供水管网运行故障预警：英国案例
加深对管道故障的认识，有助促进环境科学家对模型输入数据和建模方法的选择。为了帮助数据科学家搭建更准确的预测模型，最近英国Cranfield University的水、能源和环境学院的科学家对影响5种常见材质的水管故障的典型因素进行了总结分析。
英国团队在这份报告里考察的5种常见水管材质包括：
他们对这五种材料的使用年份、管网长度及其在2005-2008年间的故障率进行了统计(表1)。
典型水管故障模式包括了圆周断裂、纵向破裂、连接位置的故障以及破损小孔。其中圆周环形断裂一般因为拉力(土壤运动或者热胀冷缩)和负载承重(峰时流量)引起。纵向破裂则是因为横向力和径向力(例如内部水压)引起，也可能因管道本身存在缺陷使然。接头故障一般由拉力或压力产生，下图是这四种故障的示例图。
在英国，铸铁是使用年份最久的管道材料，可以追溯至19世纪中期。在上世纪50年代左右，英国人发明了离心铸造机，韧性更好的球墨铸铁和钢材开始进入市场。球墨铸铁因为在合金里加入镁，使得微观结构里的石墨从薄片状变成球形，使材质更坚韧。钢材更加坚固，延展性也好于铸铁，和球墨铸铁相比，还更加便宜，但抗拉强度和抗腐蚀能力较弱，因此需要更多维护。两种材料各有优点，一般来说，球墨铸铁适用于DN 300-800的管道，而钢材是DN>800管道的首选材料。
图3. 英国各种材料的饮用水管道的安装时间分布
除了管道内在因素，管道周围的环境也是重要的因素。一般来说，装在天气条件稳定、土壤温和湿润的管道发生故障的频率会更低。因此，预测模型需要考虑当地环境条件的数据。总的来说，主要的环境因素包括了季节更替、低温、高温和地质运动和土壤属性等。如下图所示，研究团队统计发现，所有材料在春天故障最低，因为春季温度适中，土壤湿度也适中，而夏季是AC和PVC管故障率最高的时间，因为这时候地下活动较频繁，而铸铁管因为低温影响在冬季故障率最高。
图7. 霜冻对管道造成的压力
最后，研究团队讨论了操作运行对管道故障的影响。他们表示过去的文献里很少关于故障率的讨论。其中一个可能的原因是对模型友好的有记录的运行数据并不多。可能也因为如此，这部分的内容远少于前两个因素。他们首先罗列了日常运行会导致的管道故障的因素，包括压力管理、冲洗事件、管网变更(如止回阀的更换)、消火栓测试、水温变化以及靠近用水大户等（例如农业设施）。然后重点对内部水压和过往故障进行了展开讨论。值得一提的是，他们指出许多模型对管道过往的故障历史没有足够重视，尽管早在1988年就有文献显示22％的故障发生在前一次故障的1米范围内，而42％的故障发生在第一次故障随后的1天内。作者认为，除了老化之外，首次故障对周围环境造成破坏，反过来增大了反复故障的可能性。