王滬生,張滿銀 ,王生新,孟惠芳

(1.蘭州大學 西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州　730000;2.甘肅省科學院 地質自然災害防治研究所,甘肅 蘭州　730000)

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基于組合賦權和耦合-協(xié)同理論的油氣管道泥石流災害危險性評價研究

王滬生1,張滿銀2,王生新2,孟惠芳1

(1.蘭州大學 西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州730000;2.甘肅省科學院 地質自然災害防治研究所,甘肅 蘭州730000)

管道地質災害危險性評價是管道安全運營、災害防治的重要決策依據。目前的評價方法中,并未充分考慮災害與管體間的互饋關系。為此,根據系統(tǒng)的耦合-協(xié)同理論及組合賦權思想,建立危險性評價的耦合-協(xié)同模型,對某長輸天然氣管道沿線發(fā)育的4處典型單溝泥石流災害進行危險性評價,并與常規(guī)的指標評分法進行對比、驗證,最終的評價結果與實際調查情況相吻合。研究結果表明:耦合-協(xié)同理論在管道泥石流災害危險性評價中具有適用性和可推廣性,可為今后管道地質災害的相關定量化評價提供新思路。

泥石流;危險性評價;油氣管道;耦合-協(xié)同理論;組合賦權法

作為一類在地域空間上大跨度的線性工程,長距離輸油、天然氣管道不可避免的會穿越河(溝)道、斜坡面等復雜的山(丘)地貌單元。山(丘)區(qū)由于特殊的地質條件和地貌形態(tài),巖土體受水力、重力等外地質應力侵蝕作用普遍且嚴重,造成滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發(fā),甚至出現(xiàn)崩塌-泥石流、滑坡-泥石流等災害鏈,嚴重威脅著管道工程的敷設安全。據業(yè)界調查統(tǒng)計,近十年來因滑坡、崩塌、泥石流等地質災害造成的管道事故率占其總事故的15.4%。其中,由于巖土體侵蝕而引發(fā)的管道地質災害高達95%以上[1]。

泥石流是水力和重力作用下的一種特殊的巖土體侵蝕現(xiàn)象[2]。對山(丘)區(qū)段油氣管道泥石流災害的危險性進行評價研究,是管道工程建設期可行性研究的重要內容之一,也是建設和運營期防災避險的關鍵依據。目前,評價方法多采用定性或半定量方法,如中國石油管道部門采用的指標評分法[3]以及相關文獻中采用的層次分析法[4]、模糊評判法[5]、可拓物元法[6]等。這些方法豐富了評價手段,但或多或少存在缺陷。它們對泥石流孕育演進的影響因素及成災過程中的耦合關系等機制缺乏深入認識,僅僅是應用賦權的方法來反映災害發(fā)生與管道工程之間存在的互饋關系。由于研究背景和方法不同,危險性評價的體系也尚未統(tǒng)一[7,8]。不良地質體災變本身是個復雜環(huán)境因素的耦合系統(tǒng)[9],將管道工程體系融入地質環(huán)境災變系統(tǒng)中加以研究,應用耦合-協(xié)同理論來改進和優(yōu)化評價算法。在總結分析山(丘)區(qū)管道可能遭受泥石流災害的危險因素及評價體系的基礎上,切入介質環(huán)境和管體兩個子系統(tǒng)中各因子之間的相互促進、制約關系及協(xié)同發(fā)展演化的特點,并借用組合賦權的方法探索構建管道泥石流災害系統(tǒng)耦合-協(xié)同危險性評價的模型,對我國西部某段典型山區(qū)發(fā)育的4條管道泥石流溝進行了耦合-協(xié)同理論的危險性量化分級,與石油行業(yè)現(xiàn)行的指標評分法進行對比分析驗證,以期提升評價過程的準確性和科學性,為有關地質災害易發(fā)性、危險性、風險等評價工作提供新的思路。

1　耦合-協(xié)同理論

1.1耦合與協(xié)同

耦合是兩個或兩個以上的系統(tǒng)、模塊或運動方式通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象。它被認為是一種范式,即系統(tǒng)間的相互作用是線性的表現(xiàn)。因此,耦合存在多種表現(xiàn)形式,如單個系統(tǒng)對另一個系統(tǒng)有正向促進或負向抑制效應,不同系統(tǒng)間通過動態(tài)互聯(lián)可以有疊加放大的效應,來改變最終的發(fā)展趨勢。耦合度則可以用來描述這種趨勢形成過程中系統(tǒng)彼此間的影響程度。耦合度函數為

(1)

其中:Cn為總系統(tǒng)的耦合度,Cn∈(0,1),耦合度越高,系統(tǒng)間影響程度越高;U為子系統(tǒng)對總系統(tǒng)的總序參量;Ui、Uj反映各子系統(tǒng)對總系統(tǒng)貢獻值,其中i=1,2,…,n;j=1,2,…,n,i≠j;n是子系統(tǒng)的個數。

耦合度可以反映系統(tǒng)彼此間影響作用的強弱,卻無法反映系統(tǒng)及要素間協(xié)同發(fā)展的好壞。為了能較好地反映系統(tǒng)或系統(tǒng)內部要素間發(fā)展趨勢,系統(tǒng)無序與有序發(fā)展趨勢間的轉換過程,利用協(xié)同關系加以描述。協(xié)同是系統(tǒng)間或系統(tǒng)組成要素間在發(fā)展過程中相互和諧一致、相互影響的平衡狀態(tài),協(xié)同指數則是對這種狀態(tài)的衡量。引入協(xié)同指數對耦合模型加以改進,組成耦合-協(xié)同度模型。系統(tǒng)的耦合協(xié)同度計算公式為

(2)

其中:D為系統(tǒng)的耦合協(xié)同度;T為系統(tǒng)間的綜合協(xié)同指數,有

T=α1u1+α2u2+…+αnun,

(3)

其中:α1,α2,…,αn為待定系數。

1.2功效函數

事件結果的估計值與確定的判定準則之間建立相對應的函數關系,無論對于定性指標還是定量指標均可以建立功效函數。利用功效函數來反映各子系統(tǒng)的漲落和變化對整個系統(tǒng)演進的貢獻程度,功效函數分為正功效和負功效兩種。

正、負功效函數分別為

(4)

(5)

其中:xij為第i個系統(tǒng)第j個指標的初始值;xij′為第i個系統(tǒng)第j個指標的功效函數值,xij∈(0,1)。正功效表示影響因子值越大越不利于系統(tǒng)的耦合協(xié)同發(fā)展;負功效表示影響因子值越大越有利于系統(tǒng)的耦合協(xié)同發(fā)展。通過線性加權,確定子系統(tǒng)中變量xij的貢獻大小的總和,即各子系統(tǒng)內的總貢獻值為

(6)

其中:wij為第i個系統(tǒng)中第j個指標的權重值;m為系統(tǒng)中因子的個數?？梢钥闯?功效函數是建立耦合-協(xié)同評價模型的基礎。

2　耦合-協(xié)同危險性評價體系

2.1評價指標選取

泥石流災變自身是一個受多重因素控制的復雜體系。首先分析泥石流侵蝕特點,由于它是一類徑流沖刷和重力作用下的混合侵蝕過程,水力侵蝕的能力受降水強度和徑流沖刷影響很大,重力侵蝕能力則與物質本身特點、地形條件等密切相關。比較侵蝕能力的影響因素,可以將環(huán)境條件劃分為環(huán)境成災系統(tǒng)和環(huán)境減災系統(tǒng),促進這個過程的因素即為環(huán)境成災系統(tǒng),以坡降比、雨強、巖性等8個危險因子為代表;以植被覆蓋率、水土保持、溝道堵塞3個主要因素來反應環(huán)境減災子系統(tǒng)。同時,管道主體本身具有一定抵御災害的能力,利用管道易損性反映災害對管道工程的影響,借鑒前人相關研究成果[12,13],選取管道埋深、敷設方式等6個因子為參與指標。

其次分析環(huán)境介質與管體間的關系,各影響要素間存在著明顯的互饋作用,如管道敷設進行開挖坡腳,阻塞溝道等工程,破壞了原有地形條件;人類對植被的破壞,促進松散物形成等,增加了災害發(fā)生的可能性。環(huán)境介質災變作用到管體上,可使管道發(fā)生彎曲變形、位移錯動,甚至出現(xiàn)彎折、斷裂等失效事故。同樣,環(huán)境介質各條件與管道工程各條件的內部也同樣存在著相互促進或抑制的效應。管道工程以非線性疊加改變了原災變系統(tǒng),構成了以承載體(管道工程)和致災體(泥石流)為耦合的、相互協(xié)調演進的管道泥石流災害大系統(tǒng)。其評價指標與層次體系見圖1。

圖1　危險性評價指標與層次體系Fig.1　Risk evaluation index and system

各評價因子的選取遵循了系統(tǒng)性、完整性、有效性和可比性原則,兼顧數據野外收集時的可操作性和易獲取性等。

2.2危險性等級劃分

敷設在泥石流影響區(qū)的管道工程,會因土體的侵蝕,管道的覆蓋層變薄、埋深不足而發(fā)生局部凹陷、彎折斷裂等事故。即使敷設在泥石流的堆積區(qū),強大的沖擊力也會沖毀伴行路、陰保樁和堵塞站場等。因此,需要準確判斷泥石流災害危險性,進一步深入剖析引發(fā)事故的可能性及防災、減災等信息。參考文獻[10]中的實際工作經驗和相關研究成果[11-14],劃分出低、較低、中、較高、高5個等級來綜合刻畫管道泥石流災害危險性的大小,對應耦合協(xié)同度及界定描述如下:

(1)低危險級(0,0.2] :泥石流溝谷區(qū)地質、地形條件穩(wěn)定良好,氣候特征變化小,構造運動不明顯,基本不會發(fā)生泥石流災害。該類危險屬于可忽略的,維持現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境,毋須采取措施,也不必保留相關文件記錄;

(2)較低危險級(0.2,0.4]:泥石流溝谷區(qū)地質、地形條件基本穩(wěn)定,存在氣候特征變化、構造運動等因素影響,可能會發(fā)生較小規(guī)模的泥石流。該類危險屬于可接受范圍,需加強流域水土保持,可采取巡檢措施,注意發(fā)展動向;

(3)中等危險級(0.4,0.6]:泥石流溝谷區(qū)地質、地形條件一般,存在的氣候特征變化、構造運動等因素影響,可能會發(fā)生中、小型泥石流。該類危險屬于有條件接受的,需適當控制成本進行風險監(jiān)控,并進行重點巡檢,建立簡易監(jiān)測點,注意發(fā)展動向;

(4)較高危險級(0.6,0.8]:泥石流溝谷區(qū)地質、地形條件不良,存在明顯的氣候特征變化、構造運動等因素影響,可能會發(fā)生中、大規(guī)模泥石流。該類危險需采取預防措施努力降低,評估預定預防成本,采取重點巡檢、專業(yè)監(jiān)測或其他風險減緩措施,近期治理并謹防突發(fā)性;

(5)高危險級(0.8,1):泥石流溝谷區(qū)地質、地形條件不良,存在極明顯的氣候特征變化、構造運動等因素影響,可能會發(fā)生大規(guī)模泥石流。屬于不可接受的危險,其致災后果非常嚴重,導致嚴重危害。需緊迫采取防治、改線等風險削減措施,且在風險削減前要實施動態(tài)監(jiān)測。

3　組合賦權法

權重對于評價的精確性具有舉足輕重的作用,不同的權重會得到不同的結果。目前權重的確定方法無異于主觀權重法和客觀權重法兩大類。確定主觀權重的方法,大多能較好地反映決策人的意向,將復雜問題通過決策人的判斷結果數字與模型化,但其結果過多依賴專家的經驗?？陀^權重確定的方法,如熵權法[15],充分利用了相關數據所提供的信息,但使權重結果過于絕對化,同時忽視了專家經驗應有的重要性。隨著權重優(yōu)化問題的深入研究,通過對各評價指標的主、客觀權重進行綜合來提高獲得權重的準確性,即組合賦權法的核心思想[16]。研究利用主觀層次分析法與計算客觀權重的變異系數法進行組合優(yōu)化,將專家判斷和客觀分析相結合以得到較為理想、實際的權重值。實踐中,組合賦權的規(guī)則多采用線性加權法,即

wj=λβj+(1-λ)βj′,

(7)

其中:βj、βj′分別為主觀和客觀賦權法確定的權重值,λ為偏好系數(0<λ<1)。

可見,λ的確定對結果的影響較大?？紤]到主、客觀權重值的特點,采用分析評價指標重要性排序的方法,當兩種方法的結果排序一致,λ取0.5;當兩種方法的結果排序不一致時,分兩種情況:主觀權重更符合重要性排序時,取0.5<λ<1;客觀權重更符合重要性排序時,則取0.5>λ>0;由于λ的取值本身存在經驗性,應適當的控制λ的取值為0.2≤λ≤0.8。

4　實例分析

4.1計算過程

收集中國石油西部管道公司所轄的某長輸天然氣管道沿程發(fā)育的4條泥石流溝(N1～N4)的數據資料[11],依據劉希林[17]對泥石流危險度評價相關研究,參考文獻[6,18]中的方法,在[0,100]論域上進行各指標賦值。為了簡化運算,指標值越大危險級越嚴重,采用正功效函數進行轉換,災害點相關評分數據及轉換數據見表1。并利用轉換后的值進行各系統(tǒng)貢獻值的計算。

表1　指標值及轉換值

由層次分析法計算得到的主觀權重，變異系數法計算出的客觀權重，權重分布見表2。可以看出主觀權重的序列更加符合客觀事實，λ取0.2來計算綜合權重，并將計算結果列入表2。

評價體系中子系統(tǒng)的個數n=4,4個子系統(tǒng)中選取的控制因子個數分別為8、3、3、3。先由式(4)～式(6)分別計算各個子系統(tǒng)的貢獻值,再依據式(1)～式(3)依次計算貢獻值U、耦合度C、危險性體系的綜合協(xié)同指數T的值。計算T時,待定系數α1、α2、α3和α4的賦值參選各子系統(tǒng)對在評價體系中的貢獻權重,α1=0.57,α2=0.26,α3=0.11,α4=0.06。各子系統(tǒng)的U、C、T及耦合-協(xié)同度D計算結果見表3。

表2　權重分布

表3　系統(tǒng)耦合協(xié)調度及評價結果

4.2結果分析

基于指標評分法的風險分級標準是將風險概率值在(0.1,0.2]內劃分為中,(0.2,0.4]劃分為較高,將其評價結果也列入表3。對于管道工程,目前尚無耦合協(xié)同度與危險性等級相對應的關系。采用(0,1.0)等分方法,將(0.4,0.6]危險性劃為中,(0.6,0.8]危險等級劃為較高,則N2為中,N1、N3、N4為較高。研究區(qū)的耦合協(xié)同度D排序為N4>N1>N3>N2,說明N4段管道發(fā)生泥石流災害的危險性最大,其次是N1、N3、N2;文獻[11]中風險概率大小的排序亦為N4>N1>N3>N2,前后完全一致,說明基于組合賦權的耦合-協(xié)同理論評價方法能很好地量化危險性大小,具有很好的可操作性和適用性。

5　結論

(1)泥石流災變系統(tǒng)具有復雜性和不確定性,尚無統(tǒng)一評價標準。作為山區(qū)長輸管道所面臨的最為常見地質災害之一,嘗試新的評價方法促進管道安全評估的相關工作是有必要的。從相互疊加的系統(tǒng)耦合-協(xié)同理論入手進行評價方法研究,是一項有益的嘗試,對業(yè)界相關工作具有積極的借鑒價值。

(2)基于組合賦權和耦合-協(xié)同模型的評價方法,將管體(承災體)融入環(huán)境介質大系統(tǒng)中,同時考慮各系統(tǒng)及其各復雜因子之間的相互促進、制約關系及協(xié)同發(fā)展演化等特點,經實例驗證表明該方法可行,也符合真實情況,并在一定程度上更好地揭示了耦合系統(tǒng)的互饋作用機制。

(3)評價過程中由于測量值、打分值與實際物理值的誤差,其結果也存在相應的偏差。耦合-協(xié)同度賦值算法與危險等級對應關系等問題還需進行深入研究。

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Oil and Gas Pipelines and Debris Flow Disaster Hazard Assessment that Based on Combination Weighting and Coupling-coordination Theory

Wang Husheng1,Zhang Manyin2,Wang Shengxin2,Meng Huifang1

(1.Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment Mechanics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;2.Geological Hazards Research and Prevention Institute,Gansu Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)

Pipeline geological hazard assessment is an important decision basis of sound operation of the pipeline and disaster prevention and control.While the current assessment methods have not give full consideration of the mutual feedback relationship between disaster and pipe body.Therefore,according to the coupling-coordination theory and combination weighting of the system to establish a coupling-coordination model of hazard assessment.Then it makes hazard assessment on the four typical monocolpate debris flow disaster that developed along the long-distance gas pipeline,and make comparison and verification with the conventional index evaluation method,and the final assessment result is consistent with the actual survey situation.This shows the applicability and replicability of coupling-coordination theory in the pipeline debris flow hazard evaluation,providing new ideas for relevant quantitative evaluation of geological disasters of pipelines.

Debris flow;Hazard assessment;Oil and gas pipelines;Coupling-coordination theory;Combination weight method

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.010.

2015-11-02;

2015-12-11.

中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司科技開發(fā)項目(XG11-2015-001)；甘肅省科學院青年科技創(chuàng)新基金項目(2014 QN-10).

王滬生(1991-)，男，安徽安慶人，碩士，研究方向為鹽漬土與地質災害.E-mail:270614766@qq.com.

張滿銀.E-mail:42062509@qq.com.

TE88

A

1004-0366(2016)04-0045-06

引用格式:Wang Husheng,Zhang Manyin,Wang Shengxin,etal.Oil and Gas Pipelines and Debris Flow Disaster Hazard Assessment that Based on Combination Weighting and Coupling-coordination Theory[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):45-50.[王滬生,張滿銀,王生新,等.基于組合賦權和耦合-協(xié)同理論的油氣管道泥石流災害危險性評價研究[J].甘肅科學學報,2016,28(4):45-50.]