基于耦合協(xié)調(diào)模型的油氣管道滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究

郭自強(qiáng)

中國石油華北油田分公司第五采油廠，河北辛集 052360

針對管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，Einstein[3]通過風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別，構(gòu)造了5個(gè)層級的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，可為管道提供預(yù)警機(jī)制；席莎等[4]通過對西氣東輸沿線32處已發(fā)生滑坡的災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行分析，得到了變形破壞特點(diǎn)與管道方向和滑坡主軸向的關(guān)系，并對滑坡類型和規(guī)律進(jìn)行了敏感性分析；冼國棟等[5]通過對西南管道沿線64處典型滑坡進(jìn)行分析，利用貢獻(xiàn)率模型得到坡度、坡面形態(tài)等9個(gè)高敏感性因子，建立了危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系；周曉瑩等[6]建立了土彈簧模型，以最大Mises應(yīng)力為基準(zhǔn)對不同條件下的管道位移和應(yīng)力情況進(jìn)行了計(jì)算，其中管道埋深、滑坡位移對應(yīng)力的影響最大。以上研究結(jié)果對于滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究具有一定意義，但均以定性和半定量分析為主?；聲r(shí)管道受土體載荷、管周抗力和摩擦力的影響，從力學(xué)角度分析屬于多系統(tǒng)耦合作用的結(jié)果。目前，耦合協(xié)調(diào)模型主要應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境領(lǐng)域[7-8]，以災(zāi)害學(xué)為主的分析研究較少[9]，且未見以滑坡為研究對象的耦合協(xié)調(diào)模型。本文以山西煤層氣集輸管道為例，針對滑坡成因選擇影響因子，從災(zāi)害易發(fā)性和管體易損性考慮，建立環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)和管體承災(zāi)系統(tǒng)，采用組合權(quán)重-耦合協(xié)調(diào)模型[10]，對滑坡災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，并對比驗(yàn)證SY/T 6828—2017《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》的評價(jià)結(jié)果，以期為該類型管道的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)消減提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。

1 耦合協(xié)調(diào)模型

1.1 耦合與協(xié)調(diào)

耦合概念為物理學(xué)范疇，指兩個(gè)或兩個(gè)以上的子系統(tǒng)通過各種作用相互影響彼此的現(xiàn)象，如單個(gè)系統(tǒng)對另一個(gè)系統(tǒng)具有促進(jìn)或拮抗作用，不同系統(tǒng)間的作用可以疊加，決定了系統(tǒng)從無序到有序的過程。采用耦合度描述各系統(tǒng)間的影響程度：

式中：C為耦合度，C∈（0，1）；U為子系統(tǒng)對總系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值；m為子系統(tǒng)個(gè)數(shù)；i=1，2，…，m；j=1，2，…，m，i≠j。

當(dāng)耦合度趨于1時(shí)，說明子系統(tǒng)之間的有序性很強(qiáng)，管道危險(xiǎn)性較大；當(dāng)耦合度趨于0時(shí)，說明子系統(tǒng)之間的相關(guān)性較小，管道危險(xiǎn)性較小。但耦合度只能代表子系統(tǒng)間影響程度的強(qiáng)弱，無法反映子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展趨勢，因此引入耦合協(xié)調(diào)度函數(shù)，對耦合模型進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)調(diào)對相互影響平衡狀態(tài)的衡量，引入的函數(shù)為：

式中：D為耦合協(xié)調(diào)度；T為子系統(tǒng)間的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，見式（3）。

式中：a1，a2，…，am為待定系數(shù)，取子系統(tǒng)對整個(gè)評價(jià)體系的權(quán)重。

全面落實(shí)“三步走”戰(zhàn)略，伴隨各項(xiàng)業(yè)務(wù)指標(biāo)穩(wěn)步增長，醫(yī)院進(jìn)入“用順境加速發(fā)展”的階段。學(xué)科發(fā)展如何更進(jìn)一步，溫秀玲表示人才培養(yǎng)、平臺(tái)搭建至關(guān)重要。

1.2 功效函數(shù)

將總系統(tǒng)的估計(jì)值與判定準(zhǔn)則之間建立函數(shù)關(guān)系，通過功效函數(shù)反應(yīng)子系統(tǒng)的大小及變化對總系統(tǒng)發(fā)展推演的影響，分為正功效函數(shù)和負(fù)功效函數(shù)兩種，正功效值越大，代表系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展處于不利狀態(tài)，負(fù)功效值越大，代表系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展處于有利狀態(tài)，公式如下：

式中：Xij和X′ij為第i個(gè)系統(tǒng)中第j個(gè)指標(biāo)的功效值，Xij，X′ij∈ （0，1）；xij為第 i個(gè)系統(tǒng)中第 j個(gè)指標(biāo)的初始值，下標(biāo)max、min表示最大、最小。

通過求解子系統(tǒng)內(nèi)不同指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)行線性加權(quán)得到子系統(tǒng)對總系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值Ui：

式中：ωij為第i個(gè)系統(tǒng)中第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3 組合權(quán)重

根據(jù)式（3）和式（6）可知，指標(biāo)及子系統(tǒng)的權(quán)重對評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。目前，權(quán)重的確定方法有主觀法和客觀法，其中主觀法尊重專家意見，反映決策者和管理者的意向，通過對專家意見的數(shù)字化體現(xiàn)，反應(yīng)權(quán)重影響；客觀法充分利用已有數(shù)據(jù)提供的信息，但評價(jià)結(jié)果過于絕對，忽略了專家經(jīng)驗(yàn)在實(shí)際工況中的作用。在此，采用層次分析法確定主觀權(quán)重，熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，充分利用兩者優(yōu)勢，以偏差最小化原則優(yōu)化組合權(quán)重，見式（7）。

式中：ωi為第i個(gè)指標(biāo)的組合權(quán)重；ui為第i個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重；vi為第i個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重。

2 實(shí)例分析

以華北油田公司山西煤層氣分公司地區(qū)集輸管道為例，進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，研究區(qū)域見圖1。

圖1 研究區(qū)域圖及滑坡災(zāi)害點(diǎn)

研究區(qū)域位于沁水盆地東南部，地面主體為丘陵、山地，溝谷切割，基巖出露，地形較復(fù)雜，海拔高度700～1 300 m。四周群山環(huán)繞，主要有歷山、老雕崖、鹿臺(tái)山等山峰，區(qū)內(nèi)河流有沁河支流固縣河等。管道途經(jīng)的地貌主要有中低山區(qū)山梁頂部區(qū)、斜梁頂部區(qū)、斜坡地帶區(qū)及沖溝溝谷區(qū)，沿線覆蓋層較薄，三疊系砂巖（夾泥巖）普遍出露，地形起伏較大，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜。所在地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候明顯，四季分明，冬長夏短，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季溫和宜人，冬季寒冷寡照，年平均降水量500～1 000 mm。以上地形地貌、地質(zhì)環(huán)境和外部誘發(fā)因素為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了有利條件，尤其是雨季滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。管道沿線共有55處滑坡災(zāi)害點(diǎn)，其中大部分為橫穿滑坡（48處），縱穿滑坡和斜穿滑坡數(shù)量較少（7處），據(jù)研究表明，橫穿滑坡對管道造成的危害遠(yuǎn)大于其余兩種穿越方式，破壞后管道多出現(xiàn)懸空、漏管或側(cè)方偏移，因此以48處橫穿滑坡點(diǎn)為研究對象。

2.1 建立評價(jià)指標(biāo)體系

滑坡災(zāi)害的發(fā)生除與形成滑坡的內(nèi)因和誘發(fā)滑坡的外因有關(guān)外，還與管道自身的敷設(shè)條件及力學(xué)因素相關(guān)。綜上所述，參照前人的相關(guān)研究和DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查規(guī)范》、DZ/T 0216—2014《滑坡崩塌泥石流災(zāi)害調(diào)查規(guī)范》等規(guī)范，從災(zāi)害易發(fā)性和管體易損性考慮，建立環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)和管體承災(zāi)系統(tǒng)。環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)選取高差、坡度、坡向、地表曲率、滑面傾角、滑體厚度、年平均降水量、歸一化植被指數(shù)（NDVI）等8個(gè)指標(biāo)，管體承災(zāi)系統(tǒng)選取壁厚、埋深、內(nèi)壓、敷設(shè)位置、缺陷密度等5個(gè)指標(biāo)，見表1。

表1 滑坡災(zāi)害評價(jià)指標(biāo)體系

2.1.1 環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)指標(biāo)

環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)指標(biāo)中除滑面傾角和滑體厚度根據(jù)投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)獲得，其余指標(biāo)均取自國土資源部、地理空間數(shù)據(jù)云等網(wǎng)站數(shù)據(jù)，使用ArcGIS軟件，將滑坡災(zāi)害點(diǎn)導(dǎo)入研究區(qū)域，并將評價(jià)指標(biāo)與矢量圖連接，得到48個(gè)災(zāi)害點(diǎn)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見表2。

表2 環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)據(jù)

其中NDVI指標(biāo)數(shù)據(jù)可以反映研究區(qū)域內(nèi)植被覆蓋情況，NDVI∈[-1，1]。NDVI為負(fù)值代表地面覆蓋有雨、雪、水；NDVI為正值代表地面有植被覆蓋，且越接近1，植被覆蓋率越高。計(jì)算公式為：

式中：NIR為近紅外波段的反射值，R為紅外波段的反射值。

2.1.2 管體承災(zāi)系統(tǒng)指標(biāo)

管體承災(zāi)系統(tǒng)指標(biāo)中壁厚采用最近兩次的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，選取穿越段的平均壁厚；埋深采用PCM-x埋地管道探測儀進(jìn)行檢測；內(nèi)壓根據(jù)現(xiàn)場安裝的一次或二次儀表獲得；敷設(shè)位置即管道與滑坡剖面中心線的距離，決定管道在滑坡體中的具體位置，不同位置造成的管道變形破壞形式也不同；缺陷密度為由內(nèi)檢測數(shù)據(jù)得到每段管道的缺陷軸向長度與管道長度之間的比值，數(shù)據(jù)見表3。

表3 管體承災(zāi)系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2 評價(jià)過程及結(jié)果

采用SPSS分析軟件，在置信度水平95%的條件下，分析兩個(gè)子系統(tǒng)中各指標(biāo)的相關(guān)性，通過計(jì)算，在顯著性水平0.05下，各指標(biāo)的相關(guān)性均為弱相關(guān)或不相關(guān)，符合耦合-協(xié)調(diào)模型指標(biāo)相互獨(dú)立的原則。計(jì)算每個(gè)子系統(tǒng)的指標(biāo)權(quán)重，見表1?？紤]兩個(gè)子系統(tǒng)在評價(jià)體系中的權(quán)重，環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)和管體承災(zāi)系統(tǒng)的權(quán)重分別為a1=0.384 3，a2=0.6157，可見管道自身?xiàng)l件對安全運(yùn)行影響較大。

在環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)中，NDVI的組合權(quán)重最大為0.319 8，良好的植被覆蓋可以改變地表水和地下水的入滲條件，防止水土流失，同時(shí)植被的根系具有固化土體、增加土體黏聚力的特點(diǎn)，如果根系嵌入基巖或濕陷性黃土中還可起到預(yù)應(yīng)力錨固的作用；其次為年平均降水量，降雨是誘發(fā)山體滑坡的主要因素，水的作用會(huì)導(dǎo)致巖體軟化，靜水和動(dòng)水壓力會(huì)促進(jìn)滑體蠕動(dòng)，增加坡體體積和容重，使坡體的抗剪切能力減弱。

在管體承災(zāi)系統(tǒng)中，缺陷密度的組合權(quán)重最大為0.532 1，可見因內(nèi)外腐蝕造成的壁厚減薄、腐蝕產(chǎn)物沉積、附著物堆積對管道安全運(yùn)行影響較大；其次為埋深和壁厚，埋深越淺、壁厚越大，最大Mises應(yīng)力越小，管道的承災(zāi)能力越強(qiáng)。

根據(jù)式（4）、式（5）求得各指標(biāo)的功效值，根據(jù)式（6）計(jì)算子系統(tǒng)對總系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值，由式（1） ～（3） 計(jì)算每個(gè)災(zāi)害點(diǎn)的耦合協(xié)調(diào)度，部分結(jié)果見表4，其中U1為環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)對總系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值，U2為管體承災(zāi)系統(tǒng)對總系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值，T為子系統(tǒng)間的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，C為耦合度，D為耦合協(xié)調(diào)度。

表4 48個(gè)滑坡災(zāi)害點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果（部分）

對于耦合協(xié)調(diào)模型的等級區(qū)間劃分沒有固定模式，可以選擇相等間隔、分位數(shù)、幾何間隔、標(biāo)準(zhǔn)差和自然點(diǎn)間斷分級法。由于幾何間隔法為其余幾種方法的折中方案，可確保每類元素的平方和最小、每類元素的范圍和值域一致，故根據(jù)計(jì)算結(jié)果及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，采用幾何間隔法對耦合協(xié)調(diào)的類型和等級進(jìn)行劃分，見表5。

表5 滑坡災(zāi)害耦合協(xié)調(diào)類型和等級劃分

2.3 對比驗(yàn)證

為了評價(jià)耦合協(xié)調(diào)模型的準(zhǔn)確性，采用SYIT 6828—2017《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》中的半定量方法計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)，采用幾何間隔法劃分為 0.12～0.16、0.16～0.24、0.24～0.34、0.34～1.00，分別對應(yīng)低、中、高、極高四個(gè)等級，結(jié)果見圖2。

圖2 耦合協(xié)調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)對比

從圖2可以看出，耦合協(xié)調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)的趨勢基本一致，高度耦合協(xié)調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)較大，低度耦合協(xié)調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)較小，兩種方法中均為33號滑坡的風(fēng)險(xiǎn)最大。33號滑坡整體地形開闊，高差較大，坡度31°，屬于25°～40°最危險(xiǎn)坡度范圍內(nèi)，為斜坡失穩(wěn)后勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能提供了有利條件，滑坡前緣寬，后緣窄，具有較好的有效臨空面，同時(shí)滑面傾角、滑體厚度及滑坡體積較大，滑帶土呈軟塑狀，滑床近似呈直線型，抗阻和抗剪切能力較差，為滑坡發(fā)育提供了有利的地形地貌及地質(zhì)特征；此外，該處災(zāi)害點(diǎn)的年平均降水量與同類對比較大，植被覆蓋類型為栽培植被，對巖土的穩(wěn)定能力遠(yuǎn)不及闊葉林和針葉林。

不考慮等級區(qū)間劃分的主觀差異性，兩種方法刻畫的相對風(fēng)險(xiǎn)趨勢一致，評價(jià)結(jié)果相同，證明耦合協(xié)調(diào)模型可以有效量化風(fēng)險(xiǎn)大小，具有良好的適用性和可操作性。經(jīng)評價(jià)，48處滑坡多為中度耦合協(xié)調(diào)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測技術(shù)，重點(diǎn)巡查，預(yù)防滑坡及次生災(zāi)害發(fā)生；而類似1號、35號的滑坡風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，雖然評價(jià)結(jié)果為低度耦合協(xié)調(diào)，失效可能性較小，但與中度耦合的下限端點(diǎn)值接近，如不及時(shí)采取措施，失效可能性可能隨時(shí)上升，應(yīng)隨時(shí)注意各影響因素的變化情況，采取監(jiān)測及保護(hù)措施。

3 結(jié)論

（1）滑坡災(zāi)害的發(fā)生與環(huán)境條件和管體條件有關(guān)，通過偏差最小化原則優(yōu)化組合權(quán)重，以山西煤層氣集輸管道為例，環(huán)境致災(zāi)系統(tǒng)和管體承載系統(tǒng)中歸一化植被指數(shù)（NDVI）和缺陷密度的權(quán)重最大，應(yīng)對植被覆蓋類型和管體損傷情況進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

（2）基于耦合協(xié)調(diào)模型，考慮子系統(tǒng)間的相互作用、協(xié)調(diào)發(fā)展趨勢，計(jì)算得到的耦合協(xié)調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)具有很好的一致性，即高度耦合協(xié)調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)較大，反之亦然，證明耦合協(xié)調(diào)模型在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)上具有很好的互饋效果。

（3）在評價(jià)指標(biāo)選取上只考慮了管體的5個(gè)方面，對于部分重要的定性指標(biāo)，如外防腐、坡腳開挖、應(yīng)急預(yù)案、非法占壓等方面尚未納入評價(jià)系統(tǒng)。今后可增加類似指標(biāo)，使評價(jià)結(jié)果趨于完整。