基于模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)估海底管道溢油污染風(fēng)險(xiǎn)

尹維翰，屈植，李耀如，劉瑩穎，溫婷婷

(1.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 青島 266033；2.國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033；3.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300450)

我國(guó)海洋溢油事故發(fā)生概率逐年增大，海洋石油勘探開發(fā)平臺(tái)井噴、海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常、海底輸油管道泄漏、海上儲(chǔ)油設(shè)施事故，以及原油運(yùn)輸船舶碰撞或沉船事故等溢油事件時(shí)有發(fā)生，無主漂油事件也呈上升趨勢(shì)。北海區(qū)海洋環(huán)境公報(bào)顯示，2006至今，渤海共發(fā)現(xiàn)100余起不同規(guī)模的溢油事件[1]。尤其是近年來油價(jià)的不穩(wěn)定及天然氣的供應(yīng)無法達(dá)到保障，導(dǎo)致大型石油儲(chǔ)備基地、石化煉化項(xiàng)目的建設(shè)和新增海底輸油管道建設(shè)不斷加快，導(dǎo)致我國(guó)海底管道溢油風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和難度逐漸加大。目前國(guó)內(nèi)尚未建立一套完整可行的海底管道溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方法，無法有效評(píng)估海底管道溢油風(fēng)險(xiǎn)[2]。在海洋溢油尚未發(fā)生之時(shí)，需要對(duì)存在隱患的地區(qū)進(jìn)行海洋溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，防患于未然；在海洋溢油發(fā)生后，指導(dǎo)如何及時(shí)準(zhǔn)確地開展海洋溢油監(jiān)測(cè)、評(píng)估等應(yīng)急處置[3]。

針對(duì)海洋溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中目前研究較少的海底管道的溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行較為全面的研究，根據(jù)溢油污染特征及管理需求，確定海底管道溢油的風(fēng)險(xiǎn)因子，建立海底管道溢油可能性及溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，可對(duì)存在隱患的地區(qū)進(jìn)行海底管道溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，防患潛在溢油的發(fā)生或指導(dǎo)溢油應(yīng)急處置，為海洋管理部門及石油勘探開發(fā)公司提供技術(shù)支撐。

1 海底管道溢油潛在因素分析

分析海底管道溢油的原因?qū)ΡＵ虾５坠艿腊踩\(yùn)營(yíng)具有重要意義，同時(shí)，對(duì)于溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也有重要的參考價(jià)值。為準(zhǔn)確獲取我國(guó)海底管道溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的的主要因素，必須全面統(tǒng)計(jì)、分析典型的海底管道溢油事件的發(fā)生情況、起因和解決方案。

1.1 國(guó)內(nèi)

根據(jù)資料記載，我國(guó)在1986—2016年期間，中國(guó)海油共鋪設(shè)了315條海底管道(直徑508～7 620 mm)，總長(zhǎng)約6 202 km，近30多年共發(fā)生51起事故，年均發(fā)生1.7次[4]。其中，在渤海發(fā)生的溢油事故為12次，占總發(fā)生次數(shù)的23.5%；在東海發(fā)生的溢油事故為11次，占總發(fā)生次數(shù)的21.6%；其余發(fā)生在南海，為28次，占總發(fā)生次數(shù)的54.9%。對(duì)事故成因進(jìn)行分析，腐蝕和第三方破壞導(dǎo)致的事故在所有海域均有出現(xiàn)，工程質(zhì)量導(dǎo)致的事故在渤海和南海均有出現(xiàn)，海洋和地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的事故在東海和南海均有發(fā)生。

對(duì)以上海底管道溢油事故系統(tǒng)分析，國(guó)內(nèi)海底管道事故的主要影響因素有：引起海底管道泄漏原因?yàn)榈谌狡茐?、環(huán)境腐蝕、地質(zhì)與海洋災(zāi)害和項(xiàng)目質(zhì)量。其中，第三方破壞事故17次，占總事故的33.3%；環(huán)境腐蝕事故19次，占總事故的37%；海洋和地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的事故8次，占16%；工程質(zhì)量導(dǎo)致的事故7次，占14%。

1.2 歐洲

根據(jù)歐洲空氣與水保護(hù)組織(CONCAWE)30年海底管道事故分析[5-6]，海底管道破裂的原因可以大致歸類：①物理損傷，如鋪設(shè)不當(dāng)產(chǎn)生屈服和焊接不當(dāng)造成的缺損；機(jī)械損傷和管線材質(zhì)瑕疵；材料疲勞和管線內(nèi)外表面腐蝕；②故意和非故意的第三方損害；③外界條件變化與不可抗力。

1.3 美國(guó)

美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)對(duì)美國(guó)1967—1990年統(tǒng)計(jì)的大陸架海底管道溢油事故誘因進(jìn)行分析[7-8]，結(jié)果顯示，腐蝕和疲勞老化導(dǎo)致的海管溢油事故所占比重最大，達(dá)47%；材質(zhì)和制造缺陷、第三方破壞也同樣占較大比重，分別為29%和18%。CONCAWE對(duì)歐洲1971—2009年統(tǒng)計(jì)的海底管道溢油事故誘因進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，第三方破壞、疲勞老化和腐蝕導(dǎo)致的海管溢油所占比重較大，分別為37%、28%和26%，操作失誤和自然破壞導(dǎo)致海管溢油比重較小。

1.4 主要影響因素

第三方破壞、沖刷懸空、自然災(zāi)害和腐蝕是導(dǎo)致海底管道泄漏事故的主要原因。沖刷懸空和自然災(zāi)害(以及自然災(zāi)害引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害)均與海底管道路由區(qū)的地質(zhì)條件存在密切的聯(lián)系。海床沖刷、海底滑坡、活動(dòng)性沙波沙脊、風(fēng)暴潮及引發(fā)的次生災(zāi)害、淺層氣等活動(dòng)性災(zāi)害地質(zhì)是導(dǎo)致海底管道出露、懸空，甚至斷裂的主要災(zāi)害地質(zhì)因素。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法構(gòu)建

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.1 溢油可能性

根據(jù)CONCAWE、DNV、API和國(guó)內(nèi)事故統(tǒng)計(jì)對(duì)比，調(diào)查發(fā)現(xiàn)第三方破壞和腐蝕是造成海底管道溢油的主要誘因。在該研究中，一級(jí)指標(biāo)權(quán)重分配根據(jù)國(guó)內(nèi)外事故統(tǒng)計(jì)給出推薦值(第三方破壞：0.3，腐蝕：0.34，疲勞老化：0.2，自然力：0.04，誤操作：0.12)。該權(quán)重值隨統(tǒng)計(jì)量變化可調(diào)整一級(jí)指標(biāo)權(quán)重。當(dāng)研究其他海域管道風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，指標(biāo)體系中每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重可根據(jù)所研究管道實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

二級(jí)指標(biāo)、三級(jí)指標(biāo)及權(quán)重分配根據(jù)Kent所著的《Pipeline Risk Management Manual》和管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)規(guī)范中推薦因子篩選而得[9]。綜上，建立的三級(jí)溢油可能性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1。

圖1 溢油可能性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

溢油可能性風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系中的P代表各指標(biāo)權(quán)重，其關(guān)系如下。

P11+P12+P13=P1

P21+P22+P23+P24+P25=P2

P31+P32=P3

P41+P42+P43+P44=P4

P51+P52+P53+P54+P55=P5

P1+P2+P3+P4+P5=1。

2.1.2 溢油后果

溢油后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，主要有兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別是介質(zhì)危害和后果控制，各指標(biāo)權(quán)重分別記錄為P1和P2，兩者權(quán)重之和為1，根據(jù)公式：

風(fēng)險(xiǎn)=風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重×風(fēng)險(xiǎn)后果

溢油后果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 溢油后果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 方法適宜性分析

海底管道溢油可能性風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，很多指標(biāo)具有隨機(jī)性，無法或難以精確定量，具有模糊性。溢油后果評(píng)價(jià)指標(biāo)幾乎全部屬于不確定因素，不同區(qū)域地質(zhì)條件和地形地貌完全不同，管線架構(gòu)方式也存在較大差異，造成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作很難有較為規(guī)范的動(dòng)作。模糊數(shù)學(xué)為解決此問題提供1套可操作的理論與方法。

為提高對(duì)海洋溢油風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別及有效應(yīng)對(duì)海洋溢油，要求盡可能定量化表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)，模糊數(shù)學(xué)法用屬于程度(隸屬度)代替是或者不是，擴(kuò)展了數(shù)學(xué)的應(yīng)用范圍，且通過權(quán)重能夠給出定量化表達(dá)[10]。

本文采用已被廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，分層、分級(jí)闡述溢油可能性和溢油危害2個(gè)一級(jí)指標(biāo)。

2.2.2 方法構(gòu)建過程

根據(jù)建立的海底管道的溢油風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，對(duì)底層指標(biāo)海上石油設(shè)施情況進(jìn)行評(píng)估分析，逐步確定位于頂層綜合溢油風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過對(duì)底層指標(biāo)評(píng)價(jià)因素的進(jìn)一步分析分類，結(jié)合專家(或?qū)I(yè)操作人員)評(píng)語(打分)的方法，采用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，逐步定量確定海底管道溢油風(fēng)險(xiǎn)的可能性、危害性及綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

模型建立首先確定評(píng)價(jià)因素、因子的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)值，然后將各評(píng)價(jià)指標(biāo)建立基于模糊理論的數(shù)據(jù)集合，以隸屬度法定量劃分各指標(biāo)因子之間的模糊界限，形成判別矩陣。最后，通過逐級(jí)的推理運(yùn)算，確定評(píng)價(jià)對(duì)象的海洋溢油風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。其數(shù)學(xué)表達(dá)如下。

1)建立評(píng)價(jià)因素集。設(shè)因素Ui={U1，U2，…，Un}，Ui為被評(píng)價(jià)的溢油風(fēng)險(xiǎn)因子。

2)建立評(píng)語集。評(píng)語集通常用Vi表示，即Vi={V1，V2，…，Vm}，Vj為評(píng)判的結(jié)果。評(píng)語的劃分精度決定了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常一般選擇5個(gè)評(píng)語。較多時(shí)會(huì)造成評(píng)估結(jié)果的繁瑣，同時(shí)爭(zhēng)議也會(huì)加大；太少時(shí)精度達(dá)不到預(yù)期效果。

本文采用5級(jí)評(píng)語，將溢油可能性評(píng)語集Vp分為溢油可能性極小、溢油可能性小、溢油可能性中、溢油可能性大和溢油可能性極大，評(píng)語分別對(duì)應(yīng)為Vp110分、Vp230分、Vp350分、Vp470分和Vp5100分。溢油后果評(píng)語集Vc分為溢油后果極輕、溢油后果輕、溢油后果中等、溢油后果嚴(yán)重和溢油后果極嚴(yán)重，評(píng)語分別對(duì)應(yīng)為Vc110分、Vc230分、Vc350分、Vc470分和Vc5100分。

3)建立權(quán)重集。ai={a1，a2，…，an}，其中ai(0≤ai≤1)為因素Ui被考慮的權(quán)屬。

4)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊隸屬度子集表。表示為R(U)=(ri1,ri2,…,rin)，其中Ui是V中的每一種評(píng)價(jià)的隸屬度的模糊子集。

5)初次評(píng)價(jià)。Bi=Ai×Rj=(bi1,bi2,…,bij)，(i,j=1,2,…,n)

6)二級(jí)/三級(jí)評(píng)價(jià)

最終，模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

B=A·R

溢油可能性/溢油后果風(fēng)險(xiǎn)的一級(jí)指標(biāo)所屬等級(jí)是由二級(jí)/三級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果利用加權(quán)平均法所得。

2.3 管道溢油案例

2.3.1 案例概述

秦皇島A平臺(tái)管道管混輸管道,起點(diǎn):119.21°E,39.128°N,終點(diǎn):119.204°E,39.112°N,管徑16寸,2002年投產(chǎn),設(shè)計(jì)壽命20年,長(zhǎng)度1.9km,雙層鋼管,OD406.4mm,壁厚12.7mm。最大作業(yè)壓力0.72MPa,溫度62 ℃,管體流量10 564m3/d。水深21m，輸送油品為重質(zhì)原油。管線周邊海域交通較頻繁。

2.3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

1)評(píng)估結(jié)果(評(píng)分)。

總風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：II類(中)；溢油風(fēng)險(xiǎn)可能性：49(中)；溢油危害后果：42(較低)。

秦皇島A平臺(tái)管道溢油綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表2 秦皇島A平臺(tái)管道溢油綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

秦皇島A平臺(tái)管道溢油風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見表3。

表3 秦皇島A平臺(tái)管道溢油風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2)溢油可能性評(píng)價(jià)。

管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：34.3(中等)；三方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：67.0(大)；誤操作風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：27.76(小)；自然力風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：20.8(小)；疲勞老化風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：43.65(中等)；事故記錄調(diào)整：10%。

3)溢油后果評(píng)價(jià)。

介質(zhì)危害：26.6；后果控制：57.36。

4)溢油后果分析。

重質(zhì)原油，油品黏度較大，毒性較強(qiáng)，對(duì)海水生態(tài)損害持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，損害大；管道采用管外流體泄漏檢測(cè)裝置，中控室控制關(guān)斷；采用裂紋溢油方式計(jì)算溢油量，為0.45 t。

3 結(jié)論

1)對(duì)海底管道溢油污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的潛在因素分析是基于近30年國(guó)內(nèi)和歐美地區(qū)典型海域的溢油事件統(tǒng)計(jì)，隨著監(jiān)測(cè)預(yù)警、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，第三方破壞、海洋與地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境和工程質(zhì)量因素是否為導(dǎo)致海底管道泄漏事故的主要因素仍需進(jìn)一步探討，基于模糊綜合評(píng)價(jià)的海底管道溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法仍有修正空間。

2)本文在海洋風(fēng)險(xiǎn)研究中以海底石油管道溢油風(fēng)險(xiǎn)為突破口，石油平臺(tái)和儲(chǔ)存基地的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及相關(guān)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法為搜集他人的成果，海底石油管道并非單獨(dú)存在，與平臺(tái)和倉儲(chǔ)基地息息相關(guān)。隨著海洋生態(tài)文建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)溢油風(fēng)險(xiǎn)的管控不斷提高，下一步需將上述風(fēng)險(xiǎn)集成歸并研究，保障海洋環(huán)境安全。