基于双重指标的地震后供水网络功能评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Evaluation of post-earthquake functionality of water supply network based on dual indices

　　石远倩|姜焕军|王浩作|李家峰|亚西尔·西拉杰 中国上海同济大学土木工程防灾国家重点实验室，200092 **摘要** 供水网络（WSNs）分布广泛且结构复杂，地震后常常会遭受严重的功能损失。因此，合理评估地震后WSNs的功能至关重要。本研究通过同时整合节点供应指数和压力指数，提出了一种全面的功能评估公式。基于概率功能评估框架，可以通过多次蒙特卡洛模拟和所提出的评估公式来获得WSNs的功能。此外，利用粒子群优化（PSO）通过最小化Kullback-Leibler散度开发的损失函数来确定两个指数的权重系数。同时，将不同的地面运动强度及其对应的功能数据集随机划分为训练集和测试集，并通过多次交叉验证来验证权重系数的合理性。最后，对中国的一个WSN案例进行了研究。结果表明，仅依赖节点供应指数或压力指数可能会高估或低估WSNs的功能。通过PSO和2000次交叉验证，最终确定节点供应指数和压力指数的权重系数分别为0.48和0.52。Kullback-Leibler散度的特性确保这些权重系数能够恰当地反映两个指数对WSNs功能的贡献，并避免极端的功能评估结果。 **引言** 作为城市生命线系统的关键组成部分，供水网络（WSNs）在维持居民日常生活方面发挥着不可或缺的作用。然而，极端事件的频率增加显著提高了WSNs的脆弱性和风险暴露度，对其稳定运行构成了严重威胁[1,2]。特别是WSNs广泛的地理分布和复杂的结构配置使它们特别容易受到地震灾害的影响[[3], [4], [5]]。地震后的调查显示，地震引起的WSNs损坏及其相关的次生灾害通常会对社会造成严重影响[[5], [6], [7]]。许多研究强调，基础设施的韧性必须考虑直接损失[[8], [9], [10]]和间接损失[10,11]，以全面了解地震事件的社会经济后果。直接损失提供了地震影响的具体衡量标准，但仅代表总社会负担的一部分，而间接损失往往超过直接成本[12,13]。因此，评估地震后WSNs的功能不仅是为了估计物理损坏，也是减轻间接损失和增强城市韧性的前提。 作为构建韧性城市的关键步骤之一，WSNs的地震后功能评估已经得到了广泛研究。美国生命线联盟（ALA）[14]将地震后管道上的损坏类型分为两类：泄漏和断裂。泄漏点有部分水流通过，而断裂点则没有水流通过。针对每种管道损坏情况，已经建立了多种水力模型。Hwang等人[15]提出了统一的扩散模型，通过将泄漏点和断裂点视为加压孔口流来模拟它们。Liu等人[16]假设泄漏流均匀分布到受损管道的末端节点，同时保持原有的WSN拓扑结构。毫无疑问，这两种方法提高了水力计算的效率，但在捕捉WSNs地震后的物理运行机制方面仍有改进空间。相比之下，Shi和O'Rourke[17]通过引入虚拟管道、止回阀、虚拟水库等，开发了更精确的水力模型来模拟泄漏和断裂损坏。这种方法已被许多学者广泛采用[5,6,18,19]。 在建立受损管道的泄漏和断裂水力分析模型之后，选择适当的功能评估指数对于合理分析地震后WSNs的功能至关重要。Cimellaro等人[20]采用了无水家庭的比例作为功能指数，而Miao等人[21]则使用供水覆盖率和人均供水量作为功能指数。尽管这些指数简单易实施，但它们高度依赖于研究人员的经验。同时，虽然经济损失指数已在基础设施的功能评估中得到广泛应用[11,13]，但量化这些损失（尤其是间接经济损失）仍然具有挑战性，其表示方法尚未得到很好的标准化。此外，为了计算方便，还采用了多种复杂的网络拓扑指数（如中心点优势度、聚类系数和网络效率）来评估WSNs的功能[5,[22], [23], [24], [25]]。这些基于拓扑的指数适用于大规模WSNs，因为它们避免了计算密集型的水力分析。然而，它们无法捕捉WSNs的真实运行状态，如水头损失和管道压力[3]。 与上述功能指数不同，Liu等人[16]使用节点压力指数来评估用户满意度并量化WSNs的功能。城市工程系统地震韧性评估指南（RISN-TG041-2022）[26]引入了基于节点需求的节点权重，并采用加权平均值来评估WSNs的功能。除了节点压力指数外，节点供应指数也被用来评估WSNs的功能[6,19,27,28]。由于这些指标能够准确捕捉WSNs地震后的物理运行状态，它们已被广泛用于评估WSNs的功能。除了使用上述单一指数外，一些研究人员还采用了结合两个指数的双指数方法进行评估。Javanbarg等人[29]和Nuti等人[30]提出了一个结合节点供应和压力满意度的双指数框架来评估WSNs的功能。然而，这两项研究仅对这两个指数得出的功能评估结果进行了简单的独立分析，没有深入探讨基于这两个指数的功能评估结果之间的差异。相比之下，Li等人[18]通过整合节点供应和压力指数开发了一个功能评估公式，并大致讨论了两个指数的不同权重系数值对WSNs地震后功能评估结果的影响。结果表明，仅依赖节点供应指数或压力指数可能会高估或低估WSNs的功能。