油气管道洪水灾害评价与应用研究

吴 夏,葛艾天,叶 光,胡 琨

（中石油北京天然气管道有限公司，北京,100101）

油气管道洪水灾害评价与应用研究

吴 夏,葛艾天,叶 光,胡 琨

（中石油北京天然气管道有限公司，北京,100101）

分析影响穿越河流油气管道安全运行的风险因素，利用管道外部承载环境的各个因子信息，结合沿线山洪模拟以及模糊参数风险评价方法及油气管道实际工程条件，确定油气管道的洪水综合风险分区、对应的风险等级及风险特征，最终确定油气管道沿线的重点洪水风险段，为管道运行安全防护措施的制定和实施提供评价和预报方法。本文以陕京三线输气管道山西临县段为例，提出了油气管道洪水灾害风险的原理，给出了管道洪水风险的静态评价和动态预报两套方法，从油气管道安全运行管理的角度出发，对油气管道沿线的洪水多发地区进行洪水灾害风险评价和预报，为油气管道的科学管理及安全运行提供客观和直接依据。

管道穿河点；数字流域模型；洪水灾害评价；水流侵蚀力；模糊综合评判

0 引言

陕京三线油气输送管道途经山西临县黄土高原地区。该地区地表物质以黄土为主且沟道数量众多，一方面由于土质疏松，极易受到水流侵蚀而改变形态，形成山洪或泥石流；另一方面，由于油气管道频繁穿越沟道，汛期降雨形成的洪水对其运行具有较大安全隐患。

在洪水携带的卵石和杂物的冲击下，或在河岸土体滑坡作用下，还可能发生线缆破损甚至油气管道破裂。若油气管道发生破裂，在短时间内极易造成大量的天然气泄漏聚集，遇明火发生燃烧和爆炸，其爆炸冲击波和燃烧热辐射最大危害距离可达1.5 km，危害极大。

因此，从油气管道安全运行管理的角度出发，有必要对油气管道沿线的洪水多发地区进行洪水灾害风险评价和预报，为油气管道的科学管理及安全运行提供客观和直接依据。

1 油气管道洪水灾害风险的基本原理

判断一场由洪水导致油气管道破坏风险的高低，需要考虑两方面的因素，分别是危险度和易损度，洪水风险是危险度和易损度的乘积。

洪水的危险度是由两个方面决定的，一是洪水的相对破坏力，二是发生该破坏性洪水的概率。洪水的相对破坏力又由两个方面决定，第一，洪水的绝对威力。一般而言，洪水的洪峰或洪量越大，其绝对威力也越大，从而破坏力也越大，可以使用这些洪水要素的发生频率表征洪水绝对威力的大小。第二，管道自身抵御洪水的能力。不同管道之间存在局部河流地形、管道埋深等方面的差异，导致相同的洪水对不同管道的破坏力可能不同，每个管段上每场洪水的相对破坏力是以上两者之差。

因此，本研究假定任一管段发生灾害的社会经济损失是几乎相同的，又由于油气管线所处的气候和地质条件相同，不同管段发生洪水灾害的类型和破坏形式也是近似的，因此，不同管段的易损度是相同的，对洪水风险的研究即以对洪水危险度研究为主。在以下论述中提到的洪水风险一般考虑了易损度为常数的上述假定，与洪水危险度具有等价性。

2 油气管道洪水灾害风险的静态评价

2.1 洪水灾害风险的影响因素

由于在洪水灾害风险的静态评价中，不涉及洪水即将发生的概率，而以对长期平均水平下洪水相对破坏力的量化为主。因此，在分析管道洪水灾害风险影响因素时，将主要从代表洪水绝对威力和管道自身抵御能力的两个方面入手，其中前者是增大风险的因子，后者是减小风险的因子。

（1）洪水绝对威力的影响因子

洪水的绝对威力主要由管道在每个穿河点汇水区的天气因素和下垫面因素决定，主要包括：

a)汇水区降雨：降雨是洪水的根本来源，雨量越大，洪量越大；暴雨越多，灾害越频繁；

b)汇水区面积：面积越大，汇集的水量越多，洪量越大；

c)汇水区高差：高差越大，洪水传播地越快，流速越大，洪峰流量也越大；

d)汇水区形状：形状越接近于扇面形，洪水汇集的同步性越强，洪峰流量越大；

e)汇水区土地利用：土地利用不合理，缺乏水保措施，则洪量和洪峰越大；

f)汇水区植被状况：植被状况越差，则洪量和洪峰越大。

（2）油气管道抵御能力的影响因子

影响管段抵御能力的主要因子是局部地形因素，主要包括：

a)穿河点纵向坡度：纵向坡度越大，流速则越大，河床越容易被冲刷，管段河心段越容易暴露；

b)穿河点横向高差：横向高差越大，沟道/河道的边岸越陡峭，越容易发生滑坡、崩塌等局部地质灾害，管段纵弯段越容易暴露。

2.2 洪水灾害风险的静态评价方法

洪水灾害风险静态评价是一项复杂的系统工程，涉及到水利、经济和社会等诸多方面。根据风险体系的概念框架，选择合适的洪水风险因子，综合考虑风险评价的目的性、科学性和可操作性原则，结合研究地区的实际情况和资料获取的难易程度，通过一定的数学方法，如层次分析法，确定这些风险因子的权重，最后获得综合风险值。

由于对受到多个因素制约的事物或对象进行评价不可避免的带有模糊性及主观性，因此需要做出一个合理的评判。采用模糊数学的方法能够使得结果尽可能合理、客观，从而取得比较好的实际效果。模糊综合评判法从模型上可分为一级模型和多级模型。一级模型的综合评判一般可分为如下三步：

歩骤一：评判对象因子集U的建立：

歩骤二：评判集V的建立：

歩骤三：选择合适算子综合评判：

根据U中各个因素与被评事物的隶属关系，需要决定每个因素不同的权重，即评判时着重哪些因素，权向量可表示成一个模糊子集A=(a1，a2，…，an)。

从模糊综合评判的上述过程可以看到，单因素评判矩阵R和权重向量A的确立是两个关键性的步骤。计算权重的思想是基于各单项因子越高，其加权越大，洪水灾害风险等级就越高。各权重系数可视为各因子对“重要程度”的隶属度。由此可见，评价因子权重的分配直接影响到评价的结果，合理地确定评价因子的权重，对于提高评价准确性和灵敏度有着十分重要的意义。

本研究采用基于多元线性回归模型的自动权重赋值方法，这样可以根据历史洪水灾害信息得到符合实际情况的权重分布情况，通过分析各个因子的权重，可以挖掘出洪水灾害风险中主要影响因素的潜在作用。通过对选定的评价因子进行多元线性回归，得到各评价因子的权重集A，则

利用已经求取的归一化的因子集和权重系数模糊子集A，根据模糊数学原理，从而确定模糊评价子集B为：

此式即为模糊综合评判模型，符号“”表示模糊矩阵合成算子。

根据最大隶属原则，选择评判集B中最大的bi作为对某样本的评判依据。表明洪水影响因子对应于集合V上各个不同级别的隶属度。

油气管道洪水灾害风险的静态评价可以直观揭示不同管段洪水灾害风险水平的相对高低，可重点用于确定规划设计和运维管理。

3 油气管道洪水灾害风险的动态预报

3.1 洪水灾害风险动态预报原理

洪水灾害风险动态预报的核心有两个方面，一是对未来不同级别洪水发生概率的评估，二是对每个级别洪水相对破坏力的评价。洪水相对破坏力评价的基本原理是洪水绝对威力与油气管道抵抗能力的综合评定与比较。当洪水绝对威力大于油气管道抵抗能力时，油气管道将被破坏；反之，油气管道不被破坏。依上所述，洪水绝对威力由洪峰流量或其他洪水要素表示。

不同管段抵抗洪水的能力使用管段刚好被破坏时的洪峰流量或其他洪水要素值表示，此时的洪水要素值称为破坏临界值。比如某管段能够抵抗洪峰流量为9m3/s的洪水，当流量超过该值时，管段将被破坏，则该管段的破坏临界流量是9m3/s。管段的破坏临界洪水指标具有时变性，会随着油气管道的损毁和维修不断变化。

洪水的时空分布具有随机性。空间上，每段河道不同级别洪水的绝对流量不同，某一确定的流量值在不同河段中可能外于不同的洪水级别，最有不同的绝对威力。时间上，我们无法准确预知未来洪水的流量，但长期序列符合一定的分布规律。因此，通过流量或其他洪水要素值的频率曲线，可将不同沟道内洪水的绝对威力和不同管段抵抗洪水的能力统一到同一个可比较的水平上，是本研究采用的重要方法之一。

图1 洪水威力与管段抵御能力关系图

上图以流量为指标展示了洪水绝对威力与管段抵御能力的关系。横坐标表示时间，纵坐标表示河道和油气管道交叉点处的流量或其他洪水指标。图中给出了河道中的流量过程线和相应管段能抵御的临界流量。当流量低于临界流量处于黄色区域时，洪水不具有相对破坏力，油气管道安全；当流量超过临界流量处于橙色区域时，洪水具有一定的破坏力，油气管道有被破坏的危险。随着时间的推移，油气管道穿越点地形逐渐侵蚀，临界流量减小，抵御洪水的能力变弱，经历大洪水后变化幅度更大；而对破损的油气管道穿越点进行维修后，临界流量将大幅提高，抵御洪水的能力变强。

3.2 洪水威力与管段抵御能力的表示方法

洪水威力与管段抵御能力的大小可以用多种物理量表征。在本项目研究中主要采用两套表示方法：基于洪峰流量的表示方法，基于水流侵蚀力的表示方法。

（1）基于洪峰流量的表示方法

洪峰流量是一次洪水过程中河段的最大瞬时流量，洪峰流量越大，其破坏能力也越大。因此可以用洪峰流量作为洪水威力与管段抵御能力的评价指标。洪水威力用一场洪水的洪峰流量表示，管段抵御能力用输气管段可承受的临界洪峰流量表示。

（2）基于水流侵蚀力的表示方法

基于洪峰流量的表示方法只考虑了洪水的峰值信息，忽略了水流对油气管道的持续性作用，表征洪水威力存在不足。洪水对油气管道的破坏源于洪水对土体的侵蚀作用和对油气管道的冲击作用，如下图所示，水流侵蚀油气管道周围土体，使油气管道埋深变浅，最终裸露。在水流持续推力的作用下，油气管道还有可能发生位移以致破坏。依据油气管道的破坏机理，可以借助土壤侵蚀模型中水流侵蚀力的概念表征洪水的破坏能力。

图2 管道的典型破坏图

采用基于水流侵蚀力的表示方法，洪水威力用水流侵蚀力表示，管段抵御能力用临界水流侵蚀力表示。在本项研究中，同时采用基于洪峰流量和基于水流侵蚀力这两套方法进行油气管道洪水灾害风险评价，相互比较验证。

图3 油气管道洪水风险评价方法的整体框架

3.3 洪水灾害风险动态预报方法

根据油气管道洪水灾害风险动态预报的原理，对于研究区，只要给出洪水的相对危险度，就能够判断管段洪水风险的相对高低。因此，油气管道洪水灾害风险评价的主要工作内容就是确定洪水威力和管段的抵御能力。

本研究使用的数据主要包括：临县地区近30年历史实测降雨资料、油气管道运营期间损毁和修复记录、天气预报降雨数据。基于以上数据，可对洪水威力和管段的抵御能力进行分析和估计。油气管道洪水灾害风险评价方法的整体框架如下图所示。横向来看，主要分3个步骤进行：基于历史降雨数据的洪水频率分析、基于历史水毁情况的管段抵御能力估计、基于天气预报数据的洪水危险度预报。纵向来看，同时采用基于洪峰流量的方法和基于水流侵蚀力的方法，分别给出评价结果。

（1）基于历史降雨的洪水频率分析

基于历史实测降雨数据，利用清华大学数字流域模型可进行油气管道交叉河流的暴雨-洪水过程模拟，计算出每处油气管道穿河点的历史流量过程，进而求得历史上每场洪水的洪峰流量和水流侵蚀力。对每个穿越点的历史曲线进行统计分析，了解洪水威力的分布规律，绘制洪峰流量频率曲线和水流侵蚀力频率曲线，为洪水重现期计算和预报洪水威力评价提供数据支持。

（2）基于历史水毁情况的管段抵御能力估计

陕京三线输气油气管道于2011年初投入运营，至今已经历了4个汛期。油气管道运营期间，临县维护段记录了研究区各处油气管道穿河点的洪水冲毁情况，提供了较为详细的油气管道水毁资料，可用于估计管段抵御洪水的能力。

根据油气管道风险评价原理，管段的临界洪峰流量（或临界水流侵蚀力）大于其承受过的历史洪水的洪峰流量（或水流侵蚀力），小于被破坏时经历洪水的洪峰流量（或水流侵蚀力）。利用各穿越点历史流量的模拟计算结果，对照油气管道历史水毁记录，可以确定油气管道临界洪峰流量（或临界水流侵蚀力）的上限和下限，即完成对管段抵御洪水能力的估计。再基于洪峰流量频率曲线（或水流侵蚀力频率曲线），找出临界洪峰流量（或临界水流侵蚀力）所对应的频率，可计算管段水毁灾害的重现期。

（3）基于天气预报数据的洪水危险度预报

油气管道洪水灾害风险预报任务需要以天气预报降雨量作为输入，模拟计算出未来几天内各油气管道穿河点的流量，进而计算出未来洪水的洪峰流量和水流侵蚀力，即预报未来洪水威力的大小。

应用以上洪水灾害原理和风险评价方法，根据欧洲中长期气象预报服务中心的降雨预报数据和清华大学研制的数字流域模型，在2015年6月至8月对京陕三线临县段进行了洪水灾害的分析，分别在2015年7月16号、2015年8月2号给出了部分穿河点区域的橙色、红色灾害预警，后与当地有关部门进行验证，基本符合预警区域的实际情况。

4 结束语

本研究采用油气管道洪水灾害静态评价和动态预报两套方法，以陕京三线输气管道山西临县段实测数据进行研究，并在2015年汛期进行了方法的验证，进而提出了管道穿河点风险预报的技术方案，再结合油气管道抗风险能力和管道埋设区域的数字流域模型，可以提前对将要出现的洪水险情进行预测预报，最终使有关部门提前做好防灾措施和准备，对预防管道洪水灾害、减少灾害损失，具有重要的社会效益和经济效益。

[1] 任志平，李国义；大中型穿越河流输油管道的风险评估；大庆石油学院；硕士论文；2004

[2] 李旭东，雍岐卫；长输油气管道的风险评估与作用；天然气与石油；1997；15(3):1～3

[3] W Kent Muhlbauer；Pipeline Risk Management Manual - Ideas，Techniques， and Resources (Third Edition) ；Gulf Professional Publishing；2003

[4] Anon；Managing System Integrity of Gas Pipelines；ASME B31 8S 2001

[5] Supplement to ASME B31 .8，American Society of Mechanical Engineers. ASME International，New York，USA. 2002.

[5] 黄诗峰.洪水灾害风险分析的理论与方法研究[D].北京:中国科学院地理研究所，1999．

[6] Anon.，Application of pipeline risk assessment to proposed developments in the vicinity of high pressure Natural Gas pipelines，Institution of Gas Engineers and Managers. IGEM/TD/2 Communication 1737. 2008.

[7] 陈利琼．油气长输管线的模糊风险技术方法研究．硕士论文，西南石油学院图书馆

[8] 殷坤龙. 降雨与滑坡灾害相关性分析及预警预报阀值之探讨[J]. 岩土力学，2007，28（5）：1055-1060.

[9] 高惠临，周敬恩等．长输管道定量风险评价方法研究．油气储运，2001，20

[10] Anon.，Code of Practice—Part 3: Steel pipelines on land— Guide to the application of pipeline risk assessment to proposed developments in the vicinity of major accident hazard pipelines containing flammables —Supplement to PD 8010:2004，British Standards Institution PD 8010-3:2009. 2009.

Study on flood disaster evaluation and application of oil and gas pipeline

Wu Xia,Ge Aitian,Ye Guang,Hu Kun
(PetroChina Beijing Natural Gas Pipeline Co., Ltd.,Beijing,100101)

The risk factors affecting the safety operation of oil and gas pipeline through the pipeline, the various factors of the pipeline external load carrying capacity,combined with flash flood simulation and fuzzy risk assessment method and the actual engineering conditions,determine the risk level and risk characteristics,and ultimately determine the key flood risk section along the pipeline.This paper takes the Linxian County Shanxi section of as an example, presents the principle of flood disaster risk,and gives the static evaluation and dynamic forecast of pipeline flood risk. From the point of view of the safe operation management of oil and gas pipeline,the flood disaster risk assessment and forecast is carried out, which provides objective and direct basis for the scientific management and safe operation of oil and gas pipeline.

pipeline crossing point;digital river basin model;flood disaster assessment;water erosion; fuzzy comprehensive evaluation

吴夏（1987-），男 ，陕西大荔人，硕士，主要从事天然气管道管理工作

中国石油天然气股份有限公司科技项目（2013B-3410-0508）