基于未確知測(cè)度理論的山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

陳利瓊， 曾志強(qiáng)， 張開(kāi)

(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500)

西南山區(qū)管道作為中國(guó)能源進(jìn)口四大通道之一，其沿線地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，故管道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)世界罕見(jiàn)[1]。在管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，西南管道公司管理的油氣管道跨越三大階梯地形[2]，70%以上位于山區(qū)，沿線山高谷底，河流與山脈相間排列，因滑坡、水毀、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害造成管道事故層出不窮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年西南地區(qū)的重慶、四川、貴州等地區(qū)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害1 046起，占中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的17%，其中滑坡在地質(zhì)災(zāi)害中占比最大，是中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害較嚴(yán)重的區(qū)域。直到2021年底，西南地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治依然十分嚴(yán)峻，地質(zhì)災(zāi)害破壞力大、突發(fā)性強(qiáng)，給山區(qū)管道的風(fēng)險(xiǎn)管控帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。但風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是管控的前提，為確保山區(qū)管道的安全運(yùn)營(yíng)，如何全面、準(zhǔn)確、定量地對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已成為各管道公司關(guān)注的重點(diǎn)。

目前，關(guān)于管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的研究，因山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害復(fù)雜性和不確定性較大，考慮的因素多，單靠一種方法不能夠系統(tǒng)、準(zhǔn)確地對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。為了綜合考慮，許多學(xué)者采用定性評(píng)價(jià)、半定量評(píng)價(jià)、定量評(píng)價(jià)中兩種或三種相結(jié)合的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。其中，潘禹臣等[3]結(jié)合沿線的地質(zhì)環(huán)境，建立區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算權(quán)重，利用加權(quán)信息量模型完成對(duì)中緬天然氣管道沿線的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。楊惠元[4]分析了滑坡對(duì)天然氣管道的危害，建立了中緬管線地區(qū)定量和半定量結(jié)合的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)模型，運(yùn)用層次分析法量化確定指標(biāo)評(píng)估等級(jí)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。冼國(guó)棟等[5]基于GIS技術(shù)構(gòu)建了區(qū)域管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，利用柵格計(jì)算器獲取各指標(biāo)的權(quán)重，并根據(jù)計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)值確定管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。以上研究更多的利用常用權(quán)重計(jì)算方法將指標(biāo)因素進(jìn)行處理，將復(fù)雜問(wèn)題按照權(quán)重排序決策；但山區(qū)管道受地形等客觀條件限制，很多因素的狀態(tài)都不容易確定，數(shù)據(jù)的測(cè)量和監(jiān)測(cè)較多，很容易造成數(shù)據(jù)收集不全面，大部分采用定性方法研究，使得在指標(biāo)賦值和人為打分上存在較大的主觀性，造成結(jié)果的不準(zhǔn)確。而未確知測(cè)度理論能夠在數(shù)據(jù)不全面的情況下，利用不確定測(cè)度函數(shù)解決客觀信息不全面的問(wèn)題，并對(duì)未知系統(tǒng)的事物進(jìn)行定量描述，從而降低人為主觀選擇，提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。

圖1 山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系Fig.1 Index system of pipeline geological disaster in mountainous area

對(duì)于未確知測(cè)度理論，已廣泛運(yùn)用于多個(gè)領(lǐng)域，如城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6]、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[7]，崩塌危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[8]，采空區(qū)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[9]等；雖然該理論也較少運(yùn)用于管道風(fēng)險(xiǎn)的研究，但未在此基礎(chǔ)上建立符合管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估準(zhǔn)則，不能夠很好地結(jié)合管道指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

為此，現(xiàn)應(yīng)用未確知測(cè)度理論定量的描述指標(biāo)因素，結(jié)合層次分析法計(jì)算權(quán)重，并根據(jù)山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定管道風(fēng)險(xiǎn)，使得山區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1 建立山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系

為了建立符合西南山區(qū)油氣管道地質(zhì)災(zāi)害的指標(biāo)體系，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、綜合專家意見(jiàn)以及結(jié)合《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)文獻(xiàn)的研究[10-13]，建立科學(xué)的山區(qū)管道指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系主要從巖土類因素、水文水流因素、地質(zhì)誘發(fā)因素、沿管道因素和防護(hù)措施5方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析。該指標(biāo)體系包括5個(gè)二級(jí)指標(biāo)和17個(gè)三級(jí)指標(biāo)，如圖1所示。

2 未確知測(cè)度理論介紹

對(duì)某研究對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)對(duì)象空間是由所研究對(duì)象的全部評(píng)價(jià)因素組成的集合空間，記作I。該空間集合內(nèi)的m個(gè)評(píng)價(jià)因素，用I1，I2，…，Im表示，則評(píng)價(jià)對(duì)象空間可寫作：I={I1，I2，…，Im}。對(duì)任意評(píng)價(jià)因素Ii有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則評(píng)價(jià)因素Ii的評(píng)價(jià)指標(biāo)空間X是由X1，X2，…，Xn這n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的集合，即X={X1，X2，…，Xn}。若xij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因素Ii關(guān)于指標(biāo)Xj(j=1,2,…,n)的測(cè)量值，則xi可表示一個(gè)n維向量：xi={xi1，xi2，…，xin}。設(shè)xij有P個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)C1，C2，…，Cp，評(píng)價(jià)空間記為C，C={C1，C2，…，Cp}。對(duì)第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的安全程度大于第k+1級(jí)，記為Ck>Ck+1，若C1>C2>…>Cp，則稱{C1，C2，…，Cp}是評(píng)價(jià)空間C的1個(gè)有序分割類。

若測(cè)量值xij屬于第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Ck的程度，記uijk=u(xij∈Ck)，且u滿足關(guān)系式

(1)

式(1)中：i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;k=1,2,…,p。

則稱u為未確知測(cè)度[14]，其中u必須同時(shí)滿足非負(fù)有界性、歸一性和可加性。

2.1 構(gòu)造單指標(biāo)未確知測(cè)度

為了求某評(píng)價(jià)因素Xi的各指標(biāo)測(cè)度值uijk，構(gòu)造單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)u(xij∈Ck)(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；k=1，2，…，p)，則稱各指標(biāo)測(cè)度值uijk構(gòu)成的矩陣(uijk)m×p為單指標(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣，表達(dá)式為

(2)

2.2 確定未確知測(cè)度函數(shù)方法

采取應(yīng)用最廣、最簡(jiǎn)單的直線型未確知測(cè)度函數(shù)(圖2)，其表達(dá)式為

(3)

(4)

圖2 直線型未確知測(cè)度函數(shù)圖Fig.2 Graph of linear unascertained measure function

2.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

因評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)中定性指標(biāo)較多，為減少人為主觀評(píng)估的影響，故采用層次分析法計(jì)算權(quán)重[15]。其流程如下。

2.3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1建立的山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

2.3.2 構(gòu)造判斷矩陣

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，為了量化比較兩因素的重要程度，常采用1～9標(biāo)度法[16]，表1所示。

表1 因素比較標(biāo)度法及其說(shuō)明Table 1 Factor comparison scale method and its description

設(shè)rij表示本層次兩個(gè)因素(xi和xj)之比，建立的判斷矩陣R為

2.3.3 計(jì)算權(quán)重

采用和積法求權(quán)重W，將矩陣R按列歸一化處理，近似作為權(quán)重向量。即

(5)

(6)

其次，計(jì)算矩陣R的最大特征值λmax，即

(7)

2.3.4 一致性檢驗(yàn)

一致性比例CR是檢驗(yàn)判斷矩陣R是否滿足一致性條件的重要標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式為

(8)

(9)

式中：CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；λmax為最大特征值；n為矩陣階數(shù)。表2為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值Table 2 Average random consistency index values

當(dāng)一致性比率CR<0.1，則判定矩陣R符合一致性條件；反之，則需對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整，直至滿足CR<0.1為止。

2.4 多指標(biāo)未確知測(cè)度

(10)

則uik=(ui1,ui2,…,uip)，為Ii多指標(biāo)綜合測(cè)度評(píng)價(jià)向量。

2.5 建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別準(zhǔn)則

設(shè)多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)向量u=(k1,k2,…,kp)。根據(jù)正態(tài)分布的特點(diǎn)，結(jié)合置信度識(shí)別準(zhǔn)則[14]，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害下管道處于某風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的概率越大，向量u對(duì)應(yīng)的向量值ki就越大，離ki越近的值變化幅度越小，離ki越遠(yuǎn)的值變化幅度越大。為此，依據(jù)山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害的指標(biāo)因素等級(jí)建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別準(zhǔn)則，如表3為不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別準(zhǔn)則。

3 指標(biāo)因素等級(jí)劃分

根據(jù)圖1建立的山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系，三級(jí)指標(biāo)包括4個(gè)定量指標(biāo)和13個(gè)定性指標(biāo)，將每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)分為3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，對(duì)應(yīng)事件的低概率、中等概率和高概率，表示為C={C1，C2，C3}。采用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量化法[14]對(duì)13個(gè)定性指標(biāo)量化處理，按照1-4-7對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)劃分。山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

根據(jù)2.2節(jié)直線型未確知測(cè)度函數(shù)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，下面結(jié)合定性和定量指標(biāo)劃分的評(píng)價(jià)等級(jí)確定指標(biāo)函數(shù)圖形，如圖3～圖7所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別準(zhǔn)則Table 3 Risk grade identification criteria

表4 山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Evaluation grade standards corresponding to the geological disaster index system of pipeline in mountainous areas

續(xù)表4

圖3 地震烈度指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.3 Measure function of seismic intensity index

圖4 年降雨量指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.4 Measure function of annual rainfall index

圖5 山體坡度指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.5 Index measure function of mountain slope

圖6 埋深指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.6 Burial depth index measure function

圖7 定性指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.7 Qualitative index measure function

4 應(yīng)用實(shí)例

該管段為西南地區(qū)的中貴天然氣管線，管段長(zhǎng)為2 261 m，經(jīng)專項(xiàng)排查發(fā)現(xiàn)較高地質(zhì)災(zāi)害1處。該區(qū)域地形起伏大，山區(qū)面積占65%以上，坡度為50°～60°。其中，該區(qū)域年降雨量為800～1 100 mm，夏季6—8月降雨量較大，河流較多，均屬于長(zhǎng)江流域。該區(qū)域的土壤是砂粒較小的黃砂土，不是地震頻發(fā)地段。根據(jù)該區(qū)域的管理人員了解，由于地形較復(fù)雜，管段的監(jiān)測(cè)預(yù)警主要依靠人為監(jiān)測(cè)和無(wú)人機(jī)巡航輔助監(jiān)測(cè)。

根據(jù)山區(qū)管段的實(shí)際情況，確定出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的值，如表5所示。

表5 山區(qū)管段地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)取值Table 5 Value of geological hazard evaluation index for pipeline section in mountainous area

4.1 單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣確定

將表4的取值代入直線型未確知測(cè)度函數(shù)圖3～圖7中，確定各評(píng)價(jià)因素的單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣分別為

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

4.2 權(quán)重確定

根據(jù)專家和現(xiàn)場(chǎng)工作人員的意見(jiàn)、管道事故數(shù)據(jù)分析得出不同評(píng)價(jià)因素間的重要度比較，如表6～表11所示。

表6 二級(jí)指標(biāo)重要度比較Table 6 Comparison of importance of secondary indicators

表7 巖土類因素指標(biāo)重要度比較Table 7 Comparison of significance of geotechnical factors

表8 水文水流因素指標(biāo)重要度比較Table 8 Comparison of importance degree of hydrologic and flow factor indexes

表9 地質(zhì)誘發(fā)因素指標(biāo)重要度比較Table 9 Comparison of the importance of geological inducing factors index

表10 沿管道因素指標(biāo)重要度比較Table 10 Comparison of importance of factor along pipelines

表11 防護(hù)措施指標(biāo)重要度比較Table 11 Comparison of importance of protective measures

4.3 多指標(biāo)未確知測(cè)度確定

由求得的單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重，根據(jù)式(10)計(jì)算出多指標(biāo)未確知測(cè)度評(píng)價(jià)向量為

(16)

4.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

4.5 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)對(duì)該山區(qū)管段各指標(biāo)因素的取值發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域山體坡度大、山體落差大、年降雨較多、山洪沖刷頻繁、管段沿河溝道敷設(shè)多、物理保護(hù)不全面等情況，使管道失效的概率增大。由于一些指標(biāo)因素是自然環(huán)境形成的，是不可改變的，或者說(shuō)改變的成本太大，對(duì)此不過(guò)多考慮；如土壤類型、山體巖石、山體坡度、山體落差、年降雨量等指標(biāo)因素。為此，主要從人為可改變的因素方面考慮，如規(guī)范人為建設(shè)后的回填、提高管道埋深、增設(shè)管道的預(yù)警和預(yù)測(cè)手段等，通過(guò)改變以上因素降低管道風(fēng)險(xiǎn)，提高管道的安全性。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合西南山區(qū)特點(diǎn)，建立符合山區(qū)管道的地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系，利用未確知測(cè)度理論確定各底層指標(biāo)的未知信息，將各定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)因素的發(fā)生劃分為低概率、中等概率和高概率等級(jí)，采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，建立了符合山區(qū)管道的五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了新方法。

(2)基于未確知測(cè)度理論的山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)例分析，與專項(xiàng)排查情況對(duì)比后，該評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際，說(shuō)明該方法的科學(xué)性和適用性。

(3)相比通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣判斷管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，該方法建立的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，有機(jī)的結(jié)合未確知測(cè)度理論和層次分析法，能準(zhǔn)確地判定山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(4)通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果分析，可從人為可改變的因素來(lái)提高管控效率，降低管道事故，確保管道安全。