基于可拓理論的油氣管道黃土濕陷危險性評價

范立旎，黃 嫻，龔 琪，劉小暉

(1.云南湖柏環(huán)?？萍加邢薰荆颇?昆明 650000；2.四川省國環(huán)環(huán)境工程咨詢有限公司，四川 成都 610000；3. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

近年我國油氣管道迅速發(fā)展，截至2017年底，在役油氣管道總里程累計約13.31萬km，逐漸形成了東西南北互通的能源管網(wǎng)。黃土高原作為東西和南北的交叉點，近年來越來越多的管道災(zāi)害問題，引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-4]。筆者根據(jù)基層工作實際統(tǒng)計，黃土高原管道地質(zhì)災(zāi)害約60%為黃土濕陷，給管道安全運營、日常管理帶來了較多的困難[5]。故開展管道黃土濕陷危險性評價是十分有意義的，不僅能為風(fēng)險管理奠定基礎(chǔ)，還能為其監(jiān)測、防治提供理論依據(jù)。

早在20世紀(jì)70年代，美國已開展油氣管道安全評價研究，并應(yīng)用于工程實踐。1985 年，在美國出版的《風(fēng)險調(diào)查指南》一書中，第一次在油氣管道地質(zhì)自然災(zāi)害中應(yīng)用評分法進行評估工作[6]。1992年 W.Kent Muhlbauer 編寫的《Pipeline Risk Management Manual》介紹了一種較為完善的管道危險性評價模型，該模型的理論依據(jù)為評分法[7]。1995 年潘家華先生對W.Kent Muhlbauer 給出的評分法進行了數(shù)次闡述，引發(fā)我國科研人員對其積極探討，并在之后的管道安全評估中進行了實例分析[8-10]。2009年，中國石油管道科技研究中心研發(fā)的管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理系統(tǒng)(PGRMS)采用指標(biāo)評分的半定量評價方法[11]。除此之外，故障樹法、模糊綜合評判法、可拓法等應(yīng)用于管道地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的研究也較多[12-17]。目前，油氣管道通常采用PGRMS半定量與調(diào)查人員定性評價相結(jié)合的綜合評價結(jié)果，基本滿足工程要求。在復(fù)雜環(huán)境因素的客觀影響與評判人員的主觀影響下，現(xiàn)有評價方法、風(fēng)險管理系統(tǒng)在實踐應(yīng)用中均存在一定的局限性。

筆者依據(jù)蔡文提出的可拓理論[18-19]，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法，構(gòu)建指標(biāo)物元模型，評價黃土高原區(qū)集中發(fā)育的典型黃土濕陷危險性，并與PGRMS分析、綜合評價結(jié)果進行對比分析。從黃土濕陷危險性眾多影響因素中選取具有代表性的、可量化的評價指標(biāo)，引入灰色關(guān)聯(lián)度法求其權(quán)重，采用可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)確定評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和隸屬度。可拓法評價結(jié)果合理可靠，更接近客觀實際，且主觀因素影響較小，具有良好的應(yīng)用前景。

1 可拓理論評價模型

1.1 可拓學(xué)物元模型

可拓法采用形式化工具，從定性和定量兩個角度去研究事物的規(guī)律和解決方法，其核心為物元理論與可拓集合理論?？赏貙W(xué)物元理論提出由事物N、特征C及量值υ構(gòu)成物元R=(N，C，υ)的概念，通過建立多指標(biāo)的質(zhì)量評價模型來反映整個樣本的綜合水平。

假設(shè)物N具有n個特征，即C1，C2，…，Cn，則物N關(guān)于特征Ci對應(yīng)的量值υi可構(gòu)成n維物元R，表示如下：

(1)

1.2 經(jīng)典域和節(jié)域的確定

(1)經(jīng)典域

經(jīng)典域指評價指標(biāo)隸屬于某個評價等級的取值范圍，表達式為：

Rt=(Nt，Cj，υtj)=(Nt，Cj，)

(2)

式中：Nt表示河溝道水毀危險性分級，t=1，2，…，5；Cj為評價指標(biāo)，j=1，2，…，14；為Nt關(guān)于Cj的取值范圍。

(2)節(jié)域

節(jié)域表達了事物N的某一特征C對應(yīng)的量值范圍，在其范圍內(nèi)事物性質(zhì)具連續(xù)穩(wěn)定性，如式(3)所示。

Rp=(p，Cj，υpj)=(p，Cj，)

(3)

式中：p為河溝道水毀危險性全體類別；Cj為評價指標(biāo)，j=1，2，…，14；為Cj所確定的量值區(qū)間。

1.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)

可拓理論引進距的概念來確定關(guān)聯(lián)度，從而將實變函數(shù)點與量值范圍之間的關(guān)系由“類內(nèi)為同”拓展為“類內(nèi)存異”。域內(nèi)任意一點υj與經(jīng)典域和節(jié)域的關(guān)聯(lián)函數(shù)Kt(υj)見式(4)。

(4)

1.4 評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)確定

可拓法中評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)對危險性評價結(jié)果影響較大，為了減少主觀因素的影響，該次采用灰色關(guān)聯(lián)度法[15-16]確定評價指標(biāo)的權(quán)系數(shù)。

(1)數(shù)據(jù)處理

評價指標(biāo)量化值的無量綱化處理采用均值變換法，如式(5)所示。

(5)

式中：j表示評價指標(biāo)數(shù)；k表示待評價的河溝道水毀數(shù)；Cj(k)表示第k處河溝道水毀的第j個評價指標(biāo)的量化值。

(2)創(chuàng)建絕差數(shù)列

選取參考數(shù)列，記為C0(k)，其它數(shù)列與之比較，得到絕差數(shù)列Δj(k)，并求出Δj(k)max和Δj(k)min，分別表示如下：

Δj(k)=|cj(k)-c0(k)|

(6)

Δj(k)max=max|cj(k)-c0(k)|

(7)

Δj(k)min=min|cj(k)-c0(k)|

(8)

(3)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

比較數(shù)列Cj(k)與參考數(shù)列C0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)rj(k)表示為：

(9)

其中：ρ為分辨系數(shù)，ρ=[0.5]，一般取0.5。

(4)灰色關(guān)聯(lián)度及權(quán)重

河溝道水毀評價指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度rj由式(10)求得，結(jié)果表示為﹛r1，r2，…，r14﹜；利用式(11)計算其權(quán)系數(shù)ωj。

(10)

(11)

1.5 危險性評價物元模型構(gòu)建

可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)合評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)得到待評物元河溝道水毀N與危險性分級t的關(guān)聯(lián)度為：

(12)

(13)

依據(jù)式(13)可得最大關(guān)聯(lián)度值對應(yīng)的t即為河溝道水毀危險性等級。

2 黃土濕陷危險性評價模型構(gòu)建及應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

蘭成管道K0～K278段，地處黃土高原南緣，南接秦巴山脈，西連烏鞘嶺，具有典型的黃土高原的黃土濕陷特征，屬北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，溫差大，雨量小。年平均氣溫4～14℃。受季風(fēng)影響，降水多集中在7—9月，占全年降水量的50%～70%，受降雨影響，7—9月是地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生時期。另外，降水量的年際變化較大，往往豐水年比枯水年降水量多幾倍，甚至更多，因此造成地質(zhì)災(zāi)害的形成發(fā)育具有一定的周期性。該區(qū)域由于人類的毀林開荒活動，現(xiàn)較多區(qū)域已成為農(nóng)業(yè)耕種區(qū)，主要植被以農(nóng)作物和經(jīng)濟作物為主，植被覆蓋率較低。地層主要為黃土和祁連、西秦嶺地層區(qū)的火山巖、變質(zhì)巖及沉積巖。

通過2019年地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料，該區(qū)域共發(fā)育災(zāi)害109處，其中黃土濕陷54處，占發(fā)育災(zāi)害總量的49.54%，隨機選取10處黃土濕陷作為研究對象，依據(jù)《SY/T 6828-2011油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理技術(shù)規(guī)范》，對濕陷面積、濕陷形狀、濕陷深度、植被情況、匯水條件、微地貌形態(tài)、與管道空間關(guān)系、水毀類型、影響長度等進行調(diào)查、測量與定性評判，基本特征見表1所示。

表1 油氣管道黃土濕陷基本特征

表2 黃土濕陷危險性可拓分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評價指標(biāo)的選取與可拓分級

油氣管道黃土濕陷危險性影響因素較多、時空差異性較大，故參評因子選取是否合理直接影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和實用性。筆者在野外調(diào)查、災(zāi)害分析和PGRMS應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合已有學(xué)者研究成果[10-11]，選取黃土濕陷面積(C1)、管道影響長度(C2)、危害管道程度(C3)、微地貌形態(tài)(C4)、與管道空間關(guān)系(C5)、災(zāi)害發(fā)育特征(C6)、管道與塌陷夾角(C7)、管道埋深的倒數(shù)(C8)、災(zāi)害活動情況(C9)、管道附件環(huán)境敏感(C10)、水力侵蝕方式(C11)、暴雨頻次/年(C12)、多年最大日均降雨量(C13)、人類工程活動(C14)等14個主要影響因素作為可拓物元模型的評價指標(biāo)。

為滿足工程需要，將黃土濕陷危險性劃分為低、較低、中、較高、高5個等級；依據(jù)已有研究[10-11]及調(diào)查資料概率統(tǒng)計成果，其評價指標(biāo)可拓分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。依據(jù)表2，黃土濕陷危險性分級經(jīng)典域和節(jié)域如表3所示。

表3 河溝道水毀危險性分級經(jīng)典域和節(jié)域

2.3 待評物元

研究區(qū)域選取的10處黃土濕陷災(zāi)害點列為一組評價單元，創(chuàng)建的待評物元如式(14)所示。依據(jù)表1，評價單元實測值結(jié)合調(diào)查人員評分結(jié)果得評價指標(biāo)量化值，見表4。

(14)

表4 待評黃土濕陷評價指標(biāo)量化值

2.4 物源模型計算結(jié)果

(1)評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)

依據(jù)式(5)，黃土濕陷評價指標(biāo)量化值進行均值變換，結(jié)果見表5。選取黃土濕陷面積(C1)為參考數(shù)列，利用式(6)～式(8)計算得到評價指標(biāo)C2～C14相對于C1的絕差數(shù)列、最大極差值2.59和最小極差值0.01，見表6。由式(9)～式(11)計算得待評物元組14個評價指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和權(quán)系數(shù)，見表7、表8。

(2)物元模型關(guān)聯(lián)度及評價結(jié)果

通過式(4)得待評物元河溝道水毀HS-01～HS-10與分險等級j1～j5之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)Kt(υj)；結(jié)合評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)ωj，由式(12)、式(13)計算得待評物元危險性關(guān)聯(lián)度Kt(N)和隸屬度Rt(N)，見表9、表10。

由表9可知，黃土濕陷HS-01與風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度依次為：K1(N)=-0.214，K2(N)=-0.359，K3(N)=-0.271，K4(N)=-0.147，K5(N)=-0.390；隸屬度R3(N)=-0.147，對應(yīng)t=4，即危險性等級為較高。表10中待評物元HS-01～HS-10隸屬度依次為：R1(N)=-0.147，R2(N)=-0.271，R3(N)=-0.207，R4(N)=-0.146，R5(N)=-0.077，R6(N)=-0.076，R7(N)=-0.159，R8(N)=0.005，R9(N)=-0.104，R10(N)=-0.202；對應(yīng)的危險性等級依次為：較高、中、中、低、較高、高、中、較高、較低、較低。

表5 待評河溝道水毀評價指標(biāo)均值化數(shù)據(jù)

表6 評價指標(biāo)C2～C14相對于C1的絕差數(shù)列

表7 評價指標(biāo)C2～C14相對于C1的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表8 評價指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度和權(quán)系數(shù)

表9 待評物元HS-01關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度

表10 待評黃土濕陷關(guān)聯(lián)度、隸屬度及評價結(jié)果

2.5 評價結(jié)果對比分析

采用可拓法、PGRMS分析及綜合評判對10處黃土濕陷分別進行危險性評價，其結(jié)果對比分析得到：①可拓法與綜合評價結(jié)果一致性比例達70%，偏低比例30%；②可拓法與PGRMS評價結(jié)果一致性比例達40%，偏高比例30%，偏低比例30%；③PGRMS與綜合評價結(jié)果一致性比例達60%，偏高比例20%，偏低20%；④可拓法、PGRMS與綜合評價結(jié)果危險性等級差Δt=1的占比90%，未出現(xiàn)較大的差異性。

綜上，可拓法定性-定量評價結(jié)果與綜合評價結(jié)果具有較高的一致性，而與PGRMS評價結(jié)果一致性較差，主要原因是綜合評判是專家根據(jù)以往經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)場實際進行評定，更符合客觀情況。

3 結(jié)論

(1)油氣管道黃土濕陷危險性評價是風(fēng)險管理的基礎(chǔ)和安全運營的保障，筆者采用可拓法對其進行危險性評價嘗試，結(jié)果與實際情況基本吻合。

(2)可拓物元模型采用灰色關(guān)聯(lián)度法確定已量化評價指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，減少了主觀因素對評價結(jié)果的影響，但其僅選取濕陷面積作為參考數(shù)列可能存在缺陷。

(3)與定性評價、專家評分、PGRMS分析、模糊綜合評判相比，可拓法理論較為嚴(yán)謹(jǐn)，計算過程較為簡單，評價結(jié)果合理可靠，主觀因素影響較小，具有良好的應(yīng)用前景。

(4)基于灰色關(guān)聯(lián)度的可拓法中，評價指標(biāo)選取的科學(xué)合理及其量化值的準(zhǔn)確可信直接影響評價結(jié)果的客觀性和實用性。

(5)可拓理論采用定性和定量相結(jié)合的研究方法，建立多指標(biāo)物元模型，為黃土濕陷及其他地質(zhì)災(zāi)害危險性評價提出了新的研究思路。