基于層次分析的庫區(qū)溢油風險模糊綜合評估

劉俊稚, 王陸軍, 葛亞明, 周 燕, 孫靜亞

(1. 浙江海洋大學 a. 海洋科學與技術(shù)學院;b. 創(chuàng)新應(yīng)用研究院, 浙江 舟山 316022; 2. 浙江省海洋科學院, 杭州 310012)

2016-04-13

國家海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(20130512)

劉俊稚(1982—),女,河北滄州人,博士后,從事海洋環(huán)境保護相關(guān)研究。E-mail:liujz@zjou.edu.cn

孫靜亞(1962—),女,浙江舟山人,教授,碩士生導師,從事海洋環(huán)境保護相關(guān)研究。E-mail:sjy2005@zju.edu.cn

1000-4653(2017)03-0113-05

基于層次分析的庫區(qū)溢油風險模糊綜合評估

劉俊稚1a,1b, 王陸軍1a, 葛亞明1b, 周 燕2, 孫靜亞1a

(1. 浙江海洋大學 a. 海洋科學與技術(shù)學院;b. 創(chuàng)新應(yīng)用研究院, 浙江 舟山 316022; 2. 浙江省海洋科學院, 杭州 310012)

在概述現(xiàn)有溢油風險評估方法的基礎(chǔ)上，提出基于層次分析的模糊綜合評估模型的潛在優(yōu)勢，詳細介紹其構(gòu)建方法，并以舟山岙山石油儲運庫區(qū)為例進行應(yīng)用示范。建立適合的溢油風險評估指標體系，確立評估模型的因素集和評估集及各指標的隸屬度和權(quán)重，利用層次分析法對所建指標體系進行逐級評估，得到模型綜合評估結(jié)果。結(jié)果表明：在設(shè)定作業(yè)情景下，岙山庫區(qū)綜合溢油風險介于較小風險與中度風險之間。通過對各級指標風險值進行深入分析，進一步識別其中的重點潛在溢油風險隱患，并提出有針對性的溢油風險防范建議。模型的建立和應(yīng)用能為岙山石油儲運庫區(qū)及其他存在多風險源的海域的溢油風險評估與防范提供科學指導和技術(shù)支持。

溢油風險評估； 模糊綜合評估； 層次分析； 岙山國家戰(zhàn)略石油儲備基地

隨著我國經(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展，對石油的需求量與日俱增。我國原油的對外依存度較高，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，2015年4月份我國石油進口達740萬桶/d，相當于全球石油日消費量的1/13。為保證國家能源安全，應(yīng)對短期石油供應(yīng)沖擊，必須擴建石油儲備基地。石油儲備基地通常建在海運條件優(yōu)越的沿海地區(qū)，我國首批4個國家級石油儲備基地分別建在寧波鎮(zhèn)海、舟山岙山、山東青島和遼寧大連。隨沿海石油儲備基地的快速擴建，其所在庫區(qū)碼頭的油品吞吐量和進出庫區(qū)的裝卸油船激增，溢油風險隨之不斷上升，溢油事故時有發(fā)生，給海洋生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。

岙山國家石油儲備基地位于浙江省舟山市岙山島，具有石化碼頭溢油、油船航行溢油及石油存儲庫區(qū)溢油等多種溢油風險源，其溢油風險不容忽視。

對沿海石油儲運庫區(qū)進行溢油風險評估，并據(jù)此提出可行的風險防范措施，是貫徹預防為主原則、保障石油儲運基地正常運營和庫區(qū)海洋生態(tài)環(huán)境安全的重要方式。對此，首先概述現(xiàn)有風險評估模型，提出將基于層次分析的模糊綜合評估模型應(yīng)用于庫區(qū)溢油風險評估中的潛在優(yōu)勢；然后介紹基于層次分析的模糊綜合評估模型的構(gòu)建方法；最后以岙山石油儲運庫區(qū)為例進行模型構(gòu)建和應(yīng)用示范。通過理論分析和應(yīng)用示范，為風險源繁多且關(guān)系復雜、難以定量的石油儲運庫區(qū)溢油風險提供一種更為有效的評估方法，進而為相似庫區(qū)及其他復雜海域的溢油風險評估和防范提供科學指導和技術(shù)支持。

1 溢油風險評估模型概述

參照環(huán)境風險的一般定義，溢油風險(R)是指突發(fā)性溢油事故發(fā)生概率與溢油事故導致后果的乘積。[2-3]溢油風險評估就是在風險識別的基礎(chǔ)上對溢油事故發(fā)生概率及其危害后果進行全面考量，得到總體風險等級，并在此基礎(chǔ)上提出風險防控措施。[2]鑒于溢油事故危害后果具有一定的嚴重性，溢油風險評估逐漸成為海洋環(huán)境保護領(lǐng)域的研究熱點[3-6]，但評估方法有待進一步完善。

目前常用的溢油風險評估方法主要有概率論法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]、灰色系統(tǒng)法[8]、層次分析法[9]和模糊綜合評估法[10]等，其中：概率論法主要用于預測事故發(fā)生的概率，不考慮其發(fā)生后果；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有利于解決溢油風險中的非線性關(guān)系，但模型的訓練需基于準確且充分的溢油事故統(tǒng)計資料；灰色系統(tǒng)法能在原始數(shù)據(jù)非常少的情況下進行分析，但不能考慮造成溢油的原因；層次分析法若單獨使用，需對事故中涉及的諸多因素進行簡化，從而導致實際運用效果不夠理想；模糊綜合評估法通過等級模糊子集對反映被評事物的模糊指標進行量化，利用模糊變換原理進行綜合判斷，其中的權(quán)重確定是關(guān)鍵難點。

基于層次分析的模糊綜合評估模型，根據(jù)模糊綜合原則處理復雜影響因子之間的關(guān)系，并利用層次分析法確定各級指標的權(quán)重，從而將2種方法的優(yōu)點有機結(jié)合。近年來，該方法已在一些涉及因素復雜的風險評估領(lǐng)域取得顯著成效[11-13]，但在海洋溢油風險評估中的應(yīng)用研究尚不多見。

2 基于層次分析的模糊綜合評估模型構(gòu)建方法

基于層次分析的模糊綜合評估模型構(gòu)建方法為：

1) 確立恰當?shù)亩嗉壴u估指標體系。

2) 確定評估對象的因素集和評估集。

3) 確定各評估指標的隸屬度和權(quán)重。

4) 采用層次分析法對所建指標體系進行逐級評估，得到最終的綜合評估結(jié)果。

2.1確立評估指標體系

根據(jù)評估對象的影響因素，確立恰當?shù)亩嗉壴u估指標體系。

2.2確定評估對象的因素集和評估集

因素集為上述確立的風險評估指標體系中所有指標組成的集合；評估集為評估等級集(V)，V={V1,V2, …,Vn}，其中n為評估等級個數(shù)。

2.3確定評估指標的隸屬度和權(quán)重

評估指標的隸屬度是指各評估指標對上述評估集中的每個風險級別的定性或定量描述，通?？赏ㄟ^專家咨詢法確定。評估指標的權(quán)重是表征各評估指標相對重要性的度量值，其確定方法[10]主要有德爾菲法、專家調(diào)查法和層次分析法等，其中：德爾菲法和專家調(diào)查法單純依靠專家直接打分，通常存在較大的主觀性；層次分析法將同一級的多個評估因素排成一個多階判斷矩陣，專家通過對各因素的重要程度進行兩兩比較來確定矩陣中元素值的大小，最后計算判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量(即所要求得的權(quán)重值)。由此可知，利用層次分析法確定評估指標的權(quán)重能實現(xiàn)專家主觀定性判斷與客觀定量計算的結(jié)合。

2.4基于層次分析的逐級模糊綜合評估

根據(jù)評估指標的隸屬度和權(quán)重集構(gòu)建模糊權(quán)重矢量及模糊評估矩陣，選擇合適的模糊合成算子，得到各被評估對象的模糊綜合評估結(jié)果矢量，并從評估指標體系的最底層向上逐級進行綜合評估。以三級指標體系為例，其模糊綜合評估計算過程如下。

2.4.1一級模糊綜合評估

一級模糊綜合評估是指對指標體系中的二級指標進行評估，具體計算過程如下。

(1) 構(gòu)建各二級指標的隸屬度矩陣Rij，由其下屬三級指標的隸屬度子集得到。

(1)

式(1)中:i為各二級指標上屬一級指標的編號，假設(shè)所建指標體系有a個一級指標，則i=1, 2, …,a；j為相同一級指標下屬二級指標的編號，假設(shè)某一級指標有b個二級指標，則j=1, 2, …,b；m為各二級指標下屬三級指標的編號，假設(shè)某二級指標下屬有c個三級指標，則m=1, 2, …,c；n為每個評估指標評估級別的編號，假設(shè)有d個評估級別，則n=1, 2, …,d。

(2)

式(2)中：i，j，m的含義同上，下同。

(3) 利用模糊合成算子求得各二級指標的模糊綜合評估結(jié)果矩陣Bij，即為一級模糊綜合評估結(jié)果。

(3)

2.4.2二級模糊綜合評估

二級模糊綜合評估是指對模型所建指標體系中的一級指標進行評估。對于多層次模糊綜合評估模型，低層級的評估結(jié)果為高一層級評估的計算基礎(chǔ)。因此，二級綜合評估結(jié)果矩陣Bi可由一級綜合評估結(jié)果計算得到，即

(4)

2.4.3三級模糊綜合評估

對于指標體系為三級的模糊綜合評估模型，三級模糊綜合評估即為對模型所建指標體系的最終綜合評估。三級模糊綜合評估結(jié)果B的計算式為

(5)

將向量B歸一化得到最終評估結(jié)果，結(jié)合已設(shè)定的評估集即可判斷該評估結(jié)果所屬風險等級。

3 模型應(yīng)用

以岙山石油儲運庫區(qū)為例，介紹基于層次分析的模糊綜合評估模型在海洋溢油風險評估中的應(yīng)用。

3.1岙山庫區(qū)概況及案例應(yīng)用情景設(shè)定

岙山庫區(qū)位于舟山市岙山島，油庫總庫容達813萬m3，庫區(qū)油品吞吐量連續(xù)8 a突破2 000萬t。在庫區(qū)一些石油儲存擴建項目完成之后，預計庫區(qū)石油儲備能力將超過1 100萬m3。

岙山庫區(qū)的地質(zhì)環(huán)境基本符合石油庫設(shè)計規(guī)范國家標準的要求，周圍航道條件良好，導航助航設(shè)施齊全。庫區(qū)人員配置與培訓狀況及庫區(qū)監(jiān)督與檢查等庫區(qū)管理總體良好。庫區(qū)油船船齡大部分為6～10 a，船舶全部為雙殼船，基本按要求定期維護保養(yǎng)，油船技術(shù)狀態(tài)、自動化程度及可操作性一般。油庫安全系統(tǒng)總體設(shè)計合理，設(shè)備參數(shù)均達標，庫區(qū)輸油管線腐蝕程度總體上中等，輸油管線防腐措施總體上介于完善與缺乏之間。

假定某日作業(yè)時發(fā)生溢油，油品為以鏈烴為主的輕質(zhì)原油，油品比重指數(shù)API值約為37，閃點較高(約122 ℃)，黏度為385 mp·s，溢油量為100 t。溢油地距離最近的生態(tài)敏感區(qū)<3 km。溢油時庫區(qū)范圍的實際風力為5 m/s，波高為0.5 m，庫區(qū)能見度為4 000 m，水溫為16 ℃，溢油后水流流向與敏感區(qū)呈一定角度，表層流速為1.35 m/s。

3.2評估指標體系的建立

一般石油庫區(qū)均集油品儲存和運輸?shù)裙δ苡谝惑w，風險源復雜，具體包括船舶溢油、輸油管線溢油和油品儲存庫溢油等，其中：船舶溢油主要受船齡、保養(yǎng)狀態(tài)、可操作性和船型等因素影響[4,14]；而輸油管線溢油和油品儲備庫溢油主要受管線腐蝕及防腐措施、油庫儲量等因素影響[6]。此外，不論何種風險源，人為因素、管理因素及氣象水文等環(huán)境要素都對溢油風險有顯著影響。[10,15]最終，依據(jù)所評估對象的自然環(huán)境特點及作業(yè)特征等確立恰當?shù)脑u估指標體系。

通過對岙山庫區(qū)的風險源進行分類整理，建立符合該庫區(qū)特點的溢油風險評估三級指標體系。

1) 一級指標：庫區(qū)溢油風險U={庫區(qū)溢油事故概率U1，庫區(qū)溢油危害后果U2}。

2) 二級指標：U1={庫區(qū)環(huán)境因素U11，庫區(qū)人為因素U12，庫區(qū)管理因素U13，庫區(qū)油船因素U14，油品儲備庫及輸油管線狀況U15}，U2={溢油油品理化特性U21，溢油情況U22，氣象要素U23，水文要素U24}。

3) 三級指標：在二級評估指標的基礎(chǔ)上依次展開，具體見表1。

3.3因素集和評估集的確定

該評估模型的因素集即上述建立的三級指標體系，由2個一級指標、9個二級指標和29個三級指標組成(見表1)。

評估集是根據(jù)評估事物可能出現(xiàn)的評估結(jié)果組成的集合。參考常用溢油風險評估等級劃分原則，分為極小風險、較小風險、中度風險、高度風險和極高風險等5個等級，分別用數(shù)字0～5表示，即：評估集V={極小風險，較小風險，中度風險，高度風險，極高風險}={[0,1),[1, 2),[2,3),[3, 4), [4,5]}。[4,6]

表1 岙山石油儲運庫區(qū)溢油風險評估指標體系及各自權(quán)重

3.4評估指標隸屬度和權(quán)重的確定

研究期間,向經(jīng)驗豐富的庫區(qū)工作人員和海事工作人員等發(fā)放隸屬度調(diào)查表21份，收回有效調(diào)查表21 份，統(tǒng)計得到各指標的隸屬度子集表。同時，按照層次分析統(tǒng)計要求設(shè)計權(quán)重調(diào)查表，發(fā)放給相關(guān)專家，收回有效調(diào)查表20份。最終,通過層次分析法確定的各指標權(quán)重如表1所示。

1) 對于溢油風險評估指標體系中的2個一級指標(庫區(qū)溢油事故概率和溢油危害后果)，二者所占權(quán)重分別為32.1%和67.9%，即專家普遍認為溢油危害后果對潛在溢油風險的影響更為重要。

2) 在庫區(qū)溢油事故概率一級指標下屬的5個二級指標中，人為因素和管理因素的權(quán)重較大，二者之和占到50%以上。在溢油危害后果一級指標下屬的4個二級指標中，溢油情況的權(quán)重最大，其次為氣象要素和水溫要素，二者合計占比為46.4%。

3) 二級指標下屬的各三級指標所占權(quán)重也不盡相同，具體數(shù)值如表1所示。

3.5模糊綜合評估結(jié)果及討論

根據(jù)上述案例設(shè)定的條件，逐級計算得到各二級指標和一級指標的評估結(jié)果矩陣，即一級模糊綜合評估結(jié)果和二級模糊綜合評估結(jié)果，分別見表2和表3。模型最終的評估結(jié)果(即三級模糊綜合評估結(jié)果)為(0.221, 0.324, 0.222, 0.129, 0.094) 。

將各級評估結(jié)果矩陣通過歸一化和加權(quán)平均轉(zhuǎn)化為數(shù)值，結(jié)果見表4?？梢?，此次岙山庫區(qū)溢油風險評估綜合結(jié)果為2.52，對照之前確定的評估集，該風險等級介于較小風險與中度風險之間。

進一步分析可發(fā)現(xiàn)，2個一級指標相比，庫區(qū)溢油危害后果的風險明顯高于溢油事故概率(1.62 vs 2.95)。這是由二者在整體溢油風險中所占的權(quán)重及案例應(yīng)用時的隸屬度共同決定的。因此，一定要重視庫區(qū)溢油事故的預防，從源頭上杜絕庫區(qū)溢油風險；一旦發(fā)生溢油事故，必須采取緊急應(yīng)對措施，以最大限度地降低潛在的庫區(qū)溢油風險。

此外，進一步分析各級指標風險評估結(jié)果及其權(quán)重，可得到更有針對性的庫區(qū)溢油風險防范建議。比如，在庫區(qū)溢油危害后果方面，溢油情況和水文要素2個指標的風險值明顯較高，分別達到3.81和2.81。因此，結(jié)合二者下屬三級指標的權(quán)重，需首先確保庫區(qū)可能發(fā)生的溢油點遠離生態(tài)敏感區(qū)，并加強溢油監(jiān)控設(shè)施和應(yīng)急預案建設(shè)，縮短溢油事故應(yīng)急響應(yīng)時間，減少溢油量；同時，加強對庫區(qū)流速、波高等氣象水文要素的監(jiān)控，盡量避免在不利氣象和水文條件下進行油品裝卸及儲運作業(yè)。盡管庫區(qū)溢油事故概率的溢油風險值較小，但根據(jù)一級模糊綜合評估結(jié)果，庫區(qū)油品儲備庫及輸油管線狀況和庫區(qū)油船因素2個二級指標的溢油風險較高(如表4所示)。結(jié)合這2個指標下屬的各三級指標的權(quán)重，應(yīng)著重加強對目前油品儲備庫和輸油管線的風險排查，尤其加強油庫安全系統(tǒng)及輸油管線防腐蝕建設(shè)；同時，積極與油船管理單位溝通，及時淘汰老舊油船，加強對在用油船的維護保養(yǎng)。此外，由于人為因素和管理因素在庫區(qū)溢油事故概率中的權(quán)重較大，應(yīng)注重加強庫區(qū)管理水平，提高庫區(qū)工作人員的業(yè)務(wù)水平和責任意識。通過有針對性地實施上述措施，可有效降低岙山庫區(qū)的溢油風險。

表2 岙山石油儲運庫區(qū)溢油風險一級模糊綜合評估結(jié)果

表3 岙山石油儲運庫區(qū)溢油風險二級模糊綜合評估結(jié)果

表4 岙山庫區(qū)溢油風險模糊綜合評估結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以舟山岙山石油儲運庫區(qū)為例，探討基于層次分析的模糊綜合評估模型在庫區(qū)溢油風險評估中的應(yīng)用。結(jié)果表明：在設(shè)定作業(yè)情景下，庫區(qū)綜合溢油風險介于較小風險與中度風險之間。此外，通過分析各級指標的風險評估結(jié)果及其權(quán)重，能提出更有針對性的庫區(qū)溢油風險防范建議。對指標體系及相應(yīng)隸屬度和權(quán)重等進行適當?shù)母潞?，即可將其?yīng)用到其他類似海域的溢油風險評估及防范中。

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FuzzyComprehensiveEvaluationofOilSpillRiskinPortAreaBasedonAnalyticalHierarchyProcess

LIUJunzhi1a,1b,WANGLujun1a,GEYaming1b,ZHOUYan2，SUNJingya1a

(1a. College of Marine Science and Technology; 1b. Innovation and Application Institute, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 2. Zhejiang Academy of Marine Science, Hangzhou 310012, China)

The current oil spill risk evaluation methods, particularly Fuzzy Comprehensive Evaluation models based on Analytic Hierarchy Process (AHP-FCE), are reviewed. The country’s largest oil reserve and transportation base, Aoshan oil port (Zhoushan, Zhejiang Province), is introduced as a study case. The analysis results indicate that, under the real condition of Aoshan oil port and in the setting scenario, the comprehensive oil spill risk is between minor and medium. By analyzing the intermediate evaluation results at all levels, the key potential oil spill risk sources are identified and more purposeful risk prevention measures are put forward accordingly. The AHP-FCE model could provide theoretical basis and technical support for oil spill risk evaluation and prevention in Aoshan area and other marine areas with various oil spill risk sources.

oil spill risk evaluation; fuzzy comprehensive evaluation; analytical hierarchy process; Aoshan national strategic oil storage base

X55; P76

A