基于模糊綜合評價法評估海底管道溢油污染風險

尹維翰，屈植，李耀如，劉瑩穎，溫婷婷

(1.國家海洋局北海環境監測中心，山東 青島 266033；2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室，山東 青島 266033；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300450)

我國海洋溢油事故發生概率逐年增大，海洋石油勘探開發平臺井噴、海底地質結構異常、海底輸油管道泄漏、海上儲油設施事故，以及原油運輸船舶碰撞或沉船事故等溢油事件時有發生，無主漂油事件也呈上升趨勢。北海區海洋環境公報顯示，2006至今，渤海共發現100余起不同規模的溢油事件[1]。尤其是近年來油價的不穩定及天然氣的供應無法達到保障，導致大型石油儲備基地、石化煉化項目的建設和新增海底輸油管道建設不斷加快，導致我國海底管道溢油風險的識別和難度逐漸加大。目前國內尚未建立一套完整可行的海底管道溢油風險評估技術方法，無法有效評估海底管道溢油風險[2]。在海洋溢油尚未發生之時，需要對存在隱患的地區進行海洋溢油風險評估，防患于未然；在海洋溢油發生后，指導如何及時準確地開展海洋溢油監測、評估等應急處置[3]。

針對海洋溢油風險評估中目前研究較少的海底管道的溢油風險進行較為全面的研究，根據溢油污染特征及管理需求，確定海底管道溢油的風險因子，建立海底管道溢油可能性及溢油風險評估方法，可對存在隱患的地區進行海底管道溢油風險評估，防患潛在溢油的發生或指導溢油應急處置，為海洋管理部門及石油勘探開發公司提供技術支撐。

1 海底管道溢油潛在因素分析

分析海底管道溢油的原因對保障海底管道安全運營具有重要意義，同時，對于溢油風險評估也有重要的參考價值。為準確獲取我國海底管道溢油風險評估的的主要因素，必須全面統計、分析典型的海底管道溢油事件的發生情況、起因和解決方案。

1.1 國內

根據資料記載，我國在1986—2016年期間，中國海油共鋪設了315條海底管道(直徑508～7 620 mm)，總長約6 202 km，近30多年共發生51起事故，年均發生1.7次[4]。其中，在渤海發生的溢油事故為12次，占總發生次數的23.5%；在東海發生的溢油事故為11次，占總發生次數的21.6%；其余發生在南海，為28次，占總發生次數的54.9%。對事故成因進行分析，腐蝕和第三方破壞導致的事故在所有海域均有出現，工程質量導致的事故在渤海和南海均有出現，海洋和地質災害導致的事故在東海和南海均有發生。

對以上海底管道溢油事故系統分析，國內海底管道事故的主要影響因素有：引起海底管道泄漏原因為第三方破壞、環境腐蝕、地質與海洋災害和項目質量。其中，第三方破壞事故17次，占總事故的33.3%；環境腐蝕事故19次，占總事故的37%；海洋和地質災害導致的事故8次，占16%；工程質量導致的事故7次，占14%。

1.2 歐洲

根據歐洲空氣與水保護組織(CONCAWE)30年海底管道事故分析[5-6]，海底管道破裂的原因可以大致歸類：①物理損傷，如鋪設不當產生屈服和焊接不當造成的缺損；機械損傷和管線材質瑕疵；材料疲勞和管線內外表面腐蝕；②故意和非故意的第三方損害；③外界條件變化與不可抗力。

1.3 美國

美國石油協會(API)對美國1967—1990年統計的大陸架海底管道溢油事故誘因進行分析[7-8]，結果顯示，腐蝕和疲勞老化導致的海管溢油事故所占比重最大，達47%；材質和制造缺陷、第三方破壞也同樣占較大比重，分別為29%和18%。CONCAWE對歐洲1971—2009年統計的海底管道溢油事故誘因進行分析，結果顯示，第三方破壞、疲勞老化和腐蝕導致的海管溢油所占比重較大，分別為37%、28%和26%，操作失誤和自然破壞導致海管溢油比重較小。

1.4 主要影響因素

第三方破壞、沖刷懸空、自然災害和腐蝕是導致海底管道泄漏事故的主要原因。沖刷懸空和自然災害(以及自然災害引發的次生地質災害)均與海底管道路由區的地質條件存在密切的聯系。海床沖刷、海底滑坡、活動性沙波沙脊、風暴潮及引發的次生災害、淺層氣等活動性災害地質是導致海底管道出露、懸空，甚至斷裂的主要災害地質因素。

2 風險評價方法構建

2.1 風險評價指標體系

2.1.1 溢油可能性

根據CONCAWE、DNV、API和國內事故統計對比，調查發現第三方破壞和腐蝕是造成海底管道溢油的主要誘因。在該研究中，一級指標權重分配根據國內外事故統計給出推薦值(第三方破壞：0.3，腐蝕：0.34，疲勞老化：0.2，自然力：0.04，誤操作：0.12)。該權重值隨統計量變化可調整一級指標權重。當研究其他海域管道風險時，指標體系中每個指標的權重可根據所研究管道實際情況進行適當調整。

二級指標、三級指標及權重分配根據Kent所著的《Pipeline Risk Management Manual》和管道風險評價規范中推薦因子篩選而得[9]。綜上，建立的三級溢油可能性風險評價指標體系見圖1。

圖1 溢油可能性風險評估指標體系

溢油可能性風險指標體系中的P代表各指標權重，其關系如下。

P11+P12+P13=P1

P21+P22+P23+P24+P25=P2

P31+P32=P3

P41+P42+P43+P44=P4

P51+P52+P53+P54+P55=P5

P1+P2+P3+P4+P5=1。

2.1.2 溢油后果

溢油后果風險評價中，主要有兩個評價指標，分別是介質危害和后果控制，各指標權重分別記錄為P1和P2，兩者權重之和為1，根據公式：

風險=風險權重×風險后果

溢油后果評價指標體系見表1。

表1 溢油后果評價指標體系

2.2 模糊綜合評價

2.2.1 方法適宜性分析

海底管道溢油可能性風險指標，很多指標具有隨機性，無法或難以精確定量，具有模糊性。溢油后果評價指標幾乎全部屬于不確定因素，不同區域地質條件和地形地貌完全不同，管線架構方式也存在較大差異，造成現場實際操作很難有較為規范的動作。模糊數學為解決此問題提供1套可操作的理論與方法。

為提高對海洋溢油風險的識別及有效應對海洋溢油，要求盡可能定量化表達風險，模糊數學法用屬于程度(隸屬度)代替是或者不是，擴展了數學的應用范圍，且通過權重能夠給出定量化表達[10]。

本文采用已被廣泛應用于各類風險評估的多級模糊綜合評價，分層、分級闡述溢油可能性和溢油危害2個一級指標。

2.2.2 方法構建過程

根據建立的海底管道的溢油風險指標體系，對底層指標海上石油設施情況進行評估分析，逐步確定位于頂層綜合溢油風險等級。通過對底層指標評價因素的進一步分析分類，結合專家(或專業操作人員)評語(打分)的方法，采用多級模糊綜合評價模型，逐步定量確定海底管道溢油風險的可能性、危害性及綜合風險等級。

模型建立首先確定評價因素、因子的評價等級標準和權值，然后將各評價指標建立基于模糊理論的數據集合，以隸屬度法定量劃分各指標因子之間的模糊界限，形成判別矩陣。最后，通過逐級的推理運算，確定評價對象的海洋溢油風險等級。其數學表達如下。

1)建立評價因素集。設因素Ui={U1，U2，…，Un}，Ui為被評價的溢油風險因子。

2)建立評語集。評語集通常用Vi表示，即Vi={V1，V2，…，Vm}，Vj為評判的結果。評語的劃分精度決定了評價結果的準確性，通常一般選擇5個評語。較多時會造成評估結果的繁瑣，同時爭議也會加大；太少時精度達不到預期效果。

本文采用5級評語，將溢油可能性評語集Vp分為溢油可能性極小、溢油可能性小、溢油可能性中、溢油可能性大和溢油可能性極大，評語分別對應為Vp110分、Vp230分、Vp350分、Vp470分和Vp5100分。溢油后果評語集Vc分為溢油后果極輕、溢油后果輕、溢油后果中等、溢油后果嚴重和溢油后果極嚴重，評語分別對應為Vc110分、Vc230分、Vc350分、Vc470分和Vc5100分。

3)建立權重集。ai={a1，a2，…，an}，其中ai(0≤ai≤1)為因素Ui被考慮的權屬。

4)建立評價指標的模糊隸屬度子集表。表示為R(U)=(ri1,ri2,…,rin)，其中Ui是V中的每一種評價的隸屬度的模糊子集。

5)初次評價。Bi=Ai×Rj=(bi1,bi2,…,bij)，(i,j=1,2,…,n)

6)二級/三級評價

最終，模糊綜合評價結果為

B=A·R

溢油可能性/溢油后果風險的一級指標所屬等級是由二級/三級綜合評價結果利用加權平均法所得。

2.3 管道溢油案例

2.3.1 案例概述

秦皇島A平臺管道管混輸管道,起點:119.21°E,39.128°N,終點:119.204°E,39.112°N,管徑16寸,2002年投產,設計壽命20年,長度1.9km,雙層鋼管,OD406.4mm,壁厚12.7mm。最大作業壓力0.72MPa,溫度62 ℃,管體流量10 564m3/d。水深21m，輸送油品為重質原油。管線周邊海域交通較頻繁。

2.3.2 風險評估結果

1)評估結果(評分)。

總風險等級：II類(中)；溢油風險可能性：49(中)；溢油危害后果：42(較低)。

秦皇島A平臺管道溢油綜合風險評價結果見表2。

表2 秦皇島A平臺管道溢油綜合風險評價結果

秦皇島A平臺管道溢油風險等級見表3。

表3 秦皇島A平臺管道溢油風險等級

2)溢油可能性評價。

管道風險等級：34.3(中等)；三方風險等級：67.0(大)；誤操作風險等級：27.76(小)；自然力風險等級：20.8(小)；疲勞老化風險等級：43.65(中等)；事故記錄調整：10%。

3)溢油后果評價。

介質危害：26.6；后果控制：57.36。

4)溢油后果分析。

重質原油，油品黏度較大，毒性較強，對海水生態損害持續時間長，損害大；管道采用管外流體泄漏檢測裝置，中控室控制關斷；采用裂紋溢油方式計算溢油量，為0.45 t。

3 結論

1)對海底管道溢油污染風險評估的潛在因素分析是基于近30年國內和歐美地區典型海域的溢油事件統計，隨著監測預警、人工智能、物聯網等現代技術的應用，第三方破壞、海洋與地質災害、環境和工程質量因素是否為導致海底管道泄漏事故的主要因素仍需進一步探討，基于模糊綜合評價的海底管道溢油風險評價方法仍有修正空間。

2)本文在海洋風險研究中以海底石油管道溢油風險為突破口，石油平臺和儲存基地的風險評估方法及相關的監測評價方法為搜集他人的成果，海底石油管道并非單獨存在，與平臺和倉儲基地息息相關。隨著海洋生態文建設的不斷推進，對溢油風險的管控不斷提高，下一步需將上述風險集成歸并研究，保障海洋環境安全。