针对黄土高原季节性冻土区供水管网冻胀开裂、冰堵断供频发的痛点，依托 IGC（智能管网控制）系统构建“气象超前预报 - 管道原位监测 - 智能分级预警 - 联动闭环防控”全链路冻损防控体系，通过多源数据融合与黄土工况适配，实现冻害风险的超前预判与精准处置，破解传统运维 “事后抢修、响应滞后”的困局。

一、黄土高原管道冻损防控的核心痛点

黄土高原特殊的气候、地形与地质条件，导致管网冻损呈现风险隐蔽性强、影响范围广、修复难度大的特征，核心难点集中在三方面：

1、气候条件恶劣，冻融作用强烈 冬季负温期长达 3~5 个月，极端最低气温可达 - 20~-30℃，季节性冻土深度普遍为 80~160cm，局部最大冻深超 180cm；昼夜温差大，冻融循环频繁，管道轴向应力反复波动，易引发疲劳脆裂。

2、地形地质复杂，风险分布不均 沟壑纵横、地形起伏大，管网埋深差异显著，乡村管网普遍埋深不足 1m，远低于当地标准冻深；湿陷性黄土遇水沉降，易造成管道悬空、保温层破损，渗漏水进一步加剧土壤冻胀，形成 “渗漏 - 冻胀 - 破损” 的恶性循环。

3、管网分散面广，运维管控难度大 管网覆盖范围广、偏远点位多，人工巡检覆盖不足；传统防冻依赖经验判断，预警滞后性强，冻堵引发的停水影响范围大、修复周期长，冬季供水保障压力突出。

二、防冻预警系统总体架构（IGC 系统适配版）

沿用 IGC 系统 “一个中心、三张网络、N 个应用” 的原生分层架构，将冻损防控作为专项应用深度嵌入，与原有 DMA 分区计量、压力管理、应急调度模块打通，形成五级技术体系：

1、1 个中心：水务大数据中心（WaterBDI），统一接入气象、管网温度、土壤冻深、水力、GIS 等异构数据，构建时空统一的冻损防控数据底座

2、3 张网络：物联网（感知终端数据采集）、5G/NB-IoT 混合通讯网（适配偏远地区低功耗传输）、互联网（业务协同与可视化展示）

3、N 个应用：冻损风险预警、保温设施管控、伴热智能控制、应急抢修调度、巡检工单派发等，实现 “预警 - 溯源 - 处置” 全闭环管理

三、多源数据融合感知体系

以气象数据为超前预判依据，管道温度监测为核心判定标准，GIS 与土壤数据为工况修正补充，构建三维感知网络：

1. 气象数据层：超前预判寒潮过程

A、接入公开气象预报数据（72 小时逐时气温、风速、降雪量、降温幅度），把握大尺度寒潮过程

B、管网关键节点布设微型气象站，监测局地小气候（阴阳坡、沟谷的温度差异），修正大尺度预报偏差

C、核心计算指标：负积温、低温持续时长、寒潮降温速率、极端最低气温

2. 管道与土壤监测层：原位捕捉冻损征兆

构建 “管内水温 - 管壁温度 - 管周土壤温度 - 冻土深度” 四级温度监测体系，采样频率 15~30 分钟 / 次，高风险时段加密至 5 分钟 / 次：

A、必测点位：阀门井、水表井、穿沟暴露管段、埋深不足段、管网末端死水区域

B、辅助监测：土壤含水率传感器，用于修正冻土深度计算结果；流量、压力传感器，辅助识别冰堵征兆

3. GIS 基础属性层：工况修正风险等级

纳入管网静态属性与地形数据，实现风险的空间化精准定位：

A、管网属性：管径、材质、管龄、保温层类型与厚度、埋设深度、建设年代

B、地形数据：高程、坡向、阴阳坡分布，用于修正局部温度场与冻深差异

四、冻损智能预警模型与分级机制

1. 核心预测模型（黄土工况修正）

（1）冻土深度预测模型

采用修正的斯蒂芬公式适配黄土土质参数，精准预测冻深发展：

H = α × √(Σ|T| × d)

其中：

H 为预测冻深（单位：m）

α 为黄土冻深修正系数，取值 0.026~0.032 m/℃^0.5，随土壤含水率升高而增大

Σ|T | 为日平均气温负值的累计值（单位：℃）

d 为负温持续天数

（2）管壁温度预测模型

结合气象降温速率、黄土导热系数、管内水流速度，通过一维非稳态导热模型，计算未来 24/48/72 小时的管壁温度变化；同时联动 IGC 系统水力模型，识别低流速死水段，叠加放大冻损风险。

2. 四级分级预警与联动处置

基于冻深与埋深比值、管壁温度、管段风险属性，划分四级预警，同步触发对应防控措施：

五、适配黄土高原的差异化防控策略

1. 地形适配：沟壑区阴阳坡差异化管控

（1）阴坡背风段降温快、冻深大，加密传感器布设，提前 6~12 小时启动伴热；阳坡段利用日照辐射热，延后防控时机，降低能耗

（2）穿沟跨路的悬空管段，加装 “保温层 + 防水保护层 + 电伴热” 三重防护，纳入红色预警重点监控清单

2. 地质适配：湿陷黄土区冻 - 渗联动防控

（1）联动 IGC 系统 DMA 漏损监测模块，渗漏水点位优先纳入防冻重点管控，避免水分渗入土壤加剧冻胀与地基湿陷

（2）阀井、水表井增设排水构造与积水监测，防止井内积水结冰损坏表计与阀门

3. 运维适配：乡村管网低功耗轻量化部署

（1）偏远无供电区域采用 “太阳能供电 + NB-IoT 传输” 的低功耗传感器，续航可达 3~5 年，适配乡村分散管网

（2）依托 IGC 系统分区计量能力，通过夜间最小流量异常变化辅助定位冰堵管段，大幅提升故障排查效率

六、落地实施与预期成效

（一）、实施步骤

（1）风险普查与点位设计：基于 GIS 管网数据开展冻损风险区划，识别高风险管段，完成传感器点位优化布设

（2）系统对接与模型校准：感知终端接入 IGC 大数据中心，结合当地历史气象与冻损数据校准模型参数

（3）试运行与迭代优化：冬季运行期持续验证预警准确率，动态修正阈值与黄土冻深系数

（二）、预期成效

（1）冻损预警准确率≥90%，可提前 24~48 小时识别高风险区域，实现防控关口前移

（2）管网冻裂故障率降低 70% 以上，冬季停水事件时长缩短 60%，显著提升供水韧性

（3）运维人力投入减少 40%，保温伴热能耗降低 25%，兼顾安全效益与经济效益