考虑内部设施损坏及其相互依赖性的水处理厂抗震韧性评估

《Soil & Environmental Health》：Seismic resilience assessment of water treatment plants considering the damages and interdependencies of internal facilities

水处理厂（WTP）地震抗倒塌能力评估中，传统方法依赖历史统计数据，无法量化组件间关联及灾后动态恢复过程。本研究提出基于状态树模型的多指标韧性评估框架，通过构建包含组件互连关系的状态树，结合地震易损性模型和剩余功能分析，模拟震后功能恢复曲线，定义最小功能（Fmin）、修复时间（tD）、韧性指数（RI）和韧性损失（RL）四项核心指标，并以某800,000m3/d大型WTP为案例验证，揭示关键组件对系统韧性的影响机制。

　　水处理厂（Water Treatment Plants, WTPs）在城市供水系统中扮演着至关重要的角色，其主要功能是通过去除原水中的污染物，为城市居民提供安全、清洁的饮用水。然而，地震灾害可能对WTP的各个设施组件造成严重破坏，进而影响整个水处理流程的正常运行，导致供水能力下降，甚至影响到城市居民的日常生活和公共健康。因此，对WTP进行地震韧性评估，不仅有助于理解其在地震后的恢复能力，还能为城市基础设施的抗震设计和应急响应提供科学依据。

现有的地震功能评估研究多依赖于历史地震破坏数据的统计分析，这种方法虽然在一定程度上能够反映WTP的脆弱性，但在描述设施组件之间的相互依赖关系以及地震后系统功能的动态变化方面存在明显不足。此外，传统的评估方法往往忽视了地震后设施恢复所需的时间因素，使得评估结果难以全面反映WTP在地震后的恢复能力。鉴于WTP在地震后的恢复过程对于城市供水系统的稳定性至关重要，有必要建立一个更为全面和系统的地震韧性评估框架。

本研究提出了一种基于状态树模型的地震韧性评估框架（Seismic Resilience Assessment Framework, SRAF），该框架能够有效捕捉WTP中各设施组件之间的相互依赖关系，并量化地震后系统功能的动态变化。状态树模型是一种强大的系统分析工具，已被广泛应用于核电站、变电站和医疗机构等领域，用于建立系统组件之间的关系并评估其对整体功能和韧性的影响。通过将状态树模型引入WTP的地震韧性评估中，本研究能够在不依赖历史数据的情况下，对地震后的系统功能进行更为精确的模拟和分析。

首先，本研究利用地震脆弱性模型对WTP的各个组件进行地震破坏概率的评估。这些组件包括接收井、沉淀池、连接管道和清水池等，每个组件在水处理流程中都承担着特定的功能。通过分析每个组件在不同地震强度下的破坏概率，可以更准确地预测地震对整个WTP系统的影响。其次，研究引入了地震后组件的残余功能概念，用于衡量地震后各组件仍能维持的供水能力。通过结合地震后各组件的恢复时间，可以进一步构建WTP的系统功能恢复曲线，从而更全面地描述其地震后的恢复过程。

在地震韧性评估中，研究提出了一套多维度的评估指标，包括最低功能（Fmin）、修复时间（tD）、韧性指数（RI）和韧性损失（RL）。这些指标能够从不同角度反映WTP在地震后的恢复能力和韧性水平。例如，最低功能指标用于衡量地震后WTP能够维持的最低供水能力，修复时间指标则反映了WTP从地震中恢复所需的时间，韧性指数用于评估WTP在地震后的恢复效率，而韧性损失指标则用于衡量地震对WTP功能的破坏程度。通过这四个指标的综合应用，可以更全面地评估WTP的地震韧性，为城市供水系统的抗震设计和应急响应提供科学支持。

为了验证所提出框架的有效性，本研究选取了一个具有800,000立方米/天处理能力的典型WTP作为案例进行分析。根据HAZUS模型的分类标准，该WTP被归类为“大型WTP”。研究团队详细分析了该WTP的布局，包括其设施结构、附属建筑和连接管道等，这些元素共同构成了WTP的核心功能单元。通过建立状态树模型，并结合地震脆弱性分析和恢复时间模拟，研究团队能够准确地预测该WTP在不同地震强度下的功能变化，并评估其地震韧性。

在模型验证过程中，研究团队进行了大规模的蒙特卡洛模拟，共执行了10,000次模拟以确保结果的可靠性。模拟结果表明，该框架能够有效捕捉WTP在地震后的功能变化，并且能够准确地反映各组件之间的相互依赖关系。此外，研究还通过组件重要性分析，揭示了不同设施组件对WTP功能提升和韧性的影响。这一分析有助于识别出对WTP功能影响最大的关键组件，从而为优化抗震设计和应急响应策略提供依据。

本研究提出的地震韧性评估框架具有重要的实际应用价值。首先，该框架能够克服传统方法在依赖历史数据方面的局限性，使得评估结果更加灵活和准确。其次，通过引入状态树模型，该框架能够全面反映WTP在地震后的功能变化，包括多个破坏状态和动态恢复过程。此外，该框架还能够结合多维度的评估指标，为WTP的地震韧性提供更为系统的分析。最后，该框架的实施为城市供水系统的抗震设计和应急管理提供了新的思路和方法。

在当前全球地震活动频繁的背景下，城市供水系统的抗震能力显得尤为重要。WTP作为城市供水系统的重要组成部分，其地震韧性评估不仅关系到供水能力的恢复，还直接影响到城市居民的生活质量和公共健康。因此，建立一个科学、系统的地震韧性评估框架，对于提升城市供水系统的抗震能力具有重要意义。本研究提出的SRAF框架，通过引入状态树模型和多维度评估指标，能够更全面地反映WTP在地震后的功能变化和恢复过程，为城市供水系统的抗震设计和应急管理提供了新的视角和方法。

综上所述，本研究通过提出一种基于状态树模型的地震韧性评估框架，有效解决了传统方法在描述WTP功能变化和组件依赖关系方面的不足。该框架不仅能够准确预测地震对WTP的影响，还能够为WTP的抗震设计和应急响应提供科学依据。未来的研究可以进一步扩展该框架的应用范围，将其应用于不同类型和规模的WTP，以提升城市供水系统的整体抗震能力。同时，还可以结合其他因素，如气候变化、人口增长和城市扩张，对WTP的地震韧性进行更全面的评估。