穿越河流段輸油管道環(huán)境風(fēng)險評估及防控措施

張海磊

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司蘭成渝輸油分公司，四川 成都

輸油管道，穿越河流，環(huán)境風(fēng)險，防控措施

1. 引言

受自然地理條件限制，管道建設(shè)不可避免地需要穿越地表水體，其中不乏有大江大河。穿越河流段輸油管道受施工條件、河流沖刷侵蝕作用等影響，管道泄漏概率顯著增加，泄漏事故一旦發(fā)生，溢油通過地表水體迅速遷移擴(kuò)散，勢必對社會安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成極大負(fù)面影響[1] [2] [3]。因此，建立輸油管道穿越河流段的環(huán)境風(fēng)險評估方法，提出管道溢油事件的有效防控措施至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量有益的探索[4]-[9]，但大部分評價體系采用定性或半定量的方法，存在較大的人為性，且大多對溢油事故發(fā)生的可能性及事故發(fā)生后實際應(yīng)急水平考慮不夠，割裂了溢油事件環(huán)境風(fēng)險評價和溢油防控之間的聯(lián)系，缺乏一套科學(xué)性強(qiáng)、普適性廣、可操作性高的管道環(huán)境風(fēng)險管控體系。

基于此，本文以蘭成渝分公司成品油輸油管道廣元段為例，在調(diào)查收集輸油管道概況、穿越河流水文信息、周邊環(huán)境風(fēng)險受體等資料的基礎(chǔ)上，利用定量和半定量結(jié)合的方法進(jìn)行管道環(huán)境風(fēng)險評價。在對輸油管道在用階段失效可能性進(jìn)行評價分級的基礎(chǔ)上設(shè)置最不利的溢油情景，并結(jié)合穿越段實際應(yīng)急能力，運用溢油在地表水中運移數(shù)學(xué)模型計算泄漏油品到達(dá)下游敏感點的時間及影響范圍，得到較為可靠的溢油事件環(huán)境后果分級，最終建立判斷矩陣評價穿越段輸油管道的環(huán)境風(fēng)險，并以此為據(jù)，提出管道泄漏事件的分級攔截布控措施。借助該評價體系，能夠有效識別并降低輸油管道的環(huán)境風(fēng)險，對于同類型管道項目的環(huán)境風(fēng)險管控及應(yīng)急處理有著重要的理論和實際意義。

2. 環(huán)境風(fēng)險評價方法

輸油管道穿越河流段的環(huán)境風(fēng)險大小主要跟溢油事故發(fā)生的可能性及事故發(fā)生后可能造成的環(huán)境后果有關(guān)。通過評價管道失效性表示事故發(fā)生的可能性，結(jié)合穿越點周邊環(huán)境受體及實際應(yīng)急管理水平，計算最大泄漏量、溢油擴(kuò)散途徑來評價溢油事件造成的環(huán)境后果。

2.1. 管道失效性分析

考慮第三方損壞、腐蝕、制造與施工缺陷、誤操作、地質(zhì)災(zāi)害五個方面對輸油管道在用階段失效可能性進(jìn)行半定量評分[10]。每方面的得分為其下設(shè)多個評分項得分之和，評分項得分由下設(shè)列項中最接近實際情況的列項確定。按照失效可能性評分，將管道失效可能性劃分為3個等級[11]，其中，0～113分屬于失效性高；114～272分屬于失效性中等；273～500分屬于失效性低。各評分項見表1。

Table 1. Scoring items for pipeline failure analysis表1. 管道失效性分析評分項

2.2. 溢油事件環(huán)境影響

突發(fā)溢油事件的環(huán)境后果主要取決于溢油事件對環(huán)境風(fēng)險受體(可能受到危害的企業(yè)外部人群、具有一定社會價值或生態(tài)環(huán)境功能的區(qū)域等)的影響程度。已有的一些環(huán)境影響分級體系[10] [11] [12]明確了溢油事件后果及對應(yīng)的影響分級，但對于溢油事件造成的后果往往采用定性的方法判定，存在較大的人為性，且大多事故發(fā)生后實際應(yīng)急水平考慮不夠。本文考慮實際的應(yīng)急能力、最大泄漏量條件下，溢油事件對周邊環(huán)境風(fēng)險受體的定量影響，將溢油事件環(huán)境后果分為三級，見表2。

Table 2. Environmental impact grading table of oil spill events in the oil pipeline crossing section (modified from reference [13])表2. 輸油管道穿越段溢油事件環(huán)境影響分級表(改自文獻(xiàn)[13])

其中，應(yīng)急能力、最大泄漏量條件下溢油事件對周邊環(huán)境風(fēng)險受體的定量影響指標(biāo)如下：

1) 泄漏量估算

溢油事故中油品泄漏量的多少直接決定了事故的規(guī)模大小，在管道泄漏事故環(huán)境風(fēng)險評價中，考慮最不利的情況以確保事故能妥善解決。因此基于最不利的油品泄漏量和泄漏位置，按照管道截面100%斷裂的情況作為溢油情景。穿越點溢油事件發(fā)生至檢測報警，距離泄漏點最近的閥室截斷輸油，此時，最大泄漏量為距離泄漏點最近兩個閥室之間的輸油管容積與溢油事件發(fā)生后距離泄漏點最近的閥室閥門全開至全關(guān)這段時間內(nèi)的泄漏量之和。

2) 溢油的擴(kuò)散及遷移

當(dāng)穿越段管道發(fā)生泄漏后，首先會在河底土壤中滲流擴(kuò)散，這是一個龐雜的多孔介質(zhì)多相流過程，根據(jù)相關(guān)研究[14] [15] [16] [17]，主要與泄漏壓力、土壤孔隙度、土壤含水率等有關(guān)，在實際情況中，大多采用大開挖鋪設(shè)管道穿越河流，管道埋深一般較淺，在最大泄漏量條件下，較大的泄漏壓力會使溢油迅速進(jìn)入河流。

溢油進(jìn)入地表水體后，由于油品密度相對較小，往往在水面上形成油膜，根據(jù)費伊(Fay)提出的溢油擴(kuò)散模型[18]，該過程在受到重力、慣性力、粘性力和表面張力的影響控制下可以分為三個階段，數(shù)學(xué)模型見公式(1)～公式(3)。此外，形成的表面油膜還會在水流、風(fēng)速和其它環(huán)境因素的作用下繼續(xù)遷移，因此，穿越段管道泄漏后油品影響范圍主要跟內(nèi)力(溢油重力、慣性力、粘性力和表面張力)作用下擴(kuò)散范圍及外力(風(fēng)力、水力)作用下遷移距離有關(guān)，見公式(4)。

重力、慣性階段：

重力、粘滯性階段：

表面張力、粘滯性階段：

式中：K為各擴(kuò)展階段的經(jīng)驗系數(shù)，取K1= K2= 1.0，K3= 1.33；ρ0為油的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；V為溢油量，m3；σ為凈表面張力系數(shù)，指空氣與水的表面張力系數(shù)減去油與空氣的表面張力系數(shù)再減去油與水的表面張力系數(shù)，N/m；wγ為水的運動粘滯系數(shù)，m2/s；t為泄漏時間。

式中：v1水流速度，m/s；v2為水面10 m高處風(fēng)速，m/s；α2為風(fēng)速對水流速度的貢獻(xiàn)比，取3%。

距離穿越段最近的作業(yè)區(qū)會分派管道搶修組和應(yīng)急攔油組迅速到現(xiàn)場。應(yīng)急力量的到達(dá)時間、泄漏段環(huán)境應(yīng)急處置措施則限制了泄漏量的大小以及泄漏油品對下游環(huán)境受體的影響程度。結(jié)合事故發(fā)生后管道搶修組到達(dá)時間，估算最大泄漏量[18] [19]。

3) 應(yīng)急管理水平

溢油事件發(fā)生至檢測報警，距離穿越段最近的作業(yè)區(qū)會分派管道搶修組和應(yīng)急攔油組迅速到現(xiàn)場。而應(yīng)急力量的到達(dá)時間、泄漏段環(huán)境應(yīng)急處置措施則限制了泄漏量的大小以及泄漏油品對下游環(huán)境受體的影響程度，溢油事件能否妥善解決，最終泄漏后果的嚴(yán)重程度跟管道方應(yīng)急管理水平的強(qiáng)弱息息相關(guān)。因此，考慮各穿越段實際應(yīng)急管理水平，修正泄漏量及泄漏面積的計算，最終根據(jù)表3確定輸油管道穿越段溢油事件環(huán)境影響分級。

2.3. 環(huán)境風(fēng)險評估

結(jié)合各穿越點實際情況，根據(jù)管道失效性分級，以及最大泄漏量、現(xiàn)有應(yīng)急能力水平下溢油對下游環(huán)境風(fēng)險受體的影響，建立判斷矩陣確定穿越點輸油管道的環(huán)境風(fēng)險等級，具體見表3。

Table 3. Environmental risk rating matrix for oil pipeline crossing sections表3. 輸油管道穿越段環(huán)境風(fēng)險等級評定矩陣

3. 實例驗證

3.1. 輸油管道概況

蘭成渝分公司所轄成品油輸油管道廣元段從嘉陵江流域廣元羊木鎮(zhèn)進(jìn)入，途徑廣元市朝天區(qū)、利州區(qū)、劍閣縣、青川縣，總長度約100 km，管道穿越地表河流采用大開挖、定向鉆或架設(shè)管橋方式鋪設(shè)管道。在廣元市境內(nèi)共有7處穿越段，具體情況見表4。

由于管線周邊環(huán)境風(fēng)險受體情況直接影響著管線泄漏事件造成后果的嚴(yán)重程度，除調(diào)查穿越段周邊人口居住情況外，還重點收集管道沿線涉及的自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、生態(tài)紅線等環(huán)境敏感區(qū)信息4類8處，環(huán)境風(fēng)險受體詳細(xì)情況見表4。

Table 4. Statistics on the main rivers crossing the Guangyuan section of the oil pipeline表4. 蘭成渝輸油管道廣元段穿越主要河流概況統(tǒng)計表

3.2. 環(huán)境風(fēng)險評估

以白龍江穿越段為例進(jìn)行該輸油管段的環(huán)境風(fēng)險，根據(jù)資料收集及現(xiàn)場調(diào)查情況，對第三方損壞、腐蝕、制造與施工缺陷、誤操作、地質(zhì)災(zāi)害等評分項進(jìn)行打分，評分項得分情況見表5～9。

Table 5. Pipeline third-party damage score表5. 管道第三方損壞評分

Table 6. Pipeline corrosion score表6. 管道腐蝕評分

Table 7. Pipeline manufacturing and construction defect score表7. 管道制造與施工缺陷評分

Table 8. Pipeline misoperation score表8. 管道誤操作評分

Table 9. Pipeline geological hazard score表9. 管道地質(zhì)災(zāi)害評分

因此，白龍江穿越段失效可能性分值457.5分，失效性低。

白龍江穿越段管道兩端交通便利，借助鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路、國道G212，救援人員和救援物資可在26 min內(nèi)抵達(dá)。

穿越段管道采用懸索跨越方式穿越白龍江，設(shè)計壓力8 MPa，采用管徑457 mm，壁厚8.7 mm，材質(zhì)為X52的鋼管進(jìn)行油品輸送，成品油每小時輸送量為900 m3，上下游分別有白龍江保護(hù)站和紫蘭壩閥室，閥室間距1.8 km。計算可得白龍江保護(hù)站和紫蘭壩閥室段管容為：

若白龍江穿越段發(fā)生溢油，管道泄漏檢測系統(tǒng)120秒內(nèi)作出泄漏報警，距離泄漏點最近的閥室閥門70秒內(nèi)全部關(guān)閉，該段時間油品泄漏量為：

因此，按照管道截面100%斷裂考慮，搶修組到達(dá)之前溢油量為：

白龍江跨越處河床寬廣，地勢開闊，常年有水且水量較大。河道與管線位近正交，水面寬度約85～125 m，河道水深約6 m，河流流速范圍：0.2～1.8 m/s，管道跨越處最大風(fēng)速可達(dá)28.7 m/s。穿越段周邊200 m范圍內(nèi)，人員較密，且威脅下游飲用水水源保護(hù)區(qū)和劍門關(guān)、翠云廊風(fēng)景名勝區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)。

根據(jù)上述泄漏量估算及溢油擴(kuò)散模型，考慮最不利情況，穿越點管道溢油流入白龍江后擴(kuò)散半徑達(dá)365 m，河岸植被、土壤遭受嚴(yán)重污染，影響附近城鎮(zhèn)居民的生產(chǎn)和生活。此外，在風(fēng)速和水流作用下，應(yīng)急力量到達(dá)之前，泄漏油品遷移最大距離為4516 m。

綜上所述，考慮白龍江穿越段最不利的溢油狀況下，泄漏油品將進(jìn)入飲用水水源保護(hù)區(qū)范圍，對周邊生態(tài)環(huán)境、居民身體健康造成嚴(yán)重威脅。因此，據(jù)表2，該溢油狀況下白龍江穿越點溢油事件環(huán)境后果屬于“極嚴(yán)重”類型。

白龍江穿越段管道失效性低，溢油事件環(huán)境影響屬于“極嚴(yán)重”，根據(jù)表3中評定矩陣則白龍江穿越段環(huán)境風(fēng)險為“較大”，同樣對蘭成渝輸油管道廣元段其他穿越段進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險評價，結(jié)果見表10。

Table 10. Environmental risk levels of the river crossing section of the Guangyuan section表10. 蘭成渝輸油管道廣元段河流穿越段環(huán)境風(fēng)險等級

4. 溢油防控措施

根據(jù)前文對各個河流穿越點的環(huán)境風(fēng)險分析，一旦出現(xiàn)溢油事故，對下游的生態(tài)環(huán)境將不可避免的產(chǎn)生重大影響[20]。事故發(fā)生后，為減小溢出油品污染區(qū)域，必須根據(jù)現(xiàn)場情況對溢油點進(jìn)行堵漏，并在最快的時間內(nèi)告知水利部門，控制上下游攔河壩相關(guān)水閘，減緩江面水流速度從而減緩溢油擴(kuò)散速度，同時根據(jù)溢油點、下游河道已有水利設(shè)施、周邊外部可依托資料情況，提前布設(shè)攔油措施。結(jié)合溢油事件實際情況，本文提出分級攔截布控措施：

1) 泄漏點附近。采取圍堰的方法控制泄漏油品繼續(xù)流入下游河流，開挖集油坑和導(dǎo)油溝，確保集油坑容積應(yīng)能滿足油品泄漏量在應(yīng)急力量到來之前的存放量。

2) 環(huán)境敏感受體附近。在進(jìn)入集中式飲用水源地、自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)紅線、居民聚集區(qū)之前攔截布控。

3) 支流匯入干流之前。利用水文分析功能進(jìn)行小流域分區(qū)，分析管道穿越段各個小流域的分水嶺以及流域盆地傾瀉點(出水口)，在出水口之前的河段設(shè)置攔截控制點。

溢油防控措施可根據(jù)周邊具體條件，依托已有水利設(shè)施布設(shè)。圍油欄的布放位置一般選擇在橋梁、大壩、水閘、河流轉(zhuǎn)彎處、漂浮物集中處等，需提前布設(shè)錨固墩工程，周邊需提前儲備圍油欄、吸油欄等。對于規(guī)模較小的河流，可利用已有橋梁壩體，修筑編織袋土壩，迎水面敷設(shè)隔水布，上游拋灑草垛，減緩油污擴(kuò)散。周邊需提前儲備編織袋、隔水布、涵管、草垛等。

同樣以白龍江穿越段為例，結(jié)合上文提出的分級攔截布控措施及河道具體情況，一級攔截布控點A1設(shè)置在泄漏點附近，距穿越點約600 m；二級攔截布控點A2設(shè)置在廣元市利州區(qū)寶輪鎮(zhèn)集中式飲用水水源二級保護(hù)區(qū)邊緣，白龍江大橋附近，距穿越點約2400 m；三級攔截布控點A3設(shè)置在進(jìn)入劍門關(guān)、翠云廊風(fēng)景名勝區(qū)三級保護(hù)區(qū)之前，白龍江匯入嘉陵江的傾瀉口上游，距穿越點約8300 m。具體布控措施見圖1。

提前布設(shè)攔截措施后，應(yīng)急搶險人員到達(dá)現(xiàn)場便可迅速架設(shè)圍油欄，對水面漂流浮油及岸邊溢油進(jìn)行回收，避免溢油繼續(xù)向下遷移，大大減小溢油事件對環(huán)境的影響，根據(jù)此原則，對其他穿越段設(shè)置分級攔截布控措施(見圖2)，可對穿越河流段輸油管道溢油事件進(jìn)行有效管控。

Figure 1. Arrangement and control position of interception point of Bailongjiang River Basin, a first-class tributary of Jialing River圖1. 嘉陵江一級支流白龍江流域穿越點攔截點布控位置

Figure 2. Location map of oil spill interception and deployment at the crossing point of Guangyuan section of oil pipeline圖2. 輸油管道廣元段穿越點溢油攔截布控位置圖

5. 結(jié)論

1) 本文通過評價輸油管道在用階段失效可能性，設(shè)置最不利的溢油情景，結(jié)合穿越段實際應(yīng)急能力，運用溢油在地表水中遷移模型，建立了科學(xué)可靠的輸油管道穿越段環(huán)境風(fēng)險評價體系。并以此為依據(jù)，提出管道泄漏事件的分級攔截布控措施。通過實例研究，該環(huán)境風(fēng)險管控體系能夠有效識別并降低輸油管道的環(huán)境風(fēng)險。

2) 在調(diào)查收集輸油管道概況、穿越河流水文信息、周邊環(huán)境風(fēng)險受體的基礎(chǔ)上，對蘭成渝分公司成品油輸油管道廣元段7處穿越點進(jìn)行了環(huán)境風(fēng)險評價。結(jié)果顯示，輸油管道在用階段失效可能性均為“低”，但泄漏事故一旦發(fā)生，造成的環(huán)境影響屬“極嚴(yán)重”或“較嚴(yán)重”，整體環(huán)境風(fēng)險“較大”或“一般”，無“重大”環(huán)境風(fēng)險穿越段。

3) 根據(jù)各穿越段環(huán)境風(fēng)險評價結(jié)果，綜合考慮穿越段實際條件、溢油事件發(fā)生后應(yīng)急能力、溢油路徑環(huán)境風(fēng)險受體情況，分別在穿越段附近、環(huán)境風(fēng)險受體之前、河流支流匯入干流之前提出了分級攔截布控措施，確定了具體攔截布控位置。

基金項目

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司科技研發(fā)項目“山區(qū)油氣管道線路設(shè)計與工程防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2020B-3106-0501)。