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城镇建设【2020年第07期】

  • ID:271743
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  • 学科:市政工程
  • 更新时间:2020-05-25 05:58:01
  • 期刊: 城镇建设
内容简介
《城镇建设》是由中国出版传媒股份有限公司主管、中国大百科全书出版社有限公司主办,国际标准连续出版物号ISSN 2096-6539,国内统一连续出版物号CN10-1589/TU。本刊是面向国内外公开发行的国家级综合性工程学术期刊,以服务于广大工程建设科技人员、管理者,促进国内外工程建设学术交流与发展为宗旨。

现代城市生命线体系重要度层级分析

2019/8/9 15:17:00 市政工程 梁兴伟
资料简介

摘要:城市生命线体系包括城市电力网络、供水网络、天然气供应网络、热力供应网络、通信网络等,对于保障城市的运转和居民的生活起着至关重要的作用。鉴于城市生命线体系在社会经济发展中的特殊重要性,对其进行重要度层级分析,开展防护措施的基础。本文针对电力、供水、天然气、热力供、通信五类生命线网络进行重要度层级分析,确定了各类生命线网络不同类型设施的重要度层级,为后续开展防护措施和行动奠定基础。

现代城市生命线体系重要度层级分析

梁兴伟

陆军工程大学 江苏南京 210007

摘要:城市生命线体系包括城市电力网络、供水网络、天然气供应网络、热力供应网络、通信网络等,对于保障城市的运转和居民的生活起着至关重要的作用。鉴于城市生命线体系在社会经济发展中的特殊重要性,对其进行重要度层级分析,开展防护措施的基础。本文针对电力、供水、天然气、热力供、通信五类生命线网络进行重要度层级分析,确定了各类生命线网络不同类型设施的重要度层级,为后续开展防护措施和行动奠定基础。

关键词:城市生命线;重要度;层级;防护

1. 引言

城市生命线体系是重要经济目标体系的重要组成部分,主要包括城市电力网络、供水网络、天然气供应网络、热力供应网络、通信网络等,对于保障城市的运转和居民的生活起着至关重要的作用[1,2]。随着经济社会的发展,城市各类生命线网络体系相互关联并日趋复杂,受到平时自然灾害和战时空袭打击威胁的可能性也越来越大[3,4]

一直以来,城市生命线都是敌方打击的重点目标。2003年8月美国东北部地区和相邻的加拿大南部地区遭遇不明原因的电力设备损伤,形成大范围的生命线网络级联失效,对美国中西部、东北部各州的供水、交通、通讯等相关部门造成极大的影响,长达29小时的停电造成约300多亿元的直接经济损失[9,10]

鉴于城市生命线体系在社会经济发展中的特殊重要性,需要对其开展灾前防护。而进行现代城市生命线体系灾前防护,则需要对其进行重要度层级分析。

2. 城市生命线体系层级分析

相关研究表明,现代城市的生命线网络已经相互交织,形成了多层级、多维度的复杂网络系统。首先电力、能源(燃气)、供水、通信以及交通五类体系各自通过自身的节点和传输管线形成网络体系,继而这五类网络相互依存,如电力网络为燃气网络、供水网络提供电能,形成多层级、多维度的城市生命线体系复杂网络(如图1所示)。

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图1多层级、多维度的城市生命线体系复杂网络示意图

2.1 城市电力供应网络层级分析

如图2、图3所示,城市电网一般由区域大型的发电站输出电力能源,通过域外大型高压变电站以及110~220千伏电压的域外高压输电网输入市区,通过市区的大型高中压变电站,转化成35~110千伏的高中压配电网,最终通过中低压配电站,转化成10千伏及以下的低压配电网,供给各类用电终端。需要指出的是,某些城市内部也存在发电厂(站),发出电能,接入市区高中压变电网络。

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图2 某城市电力供应中高压配电网络拓扑示意图

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图3 城市电力供应网络层级分析图

因而,如图3所示,在城市电力供应网络中,构成网络的单元可以分为四个层级。最为关键的层级在于域外大型发电厂、域外大型高压变电站、大型输电网和城市发电厂(站)等关键节点和线网。而综合管廊功能在于容纳城市高中压及低压配电线网,处于电力供应网络的第三层级和末端层级。在现代战争中,对于城市生命线体系的打击主要以打击第一和第二层级的大型发电厂、大型高压变电站等关键节点为主,如科索沃战争和伊拉克战争中对于城市发电站进行空袭打击。而处于第三和末端层级的市内配电线网未面临直接打击,以间接毁伤为主。

2.2 城市燃气供应网络层级分析

城市燃气供应体系的来源为国家或区域的天然气气田及部分油田。天然气气田和油田产出的天然气,通过天然气处理站进行净化处理,经过升压加压站进行升压,进而通过长距离输送干线到达城市。城市一般通过城市门站这一重要站点接收输入的天然气,并通过储配站、调压站等关键节点逐步形成中压管网和低压管网供用户使用。

因而,对于城市燃气供应体系,构成网络的单元可以分为四个等层级(如图4所示)。最为关键的层级在于国家和地区的油田、天然气气田、大型天然气处理站、长距离输气干线等重要节点和线路。负责城市燃气接入的“总节点”——城市门站,以及相应的储配站节点、高中压调压站节点,因其引起次生灾害的严重性,也将是城市燃气供应体系的重点打击目标。从图4来看,城市综合管廊功能在于容纳燃气次高压及中压管线,处于燃气供应网络的第三和末端层级,一般考虑非直接打击的间接毁伤。

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图4 城市燃气供应网络层级分析图

2.3 城市通信网络层级分析

按照传输媒介的不同,城市通信网络体系可以划分为有线通信体系和无线通信体系两部分。有线通信由于综合管廊所容纳的通信管线均属于有线通信体系,因而我们只针对有线通信体系进行层级分析(如图5所示)。城市有线通信体系包括电话(电传)系统、广播电视系统,公共数据网,以及近些年兴起的综合数据网络等。在有线通信网络中,各类信号由城市基站、汇接局、电视中心发出,因而这些信号源构成了城市通信网络的第一层级(信源层),这些信源节点也将成为战时城市通信网络的重点打击目标。在信源层输出信息之后,信息在数据交换机(站)、电话端局、广电分前端(站)等交换机站进行数据交换,继而通过传输网络分发给各类终端用户。通信管线则处于城市通信网络体系的末端层级。

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图5城市通信网络体系层级分析图

2.4 城市供水网络层级分析

城市供水体系是保障居民饮用水和工业生产用水的重要保障,一般城市供水体系的来源主要城市附近的水源,水源经过城市自来水处理厂处理,通过供水管网输送给终端水用户。在供水网络中,若有部分区域水压不够,则会建设部分小型加压泵站,将水资源加压输送至终端用户。因而如图6和图7所示,城市供水网络体系的首要层级,即战时敌方打击目标重点,为城市供水水源和水处理厂。而综合管廊所容纳的供水管线则处于第二层级,相比于城市水源和水处理厂,属于次要目标对象。

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图6 某城市供水网络体系拓扑示意图

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图7 城市供水网络体系层级分析图

2.5 城市热力网络层级分析

城市热力供应体系一般存在于我国北方传统采暖地区和城市,主要任务在于向城市用户输送供热介质。城市供热的热源一般来源于城市内的热电站及区域锅炉站(房),因而这两个关键节点属于城市供热体系的第一层级。而综合管廊所容纳的热力管线则属于次要的第二层级,如图8所示。

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图8城市供热网络体系层级分析图

3. 结论与展望

根据上述分析,对于城市电力、燃气、通信、供水、以及热力五类生命线体系来说,重点目标在于国家和大区域的核心环及输送环。在现代战争战例中,一般也将生命线体系核心环和输送环作为重点的打击对象。一般城市综合管廊所容纳的生命线管线处于的末端层级或次末端层级,属于次要目标对象,如表1所示。

表1生命线体系“四环”层级分析表

层级

内涵

示例

第一层级

(核心环)

国家或区域核心生产单元

大型发电站,油田,天然气田,国家储备库等

第二层级

(输送环)

大区域输送体系

天然气处理站,大型高压变电站,西气东输管线,大区域输电网络

第三层级

(配送环)

城市中高级配送体系

重点城市天然气门站,城市储配站,城市中高压变电站,通信数据交换中心,城市水处理厂,城市高中压配电网络和次高压燃气管线(综合管廊)

第四层级

(终端环)

城市终端配送体系

一般城市配电网络和低压管网、供水管线(综合管廊)

根据本文所进行的现代城市生命线体系重要度层级分析,可对城市生命线网络在现代战争中的打击层次定位和防灾首要度进行确定,为城市生命线防护提供科学依据。

参考文献:

[1] 李宏男, 柳春光. 生命线工程系统减灾研究趋势与展望[J]. 大连理工大学学报, 2005, 45(6): 931–936.

[2] 李杰. 生命线工程的研究进展与发展趋势[J]. 土木工程学报, 2006(1): 1–6+37.

[3] 张明媛, 袁永博. 基于灾害蔓延动力学的生命线系统级联失效建模[J]. 系统工程, 2014, 32(6): 64–70.

[4] Ouyang M., Hong L., Mao Z. J., Yu M. H., Qi F. A methodological approach to analyze vulnerability of interdependent infrastructures[J]. Simulation Modelling Practice and Theory, 2009, 17(5): 817–828.

[5] 李国辉. 全球恐怖袭击时空演变及风险分析研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2014.

[6] 张峥, 吴宗之, 刘茂. 城市设施恐怖袭击风险分析的方法论基础[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2005, 41(4): 21–24.