供水网络（WDN）在维持现代城市的生存和正常运行中发挥着至关重要的作用[1,2]。在破坏性地震作用下，供水管道极易受到地震损坏，导致WDN的供水功能下降，甚至可能因供水不足而引发次生灾害。因此，有效评估WDN的地震功能性对于制定地震前的预防措施、地震后的恢复策略以及提高WDN的抗震韧性具有重要意义。
由于地震波传播路径、场地条件和地质结构的空间异质性，地面运动表现出显著的空间相关性和变异性。因此，不同位置的地面运动强度并不是独立的，而形成了一个空间相关的随机场。近年来，许多研究[52, [53], [54]采用了随机场理论来描述土壤和场地参数的空间变异性，并揭示了其对多支撑地震输入和结构响应的重要影响。这些研究表明，空间变化的场地条件会导致不同位置和组件之间的地震输入相关。这一问题对于城市生命线系统尤为重要。Adachi和Ellingwood[5]将地面运动视为一个空间相关的随机场[6]，并将其纳入WDN的地震功能评估中，证明了空间相关的地面运动显著影响了管道失效概率和系统功能性的分布。同样，Esposito等人[8]也在一个燃气网络中考虑了空间相关的地面运动，并展示了其对系统地震风险评估的影响。这些研究表明，忽略地面运动的空间相关性可能导致对网络可靠性的估计偏差。
城市生命线系统的故障往往是相关的而非独立的，这是由于在施工、运行以及暴露于空间相关地面运动方面的相似性。在其他生命线系统中，这一问题也得到了明确的考虑。例如，Lu等人[3]开发了一种考虑组件故障相关性的交通网络连通性可靠性评估方法，而Wu等人[4]则使用动态贝叶斯网络来捕捉变电站中组件故障与恢复过程之间的相关性。这些研究表明，忽略组件故障相关性可能会导致对系统功能性和韧性的评估出现重大误差。在WDN中，Lim和Song[7]利用地面运动衰减关系计算了不同管道段的地面运动强度及其相关系数，并将地面运动的空间相关性转化为管道的联合失效概率，然后将其纳入选择性递归分解算法中以评估网络连通性。他们的结果表明，忽略故障相关性会显著高估网络连通性。Hou等人[11]进一步将地面运动、土壤特性和管道特性的相关性纳入WDN的可靠性分析中，并使用Nataf变换和准蒙特卡洛（QMC）模拟构建了相关的管道故障场。他们的结果表明，故障相关性对具有不同网络冗余级别的WDN的地震连通性可靠性有显著影响。然而，目前关于考虑组件故障相关性的基础设施网络地震功能分析的研究仍局限于网络连通性可靠性模型，基于流量模型的研究仍然不足。
许多研究通过水力模型对WDN的地震功能性进行了分析。例如，Howard等人[12]提出了一种基于GIS的WDN地震功能评估方法。管道损坏被分为泄漏和断裂两类。通过添加由管道损坏引起的虚拟节点构建了受损网络模型，并使用基于流量的水力分析来评估WDN的地震功能性。结果表明，基于流量的方法能够有效评估地震情景下WDN的压力下降和水资源短缺情况。Shi[13]根据管道的材料、接头和损坏机制等特性提出了五种典型的泄漏类别，并量化了不同损坏情景下的供水能力下降情况。Siew C等人[14]改进了传统的需求驱动分析方法，以解决供水网络中节点负压的问题。Han等人[15]将基于压力驱动分析（PDA）模型的结果与Shi[13]的结果进行了比较，发现两者结果一致。Xu等人[44]提出了一个WDN的地震脆弱性模型，其中系统的功能性是使用水力模型计算的。Hou等人[45]提出了一个基于水力模型评估用户节点重要性的框架。该框架全面考虑了地震后的救援服务和节点的地震功能性，为制定管道改造计划提供了支持。尽管基于流量的模型在WDN地震功能分析中得到了广泛应用，但管道故障相关性对地震功能性的影响尚未被研究。
由于地面运动场、管道材料和场地土壤条件的不确定性，WDN的地震损坏和地震后的状态也应通过概率模型来估计。许多现有研究使用MC模拟来获得近似解。例如，Liu等人[16]、Lee等人[17]和Kalemi B等人[47]提出了基于MC模拟的基础设施系统地震功能评估框架。Hou等人[18]发现，使用MC模拟进行WDN的水力分析需要大量样本，这在计算上非常密集且耗时。
为了提高计算效率，已经开发了替代的概率解决策略。除了方差减少和基于采样的技术外，概率密度演化方法（PDEM）也被应用于在给定故障概率下直接求解系统响应的概率密度函数，以评估WDN的可靠性或功能性（例如，Liu等人[50]；Miao等人[51]）。同时，许多研究通过使用替代模型、场景缩减技术和精细采样方法来减轻MC模拟的计算负担。Pudasaini等人[19]基于网络拓扑属性通过surrogate模型评估了WDN的地震功能性。Chen等人[42]、Hou等人[43]和Liu[20]应用基于低差异序列的QMC模拟来评估WDN的地震功能性。结果表明，QMC方法在准确性和效率方面都优于标准MC方法。因此，QMC方法成为提高基础设施系统概率分析计算效率的另一种方式，并在本研究中得到了应用。
根据上述研究，可以发现现有WDN地震分析研究的空白：以往考虑管道故障相关性的WDN地震功能性研究都基于网络连通性可靠性模型，而基于流量分析的故障相关性影响研究仍然不足。然而，连通性可靠性模型存在两个主要限制：管道状态仅通过二元变量（即故障或运行）来判断，这未能反映管道容量减少对系统功能的影响。水源与终端用户节点之间的连接并不一定保证水能够输送到用户手中，因为WDN中的水输送是由可用水压（即能量）驱动的。
为了解决这些问题，本文旨在基于流量模型研究管道故障相关性对WDN地震功能性的影响，并揭示连通性可靠性模型和基于流量的功能模型之间的评估结果差异。本文的贡献包括：（1）提出了一种基于水力模型的考虑管道故障相关性的WDN地震功能评估框架；（2）基于具有不同拓扑特征和运行特性的各种WDN案例，研究管道故障相关性对WDN地震功能性的影响；（3）揭示了水力模型和考虑管道故障相关性的连通性可靠性模型之间的系统评估结果差异。
