油氣管道洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)與應(yīng)用研究

吳 夏,葛艾天,葉 光,胡 琨

（中石油北京天然氣管道有限公司，北京,100101）

油氣管道洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)與應(yīng)用研究

吳 夏,葛艾天,葉 光,胡 琨

（中石油北京天然氣管道有限公司，北京,100101）

分析影響穿越河流油氣管道安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因素，利用管道外部承載環(huán)境的各個(gè)因子信息，結(jié)合沿線(xiàn)山洪模擬以及模糊參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及油氣管道實(shí)際工程條件，確定油氣管道的洪水綜合風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)、對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)特征，最終確定油氣管道沿線(xiàn)的重點(diǎn)洪水風(fēng)險(xiǎn)段，為管道運(yùn)行安全防護(hù)措施的制定和實(shí)施提供評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)方法。本文以陜京三線(xiàn)輸氣管道山西臨縣段為例，提出了油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的原理，給出了管道洪水風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)兩套方法，從油氣管道安全運(yùn)行管理的角度出發(fā)，對(duì)油氣管道沿線(xiàn)的洪水多發(fā)地區(qū)進(jìn)行洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)，為油氣管道的科學(xué)管理及安全運(yùn)行提供客觀和直接依據(jù)。

管道穿河點(diǎn)；數(shù)字流域模型；洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)；水流侵蝕力；模糊綜合評(píng)判

0 引言

陜京三線(xiàn)油氣輸送管道途經(jīng)山西臨縣黃土高原地區(qū)。該地區(qū)地表物質(zhì)以黃土為主且溝道數(shù)量眾多，一方面由于土質(zhì)疏松，極易受到水流侵蝕而改變形態(tài)，形成山洪或泥石流；另一方面，由于油氣管道頻繁穿越溝道，汛期降雨形成的洪水對(duì)其運(yùn)行具有較大安全隱患。

在洪水?dāng)y帶的卵石和雜物的沖擊下，或在河岸土體滑坡作用下，還可能發(fā)生線(xiàn)纜破損甚至油氣管道破裂。若油氣管道發(fā)生破裂，在短時(shí)間內(nèi)極易造成大量的天然氣泄漏聚集，遇明火發(fā)生燃燒和爆炸，其爆炸沖擊波和燃燒熱輻射最大危害距離可達(dá)1.5 km，危害極大。

因此，從油氣管道安全運(yùn)行管理的角度出發(fā)，有必要對(duì)油氣管道沿線(xiàn)的洪水多發(fā)地區(qū)進(jìn)行洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)，為油氣管道的科學(xué)管理及安全運(yùn)行提供客觀和直接依據(jù)。

1 油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的基本原理

判斷一場(chǎng)由洪水導(dǎo)致油氣管道破壞風(fēng)險(xiǎn)的高低，需要考慮兩方面的因素，分別是危險(xiǎn)度和易損度，洪水風(fēng)險(xiǎn)是危險(xiǎn)度和易損度的乘積。

洪水的危險(xiǎn)度是由兩個(gè)方面決定的，一是洪水的相對(duì)破壞力，二是發(fā)生該破壞性洪水的概率。洪水的相對(duì)破壞力又由兩個(gè)方面決定，第一，洪水的絕對(duì)威力。一般而言，洪水的洪峰或洪量越大，其絕對(duì)威力也越大，從而破壞力也越大，可以使用這些洪水要素的發(fā)生頻率表征洪水絕對(duì)威力的大小。第二，管道自身抵御洪水的能力。不同管道之間存在局部河流地形、管道埋深等方面的差異，導(dǎo)致相同的洪水對(duì)不同管道的破壞力可能不同，每個(gè)管段上每場(chǎng)洪水的相對(duì)破壞力是以上兩者之差。

因此，本研究假定任一管段發(fā)生災(zāi)害的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失是幾乎相同的，又由于油氣管線(xiàn)所處的氣候和地質(zhì)條件相同，不同管段發(fā)生洪水災(zāi)害的類(lèi)型和破壞形式也是近似的，因此，不同管段的易損度是相同的，對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)的研究即以對(duì)洪水危險(xiǎn)度研究為主。在以下論述中提到的洪水風(fēng)險(xiǎn)一般考慮了易損度為常數(shù)的上述假定，與洪水危險(xiǎn)度具有等價(jià)性。

2 油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)評(píng)價(jià)

2.1 洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響因素

由于在洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)評(píng)價(jià)中，不涉及洪水即將發(fā)生的概率，而以對(duì)長(zhǎng)期平均水平下洪水相對(duì)破壞力的量化為主。因此，在分析管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響因素時(shí)，將主要從代表洪水絕對(duì)威力和管道自身抵御能力的兩個(gè)方面入手，其中前者是增大風(fēng)險(xiǎn)的因子，后者是減小風(fēng)險(xiǎn)的因子。

（1）洪水絕對(duì)威力的影響因子

洪水的絕對(duì)威力主要由管道在每個(gè)穿河點(diǎn)匯水區(qū)的天氣因素和下墊面因素決定，主要包括：

a)匯水區(qū)降雨：降雨是洪水的根本來(lái)源，雨量越大，洪量越大；暴雨越多，災(zāi)害越頻繁；

b)匯水區(qū)面積：面積越大，匯集的水量越多，洪量越大；

c)匯水區(qū)高差：高差越大，洪水傳播地越快，流速越大，洪峰流量也越大；

d)匯水區(qū)形狀：形狀越接近于扇面形，洪水匯集的同步性越強(qiáng)，洪峰流量越大；

e)匯水區(qū)土地利用：土地利用不合理，缺乏水保措施，則洪量和洪峰越大；

f)匯水區(qū)植被狀況：植被狀況越差，則洪量和洪峰越大。

（2）油氣管道抵御能力的影響因子

影響管段抵御能力的主要因子是局部地形因素，主要包括：

a)穿河點(diǎn)縱向坡度：縱向坡度越大，流速則越大，河床越容易被沖刷，管段河心段越容易暴露；

b)穿河點(diǎn)橫向高差：橫向高差越大，溝道/河道的邊岸越陡峭，越容易發(fā)生滑坡、崩塌等局部地質(zhì)災(zāi)害，管段縱彎段越容易暴露。

2.2 洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)評(píng)價(jià)方法

洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到水利、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等諸多方面。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)體系的概念框架，選擇合適的洪水風(fēng)險(xiǎn)因子，綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的目的性、科學(xué)性和可操作性原則，結(jié)合研究地區(qū)的實(shí)際情況和資料獲取的難易程度，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法，如層次分析法，確定這些風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重，最后獲得綜合風(fēng)險(xiǎn)值。

由于對(duì)受到多個(gè)因素制約的事物或?qū)ο筮M(jìn)行評(píng)價(jià)不可避免的帶有模糊性及主觀性，因此需要做出一個(gè)合理的評(píng)判。采用模糊數(shù)學(xué)的方法能夠使得結(jié)果盡可能合理、客觀，從而取得比較好的實(shí)際效果。模糊綜合評(píng)判法從模型上可分為一級(jí)模型和多級(jí)模型。一級(jí)模型的綜合評(píng)判一般可分為如下三步：

歩驟一：評(píng)判對(duì)象因子集U的建立：

歩驟二：評(píng)判集V的建立：

歩驟三：選擇合適算子綜合評(píng)判：

根據(jù)U中各個(gè)因素與被評(píng)事物的隸屬關(guān)系，需要決定每個(gè)因素不同的權(quán)重，即評(píng)判時(shí)著重哪些因素，權(quán)向量可表示成一個(gè)模糊子集A=(a1，a2，…，an)。

從模糊綜合評(píng)判的上述過(guò)程可以看到，單因素評(píng)判矩陣R和權(quán)重向量A的確立是兩個(gè)關(guān)鍵性的步驟。計(jì)算權(quán)重的思想是基于各單項(xiàng)因子越高，其加權(quán)越大，洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)就越高。各權(quán)重系數(shù)可視為各因子對(duì)“重要程度”的隸屬度。由此可見(jiàn)，評(píng)價(jià)因子權(quán)重的分配直接影響到評(píng)價(jià)的結(jié)果，合理地確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，對(duì)于提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性和靈敏度有著十分重要的意義。

本研究采用基于多元線(xiàn)性回歸模型的自動(dòng)權(quán)重賦值方法，這樣可以根據(jù)歷史洪水災(zāi)害信息得到符合實(shí)際情況的權(quán)重分布情況，通過(guò)分析各個(gè)因子的權(quán)重，可以挖掘出洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中主要影響因素的潛在作用。通過(guò)對(duì)選定的評(píng)價(jià)因子進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸，得到各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重集A，則

利用已經(jīng)求取的歸一化的因子集和權(quán)重系數(shù)模糊子集A，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，從而確定模糊評(píng)價(jià)子集B為：

此式即為模糊綜合評(píng)判模型，符號(hào)“”表示模糊矩陣合成算子。

根據(jù)最大隸屬原則，選擇評(píng)判集B中最大的bi作為對(duì)某樣本的評(píng)判依據(jù)。表明洪水影響因子對(duì)應(yīng)于集合V上各個(gè)不同級(jí)別的隸屬度。

油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)評(píng)價(jià)可以直觀揭示不同管段洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)水平的相對(duì)高低，可重點(diǎn)用于確定規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)維管理。

3 油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)

3.1 洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)原理

洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的核心有兩個(gè)方面，一是對(duì)未來(lái)不同級(jí)別洪水發(fā)生概率的評(píng)估，二是對(duì)每個(gè)級(jí)別洪水相對(duì)破壞力的評(píng)價(jià)。洪水相對(duì)破壞力評(píng)價(jià)的基本原理是洪水絕對(duì)威力與油氣管道抵抗能力的綜合評(píng)定與比較。當(dāng)洪水絕對(duì)威力大于油氣管道抵抗能力時(shí)，油氣管道將被破壞；反之，油氣管道不被破壞。依上所述，洪水絕對(duì)威力由洪峰流量或其他洪水要素表示。

不同管段抵抗洪水的能力使用管段剛好被破壞時(shí)的洪峰流量或其他洪水要素值表示，此時(shí)的洪水要素值稱(chēng)為破壞臨界值。比如某管段能夠抵抗洪峰流量為9m3/s的洪水，當(dāng)流量超過(guò)該值時(shí)，管段將被破壞，則該管段的破壞臨界流量是9m3/s。管段的破壞臨界洪水指標(biāo)具有時(shí)變性，會(huì)隨著油氣管道的損毀和維修不斷變化。

洪水的時(shí)空分布具有隨機(jī)性?？臻g上，每段河道不同級(jí)別洪水的絕對(duì)流量不同，某一確定的流量值在不同河段中可能外于不同的洪水級(jí)別，最有不同的絕對(duì)威力。時(shí)間上，我們無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知未來(lái)洪水的流量，但長(zhǎng)期序列符合一定的分布規(guī)律。因此，通過(guò)流量或其他洪水要素值的頻率曲線(xiàn)，可將不同溝道內(nèi)洪水的絕對(duì)威力和不同管段抵抗洪水的能力統(tǒng)一到同一個(gè)可比較的水平上，是本研究采用的重要方法之一。

圖1 洪水威力與管段抵御能力關(guān)系圖

上圖以流量為指標(biāo)展示了洪水絕對(duì)威力與管段抵御能力的關(guān)系。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示河道和油氣管道交叉點(diǎn)處的流量或其他洪水指標(biāo)。圖中給出了河道中的流量過(guò)程線(xiàn)和相應(yīng)管段能抵御的臨界流量。當(dāng)流量低于臨界流量處于黃色區(qū)域時(shí)，洪水不具有相對(duì)破壞力，油氣管道安全；當(dāng)流量超過(guò)臨界流量處于橙色區(qū)域時(shí)，洪水具有一定的破壞力，油氣管道有被破壞的危險(xiǎn)。隨著時(shí)間的推移，油氣管道穿越點(diǎn)地形逐漸侵蝕，臨界流量減小，抵御洪水的能力變?nèi)?，?jīng)歷大洪水后變化幅度更大；而對(duì)破損的油氣管道穿越點(diǎn)進(jìn)行維修后，臨界流量將大幅提高，抵御洪水的能力變強(qiáng)。

3.2 洪水威力與管段抵御能力的表示方法

洪水威力與管段抵御能力的大小可以用多種物理量表征。在本項(xiàng)目研究中主要采用兩套表示方法：基于洪峰流量的表示方法，基于水流侵蝕力的表示方法。

（1）基于洪峰流量的表示方法

洪峰流量是一次洪水過(guò)程中河段的最大瞬時(shí)流量，洪峰流量越大，其破壞能力也越大。因此可以用洪峰流量作為洪水威力與管段抵御能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。洪水威力用一場(chǎng)洪水的洪峰流量表示，管段抵御能力用輸氣管段可承受的臨界洪峰流量表示。

（2）基于水流侵蝕力的表示方法

基于洪峰流量的表示方法只考慮了洪水的峰值信息，忽略了水流對(duì)油氣管道的持續(xù)性作用，表征洪水威力存在不足。洪水對(duì)油氣管道的破壞源于洪水對(duì)土體的侵蝕作用和對(duì)油氣管道的沖擊作用，如下圖所示，水流侵蝕油氣管道周?chē)馏w，使油氣管道埋深變淺，最終裸露。在水流持續(xù)推力的作用下，油氣管道還有可能發(fā)生位移以致破壞。依據(jù)油氣管道的破壞機(jī)理，可以借助土壤侵蝕模型中水流侵蝕力的概念表征洪水的破壞能力。

圖2 管道的典型破壞圖

采用基于水流侵蝕力的表示方法，洪水威力用水流侵蝕力表示，管段抵御能力用臨界水流侵蝕力表示。在本項(xiàng)研究中，同時(shí)采用基于洪峰流量和基于水流侵蝕力這兩套方法進(jìn)行油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，相互比較驗(yàn)證。

圖3 油氣管道洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的整體框架

3.3 洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法

根據(jù)油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的原理，對(duì)于研究區(qū)，只要給出洪水的相對(duì)危險(xiǎn)度，就能夠判斷管段洪水風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)高低。因此，油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要工作內(nèi)容就是確定洪水威力和管段的抵御能力。

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括：臨縣地區(qū)近30年歷史實(shí)測(cè)降雨資料、油氣管道運(yùn)營(yíng)期間損毀和修復(fù)記錄、天氣預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)?；谝陨蠑?shù)據(jù)，可對(duì)洪水威力和管段的抵御能力進(jìn)行分析和估計(jì)。油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的整體框架如下圖所示。橫向來(lái)看，主要分3個(gè)步驟進(jìn)行：基于歷史降雨數(shù)據(jù)的洪水頻率分析、基于歷史水毀情況的管段抵御能力估計(jì)、基于天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的洪水危險(xiǎn)度預(yù)報(bào)?？v向來(lái)看，同時(shí)采用基于洪峰流量的方法和基于水流侵蝕力的方法，分別給出評(píng)價(jià)結(jié)果。

（1）基于歷史降雨的洪水頻率分析

基于歷史實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，利用清華大學(xué)數(shù)字流域模型可進(jìn)行油氣管道交叉河流的暴雨-洪水過(guò)程模擬，計(jì)算出每處油氣管道穿河點(diǎn)的歷史流量過(guò)程，進(jìn)而求得歷史上每場(chǎng)洪水的洪峰流量和水流侵蝕力。對(duì)每個(gè)穿越點(diǎn)的歷史曲線(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，了解洪水威力的分布規(guī)律，繪制洪峰流量頻率曲線(xiàn)和水流侵蝕力頻率曲線(xiàn)，為洪水重現(xiàn)期計(jì)算和預(yù)報(bào)洪水威力評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

（2）基于歷史水毀情況的管段抵御能力估計(jì)

陜京三線(xiàn)輸氣油氣管道于2011年初投入運(yùn)營(yíng)，至今已經(jīng)歷了4個(gè)汛期。油氣管道運(yùn)營(yíng)期間，臨縣維護(hù)段記錄了研究區(qū)各處油氣管道穿河點(diǎn)的洪水沖毀情況，提供了較為詳細(xì)的油氣管道水毀資料，可用于估計(jì)管段抵御洪水的能力。

根據(jù)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)原理，管段的臨界洪峰流量（或臨界水流侵蝕力）大于其承受過(guò)的歷史洪水的洪峰流量（或水流侵蝕力），小于被破壞時(shí)經(jīng)歷洪水的洪峰流量（或水流侵蝕力）。利用各穿越點(diǎn)歷史流量的模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)照油氣管道歷史水毀記錄，可以確定油氣管道臨界洪峰流量（或臨界水流侵蝕力）的上限和下限，即完成對(duì)管段抵御洪水能力的估計(jì)。再基于洪峰流量頻率曲線(xiàn)（或水流侵蝕力頻率曲線(xiàn)），找出臨界洪峰流量（或臨界水流侵蝕力）所對(duì)應(yīng)的頻率，可計(jì)算管段水毀災(zāi)害的重現(xiàn)期。

（3）基于天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的洪水危險(xiǎn)度預(yù)報(bào)

油氣管道洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)任務(wù)需要以天氣預(yù)報(bào)降雨量作為輸入，模擬計(jì)算出未來(lái)幾天內(nèi)各油氣管道穿河點(diǎn)的流量，進(jìn)而計(jì)算出未來(lái)洪水的洪峰流量和水流侵蝕力，即預(yù)報(bào)未來(lái)洪水威力的大小。

應(yīng)用以上洪水災(zāi)害原理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，根據(jù)歐洲中長(zhǎng)期氣象預(yù)報(bào)服務(wù)中心的降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和清華大學(xué)研制的數(shù)字流域模型，在2015年6月至8月對(duì)京陜?nèi)€(xiàn)臨縣段進(jìn)行了洪水災(zāi)害的分析，分別在2015年7月16號(hào)、2015年8月2號(hào)給出了部分穿河點(diǎn)區(qū)域的橙色、紅色災(zāi)害預(yù)警，后與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)進(jìn)行驗(yàn)證，基本符合預(yù)警區(qū)域的實(shí)際情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究采用油氣管道洪水災(zāi)害靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)兩套方法，以陜京三線(xiàn)輸氣管道山西臨縣段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，并在2015年汛期進(jìn)行了方法的驗(yàn)證，進(jìn)而提出了管道穿河點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)的技術(shù)方案，再結(jié)合油氣管道抗風(fēng)險(xiǎn)能力和管道埋設(shè)區(qū)域的數(shù)字流域模型，可以提前對(duì)將要出現(xiàn)的洪水險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，最終使有關(guān)部門(mén)提前做好防災(zāi)措施和準(zhǔn)備，對(duì)預(yù)防管道洪水災(zāi)害、減少災(zāi)害損失，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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Study on flood disaster evaluation and application of oil and gas pipeline

Wu Xia,Ge Aitian,Ye Guang,Hu Kun
(PetroChina Beijing Natural Gas Pipeline Co., Ltd.,Beijing,100101)

The risk factors affecting the safety operation of oil and gas pipeline through the pipeline, the various factors of the pipeline external load carrying capacity,combined with flash flood simulation and fuzzy risk assessment method and the actual engineering conditions,determine the risk level and risk characteristics,and ultimately determine the key flood risk section along the pipeline.This paper takes the Linxian County Shanxi section of as an example, presents the principle of flood disaster risk,and gives the static evaluation and dynamic forecast of pipeline flood risk. From the point of view of the safe operation management of oil and gas pipeline,the flood disaster risk assessment and forecast is carried out, which provides objective and direct basis for the scientific management and safe operation of oil and gas pipeline.

pipeline crossing point;digital river basin model;flood disaster assessment;water erosion; fuzzy comprehensive evaluation

吳夏（1987-），男 ，陜西大荔人，碩士，主要從事天然氣管道管理工作

中國(guó)石油天然氣股份有限公司科技項(xiàng)目（2013B-3410-0508）