繆惠全， 韋 杰， 鐘紫藍(lán)， 侯本偉， 韓俊艷， 杜修力

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

改革開放40多年來，我國城鎮(zhèn)化得到快速發(fā)展. 根據(jù)全國第7次人口普查數(shù)據(jù)，2020年我國常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到63.89%，城市化的過程一方面帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，另一方面推動(dòng)以供水管網(wǎng)為代表的城市基礎(chǔ)設(shè)施的高速發(fā)展. 2010年我國城市供水管線總長度為539 778 km，2020年則達(dá)到1 006 910 km，10年的時(shí)間增長接近1倍[1]. 然而，在自然災(zāi)害特別是地震作用下，供水管網(wǎng)所遭受的破壞和由此產(chǎn)生的次生災(zāi)害對人民生命財(cái)產(chǎn)的威脅仍非常顯著. 1976年唐山地震造成市區(qū)140 km供水管線完全喪失服務(wù)功能，震后供水最初完全依靠來自北京、天津等地的幾十部消防車和水罐車運(yùn)送，經(jīng)過2個(gè)多月的搶修，飲用水與生產(chǎn)用水才基本解決[2-3]；1995年日本阪神地震造成地震區(qū)110萬用戶斷水，全部修復(fù)工作持續(xù)2個(gè)半月，缺水嚴(yán)重阻礙地震所引起的次生火災(zāi)的救援[4-5]；2008年汶川地震受損供水管線達(dá)47 642 km，供水受災(zāi)人口達(dá)1 058萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失約26.78億元[6-7]. 因此，研究城市供水管網(wǎng)的抗震可靠性，提高管網(wǎng)系統(tǒng)的抗震能力，對現(xiàn)代城市的發(fā)展具有重要意義.

目前針對供水管網(wǎng)的文獻(xiàn)綜述基本以非量化的形式展開，主要依靠研究者多年的經(jīng)驗(yàn)，主要研究成果包括：1)管線抗震性能研究方面，Liang等[8]通過管線破壞的量化分析、地震現(xiàn)場觀測、理論分析和試驗(yàn)研究，總結(jié)場地條件對埋地管線抗震性能的影響. 2)供水管網(wǎng)的抗災(zāi)可靠性研究方面，Shuang等[9]量化分析供水管網(wǎng)的抗災(zāi)韌性研究，解析不同的方法和概念，辨析管網(wǎng)韌性，研究未來所面臨的挑戰(zhàn)；Liu等[10]針對包含供水管網(wǎng)在內(nèi)的6類基礎(chǔ)設(shè)施的韌性概念進(jìn)行梳理，指出其挑戰(zhàn)和趨勢. 3)供水管網(wǎng)漏損控制方面，黃哲驄等[11]介紹目前國內(nèi)外的漏損檢測技術(shù)并分析各種檢測技術(shù)的適用性，通過對這些技術(shù)進(jìn)行對比分析得出單獨(dú)使用某一種檢漏技術(shù)無法滿足管網(wǎng)檢漏低成本且無損的目標(biāo)；Wu等[12]將基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的爆管探測方法分為分類法、預(yù)測- 分類法、統(tǒng)計(jì)法3種，通過梳理這些方法的研究進(jìn)展，展望該領(lǐng)域未來的研究趨勢；Li等[13]通過對國內(nèi)外常用爆管探測和定位方法的研究成果進(jìn)行總結(jié)，分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出未來研究趨勢是發(fā)展一種混合檢測的方法，即綜合利用基于硬件和基于軟件的爆管探測和定位方法. 4)供水管網(wǎng)水質(zhì)研究方面，趙欣等[14]介紹常見的管道清潔技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，通過對這些技術(shù)進(jìn)行對比分析給出各種管道清洗技術(shù)的適用范圍；林曉丹等[15]梳理余氯模型、消毒副產(chǎn)物模型、濁度模型、總鐵模型4種經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)水質(zhì)模型的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上展望經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)水質(zhì)模型未來的研究趨勢；Song等[16]以天津市為例概述城市多水源供水的發(fā)展趨勢，總結(jié)供水優(yōu)化分配方案的建模方法，討論基于多水源供水的應(yīng)急運(yùn)行和保證用戶水量與水質(zhì)要求的日常運(yùn)行未來所面臨的挑戰(zhàn).

既往研究各具特色，為深入了解供水管網(wǎng)的可靠性提供了全景式的概念圖示. 但以非量化的形式撰寫綜述主要的不足之處是分析的結(jié)果存在主觀性，分析的內(nèi)容強(qiáng)烈依賴于研究者的深入程度，對于領(lǐng)域的初入者難以提供客觀量化的分析結(jié)果. 基于上述原因，為了更加客觀地認(rèn)識國內(nèi)供水管網(wǎng)抗震可靠性領(lǐng)域研究進(jìn)展，本文基于CiteSpace軟件分別對4個(gè)層次、涉及5個(gè)領(lǐng)域的文獻(xiàn)展開量化分析. 從一般管線研究領(lǐng)域(第1層)，逐步深入供水管網(wǎng)領(lǐng)域(第2層)，進(jìn)而進(jìn)入供水管網(wǎng)抗震領(lǐng)域(第3層)或供水管網(wǎng)可靠性領(lǐng)域(第3層)，并最后詳細(xì)地分析了供水管網(wǎng)抗震可靠性領(lǐng)域(第4層)，明確該領(lǐng)域的歷史發(fā)展脈絡(luò)、核心研究團(tuán)隊(duì)，通過解析研究主題來探明該領(lǐng)域目前的研究現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢. 本文不僅可為供水管網(wǎng)抗震領(lǐng)域研究的新生力量提供概覽式量化的研究風(fēng)貌，同時(shí)亦可為經(jīng)驗(yàn)豐富的研究人員提供有效的借鑒.

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

CiteSpace是基于JAVA語言開發(fā)的信息可視化軟件，可以通過國家、機(jī)構(gòu)和作者的合作網(wǎng)絡(luò)分析、關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析以及參考文獻(xiàn)的共被引分析等功能來繪制某一領(lǐng)域的知識圖譜，展現(xiàn)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，厘清該領(lǐng)域的知識脈絡(luò)，探索該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[17]. 本文使用的軟件版本為5.8.R2(64-bit).

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選用知網(wǎng)為數(shù)據(jù)源，檢索方式按照研究范圍從寬到窄分為4個(gè)層次，如圖 1所示. 為了有效剔除質(zhì)量較低的文獻(xiàn)，需對檢索的文獻(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步凝練，所用檢索詞、精練方式、檢索結(jié)果如表1所示. 檢索的時(shí)間為2021年10月31日20時(shí)52分.

圖1 研究的4個(gè)層次Fig.1 Four levels of research

表1 檢索方式

2 管線研究領(lǐng)域

2.1 文獻(xiàn)來源分析

該領(lǐng)域文獻(xiàn)檢索數(shù)量排名前10位的期刊如表2所示，這10本期刊共收錄該領(lǐng)域2 240篇文獻(xiàn)，占所檢索有效文獻(xiàn)數(shù)量的25%，是管線研究領(lǐng)域最具代表性的期刊. 從文獻(xiàn)類型來看，《油氣運(yùn)輸》《天然氣工業(yè)》《石油機(jī)械》《天然氣與石油》《油氣田地面工程》《石油工程建設(shè)》《中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)》《管道技術(shù)與裝備》共8本期刊，其發(fā)表的文獻(xiàn)多和油氣管線有關(guān)，檢索到的文獻(xiàn)數(shù)量為1 815篇，占10本期刊收錄文獻(xiàn)數(shù)量總和的81%. 《中國給水排水》《給水排水》收錄的文獻(xiàn)多和給排水管線有關(guān)，這2本期刊收錄的文獻(xiàn)數(shù)量為425篇，占10本期刊收錄文獻(xiàn)數(shù)量總和的19%.

表2 管線領(lǐng)域文獻(xiàn)檢索數(shù)量前10名期刊

2.2 發(fā)文作者分析

該領(lǐng)域發(fā)文量超過40篇的作者如表3所示，共有15人，發(fā)文量總數(shù)為752篇，占總數(shù)量的8.4%. 其中有10人的工作單位是石油類高校，分別是西南石油大學(xué)的姚安林、李長俊、張鵬，中國石油大學(xué)(北京)的宮敬、帥健、張宏、梁永國，中國石油大學(xué)(華東)的李玉星和陳明國，遼寧石油化工大學(xué)的吳明，其余5人的研究也都涉及油氣管線. 因此，從該領(lǐng)域的文獻(xiàn)來源和發(fā)文作者分析可以看出，油氣管線和給排水管線是管線研究領(lǐng)域的主流，而油氣管線相對于給排水管線更加受到關(guān)注.

圖2 供水管網(wǎng)領(lǐng)域年度發(fā)文量變化Fig.2 Number of papers published each year in the research area of water supply networks

表3 管線領(lǐng)域發(fā)文量不低于40篇的作者

3 供水管網(wǎng)研究領(lǐng)域

3.1 論文發(fā)表時(shí)間分布分析

該領(lǐng)域年度發(fā)文量如圖2所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)供水管網(wǎng)的研究可分為3個(gè)階段，分別是2002年以前(階段1)、2003—2007年(階段2)、2008年至今(階段3).

階段1中所能檢索到的最早的文獻(xiàn)是1994年仲偉俊等[18]發(fā)表的對于城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的研究，其次是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳學(xué)偉等[19]于1996年發(fā)表的管道工況分析中確定管徑d、海曾- 威廉斯公式系數(shù)C、柯爾勃洛克公式中k值及用管道相對負(fù)荷指數(shù)分析管道工況問題的文章. 當(dāng)然，供水管網(wǎng)的抗震問題自1976年唐山大地震之后就得到關(guān)注，但由于知網(wǎng)文獻(xiàn)收錄時(shí)間的原因，最早能檢索到的文獻(xiàn)只能向前追溯至1994年. 這一階段文獻(xiàn)數(shù)量總體在個(gè)位數(shù)徘徊，顯示出該領(lǐng)域的發(fā)展還處于較早的階段.

階段2的年度發(fā)文量逐年遞增，年平均增長率為47%，表明在這一階段供水管網(wǎng)領(lǐng)域的研究開始興起.

階段3主要是自2008年汶川大地震以后，供水管網(wǎng)的研究進(jìn)入了高速發(fā)展階段. 地震導(dǎo)致的供水中斷直接影響了震后的應(yīng)急救援，而震后供水管網(wǎng)的漏損問題和水質(zhì)惡化問題又影響了人們的正常生活，在災(zāi)害的影響下，供水管網(wǎng)的防災(zāi)減災(zāi)問題受到政府、科研機(jī)構(gòu)以及廣大群眾的廣泛重視，發(fā)文數(shù)量總體呈逐年遞增的趨勢，2020年發(fā)文量112篇，相比2008年的47篇，增長了1.38倍.

3.2 論文發(fā)表作者分析

論文發(fā)表作者是科學(xué)研究的主體，通過對發(fā)文作者及其之間合作關(guān)系的分析，可以反映出該領(lǐng)域的核心作者群及其合作關(guān)系. 該領(lǐng)域的作者合作網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表1位作者，作者姓名字體的大小(節(jié)點(diǎn)的大小)代表了核心作者的發(fā)文數(shù)量；2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連線表示2個(gè)作者之間存在合作關(guān)系，線條的粗細(xì)表示2個(gè)作者的合作強(qiáng)度，線條的顏色代表了2位作者首次合作的年份，顏色變化由灰到紅表示時(shí)間由遠(yuǎn)及近.

圖3 供水管網(wǎng)領(lǐng)域作者合作網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Collaborative networks of authors in the research area of water supply networks

從圖3可以看出，國內(nèi)供水管網(wǎng)研究已經(jīng)形成9個(gè)核心研究團(tuán)隊(duì)，包括了哈爾濱工業(yè)大學(xué)(趙洪賓)、同濟(jì)大學(xué)(劉遂慶)、浙江大學(xué)(張土喬)、天津大學(xué)(張宏偉)、清華大學(xué)(劉書明)、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(強(qiáng)志民)、東華大學(xué)(舒詩湖)、青島理工大學(xué)(呂謀)、北京工業(yè)大學(xué)(侯本偉). 分析國內(nèi)該領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)不難發(fā)現(xiàn)，供水管網(wǎng)的研究呈現(xiàn)小集中、大分散的特征，同一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)內(nèi)部合作強(qiáng)度較大，但各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)之間的合作強(qiáng)度比較弱，這從側(cè)面反映出主流研究者還需要進(jìn)一步加強(qiáng)國內(nèi)的交流和合作，共同推進(jìn)我國供水管網(wǎng)領(lǐng)域研究的進(jìn)展.

3.3 關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次反映了研究者對該關(guān)鍵詞的關(guān)注程度，而最近幾年共現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞則可以反映出該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). 取共現(xiàn)頻次排名靠前10%的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，共40項(xiàng)，如表4所示. 從反映該領(lǐng)域所研究的問題的關(guān)鍵詞及其共現(xiàn)頻次來看，爆管、漏損控制、漏損、泄漏檢測、泄漏定位、漏點(diǎn)定位、管網(wǎng)漏損反映的問題主要是漏損控制，水質(zhì)模型、生物膜、水質(zhì)、管網(wǎng)水質(zhì)、鐵釋放、水源切換、余氯衰減、余氯反映的問題主要是水質(zhì)，優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化布置、優(yōu)化反映的問題主要是管網(wǎng)優(yōu)化，水力模型反映的問題主要是水力模型的建立. 因此，該領(lǐng)域的研究主要包括漏損控制、水質(zhì)、管網(wǎng)優(yōu)化、水力模型4個(gè)主題.

在該領(lǐng)域中，關(guān)鍵詞“地震”的共現(xiàn)頻次只有7次，而反映漏損控制主題的關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次是94次，反映水質(zhì)主題的關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次是86次，反映管網(wǎng)優(yōu)化主題的關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次是29次，反映水力模型主題的關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次是42次. 可以發(fā)現(xiàn)，供水管網(wǎng)領(lǐng)域側(cè)重于研究日常運(yùn)維中的漏損、水質(zhì)等問題，而供水管網(wǎng)抗震問題所受的關(guān)注度相對較低.

4 供水管網(wǎng)抗震研究領(lǐng)域

4.1 論文發(fā)表時(shí)間分布分析

該領(lǐng)域檢索文獻(xiàn)隨時(shí)間的變化如圖4所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，2006年以及以前年度發(fā)文量均在3篇以下，表明供水管網(wǎng)的抗震研究未引起足夠的關(guān)注，研究進(jìn)展緩慢. 2007年迎來了發(fā)文量峰值(7篇)，2008年的汶川地震造成供水設(shè)施的大量破壞，其中處在地震烈度9度區(qū)的德陽綿竹市城區(qū)供水系統(tǒng)遭受嚴(yán)重破壞，供水管線80%破裂，震后開始供水時(shí)管網(wǎng)漏失率達(dá)85%[7]. 總體上，2008年以后供水管網(wǎng)抗震研究明顯比2007年之前增加.

4.2 論文發(fā)表作者分析

該領(lǐng)域的作者合作網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)供水管網(wǎng)抗震研究形成了3個(gè)核心團(tuán)隊(duì)，即同濟(jì)大學(xué)以李杰為核心的研究團(tuán)隊(duì)、北京工業(yè)大學(xué)以杜修力為核心的研究團(tuán)隊(duì)和中國地震局工程力學(xué)研究所以郭恩棟為核心的研究團(tuán)隊(duì). 從進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)間來看，李杰團(tuán)隊(duì)較早進(jìn)入該研究領(lǐng)域并形成影響力，而杜修力團(tuán)隊(duì)和郭恩棟團(tuán)隊(duì)目前仍處于非?；钴S的階段.

4.3 關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析

取共現(xiàn)頻次排名靠前20%的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，共26項(xiàng)，如表5所示. 從反映該領(lǐng)域所研究的問題的關(guān)鍵詞及其共現(xiàn)頻次來看，震害預(yù)測是該領(lǐng)域所研究的一個(gè)主題，水力分析、滲漏模型、水力模擬、滲漏面積反映的問題是水力分析，拓?fù)鋬?yōu)化、圖論理論反映的問題是拓?fù)鋬?yōu)化，抗震性能反映的問題是管

表4 供水管網(wǎng)領(lǐng)域關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)

圖4 供水管網(wǎng)抗震領(lǐng)域年度發(fā)文量變化Fig.4 Number of papers published each year in the seismic research area of water supply networks

圖5 供水管網(wǎng)抗震領(lǐng)域作者合作網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Collaborative networks of authors in the seismic research area of water supply networks

線的抗震性能，可靠性、隨機(jī)模擬反映的問題是供水管網(wǎng)的抗震可靠性. 因此，該領(lǐng)域主要包括震害預(yù)測、水力分析、拓?fù)鋬?yōu)化、管線抗震性能、供水管網(wǎng)抗震可靠性5個(gè)研究主題.

5 供水管網(wǎng)可靠性研究領(lǐng)域

5.1 論文發(fā)表時(shí)間分布分析

從圖6中論文發(fā)表的數(shù)量情況來看，在2005年及以前，年度發(fā)文量均不超過2篇，該領(lǐng)域的研究處于起步階段. 2006年以后年度發(fā)文量均不少于5篇，且發(fā)文量有逐年遞增的趨勢，尤其是近3年的發(fā)文量顯著增長，呈現(xiàn)出該領(lǐng)域的研究蓬勃發(fā)展、方興未艾之勢.

圖6 供水管網(wǎng)可靠性領(lǐng)域年度發(fā)文量變化Fig.6 Number of papers published each year in the reliability research area of water supply networks

5.2 論文發(fā)表作者分析

該領(lǐng)域的作者合作網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)供水管網(wǎng)可靠性研究已經(jīng)形成了一些相對穩(wěn)定的科研合作群體，如李杰團(tuán)隊(duì)、趙洪賓團(tuán)隊(duì)、張宏偉團(tuán)隊(duì)、劉遂慶團(tuán)隊(duì)，其中李杰團(tuán)隊(duì)主要研究供水管網(wǎng)在地震災(zāi)害下的可靠性，其他3個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究主要涉及供水管網(wǎng)在日常運(yùn)維下的可靠性. 從作者的合作時(shí)間可以看出，李杰團(tuán)隊(duì)、劉遂慶團(tuán)隊(duì)、趙洪賓團(tuán)隊(duì)進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)間較早，并且已經(jīng)形成重要的影響力，而郭恩棟團(tuán)隊(duì)、強(qiáng)志民團(tuán)隊(duì)進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)間相對較晚，目前正處于快速發(fā)展階段.

5.3 關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析

取共現(xiàn)頻次排名靠前10%的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，共39項(xiàng)，如表6所示. 從反映該領(lǐng)域所研究的問題的關(guān)鍵詞及其共現(xiàn)頻次來看，漏損控制、漏損、漏損定位、爆管、管網(wǎng)漏損、漏損評估、水力模型、局部漏損、漏損率、漏損檢測反映的問題主要是漏損控制，優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化布置、拓?fù)鋬?yōu)化反映的問題主要是管網(wǎng)優(yōu)化，滲漏模型、震害預(yù)測、水力模擬反映的問題主要是供水管網(wǎng)的抗震可靠性. 因此，該領(lǐng)域所研究的主題主要可以分為三大類，即漏損控制問題、管網(wǎng)優(yōu)化問題和供水管網(wǎng)抗震可靠性問題.

表5 供水管網(wǎng)抗震領(lǐng)域關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)

圖7 供水管網(wǎng)可靠性領(lǐng)域作者合作網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Collaborative networks of authors in the reliability research area of water supply networks

在上述3個(gè)研究主題中，反映漏損控制主題的關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次為89次，反映管網(wǎng)優(yōu)化主題的關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次是11次，反映供水管網(wǎng)抗震可靠性主題的關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次是10次. 由于漏損控制問題屬于供水管網(wǎng)日常運(yùn)維中的問題，因此，在供水管網(wǎng)可靠性研究領(lǐng)域中，日常運(yùn)維下的可靠性比抗震可靠性所受的關(guān)注度更高.

6 供水管網(wǎng)抗震可靠性研究領(lǐng)域

6.1 論文發(fā)表時(shí)間分布分析

該領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量隨時(shí)間的變化如圖8所示，從中可以看出，供水管網(wǎng)抗震可靠性的研究可以分為3個(gè)階段，第1個(gè)階段為1997年之前，第2個(gè)階段是1998—2007年，第3個(gè)階段為2008年至今.

第1個(gè)階段僅能檢索到第1篇發(fā)表于1992年的有關(guān)震害預(yù)測的文獻(xiàn)[20]，限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，國內(nèi)供水管網(wǎng)抗震可靠性的研究僅停留在震害預(yù)測方面.

第2個(gè)階段對供水管網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的抗震可靠性研究開始起步. 在1998—2007年10年中，文獻(xiàn)的數(shù)量逐年變化不大，多則3篇，少則空白.

表6 供水管網(wǎng)可靠性領(lǐng)域關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)

圖8 供水管網(wǎng)抗震可靠性領(lǐng)域年度發(fā)文量變化Fig.8 Number of papers published each year in the seismic reliability research area of water supply networks

第3個(gè)階段則是2008年以后，由于汶川地震所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，供水管網(wǎng)抗震可靠性的研究興起，一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)則是基于抗震可靠度的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)問題. 2010年的玉樹地震和2013年的蘆山地震進(jìn)一步推動(dòng)了供水管網(wǎng)抗震可靠性的研究，使得該領(lǐng)域的文章數(shù)量出現(xiàn)明顯的增加.

6.2 論文發(fā)表作者分析

該領(lǐng)域的作者合作網(wǎng)絡(luò)如圖9所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)供水管網(wǎng)抗震可靠性研究形成了3個(gè)核心團(tuán)隊(duì)，即李杰團(tuán)隊(duì)、杜修力團(tuán)隊(duì)、郭恩棟團(tuán)隊(duì). 與第3個(gè)層次中供水管網(wǎng)可靠性研究人員的分析相對比可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)重于管網(wǎng)運(yùn)維的團(tuán)隊(duì)并不包含于此，而針對供水管網(wǎng)進(jìn)行抗震研究的主流團(tuán)隊(duì)，則均涉及供水管網(wǎng)系統(tǒng)層次的可靠性研究.

圖9 供水管網(wǎng)抗震可靠性領(lǐng)域作者合作網(wǎng)絡(luò)Fig.9 Collaborative networks of authors in the seismic reliability research area of water supply networks

6.3 關(guān)鍵詞的聚類分析

關(guān)鍵詞的聚類是指把含義相同或相近的關(guān)鍵詞聚為一類，而表達(dá)含義不同的關(guān)鍵詞則被分到不同的聚類中，每個(gè)聚類代表相應(yīng)領(lǐng)域的1個(gè)研究主題. 第2、3層次通過對關(guān)鍵詞的定性分析實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)領(lǐng)域研究主題的歸類，在這一層次通過對關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類實(shí)現(xiàn)了對關(guān)鍵詞的定量分析，更加準(zhǔn)確地反映出供水管網(wǎng)抗震可靠性領(lǐng)域的研究主題.

關(guān)鍵詞的共現(xiàn)聚類如圖10所示，共有5個(gè)聚類，包含134個(gè)節(jié)點(diǎn)、276條連線. #0、#1……代表聚類的編號，編號的數(shù)字越大表示聚類中所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量越少. 表7給出了各個(gè)聚類的具體信息，其中規(guī)模為聚類中關(guān)鍵詞的數(shù)量；平均輪廓值反映聚類質(zhì)量，當(dāng)該值大于0.7時(shí)，認(rèn)為聚類結(jié)果具有高可

圖10 關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.10 Clusters of keywords

表7 關(guān)鍵詞聚類信息

信度；研究主題由各個(gè)聚類中的關(guān)鍵詞凝練總結(jié)得出，所有的研究主題構(gòu)成該領(lǐng)域的知識體系. 通過對各個(gè)聚類的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，每個(gè)主題的核心研究問題如下.

6.3.1 聚類#0

該聚類集中于供水管網(wǎng)抗震可靠性分析方法的研究，主要包含兩大類：管網(wǎng)連通可靠性分析與管網(wǎng)功能可靠性分析. 連通可靠性側(cè)重于分析管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連通性能，而功能可靠性側(cè)重于分析震后管網(wǎng)的實(shí)際供水量保有能力.

供水管網(wǎng)的連通可靠性分析方法主要有精確解法、界限值近似法和隨機(jī)模擬法.

1) 精確解法主要包括經(jīng)典的最小路算法[21-22]和經(jīng)典的最小割算法[23]等. 隨著管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，管網(wǎng)系統(tǒng)中的最小路數(shù)目和最小割數(shù)目會(huì)呈現(xiàn)非多項(xiàng)式增長，由此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連通可靠性計(jì)算時(shí)間和空間分解的非多項(xiàng)式增長. 當(dāng)求解大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通可靠性時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的工作量，其計(jì)算往往會(huì)非常耗時(shí)，從而限制了這類方法的應(yīng)用與發(fā)展.

2) 界限值近似法是通過求解管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的上、下限值，并通過指定上、下限差值來獲得管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的近似解. Li等[24]提出M-Dotson法(最小路遞推分解算法)以及李杰等[25]提出最小割遞推分解算法有效緩解了求解大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)連通可靠度分析的非多項(xiàng)式增長難題，可計(jì)算中小型網(wǎng)絡(luò)失效概率的精確值及大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)失效概率的高精度值. 在此基礎(chǔ)上，劉威等[26-27]提出改進(jìn)的最小路遞推分解算法和改進(jìn)的最小割遞推分解算法，能更高效地計(jì)算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連通可靠度. 劉威等[28]通過實(shí)例對比分析改進(jìn)的最小路遞推分解算法和改進(jìn)的最小割遞推分解算法，分析結(jié)果表明最小路類遞推分解算法對網(wǎng)絡(luò)單元可靠度較高的情況收斂性較好，而最小割類遞推分解算法則對網(wǎng)絡(luò)單元可靠度較低的情況收斂性較好. 侯本偉[29]針對網(wǎng)絡(luò)兩端連通可靠性問題，采用直接不交化算法進(jìn)行求解，可在有限計(jì)算時(shí)間內(nèi)求出小型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的精確解或大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的近似解，相比最小路遞推分解算法，此算法可更快地求解單元處于低可靠度狀態(tài)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連通可靠性；相比最小割遞推分解算法，此算法可獲得較優(yōu)的不交解集. 界限值近似法的研究重點(diǎn)在于尋找高效的上、下限求解方法.

3) 隨機(jī)模擬法原理是概率論中的大數(shù)定律和伯努利試驗(yàn)原理，認(rèn)為當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)足夠大時(shí)，事件出現(xiàn)的頻數(shù)等于其發(fā)生的概率. 由于隨機(jī)模擬法避免了網(wǎng)絡(luò)連通可靠性分析中出現(xiàn)的非多項(xiàng)式增長難題且無須考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因而在求解大型管網(wǎng)系統(tǒng)的連通可靠性時(shí)有極大的優(yōu)勢. 隨機(jī)模擬法的模擬誤差與抽樣方差成正比，與模擬抽樣次數(shù)的平方成反比. Shinozuka等[30]較早將Monte Carlo模擬法運(yùn)用到供水管網(wǎng)系統(tǒng)抗震連通可靠性分析中，采用網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣的N次冪方法對每次模擬所得的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行抗震連通可靠性分析，并以洛杉磯供水管網(wǎng)為例驗(yàn)證了該方法的可靠性. 何雙華等[31-32]基于Monte Carlo模擬法模擬供水管網(wǎng)中各管段的運(yùn)行狀態(tài)及破壞狀態(tài)，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論給出供水管網(wǎng)的連通可靠性. 由于采用模糊數(shù)學(xué)理論判斷大型管網(wǎng)系統(tǒng)連通能力會(huì)出現(xiàn)計(jì)算效率低下的缺點(diǎn)，韓陽[33]基于Monte Carlo模擬法，采用寬度優(yōu)先搜索技術(shù)判斷管網(wǎng)系統(tǒng)的連通能力. 韓陽和何雙華在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通可靠性分析時(shí)，假設(shè)節(jié)點(diǎn)完全可靠，僅考慮邊的失效概率. 針對同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)和邊單元失效的一般賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)，侯本偉等[29,34]提出一種考慮節(jié)點(diǎn)失效網(wǎng)絡(luò)連通可靠性計(jì)算的基于重要度抽樣的Monte Carlo模擬法，此方法可以增加對失效概率貢獻(xiàn)大的抽樣點(diǎn)出現(xiàn)概率，并且在相同模擬次數(shù)下，重要度抽樣模擬的效率及精度高于普通隨機(jī)模擬，但對于單次模擬，此方法并不能提高隨機(jī)模擬法的精度. 龍立等[35-36]采用基于Sobol序列的Quasi-Monte Carlo模擬法對供水管網(wǎng)系統(tǒng)單元的破壞概率進(jìn)行抽樣，結(jié)合寬度優(yōu)先搜索技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)連通性判別，通過算例分析表明該方法比普通隨機(jī)模擬具有更高的計(jì)算效率及精度.

供水管網(wǎng)抗震功能可靠性分析方法主要可以分為一次二階矩法、隨機(jī)模擬法、概率密度演化方法.

1) 一次二階矩法的基本思想是在基本變量的概率分布不清楚時(shí)，采用變量的均值(一階原點(diǎn)矩)和標(biāo)準(zhǔn)差(二階中心矩)的數(shù)學(xué)模型求解結(jié)構(gòu)可靠度的方法. 陳玲俐等[37]首次將供水管網(wǎng)日常運(yùn)維可靠度分析的一次二階矩法運(yùn)用到管網(wǎng)震后的功能可靠度分析中去，以滲漏面積作為供水管網(wǎng)震害量化參數(shù)，運(yùn)用點(diǎn)式滲漏模型對震后管網(wǎng)進(jìn)行水力分析，結(jié)合一次二階矩法，給出供水管網(wǎng)的抗震功能可靠度. 柳春光等[38]通過考慮震后節(jié)點(diǎn)配水量隨節(jié)點(diǎn)壓力的動(dòng)態(tài)變化，求解管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的流量和水壓，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合管網(wǎng)水力分析和一次二階矩法得到震后低壓供水管網(wǎng)系統(tǒng)的功能可靠度. 一次二階矩法具有計(jì)算量小、概念明確的優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)是： ① 只能反映管網(wǎng)功能特性的二階統(tǒng)計(jì)特征，不能全面反映概率統(tǒng)計(jì)信息； ② 選擇不同的極限狀態(tài)方程后可能得到不同的可靠度指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果粗糙，適用于對可靠度要求不高的情況.

2) 在管網(wǎng)功能可靠性分析的隨機(jī)模擬法方面，李小軍等[39]利用虛設(shè)滲漏節(jié)點(diǎn)模擬震時(shí)管網(wǎng)的漏水狀態(tài)，引入Monte Carlo模擬法分析各節(jié)點(diǎn)的水壓及滿足供水需求的可靠性. 李昕[40]基于管線兩態(tài)破壞模型，結(jié)合Monte Carlo模擬法對震后管網(wǎng)破壞進(jìn)行隨機(jī)模擬，刪除網(wǎng)絡(luò)中完全破壞的管線和孤立的節(jié)點(diǎn)，對新的管網(wǎng)進(jìn)行水力分析，分別以節(jié)點(diǎn)水壓和流量的均值作為評價(jià)指標(biāo)評估管網(wǎng)的功能可靠性. 和麗榮等[41]基于Monte Carlo模擬法生成震后管線狀態(tài)，分析不同烈度下管網(wǎng)的抗震水力功能可靠性，但其分析過程中一定程度上簡化了管道爆管及滲漏模型，分析結(jié)果的精度有待進(jìn)一步提高. 隨機(jī)模擬法具有原理簡單，不受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜程度影響的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在缺點(diǎn)，主要是： ① 存在計(jì)算結(jié)果收斂的問題； ② 計(jì)算十分不經(jīng)濟(jì).

3) 概率密度演化方法是由李杰和陳建兵提出并發(fā)展的一類針對隨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的分析方法，Miao等[42-44]基于這一方法，建立隨機(jī)地震動(dòng)場中供水管網(wǎng)的物理運(yùn)動(dòng)控制方程，并結(jié)合瞬變流理論，成功實(shí)現(xiàn)工程場地隨機(jī)地震動(dòng)場模擬—管網(wǎng)系統(tǒng)隨機(jī)地震反應(yīng)分析—滲漏供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力分析—供水管網(wǎng)隨機(jī)功能反應(yīng)分析—供水管網(wǎng)抗震功能可靠度評估這一完整的分析路徑，實(shí)現(xiàn)基于物理機(jī)制的城市水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)抗震功能分析和動(dòng)態(tài)功能可靠度分析. 該方法不僅具有清晰的物理機(jī)制和詳細(xì)的概率演化信息，而且具有較高的計(jì)算效率.

6.3.2 聚類#1

該聚類集中于供水管網(wǎng)的地震反應(yīng)研究，包括經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法和理論分析法2類方法.

1) 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法是以地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度(peak ground acceleration，PGA)、地面運(yùn)動(dòng)峰值速度(peak ground velocity，PGV)等來描述場地特征，以破壞率D來反映管線的地震反應(yīng)，通過對歷史震害數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出管線破壞率與場地特征的關(guān)系. 國外在這一方面的研究起步較早，Toki等[45]根據(jù)Kubo等統(tǒng)計(jì)的關(guān)中地震中供水系統(tǒng)的管線破壞分布和地震烈度分布的記錄，將東京市網(wǎng)格化，逐個(gè)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)D與PGV之間有比較好的相關(guān)性，即

(1)

式中：VP表示PGV，cm/s；D約為每30 800人口所占管線的破壞率.

Katayama等[46]根據(jù)舊金山地震統(tǒng)計(jì)和鑄鐵管的平均震害率，將管線的破壞率按照場地、管材、埋深不同的影響因子予以修正來預(yù)測任一位置處的管線破壞率，則

(2)

式中：Dl是預(yù)測位置l處的管線破壞率，處/km；Cg、Cp、Cd分別為場地、管材、埋深的影響因子；ap是場地運(yùn)動(dòng)峰值加速度，cm/s2.

我國在這方面的研究起步相對較晚，通過對海城地震所造成的地下管線的震害情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到海城等地的地下供水管線的震害率λ[47-48]，如表8所示.

表8 海城地震中管線的震害率(λ)

王東煒[49]通過對中國、日本、美國、墨西哥等國的地下管線震害資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到了可以考慮管線銹蝕程度及接頭類型等因素的λ，如表9所示.

表9 地下管線平均震害率(λ)

郭恩棟等[50]通過對汶川地震中地下管線的地震破壞資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到鋼管、灰口鑄鐵管等管材的管線在烈度分別為6、7、8度情況下的λ，如表10所示.

表10 管線的震害率(λ)

2) 理論分析法主要是基于地下管線的物理模型建立地下管線或者管網(wǎng)的易損性模型[51]. 代表性的工作如劉智等[52]采用有限元分析方法，通過數(shù)值模擬手段分析不同地震烈度下供熱管線的地震反應(yīng)，基于三態(tài)破壞準(zhǔn)則對供熱管線的易損性進(jìn)行研究，得到單位長度供熱管線的震害率. 王書銳[53]針對墊襯法加固前后球墨鑄鐵地下供水管線數(shù)值模型，進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，得到非均勻場地下基于場地運(yùn)動(dòng)峰值速度的管線接口易損性曲線. 麗娃[54]基于ABAQUS有限元分析軟件采用簡化的管土相互作用三維模型從靜力和動(dòng)力2個(gè)方面研究天然氣管線在地震作用下的反應(yīng)，進(jìn)一步運(yùn)用地震易損性理論，給出天然氣管網(wǎng)的地震易損性曲線.

6.3.3 聚類#2

該聚類集中于供水管網(wǎng)的抗震設(shè)計(jì)，其核心是拓?fù)鋬?yōu)化. 由于供水管網(wǎng)在空間尺度內(nèi)是具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幾何模型，如何設(shè)計(jì)合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡可能提高管網(wǎng)整體的抗震性能就成為關(guān)鍵科學(xué)問題之一. 管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思路是首先建立供水管網(wǎng)抗震拓?fù)鋬?yōu)化模型，再利用某種算法對該模型進(jìn)行求解給出優(yōu)化的管網(wǎng)結(jié)構(gòu). 李杰[55]首先提出利用現(xiàn)代組合優(yōu)化理論、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)抗震可靠度分析進(jìn)行工程網(wǎng)絡(luò)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想. 在此基礎(chǔ)上，Chen等[56]首次以管網(wǎng)建設(shè)造價(jià)為優(yōu)化目標(biāo)，利用遺傳算法并結(jié)合啟發(fā)式管徑優(yōu)化算法進(jìn)行了基于功能可靠度的供水管網(wǎng)抗震拓?fù)鋬?yōu)化和管徑優(yōu)化研究，這一工作首次實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)的角度來進(jìn)行管網(wǎng)的抗震拓?fù)鋬?yōu)化. 李杰等[57]以管網(wǎng)造價(jià)為優(yōu)化目標(biāo)、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為優(yōu)化參數(shù)、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最低可靠度為約束條件建立優(yōu)化模型，基于模擬退火算法提出供水管網(wǎng)的抗震拓?fù)鋬?yōu)化方法. 徐良等[58]以管網(wǎng)年費(fèi)用折算值為優(yōu)化目標(biāo)、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與管徑為優(yōu)化參數(shù)、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最低可靠度為約束條件建立優(yōu)化模型，基于微粒群算法給出拓?fù)鋬?yōu)化方法. 劉威等[59]以管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用和建成后的運(yùn)維費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和管徑為優(yōu)化參數(shù)，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最低可靠度為約束條件，同時(shí)考慮管線投資重要度，利用不同的組合優(yōu)化算法進(jìn)行供水管網(wǎng)抗震拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明遺傳- 模擬退火算法表現(xiàn)最好，遺傳算法和微粒群算法次之，而蟻群算法的搜索性能較差. 李杰等[60]首先提出基于自動(dòng)生成策略的供水管網(wǎng)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法只需要管網(wǎng)用戶節(jié)點(diǎn)信息就可以生成滿足抗震要求的供水管網(wǎng)，但該方法在生成管網(wǎng)時(shí)不考慮實(shí)際工程背景，而是直接認(rèn)為管線是連接管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的直線，與實(shí)際工程尚有差距. 在此基礎(chǔ)上，劉威等[61]以管網(wǎng)年費(fèi)用折算值為優(yōu)化目標(biāo)、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與管徑為優(yōu)化參數(shù)、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最低可靠度為約束條件建立優(yōu)化模型，將管網(wǎng)所在區(qū)域的道路信息引入管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基于自動(dòng)生成策略，結(jié)合環(huán)形網(wǎng)絡(luò)判斷方法，利用遺傳算法、遺傳- 模擬退火算法、微粒群算法進(jìn)行了供水管網(wǎng)抗震拓?fù)鋬?yōu)化分析. 上述優(yōu)化模型均未對用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重要度評價(jià)，對所有節(jié)點(diǎn)采用相同的抗震可靠性評價(jià)指標(biāo)，不能體現(xiàn)重點(diǎn)保障和分級設(shè)防的抗震理念，同時(shí)優(yōu)化參數(shù)也未考慮管段的抗震能力差異性. 基于此，侯本偉等[62]以不同用戶的抗震保障能力需求為優(yōu)化目標(biāo)，以管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和管段抗震能力為優(yōu)化參數(shù)，提出了一種可考慮管網(wǎng)拓?fù)淙哂喽鹊目拐饍?yōu)化設(shè)計(jì)模型，利用遺傳- 退火混合算法進(jìn)行優(yōu)化求解.

6.3.4 聚類#3

水力分析主題集中于點(diǎn)式滲漏模型的建立. 常用的供水管網(wǎng)滲漏模型有點(diǎn)式滲漏模型和一致滲漏模型2類. 點(diǎn)式滲漏模型反映滲漏點(diǎn)流量與滲漏面積、滲漏點(diǎn)水壓的水力關(guān)系，屬于理論模型；一致滲漏模型反映滲漏流量與管網(wǎng)的整體滲漏水平間的水力關(guān)系，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

最早的點(diǎn)式滲漏模型是Eguchi于1983年提出的，但是Eguchi點(diǎn)式滲漏模型只適用于管線發(fā)生一分為二的嚴(yán)重破壞的情況. 隨后，中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)(CUWA)[63]、劉威等[64]、美國供水協(xié)會(huì)(AWWA)[65]、Hwang等[66]、Shi[67]、Tabesh等[68]學(xué)者或研究機(jī)構(gòu)先后提出了不同的點(diǎn)式滲漏模型，侯本偉等[69]將這些點(diǎn)式滲漏模型與基于孔口出流的管線滲漏模型[70]進(jìn)行對比，如表11所示，指出模型間的差異主要來自于公式系數(shù)取值的不同，通過對比分析各模型的應(yīng)用結(jié)果，表明孔口出流模型更符合管道漏水的實(shí)際情況.

表11 點(diǎn)式滲漏模型公式對比表

點(diǎn)式滲漏模型的滲漏點(diǎn)流量與滲漏點(diǎn)水壓和滲漏面積密切相關(guān). 滲漏點(diǎn)水壓可以通過最終的水力計(jì)算迭代得到，而滲漏面積需要提前確定. 滲漏面積與管網(wǎng)的破壞狀態(tài)密切相關(guān)，Ballantyne等[71]最先開始研究管線滲漏面積與其破壞狀態(tài)之間的關(guān)系，定義管線處于輕微破壞時(shí)滲漏面積為0，處于中等破壞時(shí)滲漏面積取為管線截面面積的30%，處于嚴(yán)重破壞時(shí)的滲漏面積取為管線截面面積，則管線的滲漏面積計(jì)算公式為

AL=0P1AD+0.3P2AD+P3AD

(3)

式中：P1、P2、P3分別為管道處于輕微破壞、中等破壞和嚴(yán)重破壞的概率；AD為管線截面面積，m2. 由于震害狀態(tài)是一個(gè)比較模糊的概念，不同的震害調(diào)查者對于同一根管線的破壞狀態(tài)界定不同，因此這種分析比較粗疏.

陳玲俐等[72]在管線震害分析和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上給出了震后管線滲漏面積的量化模型為

(4)

式中：R2為單根管線的滲漏極限位移，m，R2=R1+AD/(απd)；AD為管線截面面積，m2.

劉威等[73]指出了陳玲俐模型[72]中存在的2點(diǎn)不足：1) 滲漏模型中滲漏面積的物理意義不夠明確；2) 對接頭完全破壞的位移上限估算過大. 并在此基礎(chǔ)上重新給出了滲漏模型的量化表達(dá)式

(5)

式中：δ為接頭滲漏縫的最大寬度，m，對于柔性接頭，指的是橡膠圈與插口外壁之間(平均意義上)的縫隙寬度；RL為接頭插口插入承口的深度，m，當(dāng)R>RL時(shí)，接頭被完全拔出.

6.3.5 聚類#4

該聚類的文獻(xiàn)集中于對管線本身抗震性能的研究，主要依賴于試驗(yàn)手段對管線或者管線接頭的力學(xué)性能的測試和分析，包括靜力加載管線接口試驗(yàn)、動(dòng)力加載振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和動(dòng)力加載現(xiàn)場激振試驗(yàn).

1) 靜力加載管線接口試驗(yàn)的典型代表如周靜海[74]對埋地的聚氯乙烯管和球磨鑄鐵管在注水和不注水條件下進(jìn)行了靜力軸向拉伸試驗(yàn)，對2種管材的接口力學(xué)性能進(jìn)行分析. 劉威等[64]對球磨鑄鐵管柔性接口在填土和不填土2種情況下的滲漏情況進(jìn)行了軸向靜力拉拔試驗(yàn)，研究了不同管線接口在不同接口變形條件下滲漏量和時(shí)間之間的關(guān)系. 鐘紫藍(lán)等[75]通過對球墨鑄鐵承插式接口輸水管線在外部無覆土、加壓注水條件下進(jìn)行擬靜力拉拔試驗(yàn)，表明加載方式以及管線內(nèi)部水壓等對接口的軸向抗拉力學(xué)性能和破壞方式的影響不大. 鐘紫藍(lán)等[76]采用墊襯法對DN400球墨鑄鐵供水管線的承插式接口進(jìn)行修復(fù)，對修復(fù)后的管線接口進(jìn)行擬靜力拉拔與彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明與修復(fù)前相比該方法能顯著提高管線接口的抗拉、抗彎承載力. 李曉曉等[77]對管內(nèi)注水的DN400型球墨鑄鐵管承插式接口分別進(jìn)行單調(diào)和往復(fù)的軸向拉拔和橫向彎曲的擬靜力加載試驗(yàn)，分析得出：2種加載方式對接口在軸向和橫向受力下發(fā)生初始漏水和嚴(yán)重漏水時(shí)對應(yīng)的接口變形量影響不大；接口等效抗拉剛度隨接口張開量的增加呈指數(shù)型下降，而等效抗彎剛度隨接口彎曲轉(zhuǎn)角的增加而呈近似線性遞減. 但是應(yīng)該認(rèn)識到： ① 由于試驗(yàn)條件和現(xiàn)場施工條件存在的差異，使得管線接口的試驗(yàn)性能和實(shí)際性能存在差異；② 在地震作用下管線承受的是一種動(dòng)力作用，這也會(huì)導(dǎo)致通過靜力加載獲得的管線性能與實(shí)際性能存在差異.

2) 動(dòng)力加載振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的基本思想是利用振動(dòng)臺(tái)對室內(nèi)的模型管線或者真實(shí)管線進(jìn)行動(dòng)力加載試驗(yàn)，以研究管線在地震動(dòng)作用下的反應(yīng). 韓俊艷等[78-79]通過均勻和非均勻場地中埋地管線的多點(diǎn)非一致激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究埋地管線的抗震性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：在縱向非一致激勵(lì)和非均勻場地的共同作用下，最大峰值應(yīng)變可能出現(xiàn)在場地變化的過渡區(qū)或土體介質(zhì)較軟的場地中；在橫向非一致激勵(lì)較高加載等級下，均勻土中管線的應(yīng)變響應(yīng)比一致激勵(lì)作用下增大2倍左右，非均勻土中管道的應(yīng)變響應(yīng)變化不明顯. 相比于動(dòng)力加載現(xiàn)場激振試驗(yàn)，動(dòng)力加載振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)操作相對簡單，試驗(yàn)的效率比較高，但是該試驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)： ① 不能完全消除模型箱所導(dǎo)致的土體的邊界效應(yīng)； ② 模型箱中的土是擾動(dòng)土，這與自然狀態(tài)下管道周圍埋土的狀態(tài)并不相同； ③ 受振動(dòng)臺(tái)性能的限制，對復(fù)雜管網(wǎng)的試驗(yàn)研究很難開展.

3) 動(dòng)力加載現(xiàn)場激振試驗(yàn)的基本思想是通過現(xiàn)場制造爆炸、打樁等人工震源，然后觀測埋地管道在人工地震動(dòng)下的反應(yīng). Wang等[80]和Miao等[81]以爆炸模擬地震動(dòng)，對帶有彎管等復(fù)雜連接件的地下管網(wǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)，首次將真實(shí)地下管線的動(dòng)力測試推進(jìn)到網(wǎng)絡(luò)性和系統(tǒng)性的層次. 動(dòng)力加載現(xiàn)場激振試驗(yàn)具有可以控制人造地震動(dòng)的強(qiáng)度且不受地震動(dòng)隨機(jī)因素的控制的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法也存在以下不足之處： ① 人工地震動(dòng)和天然地震動(dòng)的差異可能會(huì)導(dǎo)致管道反應(yīng)的差異； ② 相對室內(nèi)試驗(yàn)，該試驗(yàn)操作比較復(fù)雜，人工地震動(dòng)施加難度大，試驗(yàn)成本高.

7 關(guān)鍵科學(xué)問題

通過本文的系列分析不難發(fā)現(xiàn)，本領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題主要有：

1)現(xiàn)役劣化管線的地震破壞機(jī)理. 實(shí)際地下管網(wǎng)由于長時(shí)間的服役，存在不同程度的老化腐蝕現(xiàn)象，在地震這一因素的作用下，將會(huì)出現(xiàn)屈曲、斷裂、破裂等多種形式的破壞. 因此，準(zhǔn)確地解析老舊管線的地震破壞機(jī)理，科學(xué)地反映劣化管線的結(jié)構(gòu)破壞，是進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)層次分析的基礎(chǔ).

2)斷層、液化等地震引起的場地大變形作用下管網(wǎng)破壞機(jī)理與抗震設(shè)計(jì)方法. 事實(shí)上，由于地震動(dòng)場的空間變異性，管線跨越斷層、液化等場地大變形區(qū)面臨著巨大的地震風(fēng)險(xiǎn)，深入科學(xué)地揭示斷層、液化等場地大變形作用下管網(wǎng)破壞機(jī)理，并發(fā)展簡潔有效的設(shè)計(jì)方法，是提升整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)抗震可靠性的重要支撐.

3)不同漏損形式的地震破壞管網(wǎng)滲漏分析模型. 地下管網(wǎng)的管材、接頭、閥門、水表等結(jié)構(gòu)形式多樣，由此導(dǎo)致的管線管身、接頭、連接件等處的滲漏形式復(fù)雜，不僅包括各類爆管、明漏等，還包括各類暗漏等，特別是地震破壞導(dǎo)致的管網(wǎng)破損各有特點(diǎn)，建立恰當(dāng)?shù)牡卣鹌茐墓芫W(wǎng)滲漏分析模型，是進(jìn)行管網(wǎng)抗震功能分析的基礎(chǔ).

4)震后管網(wǎng)水質(zhì)污染機(jī)理和擴(kuò)散模型. 地震會(huì)導(dǎo)致水源地以及多種地下水源的污染，同時(shí)管網(wǎng)爆管等負(fù)水壓會(huì)進(jìn)入破損管網(wǎng)導(dǎo)致污染物的進(jìn)一步擴(kuò)散. 因此，科學(xué)合理地辨析地震破壞管網(wǎng)水質(zhì)污染物擴(kuò)散機(jī)理，建立管網(wǎng)內(nèi)污染物分析模型，是實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)抗震功能可靠性分析的重要內(nèi)容.

5)大型管網(wǎng)抗震韌性分析的高效計(jì)算方法. 隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和日趨復(fù)雜，建立更加精細(xì)的管網(wǎng)模型并進(jìn)行分析，是提升管網(wǎng)抗災(zāi)韌性的基礎(chǔ). 充分考慮管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和管線物理特征、管網(wǎng)場地特征、失效相關(guān)特征的精細(xì)化分析模型，并以此為基礎(chǔ)建立高效的求解分析方法，是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)智慧管理和建立孿生模型的基本途徑之一.

6)基于既有管網(wǎng)的供水管網(wǎng)更新和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法. 隨著城市更新和老舊小區(qū)的改造，在既有管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，在災(zāi)前即建立合適的管網(wǎng)更新優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是降低總體震損的重要基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)→更新→再設(shè)計(jì)”管網(wǎng)螺旋式的發(fā)展.

8 結(jié)論

為了對供水管網(wǎng)抗震可靠性領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，本文基于CiteSpace軟件分別對管線—供水管網(wǎng)—供水管網(wǎng)抗震或供水管網(wǎng)可靠性—供水管網(wǎng)抗震可靠性4個(gè)層次涉及5個(gè)領(lǐng)域的文獻(xiàn)逐層深入地展開了量化分析，得出以下結(jié)論：

1) 在管線領(lǐng)域中，油氣管線和給排水管線是研究的主流，相比于給排水管線，油氣管線所受的關(guān)注度更高.

2) 供水管網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展歷程可以分為3個(gè)階段，年度發(fā)文量受災(zāi)害的影響比較大；該領(lǐng)域已形成9個(gè)核心研究團(tuán)隊(duì)，各團(tuán)隊(duì)內(nèi)部合作強(qiáng)度大，而團(tuán)隊(duì)之間的合作強(qiáng)度較弱；研究主題主要是漏損控制、水力模型、管網(wǎng)優(yōu)化和水質(zhì)問題；該領(lǐng)域側(cè)重于研究日常運(yùn)維中的漏損、水質(zhì)等問題，而供水管網(wǎng)抗震問題所受的關(guān)注度相對較低.

3) 供水管網(wǎng)抗震領(lǐng)域的研究從2008年以后開始興起；該領(lǐng)域已形成3個(gè)核心研究團(tuán)隊(duì)，他們所屬的單位分別是北京工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和中國地震局工程力學(xué)研究所；該領(lǐng)域主要包括震害預(yù)測、水力分析、拓?fù)鋬?yōu)化、管線抗震性能、供水管網(wǎng)抗震可靠性5個(gè)研究主題.

4) 供水管網(wǎng)可靠性領(lǐng)域總體上穩(wěn)步發(fā)展，尤其是近3年的研究熱度比較高；該領(lǐng)域已形成一些相對穩(wěn)定的科研群體，他們的研究方向可以分為供水管網(wǎng)在日常運(yùn)維下的可靠性和抗震可靠性2種；研究的主流主題可以歸為3類：漏損控制、管網(wǎng)優(yōu)化、供水管網(wǎng)抗震可靠性；在該領(lǐng)域的研究中，日常運(yùn)維下的可靠性比抗震可靠性所受的關(guān)注度更高.

5) 供水管網(wǎng)抗震可靠性領(lǐng)域研究主題包括可靠性、地震反應(yīng)、拓?fù)鋬?yōu)化、水力分析和抗震性能. 可靠性主題集中于供水管網(wǎng)抗震可靠性分析方法的研究，包括抗震連通可靠性和抗震功能可靠性2種；地震反應(yīng)主題側(cè)重于研究管線在地震作用下的反應(yīng)，主要有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法和理論分析法2類；拓?fù)鋬?yōu)化主題集中于供水管網(wǎng)的抗震設(shè)計(jì)，其核心是管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化的研究；水力分析主題集中于點(diǎn)式滲漏模型的建立；抗震性能主題聚焦于對管線本身抗震性能的研究，主要依賴于試驗(yàn)手段對管體或者管線接頭的力學(xué)性能的測試和分析.

6) 該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題主要包括現(xiàn)役劣化管線的地震破壞機(jī)理，斷層、液化等地震引起的場地大變形作用下管網(wǎng)破壞機(jī)理與抗震設(shè)計(jì)方法，不同漏損形式的地震破壞管網(wǎng)滲漏分析模型，震后管網(wǎng)水質(zhì)污染機(jī)理和擴(kuò)散模型，大型管網(wǎng)抗震韌性分析的高效通用性方法，基于既有管網(wǎng)的供水管網(wǎng)更新和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法6個(gè)方面.