基于可拓理論的油氣管道黃土濕陷危險性評價

范立旎，黃 嫻，龔 琪，劉小暉

(1.云南湖柏環保科技有限公司，云南 昆明 650000；2.四川省國環環境工程咨詢有限公司，四川 成都 610000；3. 蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

近年我國油氣管道迅速發展，截至2017年底，在役油氣管道總里程累計約13.31萬km，逐漸形成了東西南北互通的能源管網。黃土高原作為東西和南北的交叉點，近年來越來越多的管道災害問題，引起國內外學者的關注[1-4]。筆者根據基層工作實際統計，黃土高原管道地質災害約60%為黃土濕陷，給管道安全運營、日常管理帶來了較多的困難[5]。故開展管道黃土濕陷危險性評價是十分有意義的，不僅能為風險管理奠定基礎，還能為其監測、防治提供理論依據。

早在20世紀70年代，美國已開展油氣管道安全評價研究，并應用于工程實踐。1985 年，在美國出版的《風險調查指南》一書中，第一次在油氣管道地質自然災害中應用評分法進行評估工作[6]。1992年 W.Kent Muhlbauer 編寫的《Pipeline Risk Management Manual》介紹了一種較為完善的管道危險性評價模型，該模型的理論依據為評分法[7]。1995 年潘家華先生對W.Kent Muhlbauer 給出的評分法進行了數次闡述，引發我國科研人員對其積極探討，并在之后的管道安全評估中進行了實例分析[8-10]。2009年，中國石油管道科技研究中心研發的管道地質災害風險管理系統(PGRMS)采用指標評分的半定量評價方法[11]。除此之外，故障樹法、模糊綜合評判法、可拓法等應用于管道地質災害危險性評價的研究也較多[12-17]。目前，油氣管道通常采用PGRMS半定量與調查人員定性評價相結合的綜合評價結果，基本滿足工程要求。在復雜環境因素的客觀影響與評判人員的主觀影響下，現有評價方法、風險管理系統在實踐應用中均存在一定的局限性。

筆者依據蔡文提出的可拓理論[18-19]，結合灰色關聯度法，構建指標物元模型，評價黃土高原區集中發育的典型黃土濕陷危險性，并與PGRMS分析、綜合評價結果進行對比分析。從黃土濕陷危險性眾多影響因素中選取具有代表性的、可量化的評價指標，引入灰色關聯度法求其權重，采用可拓關聯函數確定評價指標的關聯度和隸屬度。可拓法評價結果合理可靠，更接近客觀實際，且主觀因素影響較小，具有良好的應用前景。

1 可拓理論評價模型

1.1 可拓學物元模型

可拓法采用形式化工具，從定性和定量兩個角度去研究事物的規律和解決方法，其核心為物元理論與可拓集合理論。可拓學物元理論提出由事物N、特征C及量值υ構成物元R=(N，C，υ)的概念，通過建立多指標的質量評價模型來反映整個樣本的綜合水平。

假設物N具有n個特征，即C1，C2，…，Cn，則物N關于特征Ci對應的量值υi可構成n維物元R，表示如下：

(1)

1.2 經典域和節域的確定

(1)經典域

經典域指評價指標隸屬于某個評價等級的取值范圍，表達式為：

Rt=(Nt，Cj，υtj)=(Nt，Cj，)

(2)

式中：Nt表示河溝道水毀危險性分級，t=1，2，…，5；Cj為評價指標，j=1，2，…，14；為Nt關于Cj的取值范圍。

(2)節域

節域表達了事物N的某一特征C對應的量值范圍，在其范圍內事物性質具連續穩定性，如式(3)所示。

Rp=(p，Cj，υpj)=(p，Cj，)

(3)

式中：p為河溝道水毀危險性全體類別；Cj為評價指標，j=1，2，…，14；為Cj所確定的量值區間。

1.3 關聯函數

可拓理論引進距的概念來確定關聯度，從而將實變函數點與量值范圍之間的關系由“類內為同”拓展為“類內存異”。域內任意一點υj與經典域和節域的關聯函數Kt(υj)見式(4)。

(4)

1.4 評價指標權系數確定

可拓法中評價指標權系數對危險性評價結果影響較大，為了減少主觀因素的影響，該次采用灰色關聯度法[15-16]確定評價指標的權系數。

(1)數據處理

評價指標量化值的無量綱化處理采用均值變換法，如式(5)所示。

(5)

式中：j表示評價指標數；k表示待評價的河溝道水毀數；Cj(k)表示第k處河溝道水毀的第j個評價指標的量化值。

(2)創建絕差數列

選取參考數列，記為C0(k)，其它數列與之比較，得到絕差數列Δj(k)，并求出Δj(k)max和Δj(k)min，分別表示如下：

Δj(k)=|cj(k)-c0(k)|

(6)

Δj(k)max=max|cj(k)-c0(k)|

(7)

Δj(k)min=min|cj(k)-c0(k)|

(8)

(3)計算關聯系數

比較數列Cj(k)與參考數列C0(k)的關聯系數rj(k)表示為：

(9)

其中：ρ為分辨系數，ρ=[0.5]，一般取0.5。

(4)灰色關聯度及權重

河溝道水毀評價指標灰色關聯度rj由式(10)求得，結果表示為﹛r1，r2，…，r14﹜；利用式(11)計算其權系數ωj。

(10)

(11)

1.5 危險性評價物元模型構建

可拓關聯函數結合評價指標權系數得到待評物元河溝道水毀N與危險性分級t的關聯度為：

(12)

(13)

依據式(13)可得最大關聯度值對應的t即為河溝道水毀危險性等級。

2 黃土濕陷危險性評價模型構建及應用

2.1 研究區概況

蘭成管道K0～K278段，地處黃土高原南緣，南接秦巴山脈，西連烏鞘嶺，具有典型的黃土高原的黃土濕陷特征，屬北亞熱帶濕潤氣候區，溫差大，雨量小。年平均氣溫4～14℃。受季風影響，降水多集中在7—9月，占全年降水量的50%～70%，受降雨影響，7—9月是地質災害頻繁發生時期。另外，降水量的年際變化較大，往往豐水年比枯水年降水量多幾倍，甚至更多，因此造成地質災害的形成發育具有一定的周期性。該區域由于人類的毀林開荒活動，現較多區域已成為農業耕種區，主要植被以農作物和經濟作物為主，植被覆蓋率較低。地層主要為黃土和祁連、西秦嶺地層區的火山巖、變質巖及沉積巖。

通過2019年地質災害調查資料，該區域共發育災害109處，其中黃土濕陷54處，占發育災害總量的49.54%，隨機選取10處黃土濕陷作為研究對象，依據《SY/T 6828-2011油氣管道地質災害風險管理技術規范》，對濕陷面積、濕陷形狀、濕陷深度、植被情況、匯水條件、微地貌形態、與管道空間關系、水毀類型、影響長度等進行調查、測量與定性評判，基本特征見表1所示。

表1 油氣管道黃土濕陷基本特征

表2 黃土濕陷危險性可拓分級標準

2.2 評價指標的選取與可拓分級

油氣管道黃土濕陷危險性影響因素較多、時空差異性較大，故參評因子選取是否合理直接影響評價結果的準確性和實用性。筆者在野外調查、災害分析和PGRMS應用基礎上，結合已有學者研究成果[10-11]，選取黃土濕陷面積(C1)、管道影響長度(C2)、危害管道程度(C3)、微地貌形態(C4)、與管道空間關系(C5)、災害發育特征(C6)、管道與塌陷夾角(C7)、管道埋深的倒數(C8)、災害活動情況(C9)、管道附件環境敏感(C10)、水力侵蝕方式(C11)、暴雨頻次/年(C12)、多年最大日均降雨量(C13)、人類工程活動(C14)等14個主要影響因素作為可拓物元模型的評價指標。

為滿足工程需要，將黃土濕陷危險性劃分為低、較低、中、較高、高5個等級；依據已有研究[10-11]及調查資料概率統計成果，其評價指標可拓分級標準如表2所示。依據表2，黃土濕陷危險性分級經典域和節域如表3所示。

表3 河溝道水毀危險性分級經典域和節域

2.3 待評物元

研究區域選取的10處黃土濕陷災害點列為一組評價單元，創建的待評物元如式(14)所示。依據表1，評價單元實測值結合調查人員評分結果得評價指標量化值，見表4。

(14)

表4 待評黃土濕陷評價指標量化值

2.4 物源模型計算結果

(1)評價指標權系數

依據式(5)，黃土濕陷評價指標量化值進行均值變換，結果見表5。選取黃土濕陷面積(C1)為參考數列，利用式(6)～式(8)計算得到評價指標C2～C14相對于C1的絕差數列、最大極差值2.59和最小極差值0.01，見表6。由式(9)～式(11)計算得待評物元組14個評價指標的灰色關聯系數、關聯度和權系數，見表7、表8。

(2)物元模型關聯度及評價結果

通過式(4)得待評物元河溝道水毀HS-01～HS-10與分險等級j1～j5之間的關聯系數Kt(υj)；結合評價指標權系數ωj，由式(12)、式(13)計算得待評物元危險性關聯度Kt(N)和隸屬度Rt(N)，見表9、表10。

由表9可知，黃土濕陷HS-01與風險等級的關聯度依次為：K1(N)=-0.214，K2(N)=-0.359，K3(N)=-0.271，K4(N)=-0.147，K5(N)=-0.390；隸屬度R3(N)=-0.147，對應t=4，即危險性等級為較高。表10中待評物元HS-01～HS-10隸屬度依次為：R1(N)=-0.147，R2(N)=-0.271，R3(N)=-0.207，R4(N)=-0.146，R5(N)=-0.077，R6(N)=-0.076，R7(N)=-0.159，R8(N)=0.005，R9(N)=-0.104，R10(N)=-0.202；對應的危險性等級依次為：較高、中、中、低、較高、高、中、較高、較低、較低。

表5 待評河溝道水毀評價指標均值化數據

表6 評價指標C2～C14相對于C1的絕差數列

表7 評價指標C2～C14相對于C1的灰色關聯系數

表8 評價指標灰色關聯度和權系數

表9 待評物元HS-01關聯系數與關聯度

表10 待評黃土濕陷關聯度、隸屬度及評價結果

2.5 評價結果對比分析

采用可拓法、PGRMS分析及綜合評判對10處黃土濕陷分別進行危險性評價，其結果對比分析得到：①可拓法與綜合評價結果一致性比例達70%，偏低比例30%；②可拓法與PGRMS評價結果一致性比例達40%，偏高比例30%，偏低比例30%；③PGRMS與綜合評價結果一致性比例達60%，偏高比例20%，偏低20%；④可拓法、PGRMS與綜合評價結果危險性等級差Δt=1的占比90%，未出現較大的差異性。

綜上，可拓法定性-定量評價結果與綜合評價結果具有較高的一致性，而與PGRMS評價結果一致性較差，主要原因是綜合評判是專家根據以往經驗，結合現場實際進行評定，更符合客觀情況。

3 結論

(1)油氣管道黃土濕陷危險性評價是風險管理的基礎和安全運營的保障，筆者采用可拓法對其進行危險性評價嘗試，結果與實際情況基本吻合。

(2)可拓物元模型采用灰色關聯度法確定已量化評價指標的權系數，減少了主觀因素對評價結果的影響，但其僅選取濕陷面積作為參考數列可能存在缺陷。

(3)與定性評價、專家評分、PGRMS分析、模糊綜合評判相比，可拓法理論較為嚴謹，計算過程較為簡單，評價結果合理可靠，主觀因素影響較小，具有良好的應用前景。

(4)基于灰色關聯度的可拓法中，評價指標選取的科學合理及其量化值的準確可信直接影響評價結果的客觀性和實用性。

(5)可拓理論采用定性和定量相結合的研究方法，建立多指標物元模型，為黃土濕陷及其他地質災害危險性評價提出了新的研究思路。