城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈風(fēng)險分析*

王成軍，王志剛

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

根據(jù)我國油氣管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，2025年全國油氣管網(wǎng)里程將從12萬km增長至24萬km[1]，其中近60%的管道進(jìn)入老齡期，使得管道本體脆弱度驟增以及抵抗外部干擾的能力驟降[2]。自國務(wù)院提出新型城鎮(zhèn)化重點建設(shè)任務(wù)后，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)與森林交界域輸油線數(shù)量驟增，形成了大面積的城鎮(zhèn)與森林交界區(qū)域,區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)與森林相互交織[3]，建筑施工[4]、人為破壞[5]等原因都會對地下管線的正常運行造成不利影響。輸油管道泄漏事件屬于非常規(guī)事件[6]，一旦發(fā)生將會對周邊群眾人身安全、社會環(huán)境等造成巨大危害[5]。因此，在我國如何做好城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件的預(yù)防與控制，是當(dāng)前迫切需要解決的難題。

目前學(xué)術(shù)界對于輸油管道泄漏事件的研究方向主要有管道本體狀態(tài)數(shù)值模擬[7]、管道運行環(huán)境監(jiān)測與控制[8]、管道泄漏成因分析[9-10]、管道泄漏擴散數(shù)值模擬[11]等，而對于管道泄漏事件發(fā)生帶來的次生、衍生事件之間的邏輯與演化關(guān)系研究較少。為應(yīng)對突發(fā)事件演化關(guān)系的復(fù)雜多變對應(yīng)急管理部門帶來的巨大挑戰(zhàn)，張明紅等[12]采取情景分析法從環(huán)境、突發(fā)事件、應(yīng)急管理三方面對青島“11·22”輸油管道泄漏事件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，情景分析法有助于應(yīng)急管理部門開展智能決策；在此基礎(chǔ)上，屈靜等[13]采用情景分析法與動態(tài)貝葉斯理論模型對輸油管道泄漏事故進(jìn)行了情景演化與推演，將事故情景分為狀態(tài)、應(yīng)急措施、驅(qū)動因素以及目標(biāo)四大類，通過計算事故發(fā)生的概率以達(dá)到情景推演的目的，據(jù)此對新疆某案例進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)輸油管道泄漏出現(xiàn)明火的概率較高。但情景分析法具有一定的局限性，研究樣本來源于具體的案例，依賴于分析者當(dāng)前所掌握的知識水平，對事件之間的關(guān)系表述不是很直觀[14]。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論主要結(jié)合圖論與計算機網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科的特點，充分利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)兼顧局部與全局的優(yōu)點，運用更為客觀的數(shù)學(xué)思維對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行多指標(biāo)數(shù)值求取，從而對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點、邊等信息進(jìn)行更為客觀的描述[15]?；诖耍舷槔さ萚16]采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型對海底輸油管道泄漏風(fēng)險進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)建模與關(guān)鍵節(jié)點、關(guān)鍵邊的求取與分析，從抑制初始事件、控制傳遞事件和減輕后果事件三方面對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了斷鏈減災(zāi)，具有良好的實踐意義。在此基礎(chǔ)上，劉海云等[17]將災(zāi)害鏈理論與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合對城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿榔屏褳?zāi)害鏈進(jìn)行了風(fēng)險分析，結(jié)果表明，將災(zāi)害鏈理論引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型有利于提高燃?xì)夤芫€破裂災(zāi)害事件的應(yīng)急處置能力與管理水平。上述研究成果為單系統(tǒng)輸油管道泄漏事件的預(yù)防、控制提供了寶貴的分析方法與研究思路，但輸油管道泄漏事件的發(fā)生在時空上不是單因素的影響，而是多因素、多系統(tǒng)耦合的結(jié)果[18]。

城鎮(zhèn)-森林交界域是指由于生態(tài)化城市的建設(shè)或城鎮(zhèn)邊界的大幅擴張造成的城鎮(zhèn)與森林、耕地等邊界的模糊化，形成大面積的城鎮(zhèn)-森林交界區(qū)，其中建筑物與植被混合分布，城鎮(zhèn)系統(tǒng)與森林系統(tǒng)相互交融形成更為復(fù)雜的城鎮(zhèn)-森林交界域系統(tǒng)[19]，系統(tǒng)內(nèi)部各個影響因素之間的耦合[18]，易擴大輸油管道泄漏事件造成的損失。如：2013年黃島輸油管道破裂造成的原油泄漏事件，導(dǎo)致62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7.5億元。有關(guān)部門對事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，災(zāi)害損失擴大的主要原因是沒有考慮城市系統(tǒng)的復(fù)雜性與不確定性，僅采取野外應(yīng)急救援方式對管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行處理[20]。故在不同的環(huán)境系統(tǒng)中，事故帶來的影響是不同的[21]。

為更好地從本質(zhì)上對城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件進(jìn)行分析，本文以城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件作為災(zāi)害源，基于災(zāi)害鏈和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，對城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈中災(zāi)害事件的構(gòu)成進(jìn)行分析，構(gòu)建災(zāi)害鏈演化模型，對災(zāi)害鏈系統(tǒng)中節(jié)點以及演化邊進(jìn)行分析，以期為城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件的預(yù)防和控制提供理論支撐與科學(xué)依據(jù)。

1 相關(guān)理論

1.1 災(zāi)害鏈理論

災(zāi)害(D)是由孕災(zāi)環(huán)境(E)、致災(zāi)因子(H)、承災(zāi)體(S)三者共同組成的產(chǎn)物，而災(zāi)害鏈?zhǔn)菫?zāi)害事件不同發(fā)展階段引發(fā)次生、衍生災(zāi)害的鏈?zhǔn)疥P(guān)系[22]。災(zāi)害鏈?zhǔn)且粋€由多個災(zāi)害要素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，而各個災(zāi)害子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，且可以與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息等交換，使災(zāi)害鏈成為了一個復(fù)雜的反饋系統(tǒng)。災(zāi)害鏈表達(dá)式為

C(n)={Cs(n),R,E}，

(1)

式中：C(n)為災(zāi)害鏈，由兩個及以上互相關(guān)聯(lián)的災(zāi)害要素組成；Cs(n)為災(zāi)害鏈中各災(zāi)害要素；R為各災(zāi)害要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；E為災(zāi)害鏈的外部環(huán)境。

1.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基于系統(tǒng)理論、圖論和統(tǒng)計理論將風(fēng)險轉(zhuǎn)化為由節(jié)點、邊、權(quán)值組成的帶權(quán)有向圖，通過最短路徑確定導(dǎo)致輸油管道泄漏事件放大的關(guān)鍵節(jié)點與路徑[16]。災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)表達(dá)式為

G=(V,E,W),

(2)

式中：V={v1,v2,…,vn}，表示構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，由初始災(zāi)害事件、次生災(zāi)害事件構(gòu)成；E={e1,e2,…,en}，表示網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間連接邊的集合；W為網(wǎng)絡(luò)中連接邊的權(quán)重構(gòu)成的集合。節(jié)點vi和vj之間的最短距離表示為d(i,j)。

2 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈模型構(gòu)建

城鎮(zhèn)-森林交界域是指無人居住的荒地與人類開發(fā)土地之間的過渡區(qū)域，距離該區(qū)域800 m以內(nèi)的社區(qū)也包括在內(nèi)[23]。目前，我國對于輸油管道泄漏事件的統(tǒng)計還沒有建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫[24]。由于國內(nèi)外輸油管道泄漏事件引發(fā)的后果具有一定的相似性，為增強數(shù)據(jù)的說服力，本研究對中國、美國、歐洲、加拿大等地[25]近30年內(nèi)發(fā)生的輸油管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行了收集，對事故的發(fā)生時間、地點、周邊環(huán)境、傷亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境影響等信息進(jìn)行了分析。借鑒輸油管道高后果區(qū)的相關(guān)定義以及泄漏區(qū)域內(nèi)建筑物密度、植被密度等相關(guān)指標(biāo)[26]，依據(jù)城鎮(zhèn)-森林交界域特點以及相關(guān)定義，最終選取7個具有代表性的案例進(jìn)行分析(見表1)。

表1 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏典型事件

與傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)輸油管道泄漏事件和森林輸油管道泄漏事件相比，城鎮(zhèn)-森林交界域由于系統(tǒng)之間相互影響，使得管道泄漏事件造成的影響更大。如：2010年美國密歇根州馬歇爾地區(qū)發(fā)生原油泄漏事件最終造成320人出現(xiàn)不同程度的病癥，主要原因為泄漏點位于城鎮(zhèn)-森林交界域，區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施較落后[27]、人員較密集，使得原油管道泄漏事件造成人畜中毒，最終導(dǎo)致災(zāi)害損失擴大。因此，通過對城鎮(zhèn)-森林交界域內(nèi)發(fā)生的典型輸油管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行分析，結(jié)合城鎮(zhèn)系統(tǒng)[28]、森林系統(tǒng)[29]以及二者之間的相互影響，最終確定了44個節(jié)點事件以及112條連接邊。根據(jù)節(jié)點事件的分級特點[30]，最終分為2個一級事件、40個二級事件、2個三級事件(見表2)。同時依據(jù)各節(jié)點事件之間的因果關(guān)系，繪制城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型(見圖1)。

表2 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害事件集合

圖1 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型

3 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈風(fēng)險分析

3.1 關(guān)鍵節(jié)點分析

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化模型中，節(jié)點事件在網(wǎng)絡(luò)中的影響程度通常用出入度、子網(wǎng)節(jié)點數(shù)以及度中心性來表示[22]。通過建立Python模型對城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈風(fēng)險演化模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明，相鄰管線系統(tǒng)破壞、形成流淌火、森林火災(zāi)、管道爆炸、地表流淌5個災(zāi)害事件的出度較高，表明這些災(zāi)害事件對社會經(jīng)濟(jì)的影響較大；人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、影響居民生活、建筑物受損、道路破壞5個災(zāi)害事件的入度較大，表明這些災(zāi)害事件容易受到其他災(zāi)害事件的影響；城鎮(zhèn)輸油管道泄漏、森林輸油管道泄漏、地表流淌、形成流淌火、流入地下管網(wǎng)、出現(xiàn)明火6個災(zāi)害事件的子網(wǎng)節(jié)點數(shù)較大，表明這些災(zāi)害事件的風(fēng)險較大；相鄰管線系統(tǒng)損壞、人員傷亡、建筑物受損、管道爆炸、影響居民生活、道路破壞、形成流淌火7個災(zāi)害事件節(jié)點的度中心性較大，表明這些災(zāi)害事件對于周邊事件的影響較大。

根據(jù)城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型關(guān)鍵節(jié)點的分析結(jié)果，確定相鄰管線系統(tǒng)損壞、形成流淌火、管道爆炸、建筑物受損、人員傷亡5個災(zāi)害事件為城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點。由于輸油管道泄漏事件的發(fā)生受多因素影響且具有極大的不確定性[31]，因此為有效降低管道泄漏事件帶來的損失，應(yīng)從關(guān)鍵節(jié)點著手實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的斷鏈減災(zāi)。如：設(shè)置管廊，減少管道間的相互干擾；設(shè)置導(dǎo)溝，當(dāng)發(fā)生原油流淌時使原油盡可能順著導(dǎo)溝流動而避免其四散流淌；每隔一段路徑設(shè)置管廊通風(fēng)口以及管道靜電接地措施，避免由于原油泄漏造成管廊內(nèi)可燃?xì)怏w濃度過高被靜電點燃導(dǎo)致管道爆炸。網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點數(shù)據(jù)見表3。

表3 網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點數(shù)據(jù)統(tǒng)計(部分)

3.2 關(guān)鍵邊分析

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中，研究人員通常使用平均路徑長度、介數(shù)、連通度表示連接邊的脆弱度[22]。本文將這3個評價指標(biāo)進(jìn)行整合，以使對邊的脆弱度評價更加全面。

1)平均路徑長度

平均路徑長度是指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點之間的最短平均距離[22]。城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)為有向網(wǎng)絡(luò)，因此平均路徑長度指初始災(zāi)害事件i到其他災(zāi)害事件j距離之和的平均值。通常，若由于連接邊的斷裂導(dǎo)致兩節(jié)點之間不存在連接方式，則默認(rèn)這兩節(jié)點之間的最短路徑為0，但這有悖于常理。為了使網(wǎng)絡(luò)最短路徑計算更加合理，當(dāng)由于連接邊的斷裂導(dǎo)致兩節(jié)點之間不存在連接方式時，則默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)最短路徑為當(dāng)前兩節(jié)點之間的最短演化路徑[17]。

(3)

式中，Lk為將k邊移除后的平均路徑長度，N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)，V為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集，dij為網(wǎng)絡(luò)中初始節(jié)點i到節(jié)點j之間的最短路徑長度。

2) 介數(shù)

介數(shù)是指經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中某連接邊最短路徑的數(shù)量[22]。

(4)

式中，Bk為連接邊k的介數(shù)，gij(k)為節(jié)點i和節(jié)點j之間的最短路徑經(jīng)過連接邊k的次數(shù)。連接邊介數(shù)越大，表示此連接邊在風(fēng)險演化中脆弱度越大。

3) 連通度

在有向圖網(wǎng)絡(luò)中，連通度通常指從某初始節(jié)點出發(fā)，將某一條連接邊移除后，初始節(jié)點能連接的節(jié)點數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點數(shù)量之比[22]。

(5)

式中，Hk為移除連接邊k之后的連通度，Nk為與事件k連通的節(jié)點個數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，如果將某一條連接邊移除，網(wǎng)絡(luò)的連通度變小，則說明該連接邊在網(wǎng)絡(luò)模型風(fēng)險傳遞中具有較大的脆弱度。

4) 脆弱度

脆弱度是用來衡量連接邊脆弱性的綜合指標(biāo)[22]。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中，連接邊脆弱度越高表明該連接邊在網(wǎng)絡(luò)傳遞中的重要度越大，同時以城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏為初始災(zāi)害節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)中的連通度進(jìn)行分析。

(6)

式中，Vk為連接邊k的脆弱度，Lk為將連接邊k移除后網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度，Hk為將連接邊k移除時網(wǎng)絡(luò)的連通度，Bk為連接邊k的介數(shù)，n為災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中連接邊的總數(shù)。

利用Python軟件，結(jié)合式(3)-式(6)，求取模型連接邊的重要度。計算結(jié)果表明，水土流失-山體塌方、改變土壤性質(zhì)-水土流失、土壤中重金屬元素超標(biāo)-改變土壤性質(zhì)、山體塌方-道路破壞、影響居民生活-不良社會輿論等5條邊的脆弱度較大，是城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵邊。通過對關(guān)鍵邊采取相應(yīng)的斷鏈措施，可實現(xiàn)對災(zāi)害蔓延的及時控制。如針對影響居民生活-不良社會輿論關(guān)鍵邊，可先由政府部門公布管道泄漏事件的現(xiàn)狀與救援進(jìn)度，其次調(diào)配地域間物資以滿足居民的日常需求，最后政府部門應(yīng)控制日常用品的價格，避免某些商家為牟取暴利而不擇手段，從而最大限度地緩和輸油管道泄漏事件給居民帶來的恐慌情緒；針對土壤中重金屬元素超標(biāo)-改變土壤的理化性質(zhì)關(guān)鍵邊，首先應(yīng)及時對輸油管道泄漏區(qū)域土壤性質(zhì)進(jìn)行檢測與監(jiān)控，其次對重金屬超標(biāo)區(qū)域采取物理方法、化學(xué)方法以及生物方法進(jìn)行土壤改良[32]。網(wǎng)絡(luò)模型接邊脆弱度計算結(jié)果見表4。

表4 網(wǎng)絡(luò)模型接邊脆弱度(部分)

3.3 最短路徑分析

路徑長度是指事件A到事件B所經(jīng)過的連接邊長度之和，但因網(wǎng)絡(luò)模型較復(fù)雜，事件A到事件B的路徑并不唯一。通過分析城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)，獲得初始事件A到次生事件B的最短路徑長度(見表5)。

表5 網(wǎng)絡(luò)模型最短路徑

由表5可知，網(wǎng)絡(luò)模型的平均最短路徑長度為3.2，表明城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件與其誘發(fā)的次生、衍生事件之間聯(lián)系較為緊密，一般只需要3～4次擴散就會造成災(zāi)害的蔓延。通過構(gòu)建城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型，發(fā)現(xiàn)輸油管道泄漏事件不僅會造成環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡，而且還會影響生態(tài)平衡，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的不可逆損傷。

4 結(jié)論

本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論、災(zāi)害鏈理論對城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)分析，從關(guān)鍵節(jié)點、關(guān)鍵邊以及最短路徑3個方面對輸油管道泄漏事件的蔓延與防治進(jìn)行了研究，得到如下主要結(jié)論:

a.城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型中，城鎮(zhèn)輸油管道泄漏災(zāi)害子系統(tǒng)與森林輸油管道泄漏災(zāi)害子系統(tǒng)之間相互影響、相互作用，使得災(zāi)害損失擴大。

b.通過對網(wǎng)絡(luò)中相鄰管線系統(tǒng)損壞、形成流淌火、管道爆炸、建筑物受損、人員傷亡5個關(guān)鍵節(jié)點事件進(jìn)行控制，有利于降低城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件造成的損失。

c.通過對網(wǎng)絡(luò)中的水土流失-山體塌方、改變土壤性質(zhì)-水土流失、土壤中重金屬元素超標(biāo)-改變土壤性質(zhì)、山體塌方-道路破壞、影響居民生活-不良社會輿論5條關(guān)鍵邊進(jìn)行斷鏈減災(zāi)，可實現(xiàn)對城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害的防治。

d.城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害事件與其他災(zāi)害事件之間具有較緊密的聯(lián)系，一般只需要擴散3～4次就會造成災(zāi)害的蔓延。