困难越大。
(2)大管径接小管径。
指管道的管径小于上游连接管道的管径。出现该现象的管道排水能力较上游连接管道的排水能力弱，当该管道的排水能力受限时往往会影响上游管道的正常排雨，管径差值越大，对上游管道正常排水产生不利影响的可能性越大。
(3)断头管段。
指一定区域内的管网最终无明确出水口，在该管段处终止封闭的现象。该现象易造成雨水进入管网后无法顺利排走，易导致检查井处溢流，管网无法正常发挥功能。
(4)雨污混接。
指由于雨水管道与污水管道之间出现错误连接的现象。若雨水管道误接入污水管道，则雨水随污水一同进入污水处理厂，影响污水处理厂的正常运行；若污水管道误接入雨水管道，则未经处理的污水同雨水一起直接排放，容易引发污染环境的现象。即雨污混接现象会对排水系统正常发挥功能造成不利影响。
(5)跌水。
跌水指上下游连接管道之间存在高度差，雨水从上游管道自由跌落到下游管道的现象。跌水现象虽然允许在管道中出现，但较大的跌水数值往往会导致系统能量减少，影响排水效果，且水流冲击对管道结构有一定的损害，跌水数值越大，则管网运行中存在安全隐患的可能性越大。
综上，雨水管道健康度评价指标体系如图1所示。
图1 雨水管道健康度评价指标体系
1.2 指标值确定与标准化
指标值能够在一定程度上反映每个评价对象在各个评价指标下的优劣程度，指标值的确定需要合理统一的原则，且能够反映不同评价对象之间的差距。其中，排水能力指标值的确定借助水力模型完成，将水力模型模拟结果作为指标值输入的依据。随着水力模型的不断发展进步，其计算过程更加接近真情况，且计算结果与管网实际运行状态也较为吻合，现已作为分析管网排水能力的重要工具。依据管网基础数据构建一维管网水动力模型；依据检查井进行子汇水区划分并通过土地利用数据提取产流、汇流参数，构建产、汇流模型；依据地形数据并进行二维网格剖分构建二维地表漫流模型。将以上模型进行耦合模拟，可获得管道充满度、节点溢流量等管网排水过程模拟结果，以及地表积水深度和积水范围模拟结果。基于模型模拟结果，统计管道在设计降雨条件下的运行状况，作为A11、A12、A13、A14指标输入数值的依据；统计不同重现期降雨情景下的模拟结果，作为A15指标的输入数值的依据。工程属性指标值的确定依据管网测绘数据进行确定。指标值x′ij的计算原则如表1所列。
各指标之间由于量纲和量级的不同，存在不可公度性，为综合评价带来不便。为统一分析指标，需对指标值进行异常值处理和标准化处理。其中异常值根据各指标值的散点图确定，将异常值重新确定为非异常值区间内的相应上限或下限。指标的标准化处理采用极值处理法,通过数学变换消除原始指标量纲和量级的影响，其计算公式为
式中，xij为标准指标值；mj为j指标的最小值；Mj为j指标的最大值。
其中在标准化过程中极小性指标采用式(1),极大性指标采用式(2),采用该方法处理后的数据分布范围为[0,1]。
1.3 指标权重计算与健康度耦合
1.3.1 指标权重计算
为体现各个评价指标在雨水管网健康度评价过程中的相对重要程度，需要对指标赋予相应的权重系数。对于影响较大的指标，需要重点，应赋予较大的权重，反之，则赋予较小的权重。
第一级指标A1和A2的权重确定采用专家打分法,依据专家知识结合实际情况确定权重Ug(g=1,2)。对于本文方法，工程属性指标在一定程度上会影响排水能力指标，因此在管网健康度评价时，以排水能力指标为主，工程属性指标为辅，进行权重分配。第二级指标的权重需要利用指标信息并结合一定主观因素进行确定，故采用基于排序法的改进AHP法计算重w2k(k=1,2,3,4,5)。主要的计算步骤如下：(1)分别确定两类属性指标的重要性顺序；(2)采用(0,1,2)三标度法建立比较矩阵；(3)利用极差法构造判别矩阵；(4)通过一致性检验后，计算水力属性指标权重w1h(h=1,2,3,4),与工程属性指标w2k(k=1,2,3,4,5)。
最终，各指标的综合权重wj(j=1,…,8;∑j=18wj=1)∑j=18wj=1)为对应的一级指标权重Ug(g=1,2)与二级指标权重(w1h(h=1,2,3,4);w2k(k=1,2,3,4,5))的乘积。
1.3.2 健康度耦合
为耦合计算多指标维度下雨水管道在不同类型指标中的得分情况和健康度评价结果，采用“逼近理想排序法(TOPSIS)”进行信息融合。通过评价对象与最优解和最劣解的之间的距离进行排序，将每根管道作为一个方案，将评价指标看作方案的各种属性，完成多指标评价与多属性决策之间的转化，决策准则即为各管道的评价结果。该方法能充分利用原始数据的信息，其结果能精确地反映各评价对象之间的差距，且对数据分布及样本含量没有严格限制，计算过程简单易行。健康度耦合的步骤如下，排水能力指标的得分和工程属性指标的得分的计算同理。
(1)构造加权规范化矩阵Y
(2)确定正理想决策方案A+和负理想决策方案A-
(3)分别计算每个方案Ai到正理想方案A+和负理想方案A-的距离B+i和B-i
(4)计算每个方案到理想方案的贴近度zi,贴近度zi即健康度
将zi从小到大进行排序，排序结果反映了雨水管网的健康状况顺序。根据专家意见以及研究区域的实际情况选择分级的界限，将健康度分为三个等级：较差、中等和较好。将每根管道管长li占管网总长的比重作为权重，通过式(7)计算雨水管网整体的综合健康度Z值
本研究分析雨水管网健康度评价的整体流程如图2所示。
图2 雨水管道健康度评价分析的流程
2 实例研究
2.1 研究区域概况
以北京某区域的雨水管网数据为例进行健康度评价方法的验证研究。该区域总面积为4.82 km2,现状管网总长度22.03 km, 雨水管网的设计重现期为3 a。该区域管网无法及时排除设计重现期内的降雨，且在暴雨事件下积水现象严重。依据研究区内基础数据(包括：管道、检查井、土地利用等)构建一维产汇流与管网水动力模型，依据高程数据构建二维地表漫流模型，并将一二维模型耦合，用于排水过程的模拟计算。研究区管网分布及地形分布如图3和图4所示。
图3 研究区域内现状雨水管网分布
图4 研究区域内高程分布
依据该区域所在地的降雨相关资料以及规范，确定不同重现期下降雨过程，生成的降雨过程线如图5所示，将降雨过程数据输入到水力模型中生成相关的降雨事件。主要模拟重现期为1 a、2 a、3 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a, 降雨历时为180 min的情景，作为分析管网的排水状况的依据。
图5 降雨过程线
统计该区域汛期易涝点位置，将其作为模型精度检验的依据。易涝点发成积水时，降雨强度与重现期为10 a的降雨相近。因此将10 a情景下的积水情况与易涝点进行叠加分析以验证模型精度，如图6所示。从图6可以看出模拟的积水范围涵盖了易涝点位置，模型具有较好的精度。
图6 积水模拟结果与易涝点位置
2.2 雨水管道健康度分析
2.2.1 指标值确定与标准化
该区域管网在P=3 a情景下存在满管运行的管道占72.40%,上游检查井溢流量超过1 m3的管道占2.4%,上游检查井出现溢流的时间超过30 min的管道占13.75%,瓶颈管状态较为严重，即水力坡度超管道坡度达0.001的管道占20.32%;根据该区域管道在不同情景下的模拟结果，发现排水标准不足3 a的管道占39.04%。具体模拟结果如表2—表6所列。
根据该区域雨水管网测绘数据，确定工程属性指标下的管道状态，具体结果如表7所列。
该区域的管网存在逆坡和跌水的现象较为严重，仅有很少一部分的管段存在大管径接小管径的现象，且不存在雨污混接和出水口不明确的现象。
根据指标值的分布情况确定是否存在异常值，并将其中的异常值重新确定为非异常值区间内的相应上限或下限。根据式(1)和(2)对各项指标的数值x′ij进行数学转换，完成对指标值进行标准化处理。对指标值进行异常值处理和标准化处理后，标准指标值xij的分布情况如图7所示。
图7 标准指标值分布
2.2.2 指标权重计算与健康度耦合
根据专家意见，确定该区域内水力属性指标与工程属性指标的相对重要程度，最终确定A1和A2的权重分别为0.65与0.35。水力属性指标与工程属性指标权重分别基于排序法的改进AHP法确定，依据专家意见确定排水能力指标的相对重要顺序为：A11>A12>A13>A14>A15;工程属性指标的相对重要顺序为：A21=A22>A23=A24>A25,据此构建两类指标的比较矩阵与判断矩阵，并进行一致性检验,根据CR=CIRI<0.1CR=CΙRΙ<0.1进行判断，其中CI值分别为0.001和0.000 3,RI为1.12,由此可见判断矩阵满足一致性。指标权重的计算结果如表8所列。
根据式(3)—(6)计算每根管道的健康度，并从小到大进行排序，健康度数值最小为0.37,最大为1;根据专家意见以及该区域的实际情况，最终确定取健康度数值为0.50和0.75作为界限，将健康度分为三个等级：较差、中等和较好。该区域雨水管网健康度等级的分布如图8所示。根据式(7)可得到该区域雨水管网的综合健康度为0.61,整体健康状况处于中等水平。同理，可得到该区域的排水能力指标的综合得分为0.46,工程属性指标的综合得分为0.97,因此，相比工程属性类指标，水力属性类指标应作为该区域管网养护和局部改造的重点。
图8 雨水管道健康度等级分布
2.3 健康度评价结果的合理性验证
为了验证该区域雨水管道健康度评价结果的合理性，首先需要分析健康度是否能充分反映管道的状态，同时将健康度评价结果与积水风险结果叠加分析，分析两者之间的相关性。
2.3.1 健康度评价结果分析
根据雨水管道健康度的排序情况，检索到健康度最差的十根管段，并对其进行分析，分析结果如表9所列。
根据结果可知，健康度评价结果可以反映出管道存在的问题及其严重程度，根据健康度评价结果可以快速定位管网系统中健康状况较差的一类管道，并通过指标分布情况确定管道存在的具体症结，对后续养护和改造工作有指导作用。
2.3.2 积水风险与健康度等级的叠加分析
当积水深度和退水时间达到一定数值时会影响人们的正常生活，甚至会对生命财产造成威胁。雨水管网对缓解积水风险有直接作用。利用水力模型构建该区域的2维地表漫流模型，根据模拟结果对积水风险进行评估。风险评估标准如表10所列。
由于该区域管网的设计标准为3 a, 故将降雨重现期为3 a一遇时积水风险评估结果与管网健康度等级叠加分析，分析结果如图9所示。发现积水风险较大的一些区域附近的管道健康度等级也相对较差。说明雨水管道的健康度评价结果有一定合理性。
图9 积水风险分布与管道健康度等级分布
2.4 结果讨论
本文方法适用于具有管网测绘数据的相关区域，所涉及的综合健康状况评价方法，既考虑了管网排水能力因素，也考虑了工程属性因素，健康度评价结果反映了每根管道健康度等级和存在的结构问题，能够依据每根管道的健康度等级，制定管网养护、改造的优先次序，并结合结构问题制定整治方案。
3 结 论
(1)运用水力模型模拟结果和雨水管网测绘数据分析了现状雨水管道的健康状况，构建以排水能力和工程属性为重点的多属性指标体系，使得雨水管网健康度的评价分析更全面。
(2)针对实际案例，运用本文方法进行了健康度评价，通过分析健康度较差管道的实际状况，以及将评价结果与积水风险等级进行叠加分析，验证了方法的合理性。
(3)评价结果包含了区域内所有雨水管道的综合健康度、每根管道的健康度以及管道存在的健康问题，在实际的工作中，可依据健康等级制定管网运维和改造的优先次序。
由于缺少淤堵、破裂等管网摸查检测数据，因此本文方法未考虑这类缺陷性指标，有待数据完善后进一步研究，使得本文方法的评价指标更加全面。
水利水电技术（中英文）
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