王成軍,王志剛
(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院,陜西 西安 710055)
根據(jù)我國(guó)油氣管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃,2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)里程將從12萬(wàn)km增長(zhǎng)至24萬(wàn)km[1],其中近60%的管道進(jìn)入老齡期,使得管道本體脆弱度驟增以及抵抗外部干擾的能力驟降[2]。自國(guó)務(wù)院提出新型城鎮(zhèn)化重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)后,我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,城鎮(zhèn)與森林交界域輸油線數(shù)量驟增,形成了大面積的城鎮(zhèn)與森林交界區(qū)域,區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)與森林相互交織[3],建筑施工[4]、人為破壞[5]等原因都會(huì)對(duì)地下管線的正常運(yùn)行造成不利影響。輸油管道泄漏事件屬于非常規(guī)事件[6],一旦發(fā)生將會(huì)對(duì)周邊群眾人身安全、社會(huì)環(huán)境等造成巨大危害[5]。因此,在我國(guó)如何做好城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件的預(yù)防與控制,是當(dāng)前迫切需要解決的難題。
目前學(xué)術(shù)界對(duì)于輸油管道泄漏事件的研究方向主要有管道本體狀態(tài)數(shù)值模擬[7]、管道運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制[8]、管道泄漏成因分析[9-10]、管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬[11]等,而對(duì)于管道泄漏事件發(fā)生帶來(lái)的次生、衍生事件之間的邏輯與演化關(guān)系研究較少。為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件演化關(guān)系的復(fù)雜多變對(duì)應(yīng)急管理部門帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn),張明紅等[12]采取情景分析法從環(huán)境、突發(fā)事件、應(yīng)急管理三方面對(duì)青島“11·22”輸油管道泄漏事件進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,情景分析法有助于應(yīng)急管理部門開(kāi)展智能決策;在此基礎(chǔ)上,屈靜等[13]采用情景分析法與動(dòng)態(tài)貝葉斯理論模型對(duì)輸油管道泄漏事故進(jìn)行了情景演化與推演,將事故情景分為狀態(tài)、應(yīng)急措施、驅(qū)動(dòng)因素以及目標(biāo)四大類,通過(guò)計(jì)算事故發(fā)生的概率以達(dá)到情景推演的目的,據(jù)此對(duì)新疆某案例進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)輸油管道泄漏出現(xiàn)明火的概率較高。但情景分析法具有一定的局限性,研究樣本來(lái)源于具體的案例,依賴于分析者當(dāng)前所掌握的知識(shí)水平,對(duì)事件之間的關(guān)系表述不是很直觀[14]。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論主要結(jié)合圖論與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科的特點(diǎn),充分利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)兼顧局部與全局的優(yōu)點(diǎn),運(yùn)用更為客觀的數(shù)學(xué)思維對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行多指標(biāo)數(shù)值求取,從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)、邊等信息進(jìn)行更為客觀的描述[15]?;诖?,孟祥坤等[16]采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)海底輸油管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)建模與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵邊的求取與分析,從抑制初始事件、控制傳遞事件和減輕后果事件三方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了斷鏈減災(zāi),具有良好的實(shí)踐意義。在此基礎(chǔ)上,劉海云等[17]將災(zāi)害鏈理論與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿榔屏褳?zāi)害鏈進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析,結(jié)果表明,將災(zāi)害鏈理論引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型有利于提高燃?xì)夤芫€破裂災(zāi)害事件的應(yīng)急處置能力與管理水平。上述研究成果為單系統(tǒng)輸油管道泄漏事件的預(yù)防、控制提供了寶貴的分析方法與研究思路,但輸油管道泄漏事件的發(fā)生在時(shí)空上不是單因素的影響,而是多因素、多系統(tǒng)耦合的結(jié)果[18]。
城鎮(zhèn)-森林交界域是指由于生態(tài)化城市的建設(shè)或城鎮(zhèn)邊界的大幅擴(kuò)張?jiān)斐傻某擎?zhèn)與森林、耕地等邊界的模糊化,形成大面積的城鎮(zhèn)-森林交界區(qū),其中建筑物與植被混合分布,城鎮(zhèn)系統(tǒng)與森林系統(tǒng)相互交融形成更為復(fù)雜的城鎮(zhèn)-森林交界域系統(tǒng)[19],系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)影響因素之間的耦合[18],易擴(kuò)大輸油管道泄漏事件造成的損失。如:2013年黃島輸油管道破裂造成的原油泄漏事件,導(dǎo)致62人死亡、136人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7.5億元。有關(guān)部門對(duì)事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn),災(zāi)害損失擴(kuò)大的主要原因是沒(méi)有考慮城市系統(tǒng)的復(fù)雜性與不確定性,僅采取野外應(yīng)急救援方式對(duì)管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行處理[20]。故在不同的環(huán)境系統(tǒng)中,事故帶來(lái)的影響是不同的[21]。
為更好地從本質(zhì)上對(duì)城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件進(jìn)行分析,本文以城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件作為災(zāi)害源,基于災(zāi)害鏈和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,對(duì)城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈中災(zāi)害事件的構(gòu)成進(jìn)行分析,構(gòu)建災(zāi)害鏈演化模型,對(duì)災(zāi)害鏈系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)以及演化邊進(jìn)行分析,以期為城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件的預(yù)防和控制提供理論支撐與科學(xué)依據(jù)。
災(zāi)害(D)是由孕災(zāi)環(huán)境(E)、致災(zāi)因子(H)、承災(zāi)體(S)三者共同組成的產(chǎn)物,而災(zāi)害鏈?zhǔn)菫?zāi)害事件不同發(fā)展階段引發(fā)次生、衍生災(zāi)害的鏈?zhǔn)疥P(guān)系[22]。災(zāi)害鏈?zhǔn)且粋€(gè)由多個(gè)災(zāi)害要素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng),而各個(gè)災(zāi)害子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián),且可以與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息等交換,使災(zāi)害鏈成為了一個(gè)復(fù)雜的反饋系統(tǒng)。災(zāi)害鏈表達(dá)式為
C(n)={Cs(n),R,E},
(1)
式中:C(n)為災(zāi)害鏈,由兩個(gè)及以上互相關(guān)聯(lián)的災(zāi)害要素組成;Cs(n)為災(zāi)害鏈中各災(zāi)害要素;R為各災(zāi)害要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;E為災(zāi)害鏈的外部環(huán)境。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基于系統(tǒng)理論、圖論和統(tǒng)計(jì)理論將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為由節(jié)點(diǎn)、邊、權(quán)值組成的帶權(quán)有向圖,通過(guò)最短路徑確定導(dǎo)致輸油管道泄漏事件放大的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與路徑[16]。災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)表達(dá)式為
G=(V,E,W),
(2)
式中:V={v1,v2,…,vn},表示構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),由初始災(zāi)害事件、次生災(zāi)害事件構(gòu)成;E={e1,e2,…,en},表示網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間連接邊的集合;W為網(wǎng)絡(luò)中連接邊的權(quán)重構(gòu)成的集合。節(jié)點(diǎn)vi和vj之間的最短距離表示為d(i,j)。
城鎮(zhèn)-森林交界域是指無(wú)人居住的荒地與人類開(kāi)發(fā)土地之間的過(guò)渡區(qū)域,距離該區(qū)域800 m以內(nèi)的社區(qū)也包括在內(nèi)[23]。目前,我國(guó)對(duì)于輸油管道泄漏事件的統(tǒng)計(jì)還沒(méi)有建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)[24]。由于國(guó)內(nèi)外輸油管道泄漏事件引發(fā)的后果具有一定的相似性,為增強(qiáng)數(shù)據(jù)的說(shuō)服力,本研究對(duì)中國(guó)、美國(guó)、歐洲、加拿大等地[25]近30年內(nèi)發(fā)生的輸油管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行了收集,對(duì)事故的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、周邊環(huán)境、傷亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境影響等信息進(jìn)行了分析。借鑒輸油管道高后果區(qū)的相關(guān)定義以及泄漏區(qū)域內(nèi)建筑物密度、植被密度等相關(guān)指標(biāo)[26],依據(jù)城鎮(zhèn)-森林交界域特點(diǎn)以及相關(guān)定義,最終選取7個(gè)具有代表性的案例進(jìn)行分析(見(jiàn)表1)。
表1 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏典型事件
與傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)輸油管道泄漏事件和森林輸油管道泄漏事件相比,城鎮(zhèn)-森林交界域由于系統(tǒng)之間相互影響,使得管道泄漏事件造成的影響更大。如:2010年美國(guó)密歇根州馬歇爾地區(qū)發(fā)生原油泄漏事件最終造成320人出現(xiàn)不同程度的病癥,主要原因?yàn)樾孤c(diǎn)位于城鎮(zhèn)-森林交界域,區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施較落后[27]、人員較密集,使得原油管道泄漏事件造成人畜中毒,最終導(dǎo)致災(zāi)害損失擴(kuò)大。因此,通過(guò)對(duì)城鎮(zhèn)-森林交界域內(nèi)發(fā)生的典型輸油管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行分析,結(jié)合城鎮(zhèn)系統(tǒng)[28]、森林系統(tǒng)[29]以及二者之間的相互影響,最終確定了44個(gè)節(jié)點(diǎn)事件以及112條連接邊。根據(jù)節(jié)點(diǎn)事件的分級(jí)特點(diǎn)[30],最終分為2個(gè)一級(jí)事件、40個(gè)二級(jí)事件、2個(gè)三級(jí)事件(見(jiàn)表2)。同時(shí)依據(jù)各節(jié)點(diǎn)事件之間的因果關(guān)系,繪制城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型(見(jiàn)圖1)。
表2 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害事件集合
圖1 城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型
在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化模型中,節(jié)點(diǎn)事件在網(wǎng)絡(luò)中的影響程度通常用出入度、子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)以及度中心性來(lái)表示[22]。通過(guò)建立Python模型對(duì)城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)演化模型進(jìn)行分析,結(jié)果表明,相鄰管線系統(tǒng)破壞、形成流淌火、森林火災(zāi)、管道爆炸、地表流淌5個(gè)災(zāi)害事件的出度較高,表明這些災(zāi)害事件對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響較大;人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、影響居民生活、建筑物受損、道路破壞5個(gè)災(zāi)害事件的入度較大,表明這些災(zāi)害事件容易受到其他災(zāi)害事件的影響;城鎮(zhèn)輸油管道泄漏、森林輸油管道泄漏、地表流淌、形成流淌火、流入地下管網(wǎng)、出現(xiàn)明火6個(gè)災(zāi)害事件的子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較大,表明這些災(zāi)害事件的風(fēng)險(xiǎn)較大;相鄰管線系統(tǒng)損壞、人員傷亡、建筑物受損、管道爆炸、影響居民生活、道路破壞、形成流淌火7個(gè)災(zāi)害事件節(jié)點(diǎn)的度中心性較大,表明這些災(zāi)害事件對(duì)于周邊事件的影響較大。
根據(jù)城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的分析結(jié)果,確定相鄰管線系統(tǒng)損壞、形成流淌火、管道爆炸、建筑物受損、人員傷亡5個(gè)災(zāi)害事件為城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。由于輸油管道泄漏事件的發(fā)生受多因素影響且具有極大的不確定性[31],因此為有效降低管道泄漏事件帶來(lái)的損失,應(yīng)從關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)著手實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的斷鏈減災(zāi)。如:設(shè)置管廊,減少管道間的相互干擾;設(shè)置導(dǎo)溝,當(dāng)發(fā)生原油流淌時(shí)使原油盡可能順著導(dǎo)溝流動(dòng)而避免其四散流淌;每隔一段路徑設(shè)置管廊通風(fēng)口以及管道靜電接地措施,避免由于原油泄漏造成管廊內(nèi)可燃?xì)怏w濃度過(guò)高被靜電點(diǎn)燃導(dǎo)致管道爆炸。網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
表3 網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(部分)
在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中,研究人員通常使用平均路徑長(zhǎng)度、介數(shù)、連通度表示連接邊的脆弱度[22]。本文將這3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行整合,以使對(duì)邊的脆弱度評(píng)價(jià)更加全面。
1)平均路徑長(zhǎng)度
平均路徑長(zhǎng)度是指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間的最短平均距離[22]。城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)為有向網(wǎng)絡(luò),因此平均路徑長(zhǎng)度指初始災(zāi)害事件i到其他災(zāi)害事件j距離之和的平均值。通常,若由于連接邊的斷裂導(dǎo)致兩節(jié)點(diǎn)之間不存在連接方式,則默認(rèn)這兩節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑為0,但這有悖于常理。為了使網(wǎng)絡(luò)最短路徑計(jì)算更加合理,當(dāng)由于連接邊的斷裂導(dǎo)致兩節(jié)點(diǎn)之間不存在連接方式時(shí),則默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)最短路徑為當(dāng)前兩節(jié)點(diǎn)之間的最短演化路徑[17]。
(3)
式中,Lk為將k邊移除后的平均路徑長(zhǎng)度,N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù),V為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集,dij為網(wǎng)絡(luò)中初始節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j之間的最短路徑長(zhǎng)度。
2) 介數(shù)
介數(shù)是指經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)中某連接邊最短路徑的數(shù)量[22]。
(4)
式中,Bk為連接邊k的介數(shù),gij(k)為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的最短路徑經(jīng)過(guò)連接邊k的次數(shù)。連接邊介數(shù)越大,表示此連接邊在風(fēng)險(xiǎn)演化中脆弱度越大。
3) 連通度
在有向圖網(wǎng)絡(luò)中,連通度通常指從某初始節(jié)點(diǎn)出發(fā),將某一條連接邊移除后,初始節(jié)點(diǎn)能連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)數(shù)量之比[22]。
(5)
式中,Hk為移除連接邊k之后的連通度,Nk為與事件k連通的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中,如果將某一條連接邊移除,網(wǎng)絡(luò)的連通度變小,則說(shuō)明該連接邊在網(wǎng)絡(luò)模型風(fēng)險(xiǎn)傳遞中具有較大的脆弱度。
4) 脆弱度
脆弱度是用來(lái)衡量連接邊脆弱性的綜合指標(biāo)[22]。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中,連接邊脆弱度越高表明該連接邊在網(wǎng)絡(luò)傳遞中的重要度越大,同時(shí)以城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏為初始災(zāi)害節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的連通度進(jìn)行分析。
(6)
式中,Vk為連接邊k的脆弱度,Lk為將連接邊k移除后網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度,Hk為將連接邊k移除時(shí)網(wǎng)絡(luò)的連通度,Bk為連接邊k的介數(shù),n為災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中連接邊的總數(shù)。
利用Python軟件,結(jié)合式(3)-式(6),求取模型連接邊的重要度。計(jì)算結(jié)果表明,水土流失-山體塌方、改變土壤性質(zhì)-水土流失、土壤中重金屬元素超標(biāo)-改變土壤性質(zhì)、山體塌方-道路破壞、影響居民生活-不良社會(huì)輿論等5條邊的脆弱度較大,是城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵邊。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵邊采取相應(yīng)的斷鏈措施,可實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害蔓延的及時(shí)控制。如針對(duì)影響居民生活-不良社會(huì)輿論關(guān)鍵邊,可先由政府部門公布管道泄漏事件的現(xiàn)狀與救援進(jìn)度,其次調(diào)配地域間物資以滿足居民的日常需求,最后政府部門應(yīng)控制日常用品的價(jià)格,避免某些商家為牟取暴利而不擇手段,從而最大限度地緩和輸油管道泄漏事件給居民帶來(lái)的恐慌情緒;針對(duì)土壤中重金屬元素超標(biāo)-改變土壤的理化性質(zhì)關(guān)鍵邊,首先應(yīng)及時(shí)對(duì)輸油管道泄漏區(qū)域土壤性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控,其次對(duì)重金屬超標(biāo)區(qū)域采取物理方法、化學(xué)方法以及生物方法進(jìn)行土壤改良[32]。網(wǎng)絡(luò)模型接邊脆弱度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 網(wǎng)絡(luò)模型接邊脆弱度(部分)
路徑長(zhǎng)度是指事件A到事件B所經(jīng)過(guò)的連接邊長(zhǎng)度之和,但因網(wǎng)絡(luò)模型較復(fù)雜,事件A到事件B的路徑并不唯一。通過(guò)分析城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò),獲得初始事件A到次生事件B的最短路徑長(zhǎng)度(見(jiàn)表5)。
表5 網(wǎng)絡(luò)模型最短路徑
由表5可知,網(wǎng)絡(luò)模型的平均最短路徑長(zhǎng)度為3.2,表明城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件與其誘發(fā)的次生、衍生事件之間聯(lián)系較為緊密,一般只需要3~4次擴(kuò)散就會(huì)造成災(zāi)害的蔓延。通過(guò)構(gòu)建城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型,發(fā)現(xiàn)輸油管道泄漏事件不僅會(huì)造成環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡,而且還會(huì)影響生態(tài)平衡,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的不可逆損傷。
本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論、災(zāi)害鏈理論對(duì)城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害事件進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)分析,從關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵邊以及最短路徑3個(gè)方面對(duì)輸油管道泄漏事件的蔓延與防治進(jìn)行了研究,得到如下主要結(jié)論:
a.城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害鏈演化模型中,城鎮(zhèn)輸油管道泄漏災(zāi)害子系統(tǒng)與森林輸油管道泄漏災(zāi)害子系統(tǒng)之間相互影響、相互作用,使得災(zāi)害損失擴(kuò)大。
b.通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中相鄰管線系統(tǒng)損壞、形成流淌火、管道爆炸、建筑物受損、人員傷亡5個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)事件進(jìn)行控制,有利于降低城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏事件造成的損失。
c.通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的水土流失-山體塌方、改變土壤性質(zhì)-水土流失、土壤中重金屬元素超標(biāo)-改變土壤性質(zhì)、山體塌方-道路破壞、影響居民生活-不良社會(huì)輿論5條關(guān)鍵邊進(jìn)行斷鏈減災(zāi),可實(shí)現(xiàn)對(duì)城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害的防治。
d.城鎮(zhèn)-森林交界域輸油管道泄漏災(zāi)害事件與其他災(zāi)害事件之間具有較緊密的聯(lián)系,一般只需要擴(kuò)散3~4次就會(huì)造成災(zāi)害的蔓延。