配水系统震后持续供水升级可行性：震后使用系统增强方法（SAEM）研究

《Micromachines》：Feasibility of Water Distribution System Upgrades to Allow Functionality After an Earthquake Using the System Augmentation for Use After an Earthquake Method

　　

地震后，由于沿断层线（fault lines）的管道失效（pipe failure）或土壤液化（soil liquefaction），水系统可能失去功能。本文引入一种新算法，该算法具有科学原创性，并推进了地震灾害管理（earthquake disaster management）的当前技术水平。研究人员开展了网络建模（network modeling），以研究使系统更具韧性（resilient）和鲁棒性（robust），从而允许在地震后持续使用直至泄漏（leaks）能够被隔离和修复（isolated and repaired）的可行性。所考虑的改进包括一条专用水箱供水管线（dedicated tank feed line），用于从水源（source）跨越断层线或液化区域向蓄水池（reservoir tank）供水，以及系统外围管道（system perimeter pipes）的升级。该分析方法被称为震后使用系统增强方法（System Augmentation for Use After an Earthquake Method, SAEM），并在一个真实系统上进行了演示。研究发现，这些升级能够使系统足够鲁棒，从而在地震后持续供水直至能够进行修复。对于所研究的系统，例如，为成功跨越断层线，且取决于破裂尺寸（break size），泵可能必须增加最多四个规格（按容量计），跨越断层的新供水管线最多增加三个规格，外围管道增加三个管道规格。类似地，对于沿主管线的液化街区，泵可能必须增加最多三个规格，跨越断层的新供水管线最多增加两个规格，外围管道增加三个管道规格。然而，新的SAEM分析方法可用于任何系统。

论文解读

研究背景
配水系统（water distribution systems, WDSs）是公共健康和经济活动的关键基础设施。其持续面临组件老化、需求增加以及自然灾害威胁。当发生重大失效，尤其是系统范围内同时出现多重失效时，由此产生的压力损失可使网络大部分区域不可运行，导致服务中断、污染风险和经济破坏。确保水系统水力韧性是水务管理者的主要任务。财务现实是，全面更换整个网络通常不可行，因此需要采用战略方法升级关键基础设施。当前基础设施规划方法常关注资产状况，如年龄、材料和消防流量，而非水力关键性，即组件失效的系统性影响。此外，虽然水力模型可以模拟局部管道破裂，但将复杂模拟结果转化为水务管理者清晰、可操作策略仍存在空白。具体而言，缺乏标准化框架，将初始组件关键性排序与渐进失效分析结合起来，以制定匹配不同风险等级解决方案需求的投资计划。地震是造成多重、同时管道失效的一大原因。1933 Long Beach、1949 Puget Sound、1965 Puget Sound、1969 Santa Rosa、1971 San Fernando、1979 Imperial Valley、1983 Coalinga、1985 Mexico City、1987 Whittier、1989 Tlahuac（Mexico）、1989 Loma Prieta、1994 Northridge、1995 Kobe（Japan）、1999 Izmit（Turkey）、1999 Chi-Chi（Taiwan）以及2001 Gujarat（India）等地震，均影响了公共用水和消防用水压力。已有研究涉及地震情景下WDS韧性、比较韧性评估框架、震后恢复、全局韧性分析、WDS抗震韧性评价、多重失效下可靠性、管道失效下韧性增强、抗震性能、WDS韧性管理、埋地管道地震易损性、关键管道识别、WDS性能评估与地震功能性、网络韧性拓扑属性、改进评估的统一概念模型、图论与全局韧性分析比较、韧性水基础设施挑战综述、水力信息图论、泄漏减少建模、易损性分析、韧性增强扩展策略、基于流量的地震风险评估以及管道更换等。但当前研究是唯一研究震后继续运行直至泄漏可被隔离和修复的方法；其他研究记录灾害影响或系统恢复，而非震后持续运行至恢复完成。研究人员因此引入新算法，通过网络建模研究使系统更具韧性和鲁棒性、从而允许震后持续使用直至泄漏隔离修复的可行性。

研究人员开展了以SAEM为核心的研究，并在真实系统上演示。改进措施包括专用水箱供水管线，用于从水源跨越断层线或液化区域向蓄水池供水，以及系统外围管道升级。研究得出结论：这些升级能够使系统足够鲁棒，从而在地震后持续供水直至能够进行修复。对于所研究的系统，为成功跨越断层线，且取决于破裂尺寸，泵可能必须增加最多四个规格（按容量计），跨越断层的新供水管线最多增加三个规格，外围管道增加三个管道规格；对于沿主管线的液化街区，泵可能必须增加最多三个规格，跨越断层的新供水管线最多增加两个规格，外围管道增加三个管道规格。新的SAEM分析方法可用于任何系统。其重要意义在于，这是首个已知实现震后持续使用的方法，应考虑用于配水系统地震韧性规划。

关键技术方法
研究人员使用EPANET（一种供水系统水力网络求解器）开展延时模拟。演示系统为真实系统，由60根管道、44个节点、1个泵和1个水箱组成；包含住宅和工业需求模式，峰值需求在第17小时，泵按水箱水位启停，并有泵特性曲线。管道破裂用EPANET发射器系数（emitter coefficient, C_E）在新增节点模拟，假设固定面积开口的大孔口压力流，C_d=0.8，g=32.2 ft/s²，C_E按0.5至6英寸直径计算；泄漏流Q_leak=C_E?P^γ，γ=0.5。建立断层、干线、液化三种空间失效情景，并逐步测试1至6英寸破裂。干预策略以75%节点在峰值小时压力大于20 psi为目标，迭代引入泵马力升级、专用水箱供水管线、水箱增压泵和管道扩容。研究未涉及人群样本队列；所用为演示系统。

研究结果
3.1 组件引入
迭代建模显示新组件需升级或引入的破裂直径阈值。1英寸和2英寸破裂时，通过升级来自水库的主泵（Pump 1和Pump 2）马力即可实现韧性，无需新基础设施。3英寸破裂是临界点，仅主泵无法满足需求目标，因此引入专用水箱供水管线和泵（Pump 3），建立维持水箱储存和静水头的供水策略。4英寸及更大破裂需要引入水箱增压泵（Pump 4）向网络主动注入压力，并投资升级输水管道和外围管道，以抵消失效后水头损失。通过模型运行得出，维持75%系统压力高于20 psi所需变化取决于破裂直径。

3.2 液化作为最坏情况
比较三种失效模型发现，液化情景水力需求最高，需要最高组合的泵马力和管径增加来维持目标压力。为将水力建模输出转化为水务管理者可操作工具，研究人员开发标准化框架，提供基于最坏液化模型的规范性规划矩阵。该矩阵将数据转换为相对于预期地震管道破裂直径的标准标称升级规格，使资产管理者无需重跑复杂模型即可将地震风险水平直接映射到标准资本投资需求。通过比较三种情景并进行最坏情况分析，得出液化最严重，并据此给出规划建议。

讨论与结论总结
研究人员使用新SAEM进行水力网络建模，研究允许震后持续供水直至泄漏可隔离修复的升级，在演示系统中得到成功配置，包括管道、泵和水箱扩容，以及增加一个额外泵。渐进干预策略从泵扩容开始，引入专用供水管线，最后升级系统管道，显示出能够缓解每个破裂直径失效情景的潜力。因此，该方法应考虑用于配水系统地震韧性规划。这是首个已知实现震后持续使用的方法。

研究结论翻译
使用新System Augmentation for Use After an Earthquake Method (SAEM)进行水力网络建模，以研究在震后直至泄漏可被隔离和修复之前允许持续供水的升级，结果在本文所用演示系统中形成了一种成功配置，包括管道、泵和水箱的扩容以及增加一个额外泵。渐进干预策略从泵扩容开始，引入专用供水管线，最后扩容系统管道，显示出能够缓解每个破裂直径失效情景的潜力。因此，该方法应考虑用于配水系统地震韧性规划。这是首个已知实现震后持续使用的方法。