長輸油氣管道河溝段水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價研究

薛俊卓，詹 輝，張國良，何 開，鄧清祿

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.江西省天然氣管道有限公司，江西 南昌 330096)

對于淺埋鋼質(zhì)輸油氣管道，自然災(zāi)害是主要風(fēng)險源之一[1]。國內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計分析表明地質(zhì)災(zāi)害對于管道的危害性不可忽視[1-3]。

在各類地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡和崩塌對管道的危害最大，但數(shù)量相對少；而數(shù)量多、發(fā)育廣泛的地質(zhì)災(zāi)害是水毀[3-6]，尤其是穿越河道或沖溝(統(tǒng)稱河溝)段的長輸油氣管道易受暴雨洪水沖刷的危害，造成河溝段水毀災(zāi)害的危害性最大。河溝段水毀災(zāi)害的危害性主要表現(xiàn)在，暴雨時，引發(fā)的洪水沖刷侵蝕河床與岸坡，可能造成順河溝或穿河溝敷設(shè)的管道出現(xiàn)露管或漂管，并伴隨帶來管道損傷、彎折等后果[7-8]。管道穿越中小型河流，以開挖直埋的敷設(shè)方式為主，其埋深較淺(一般小于2 m)。中小型河流實測水文資料通常不足[9]，缺乏專門的勘察，通常未設(shè)置針對性的防治暴雨洪水沖刷措施，因此開展暴雨狀況下管道河溝段水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價具有重要意義。

對管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價方面的研究，既有整體風(fēng)險管控方法的研究[10]，也有專門針對某類型地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價的研究，如對滑坡、崩塌、泥石流等高危害性地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價方面的研究成果較多[3,11]，且模糊邏輯法[12]、耦合協(xié)調(diào)[13]等復(fù)雜數(shù)學(xué)方法也有所應(yīng)用。而對埋地管道水毀災(zāi)害方面的研究則相對較少，主要有以下方面：①河溝段水毀災(zāi)害中埋地管道的力學(xué)特性[14]；②水毀災(zāi)害風(fēng)險的現(xiàn)場調(diào)查分析[6-7]；③應(yīng)用知識或數(shù)據(jù)驅(qū)動模型來評價水毀災(zāi)害的風(fēng)險，如層次分析法[15]、灰色關(guān)聯(lián)可拓理論[16]、GIS因子疊加[5]等；④水毀災(zāi)害發(fā)生后埋地管道水工保護措施的重新設(shè)計[8]、基于投入—產(chǎn)出的效率評價[17]等災(zāi)后反思研究；⑤考慮多因素的半定量風(fēng)險概率指數(shù)評價[18]等。雖然這些研究取得了一定的成果，但在埋地管道河溝段水毀水文氣象風(fēng)險評價方面未見專門的研究。因此，本文探討了適合長輸油氣埋地管道河溝段水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價的暴雨洪水和河溝道沖刷深度等關(guān)鍵指標(biāo)的計算方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了風(fēng)險半定量評價指標(biāo)體系，并對江西省天然氣管網(wǎng)一期工程進行了實例應(yīng)用與分析，可為長輸油氣管道河溝段水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價提供技術(shù)路線，對管道水毀災(zāi)害進行預(yù)測評價。

1 河溝道沖刷深度計算方法

山地丘陵地區(qū)河溝道的沖淤變化主要是通過降雨匯流作用產(chǎn)生的，具有季節(jié)性和突發(fā)性。估算暴雨洪水狀態(tài)下河溝道的沖刷深度，是河溝段管道風(fēng)險評價的關(guān)鍵指標(biāo)。河溝道沖刷深度與洪峰時水流速、水深、河床物質(zhì)等有關(guān)，其計算方法研究是河溝段管道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價的重要研究內(nèi)容。

1. 1 暴雨洪水計算

在我國大部分地區(qū)，洪水主要由暴雨形成，本文采用根據(jù)降水量匯流計算暴雨洪水的方法(即水文氣象法)[9]，該計算過程需要綜合考慮產(chǎn)流計算、匯流計算以及洪峰流量與水深、流速的計算等幾個部分。

1.1.1 產(chǎn)流計算

一次降雨過程可分成若干間隔相等的時段Δt，則降雨時程可計為1×Δt、2×Δt、…、t×Δt，如3 h、6 h、24 h。某時程t×Δt內(nèi)降雨的面雨量P面t×Δt可表示為

P面t×Δt=P點·t×Δt·α

(1)

式中：P面t×Δt為t×Δt時程內(nèi)降雨的面雨量(mm)；P點t×Δt為t×Δt時程內(nèi)降雨的點雨量(mm);α為點面折算系數(shù)，與暴雨時程、流域面積有關(guān)。

某時程t×Δt內(nèi)的凈面雨量ht×Δt，等于毛雨量扣除下滲損失量。結(jié)合江西省水文局的暴雨統(tǒng)計資料，采用蓄滿產(chǎn)流原理的降雨徑流分析模型，可表示如下：

ht×Δt=(R總t×Δt)-min(R總t×Δt，3×fc)

(2)

R總t×Δt=f(P面t×Δt+Pa)

(3)

式中：ht×Δt為t×Δt時程內(nèi)的凈面雨量(mm)；fc為穩(wěn)定下滲率(mm/h)；R總t×Δt為t×Δt時程內(nèi)降雨的徑流總量(mm)；Pα為雨前土壤含水量(mm)。

根據(jù)地區(qū)水文氣象資料，可直接獲得fc、Pa值；根據(jù)資料，統(tǒng)計實測的R總t×Δt值和P面t×Δt+Pa值，可擬合出兩者間二次經(jīng)驗關(guān)系函數(shù)f。

1.1.2 匯流計算

匯流計算方法有等流時線法、單位線法、經(jīng)驗公式法等。通過對比各方法的特點，瞬時單位線法、水科院推理公式法以其適用性廣、結(jié)果精準(zhǔn)的特點，常被作為水利水電工程防洪設(shè)計的依據(jù)。實踐研究表明，對于有較大流域的河流，采用瞬時單位線法計算設(shè)計洪水更合理，對于小匯水面積的河溝，通常采用推理公式法計算設(shè)計洪水更合理[9]?？紤]到長輸管道穿越的河溝流域面積相差較大，本文針對不同流域面積的河溝采用不同的匯流計算方法。

(1) 瞬時單位線法。采用瞬時單位線法計算暴雨洪水流量的公式為[9]

(4)

(5)

Qt×Δt=h1×Δt·q(1×Δt,(t+1)×Δt)+h2×Δt·q(2×Δt,t×Δt)+…+ht×Δt·q(t×Δt,1×Δt)

(6)

上式中：u(0,t)為無因次單位線；q(t,Δt)為時段單位暴雨洪水流量(km3/h)；Qt×Δt為t×Δt時程內(nèi)暴雨洪水流量(m3/s);F為至計算斷面的流域面積(km2)；Γ為伽馬函數(shù)；n、k為瞬時單位線模式參數(shù)，由各流域水文資料獲得，n根據(jù)本流域資料總結(jié)的n～F關(guān)系表取值，k由本流域資料總結(jié)的含F(xiàn)、主河道加權(quán)平均坡降j(‰)、n、經(jīng)驗系數(shù)等參數(shù)的指數(shù)函數(shù)經(jīng)驗公式計算得到；其他符號含義同前。

暴雨洪水流量的時程曲線呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢，遞減達到Qt×Δt=0時，表示地面暴雨洪水徑流終止。

(2) 推理公式法。推理公式法計算洪峰流量的公式為

(7)

(8)

式中：h(rank)t×Δt為各時程凈面雨量按大小排列；L為主河道長度(km)；j為主河道加權(quán)平均坡降(‰);τ為匯流時間(s)；m為地區(qū)推理公式參數(shù)，根據(jù)本域流資料總結(jié)的含L、j、經(jīng)驗系數(shù)等參數(shù)的經(jīng)驗公式計算得到。

求解匯流時間τ，即聯(lián)立求解公式(7)=(8)，得到t=τ的值，此時Qτ·Δt=Qt·Δt為地面洪峰流量。

1.1.3 洪峰流量與水深、流速的計算

所有時程的洪水流量Qt×Δt之最大值即為洪峰流量Qm。河流斷面根據(jù)實際情況設(shè)為矩形、梯形等形態(tài)，記河流水面寬為b(m)，斷面邊坡系數(shù)為m(平距與垂距之比)，根據(jù)謝才公式，可反解出洪峰流量時的水深h(m)，其計算公式為

(9)

流速v(m/s)的計算公式為

v=Q/ω

(10)

1. 2 河溝道沖刷深度的計算

開挖施工敷設(shè)的管道通常埋深淺，管道易受到暴雨沖刷的影響。在管道河溝段沖刷深度計算方法方面，已有研究探究了將墩、臺跨度擴展為整個河寬的一般、局部沖刷深度的計算公式[3]，但該方法在江西省天然氣管道多點試算結(jié)果與野外經(jīng)驗值偏差較大；而水利部《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)[19]中的順壩及平順護岸沖刷深度計算模型，與管道河溝段施工后平整岸坡或修建護坡的物理模型一致[6]，且試算結(jié)果與野外經(jīng)驗值較為吻合，局部沖刷深度的計算公式為

(11)

2 長輸油氣管道河溝段水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價方法

長輸油氣管道輸送介質(zhì)具有高壓、易燃易爆的特點，故管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價不僅要考慮地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性、易損性，還要結(jié)合管道失效后果[3-4,19]。管道河溝段可能修建有護岸、護底等針對水毀災(zāi)害的工程防治措施，這些工程防護措施能在多大程度上阻止自然災(zāi)害的發(fā)生，也應(yīng)納入評價指標(biāo)體系。

本文建立的評價指標(biāo)體系包括地質(zhì)災(zāi)害的自然條件加工程防治措施下的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性P、管道易損性C和管道失效后果E三個部分。首先，分別對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、管道易損性建立多個評價指標(biāo)，每個指標(biāo)以(0,1]上的數(shù)值來表示其可能產(chǎn)生風(fēng)險的程度，即風(fēng)險概率指數(shù)；然后對管道失效后果E按照公式計算歸一化管道失效后果損失指數(shù)；最終將易發(fā)性、易損性、失效后果以概率代數(shù)、模糊邏輯等方式運算，得到五級劃分的氣象風(fēng)險等級。

在河溝道沖刷強度易發(fā)性評價指標(biāo)方面，按照輸氣管道設(shè)計規(guī)范[21]，管道埋深不應(yīng)小于0.8 m，將管道埋深減去沖刷深度記為h(m)，當(dāng)h小于0.8 m時管道埋深不足，且h越小風(fēng)險概率越高，故風(fēng)險概率指數(shù)設(shè)為h的函數(shù)；而在護岸、護底的有效性評價指標(biāo)方面，單指標(biāo)的風(fēng)險概率指數(shù)則難以定量計算；同樣，管道易損性的3個單指標(biāo)風(fēng)險概率指數(shù)也難以定量計算。針對此種情況，設(shè)置每個評價指標(biāo)所屬的幾種狀態(tài)，根據(jù)專家經(jīng)驗，對某單評價指標(biāo)εi(ε1～6為P1～3和C1～3)不同狀態(tài)，如河溝道沖刷強度評價指標(biāo)P1中P11(h≤0)，P12(0

熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小，即信息熵來確定指標(biāo)的客觀權(quán)重，信息熵越小則提供的信息量越多，更利于評價區(qū)分，其重要性越大。某評價指標(biāo)εi對應(yīng)評價點的指標(biāo)值記為xiq，如試算的河溝道沖刷強度P1，第1、2個評價點，則有x11=0.459，x12=0.522；管道敷設(shè)方式C1，x41=2(表示溝埋穿越)，x42=3(表示沿河凹岸敷設(shè)),…。n個評價點、k個評價指標(biāo)之間(如3個管道易損性指標(biāo)之間)，評價指標(biāo)εi(Pi或Ci)的熵權(quán)wi計算過程如下：

xiq的歸一化數(shù)據(jù)為

(12)

評價指標(biāo)值比重為

(13)

(14)

評價指標(biāo)熵權(quán)為

(15)

評價指標(biāo)風(fēng)險概率指數(shù)εij′的計算公式為

(16)

管道河溝段水毀災(zāi)害易發(fā)性、易損性評價指標(biāo)(Pi和Ci)在不同狀態(tài)(Pij和Cij)下的風(fēng)險概率指數(shù)εij′，見表1。

表1 管道河溝段水毀災(zāi)害易發(fā)性、易損性評價指標(biāo)在 不同狀態(tài)下的風(fēng)險概率指數(shù)

災(zāi)害事件是多項不利因素共同作用造成的，故某評價點管道水毀災(zāi)害的風(fēng)險概率(不含失效后果)P(R)，可采用單指標(biāo)概率指數(shù)代數(shù)積的方法來計算。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性概率Pi、管道易損性概率Ci取值，采用在該指標(biāo)所屬的某一狀態(tài)對應(yīng)的風(fēng)險概率指數(shù)。P(R)的計算公式為

(17)

管道失效后果E的計算公式[20]為

E=PH×SP×DI×RC

(18)

其中：PH為產(chǎn)品危害系數(shù)，根據(jù)管道輸送的產(chǎn)品類別(如柴油、原油、汽油、天然氣)，取值為5～10；SP為泄漏系數(shù)，計算輸氣管道10 min或輸油管道1 h的泄漏量，并劃分等級，取值為1～5；DI為擴散系數(shù)，根據(jù)管道周圍巖土體密實程度、與流動水系距離等關(guān)系，取值為1.5～5；RC為受體系數(shù)，根據(jù)管道所在土地用途(如工業(yè)區(qū)、農(nóng)村等)以及環(huán)境敏感性，取值為0.5～4.9。

管道歸一化失效后果E′的計算公式為

E′=(E-3.75)/1 446.25

(19)

將風(fēng)險評價等級劃分為五級即低、較低、中、較高、高，不同風(fēng)險評價等級的確定以風(fēng)險概率為主、后果損失為輔，后果損失偏低者，按風(fēng)險概率分級，后果損失偏高者，則其風(fēng)險等級應(yīng)當(dāng)比概率分級有所提高。本文采用模糊邏輯關(guān)系，建立風(fēng)險等級的模糊邏輯關(guān)系圖，以此確定風(fēng)險評價等級，見圖1。

3 實例應(yīng)用與分析

江西省天然氣管網(wǎng)一期工程全長約1 020 km，為環(huán)鄱陽湖8個地市及一些縣區(qū)供氣，沿線地形地貌條件復(fù)雜多變，降水充沛，該地區(qū)多年平均降水量1 638 mm，且年際變化較大，洪水頻發(fā)。在管道路線上選取19處開挖施工的一定規(guī)模中小河溝道作為評價點，使用GIS軟件，并結(jié)合quick bird、worldview衛(wèi)星高分辨率遙感影像以及江西省測繪局制作的1∶50 000矢量地形圖中的等高線及河流線，提取主河道、流域面積、主河道加權(quán)平均坡降等流域參數(shù)。由于該輸氣管道投產(chǎn)時間不長，故本文根據(jù)江西省水文局暴雨統(tǒng)計資料，以概率統(tǒng)計方法推求N年一遇暴雨降水量，以此對管道河溝段水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險進行評價。

3. 1 暴雨洪水和河溝道沖刷深度的計算

某時段Δt內(nèi)設(shè)計頻率為a%(1/a%年一遇)的暴雨面雨量P面Δt(a%)計算公式為

P面Δt(a%)=PΔt(年最大)·CvΔt·Kp(a%)·α

(20)

式中:PΔt為年最大Δt時段(年最大)暴雨點雨量均值，如年1 h、3 h最大暴雨點雨量均值，由當(dāng)?shù)乇┯杲y(tǒng)計資料相應(yīng)等值線圖讀取；CvΔt為Δt時段年最大暴雨變差系數(shù)，由當(dāng)?shù)乇┯杲y(tǒng)計資料相應(yīng)等值線圖讀??；Kp(a%)為a%所對應(yīng)的偏差系數(shù)Cs=3.5Cv(Cv為變差系數(shù))的皮爾遜Ⅲ型曲線值，即：

(21)

式中：f(x,β,α)為伽馬分布概率密度函數(shù)，當(dāng)β=1時，其為

(22)

由江西省水文局暴雨統(tǒng)計資料可知，該管道經(jīng)過地區(qū)1 h年最大暴雨點雨量均值范圍為40～50 mm，1 h年最大暴雨變差系數(shù)點為0.35～5；24 h年最大暴雨點雨量均值范圍為100～140 mm，24 h年最大暴雨變差系數(shù)為0.4～0.65。根據(jù)暴雨的特征，分別計算時段為1 h、3 h、6 h和24 h，設(shè)計頻率分別為2%(50年一遇)、1%(100年一遇)的面暴雨量。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)對水文調(diào)節(jié)最不利的雨型時程分配表，設(shè)計每個時程的降雨量。

根據(jù)江西省天然氣管網(wǎng)一期工程，針對該長輸管道穿越的河溝道流域面積的不同，對于面積大于50 km2的流域采用瞬時單位線法計算并設(shè)計洪峰流量，小于或等于50 km2的流域采用推理公式法計算設(shè)計洪峰流量，最后根據(jù)野外實調(diào)的河道斷面資料，計算河溝道沖刷深度。

3. 2 風(fēng)險評價結(jié)果與討論

各評價點的信息根據(jù)野外調(diào)查記錄、測繪資料、地質(zhì)資料，按照上述方法進行計算與評價。其中，該管道管徑為508 mm，輸送天然氣壓力為6.3 MPa，按規(guī)范推薦資料[20]，后果損失指數(shù)中PH均為10，SP統(tǒng)一取值為4，DI統(tǒng)一取值為5。50年一遇暴雨下水毀災(zāi)害的風(fēng)險概率P(R)、風(fēng)險等級和歸一化管道失效后果E′以及100年一遇暴雨下水毀災(zāi)害的風(fēng)險概率的計算結(jié)果，見表2。

由表2可以看出：

(1) 該評價計算結(jié)果與專家經(jīng)驗判斷結(jié)果基本一致。

(2) 在計算過程中，有7處評價點，在50年一遇暴雨條件下管道埋深減去沖刷深度的值處于0～0.8 m之間，但多數(shù)評價點處已修建護岸護底等防治措施，工程質(zhì)量優(yōu)良，故總風(fēng)險概率并不高；而金溪縣徐家鄉(xiāng)管道穿越山間河流(19號評價點)，其現(xiàn)狀已出現(xiàn)漿砌石溝底硬化損毀現(xiàn)象，下蝕、溯源侵蝕發(fā)育(見圖2和圖3)，經(jīng)計算該評價點在50年一遇設(shè)計暴雨洪水下，洪峰流量為42.2 m3/s，沖刷深度為0.2 m，沖刷后管道埋深為0.3 m，其風(fēng)險概率P(R)為0.149 9，歸一化管道失效后果E′為0.12，風(fēng)險等級較高，因此為了降低風(fēng)險，建議重修溝底硬化以及在管道下游5 m外加修淤積壩，以降低局部坡降，提高護底措施的有效性。

表2 江西省天然氣管網(wǎng)一期工程河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價結(jié)果

圖2 19號評價點較高風(fēng)險現(xiàn)狀 Fig.2 Situation of the high risk point No.19

圖3 19號評價點較高風(fēng)險現(xiàn)狀剖面圖Fig.3 Profile map of the high risk point No.19

(3) 在100年一遇暴雨條件下，相比50年一遇暴雨條件，其風(fēng)險概率P(R)有升高的趨勢，且有2處評價點的風(fēng)險概率升高明顯。其中，升高最明顯的10號評價點位于安義縣石鼻鎮(zhèn)，管道穿越河流，河床主要由漂石、砂卵石組成，管道上已修建蓋板涵防護，兩岸已有擋墻護岸，但其現(xiàn)狀已出現(xiàn)左側(cè)墻基礎(chǔ)掏蝕，右岸部分垮塌現(xiàn)象(見圖4)，經(jīng)計算，該評價點在50年一遇設(shè)計暴雨洪水下其風(fēng)險概率為0.011 6，在100年一遇設(shè)計暴雨洪水下其風(fēng)險概率為0.016 7，且調(diào)查期間護岸被沖毀，護底工程尚完整，經(jīng)預(yù)測暴雨時河流侵蝕能力強，建議汛期應(yīng)加強巡查，并根據(jù)氣象風(fēng)險適時加強水工保護措施的強度。

圖4 10號評價點中風(fēng)險現(xiàn)狀Fig.4 Situation of the medium risk point No.10

4 結(jié)論與建議

本文探討了適合于長輸油氣管道河溝段暴雨洪水和河溝道沖刷深度計算的方法，并設(shè)計了半定量評價指標(biāo)體系，實現(xiàn)了長輸管道河溝段水毀災(zāi)害的氣象風(fēng)險評價。運用此方法，利用推求的 50年、100年一遇的暴雨降水量，對江西省天然氣管網(wǎng)一期工程的19處評價點的水毀災(zāi)害進行氣象風(fēng)險評價，其評價結(jié)果與實際情況較為符合，說明該方法可為長輸油氣管道等河溝道水毀災(zāi)害的氣象風(fēng)險評價提供技術(shù)路線參考。

需要注意的是，以概率方式推求N年一遇暴雨降雨量有一定的局限性，汛期時可采用暴雨降雨量實測值或短期預(yù)報值，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況對其他評價指標(biāo)狀態(tài)進行動態(tài)修改，從而得到短期預(yù)測氣象風(fēng)險。另外，評價指標(biāo)的風(fēng)險概率指數(shù)與等級劃分判據(jù)等可以隨著實踐認知而優(yōu)化，以使風(fēng)險評價結(jié)果更加合理。