熊俊楠 孫明遠 孫 銘

1. 西南石油大學土木工程與建筑學院 2. 四川省第一測繪工程院

0 引言

根據(jù)對我國天然氣管道服役年齡的粗略統(tǒng)計，服役年齡超過 20年的天然氣管道占17%（主要是川渝天然氣管網(wǎng)）[1]，隨著時間的推移，出現(xiàn)管網(wǎng)占壓、部分管道老化、管理不到位、人為破壞，以及途經(jīng)地區(qū)地質(zhì)地貌、氣候、城市擴張[2]等復雜多變情況，近年來一些地方甚至發(fā)生了油氣管道爆炸事故，造成重大人員傷亡，油氣管道的安全性問題不容忽視。

國內(nèi)外學者在管道風險評價方面做了大量研究，1992年Muhlbauer[3-4]編寫了《管道風險管理手冊》一書，被世界各國接受并作為開展油氣管道風險評估的重要依據(jù)。在定量評估研究中，Kiefner和Vieth對管道缺陷進行了定量評估，最終被ASME采納用以評價管道的表面缺陷[3]。隨后不斷有研究者對該方法進行完善，從單一的研究腐蝕對管道壽命預測，擴展到周圍環(huán)境多種因素共同作用下對管道的評估預測[3]。部分學者對管道采空塌陷[5-6]、坡面水毀[7-8]、溝道水毀[9]危險性進行了探索。近年來針對我國國情建立的長輸管道風險評價體系在現(xiàn)場應用中也取得了較好效果[10-13]。管道地質(zhì)災害風險評價方法有：定性法、半定量和定量方法[14]。在量化分析的研究工作中，目前主要方法為基于聯(lián)合國公布的自然災害的風險表達式：風險度＝危險度×易損度，運用指標評分法[15-17]、層次分析法、模糊綜合評判法等開展評價[18-20]，其中關(guān)于耦合理論的應用，國內(nèi)外在環(huán)境和經(jīng)濟的耦合關(guān)系方面研究比較豐富，但對災害與環(huán)境的耦合分析研究較少[21]。災害評價主要集中于方法上的耦合[22]，如Lozoya等[23]提出了多災種風險評估的方法框架，蓋程程等[24]對于多災種耦合提出了基于GIS的評估方法，金菊良等[25]運用耦合模型建立了水環(huán)境風險評價，賈業(yè)明等[26]運用兩類方法耦合建立了燃氣管道風險評價模型。

針對耦合協(xié)調(diào)原理在災害評價中應用較少，管道災害受多系統(tǒng)相互作用的特性，筆者以蘭成渝長輸油氣管道廣元段為研究區(qū)，首先對長輸油氣管道進行管線分段，采用斜坡單元[27]劃分管道獲得準確的評價結(jié)果。其次根據(jù)山洪泥石流成因選擇影響因子，利用遙感、GIS技術(shù)，對長輸管道按照斜坡單元分段提取指標信息，同時結(jié)合管體自身屬性，建立耦合協(xié)調(diào)模型，對每段進行風險性評價。最后與成熟的風險性評價方法進行對比驗證，證明耦合協(xié)同原理能夠較好地應用于管道風險性評價。

1 研究區(qū)概況

蘭成渝長輸油氣管道廣元段位于管道K558—K640里程段，選取可能對管道產(chǎn)生影響區(qū)域作為研究區(qū)（圖1）。該區(qū)域位于四川盆地東北部邊緣，山地向盆地過渡地帶，以中低山地貌為主，地勢由北向東南傾斜，河谷大多呈“V”形且切割亦深，地形變化明顯。管道地跨3個構(gòu)造單元且研究區(qū)內(nèi)共有2條大斷裂，處于斷裂帶區(qū)域地質(zhì)環(huán)境惡劣，災害頻發(fā)。河谷兩岸主要分布荊棘、灌木等植被，低山和丘陵區(qū)域內(nèi)多種植農(nóng)作物，其他區(qū)域主要有林地、灌木林、草場。研究區(qū)屬嘉陵江水系，降水量豐富導致嘉陵江各支流水量充沛。上述地形地貌為地質(zhì)災害提供了條件，旱、澇等自然災害頻繁，尤其是洪澇、泥石流、滑坡等災害。根據(jù)資料顯示研究區(qū)內(nèi)山洪泥石流地質(zhì)災害有20余處，部分山洪泥石流距離管道不足300 m，這些山洪泥石流對管道的安全運營構(gòu)成了較大威脅。

圖1 研究區(qū)范圍簡圖

2 耦合協(xié)調(diào)原理

耦合原本作為物理學概念，是指2個或2個以上系統(tǒng)或運動形式通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象。耦合度就是描述系統(tǒng)或要素相互影響的程度。從協(xié)同學的角度看，耦合作用及其協(xié)調(diào)程度決定了系統(tǒng)在達到臨界區(qū)域時走向何種序與結(jié)構(gòu)，即決定了系統(tǒng)由無序走向有序的趨勢[28]。長輸油氣管道山洪泥石流風險性評價中，管道受多種復雜因素影響，在總結(jié)分析該區(qū)域管道可能遭受山洪泥石流災害的危險因素以及評價體系的基礎(chǔ)上，筆者采用耦合協(xié)調(diào)模型進行風險性評價。

2.1 耦合度與系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型

從物理學中耦合系數(shù)模型[29]推廣得到多系統(tǒng)相互作用耦合度：

式中u1、u2分別表示自然系統(tǒng)指數(shù)和管體條件指數(shù)；C表示系統(tǒng)耦合度，C∈[0, 1]，耦合度越趨近于1，表示各子系統(tǒng)之間達到“良性”共振耦合，說明管道危險性越高，耦合度越趨近于0，則表示整個系統(tǒng)內(nèi)部要素處于無關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)向無序發(fā)展，說明管道相對安全。

耦合度只能說明子系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的強弱，不分利弊，有些情況下難以反應子系統(tǒng)（自然環(huán)境系統(tǒng)和管體系統(tǒng)）的整體功效和協(xié)同效應，特別是在多個區(qū)域?qū)Ρ妊芯康那闆r下。因此，引入綜合調(diào)和指數(shù)，構(gòu)造自然環(huán)境和管體耦合協(xié)調(diào)模型。

式中T表示自然環(huán)境和管體條件的綜合調(diào)和指數(shù)，強調(diào)耦合程度的大小，體現(xiàn)了協(xié)調(diào)狀況的好壞程度[30]；α1, α2, …, αm表示待定系數(shù) ；D 表示耦合協(xié)調(diào)度。

2.2 熵權(quán)法權(quán)重計算

在系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型中，權(quán)重對于評價的結(jié)果至關(guān)重要。目前賦予權(quán)重的方法有主觀和客觀兩大類，筆者采用熵權(quán)法計算權(quán)重。熵權(quán)的基本思路是根據(jù)指標差異性的大小來確定客觀權(quán)重，即熵值越大表示差異越大，信息量越豐富；熵值越小則表示差異程度越小，提供的信息量越少，在評價中發(fā)揮的作用越小，權(quán)重也就越小[31]。熵權(quán)法權(quán)重計算的步驟主要有標準化數(shù)據(jù)、計算熵和確定熵權(quán)。

原始數(shù)據(jù)標準化：

式中rij∈Rmn；原始數(shù)據(jù)共m個指標、n個評價單元；Rmn表示歸一化數(shù)據(jù)。

計算熵。第i個評價指標的熵為：

確定熵權(quán)。第i個評價指標的熵為：

3 蘭成渝管道風險性的耦合協(xié)調(diào)評價

3.1 自然環(huán)境指標

筆者通過遙感影像和已有文獻資料，收集已發(fā)生山洪泥石流災害，獲取廣元段遙感影像、地質(zhì)巖性、降水等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用GIS手段提取流域單元，并將其作為基本單元，獲得管道附近9個自然環(huán)境指標。通過相關(guān)分析，得到9個兩兩之間呈弱相關(guān)的指標數(shù)據(jù)：高程、坡度、坡向、高差、地形剖面曲率、年降水量、斷層、巖性和歸一化植被指數(shù)（NDVI）（圖 2）。

其中年降水量取自研究區(qū)附近武都、文縣、廣元、劍閣、茂縣等共18個氣象站點數(shù)據(jù)，通過克里金插值得到多年平均降水量數(shù)據(jù)。為量化巖性指標，筆者將巖性從低到極高危險量化為5個值（1、2、3、4、5）。

3.2 管體指標

筆者研究K558—K640蘭成渝管道（廣元段），由于管道跨度范圍廣，地形復雜多變，所以按照不同的斜坡單元對管道的劃分，分別提取每段管道的埋深、夾角（與斜坡單元夾角）、壁厚、缺陷密度、埋設(shè)位置等5個指標信息（表1）。同時對選取的5個指標進行相關(guān)分析，結(jié)果顯示相關(guān)性較弱，符合評價體系建立原則之一的指標間相對獨立原則。根據(jù)已有分析[32]和現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，得到評價指標體系及權(quán)重（表2）。

3.3 評價過程及結(jié)果

將上述獲取的自然環(huán)境指標和管體指標進行相交分析，對長輸管道廣元段分段，得到180個管道單元，每個管道單元有14個指標信息的實驗數(shù)據(jù)，包含管體指標數(shù)據(jù)（表3）和自然環(huán)境指標數(shù)據(jù)（表4）。

耦合協(xié)調(diào)風險評價系統(tǒng)有兩個子系統(tǒng)，其中管體子系統(tǒng)指標數(shù)為5，自然環(huán)境子系統(tǒng)指標數(shù)為9，根據(jù)式（1）～（2）計算每個子系統(tǒng)的貢獻值，利用式（3）～（5）采用熵權(quán)法得到每個子系統(tǒng)不同指標的權(quán)重，結(jié)果如表2所示。

圖2 廣元段管道自然環(huán)境指標數(shù)據(jù)圖

據(jù)耦合協(xié)調(diào)模型，按照式（1）～（2）依次計算系統(tǒng)耦合度（C）、綜合調(diào)和指數(shù)（T）、耦合協(xié)調(diào)度（D），其中計算綜合協(xié)調(diào)指數(shù)的待定系數(shù)分別為α1、α2，參考子系統(tǒng)在整個評價體系的貢獻權(quán)重，取α1=0.605 264、α2=0.394 736。計算結(jié)果表5，耦合協(xié)調(diào)模型評價結(jié)果見圖3。

表1 管道指標描述表

表2 管道評價指標體系及各指標權(quán)重表

表3 廣元段管道管體指標數(shù)據(jù)（部分）表

表4 廣元段管道自然環(huán)境指標數(shù)據(jù)（部分）表

4 結(jié)果分析

該研究區(qū)分為管體和自然環(huán)境兩個子系統(tǒng)，利用熵權(quán)法計算得到管體子系統(tǒng)所占權(quán)重更高，表明管道本身對管道能否正常運營有很大影響。管體子系統(tǒng)的5個指標中管體缺陷密度（管體缺陷密度是利用管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，計算單位長度管道出現(xiàn)缺陷、管徑變化、彎頭、附著物等信息的指標）占該子系統(tǒng)的權(quán)重最高，達67.9%，表明管體的缺陷、管徑變化、彎頭、附著物等對管道的安全運營產(chǎn)生了較大影響。自然環(huán)境子系統(tǒng)中NDVI占權(quán)重最高，即管道穿越地區(qū)范圍廣，NDVI數(shù)據(jù)離散程度高，說明植被對管道是否正常運營影響較為明顯。

耦合協(xié)調(diào)的等級劃分依據(jù)一直沒有準確的定論，常見的分級方法有標準差、自然間斷點、分位數(shù)、幾何間隔等，通過綜合考慮，筆者按分位數(shù)進行如下劃分：0.35～0.44為低耦合協(xié)調(diào)，0.44～0.47為中度耦合協(xié)調(diào)，0.47～0.50為高度耦合協(xié)調(diào)，0.50～1.00為極高耦合協(xié)調(diào)。分級結(jié)果與已發(fā)生災害、管道損害結(jié)果疊加分析，耦合協(xié)調(diào)度較高的區(qū)域多集中在已發(fā)生災害點及管道損傷缺陷點區(qū)域內(nèi)，分級結(jié)果顯示，研究區(qū)南部管道耦合協(xié)調(diào)度普遍較高，應重點監(jiān)測加強預防（表6）。

表5 廣元段管道計算結(jié)果（部分）表

圖3 廣元段管道耦合協(xié)調(diào)模型評價結(jié)果圖

表6 廣元段管道風險等級描述表

5 對比分析

根據(jù)該區(qū)域已發(fā)生的山洪泥石流信息，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計算小流域山洪泥石流危險度[33]，運用熵權(quán)法建立管道易損性評價。結(jié)合聯(lián)合國公布的自然災害的風險表達式（風險度＝危險度×易損度），得到量化的管道風險度（圖4）。

該方法通過對評價指標分布規(guī)律分析，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上，利用插值理論，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標準樣本矩陣，使樣本矩陣不再依賴其他評價方法而獲取，避免了利用專家評分法、指標法等方法構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型過程中人為因素的影響。同時為了克服傳統(tǒng)權(quán)重賦值法不考慮各評價指標指標值差異性、賦值過程中人為影響因素過大的弊端[34]，利用熵權(quán)法賦值理論建立了適用管道山洪泥石流易損性評價模型。最終運用風險表達式完成風險度評價。

管道風險度與耦合協(xié)調(diào)度對比分析：同樣按分位數(shù)劃分風險度評價結(jié)果，按照0.002～0.003、0.003～0.140、0.140～0.300、0.300～1.000劃分為低、中、高、極高4個等級。部分評價結(jié)果對比見表7。

圖4 廣元段管道風險度評價結(jié)果圖

表7 廣元段部分管道評價結(jié)果對比表

管道 145、144、115、114、113、112、180耦合協(xié)調(diào)度與對應風險度數(shù)值增減變化趨勢相同。數(shù)據(jù)表明高度耦合協(xié)調(diào)的管道風險性更大，而低耦合協(xié)調(diào)度的管道風險較低。如表7所示，耦合協(xié)調(diào)度與風險評價結(jié)果之間存在差異，因為等級的劃分反應的是一種主觀判斷。從數(shù)值結(jié)果分析，兩種方法刻畫管道之間相對危險的程度，大多表現(xiàn)出一致的結(jié)果，表明耦合協(xié)調(diào)度與風險度具有較好的一致性（圖5）。

圖5 廣元段管道單元風險度與耦合協(xié)調(diào)度對比圖

通過部分管段和整體結(jié)果的對比分析，兩種方法對管道的風險性評價結(jié)果基本相同，系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型可以通過各子系統(tǒng)間耦合程度反映整個系統(tǒng)走向趨勢，同時結(jié)合熵權(quán)法確定權(quán)值，避免了受主觀因素影響較多、受歷史資料限制和學習時間長等缺點。利用該方法對長輸管道進行山洪泥石流風險性評價方面是可行的，是一種新的量化風險方法。

6 結(jié)論

1）整體上研究區(qū)南部管道風險度和耦合度都偏高，南部管道周圍有較多的已發(fā)生山洪泥石流的災害點，該區(qū)域的自然環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造和氣候變化更易誘發(fā)山洪泥石流自然災害。利用熵權(quán)法定權(quán)，熵權(quán)數(shù)據(jù)表明本研究區(qū)受管體自身影響較大，尤其是管體自身缺陷。自然環(huán)境指標中，植被覆蓋對管道是否能正常運營也起著重要作用，所以該段管道應注重管體損壞風險和加強植被變化監(jiān)測。

2）管道是否受自然災害威脅，是外部自然環(huán)境條件和管體自身條件之間相互聯(lián)系、共同作用的結(jié)果。通過蘭成渝長輸管段廣元段實例驗證，耦合協(xié)調(diào)度與風險度具有較好的一致性，即耦合協(xié)調(diào)程度低，對應于管道的風險度也低，管道受山洪泥石流等自然災害或管道本體發(fā)生異常的可能性較低；相反地，高度耦合協(xié)調(diào)的系統(tǒng)對應于高風險性，管道更易發(fā)生損毀和失效，需要重點防護和監(jiān)測。

3）基于耦合協(xié)調(diào)理論研究管道災害風險評價，為長輸管道地質(zhì)災害預測和風險性評價提供了新思路。該方法的優(yōu)點是能夠從多角度全面地進行風險評估，但耦合協(xié)調(diào)模型評價結(jié)果受指標選取、測量數(shù)據(jù)、權(quán)重分配等的影響，對于模型中權(quán)重的設(shè)置，可以通過主觀和客觀相結(jié)合的賦權(quán)方法提高權(quán)重的合理性，使得評價結(jié)果更加符合實際情況。由于數(shù)據(jù)限制，只采用了管道的5個指標進行分析，還可以進一步將管道防護、管道埋設(shè)是否穿城、管道內(nèi)外腐蝕情況、管道線路標識不明、建筑物違章占壓等指標納入分析評價，評價系統(tǒng)也可以劃分為更多的子系統(tǒng)，比如可以加入社會影響子系統(tǒng)，考慮人口密度、人口工程活動等指標，使評價結(jié)果更加準確和貼近實際。