基于组合赋权和耦合-协同理论的油气管道泥石流灾害危险性评价研究

王沪生,张满银 ,王生新,孟惠芳

(1.兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃 兰州　730000;2.甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所,甘肃 兰州　730000)



基于组合赋权和耦合-协同理论的油气管道泥石流灾害危险性评价研究

王沪生1,张满银2,王生新2,孟惠芳1

(1.兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃 兰州730000;2.甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所,甘肃 兰州730000)

管道地质灾害危险性评价是管道安全运营、灾害防治的重要决策依据。目前的评价方法中,并未充分考虑灾害与管体间的互馈关系。为此,根据系统的耦合-协同理论及组合赋权思想,建立危险性评价的耦合-协同模型,对某长输天然气管道沿线发育的4处典型单沟泥石流灾害进行危险性评价,并与常规的指标评分法进行对比、验证,最终的评价结果与实际调查情况相吻合。研究结果表明:耦合-协同理论在管道泥石流灾害危险性评价中具有适用性和可推广性,可为今后管道地质灾害的相关定量化评价提供新思路。

泥石流;危险性评价;油气管道;耦合-协同理论;组合赋权法

作为一类在地域空间上大跨度的线性工程,长距离输油、天然气管道不可避免的会穿越河(沟)道、斜坡面等复杂的山(丘)地貌单元。山(丘)区由于特殊的地质条件和地貌形态,岩土体受水力、重力等外地质应力侵蚀作用普遍且严重,造成滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发,甚至出现崩塌-泥石流、滑坡-泥石流等灾害链,严重威胁着管道工程的敷设安全。据业界调查统计,近十年来因滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害造成的管道事故率占其总事故的15.4%。其中,由于岩土体侵蚀而引发的管道地质灾害高达95%以上[1]。

泥石流是水力和重力作用下的一种特殊的岩土体侵蚀现象[2]。对山(丘)区段油气管道泥石流灾害的危险性进行评价研究,是管道工程建设期可行性研究的重要内容之一,也是建设和运营期防灾避险的关键依据。目前,评价方法多采用定性或半定量方法,如中国石油管道部门采用的指标评分法[3]以及相关文献中采用的层次分析法[4]、模糊评判法[5]、可拓物元法[6]等。这些方法丰富了评价手段,但或多或少存在缺陷。它们对泥石流孕育演进的影响因素及成灾过程中的耦合关系等机制缺乏深入认识,仅仅是应用赋权的方法来反映灾害发生与管道工程之间存在的互馈关系。由于研究背景和方法不同,危险性评价的体系也尚未统一[7,8]。不良地质体灾变本身是个复杂环境因素的耦合系统[9],将管道工程体系融入地质环境灾变系统中加以研究,应用耦合-协同理论来改进和优化评价算法。在总结分析山(丘)区管道可能遭受泥石流灾害的危险因素及评价体系的基础上,切入介质环境和管体两个子系统中各因子之间的相互促进、制约关系及协同发展演化的特点,并借用组合赋权的方法探索构建管道泥石流灾害系统耦合-协同危险性评价的模型,对我国西部某段典型山区发育的4条管道泥石流沟进行了耦合-协同理论的危险性量化分级,与石油行业现行的指标评分法进行对比分析验证,以期提升评价过程的准确性和科学性,为有关地质灾害易发性、危险性、风险等评价工作提供新的思路。

1　耦合-协同理论

1.1耦合与协同

耦合是两个或两个以上的系统、模块或运动方式通过各种相互作用而彼此影响的现象。它被认为是一种范式,即系统间的相互作用是线性的表现。因此,耦合存在多种表现形式,如单个系统对另一个系统有正向促进或负向抑制效应,不同系统间通过动态互联可以有叠加放大的效应,来改变最终的发展趋势。耦合度则可以用来描述这种趋势形成过程中系统彼此间的影响程度。耦合度函数为

(1)

其中:Cn为总系统的耦合度,Cn∈(0,1),耦合度越高,系统间影响程度越高;U为子系统对总系统的总序参量;Ui、Uj反映各子系统对总系统贡献值,其中i=1,2,…,n;j=1,2,…,n,i≠j;n是子系统的个数。

耦合度可以反映系统彼此间影响作用的强弱,却无法反映系统及要素间协同发展的好坏。为了能较好地反映系统或系统内部要素间发展趋势,系统无序与有序发展趋势间的转换过程,利用协同关系加以描述。协同是系统间或系统组成要素间在发展过程中相互和谐一致、相互影响的平衡状态,协同指数则是对这种状态的衡量。引入协同指数对耦合模型加以改进,组成耦合-协同度模型。系统的耦合协同度计算公式为

(2)

其中:D为系统的耦合协同度;T为系统间的综合协同指数,有

T=α1u1+α2u2+…+αnun,

(3)

其中:α1,α2,…,αn为待定系数。

1.2功效函数

事件结果的估计值与确定的判定准则之间建立相对应的函数关系,无论对于定性指标还是定量指标均可以建立功效函数。利用功效函数来反映各子系统的涨落和变化对整个系统演进的贡献程度,功效函数分为正功效和负功效两种。

正、负功效函数分别为

(4)

(5)

其中:xij为第i个系统第j个指标的初始值;xij′为第i个系统第j个指标的功效函数值,xij∈(0,1)。正功效表示影响因子值越大越不利于系统的耦合协同发展;负功效表示影响因子值越大越有利于系统的耦合协同发展。通过线性加权,确定子系统中变量xij的贡献大小的总和,即各子系统内的总贡献值为

(6)

其中:wij为第i个系统中第j个指标的权重值;m为系统中因子的个数。可以看出,功效函数是建立耦合-协同评价模型的基础。

2　耦合-协同危险性评价体系

2.1评价指标选取

泥石流灾变自身是一个受多重因素控制的复杂体系。首先分析泥石流侵蚀特点,由于它是一类径流冲刷和重力作用下的混合侵蚀过程,水力侵蚀的能力受降水强度和径流冲刷影响很大,重力侵蚀能力则与物质本身特点、地形条件等密切相关。比较侵蚀能力的影响因素,可以将环境条件划分为环境成灾系统和环境减灾系统,促进这个过程的因素即为环境成灾系统,以坡降比、雨强、岩性等8个危险因子为代表;以植被覆盖率、水土保持、沟道堵塞3个主要因素来反应环境减灾子系统。同时,管道主体本身具有一定抵御灾害的能力,利用管道易损性反映灾害对管道工程的影响,借鉴前人相关研究成果[12,13],选取管道埋深、敷设方式等6个因子为参与指标。

其次分析环境介质与管体间的关系,各影响要素间存在着明显的互馈作用,如管道敷设进行开挖坡脚,阻塞沟道等工程,破坏了原有地形条件;人类对植被的破坏,促进松散物形成等,增加了灾害发生的可能性。环境介质灾变作用到管体上,可使管道发生弯曲变形、位移错动,甚至出现弯折、断裂等失效事故。同样,环境介质各条件与管道工程各条件的内部也同样存在着相互促进或抑制的效应。管道工程以非线性叠加改变了原灾变系统,构成了以承载体(管道工程)和致灾体(泥石流)为耦合的、相互协调演进的管道泥石流灾害大系统。其评价指标与层次体系见图1。

图1　危险性评价指标与层次体系Fig.1　Risk evaluation index and system

各评价因子的选取遵循了系统性、完整性、有效性和可比性原则,兼顾数据野外收集时的可操作性和易获取性等。

2.2危险性等级划分

敷设在泥石流影响区的管道工程,会因土体的侵蚀,管道的覆盖层变薄、埋深不足而发生局部凹陷、弯折断裂等事故。即使敷设在泥石流的堆积区,强大的冲击力也会冲毁伴行路、阴保桩和堵塞站场等。因此,需要准确判断泥石流灾害危险性,进一步深入剖析引发事故的可能性及防灾、减灾等信息。参考文献[10]中的实际工作经验和相关研究成果[11-14],划分出低、较低、中、较高、高5个等级来综合刻画管道泥石流灾害危险性的大小,对应耦合协同度及界定描述如下:

(1)低危险级(0,0.2] :泥石流沟谷区地质、地形条件稳定良好,气候特征变化小,构造运动不明显,基本不会发生泥石流灾害。该类危险属于可忽略的,维持现有生态环境,毋须采取措施,也不必保留相关文件记录;

(2)较低危险级(0.2,0.4]:泥石流沟谷区地质、地形条件基本稳定,存在气候特征变化、构造运动等因素影响,可能会发生较小规模的泥石流。该类危险属于可接受范围,需加强流域水土保持,可采取巡检措施,注意发展动向;

(3)中等危险级(0.4,0.6]:泥石流沟谷区地质、地形条件一般,存在的气候特征变化、构造运动等因素影响,可能会发生中、小型泥石流。该类危险属于有条件接受的,需适当控制成本进行风险监控,并进行重点巡检,建立简易监测点,注意发展动向;

(4)较高危险级(0.6,0.8]:泥石流沟谷区地质、地形条件不良,存在明显的气候特征变化、构造运动等因素影响,可能会发生中、大规模泥石流。该类危险需采取预防措施努力降低,评估预定预防成本,采取重点巡检、专业监测或其他风险减缓措施,近期治理并谨防突发性;

(5)高危险级(0.8,1):泥石流沟谷区地质、地形条件不良,存在极明显的气候特征变化、构造运动等因素影响,可能会发生大规模泥石流。属于不可接受的危险,其致灾后果非常严重,导致严重危害。需紧迫采取防治、改线等风险削减措施,且在风险削减前要实施动态监测。

3　组合赋权法

权重对于评价的精确性具有举足轻重的作用,不同的权重会得到不同的结果。目前权重的确定方法无异于主观权重法和客观权重法两大类。确定主观权重的方法,大多能较好地反映决策人的意向,将复杂问题通过决策人的判断结果数字与模型化,但其结果过多依赖专家的经验。客观权重确定的方法,如熵权法[15],充分利用了相关数据所提供的信息,但使权重结果过于绝对化,同时忽视了专家经验应有的重要性。随着权重优化问题的深入研究,通过对各评价指标的主、客观权重进行综合来提高获得权重的准确性,即组合赋权法的核心思想[16]。研究利用主观层次分析法与计算客观权重的变异系数法进行组合优化,将专家判断和客观分析相结合以得到较为理想、实际的权重值。实践中,组合赋权的规则多采用线性加权法,即

wj=λβj+(1-λ)βj′,

(7)

其中:βj、βj′分别为主观和客观赋权法确定的权重值,λ为偏好系数(0<λ<1)。

可见,λ的确定对结果的影响较大。考虑到主、客观权重值的特点,采用分析评价指标重要性排序的方法,当两种方法的结果排序一致,λ取0.5;当两种方法的结果排序不一致时,分两种情况:主观权重更符合重要性排序时,取0.5<λ<1;客观权重更符合重要性排序时,则取0.5>λ>0;由于λ的取值本身存在经验性,应适当的控制λ的取值为0.2≤λ≤0.8。

4　实例分析

4.1计算过程

收集中国石油西部管道公司所辖的某长输天然气管道沿程发育的4条泥石流沟(N1～N4)的数据资料[11],依据刘希林[17]对泥石流危险度评价相关研究,参考文献[6,18]中的方法,在[0,100]论域上进行各指标赋值。为了简化运算,指标值越大危险级越严重,采用正功效函数进行转换,灾害点相关评分数据及转换数据见表1。并利用转换后的值进行各系统贡献值的计算。

表1　指标值及转换值

由层次分析法计算得到的主观权重，变异系数法计算出的客观权重，权重分布见表2。可以看出主观权重的序列更加符合客观事实，λ取0.2来计算综合权重，并将计算结果列入表2。

评价体系中子系统的个数n=4,4个子系统中选取的控制因子个数分别为8、3、3、3。先由式(4)～式(6)分别计算各个子系统的贡献值,再依据式(1)～式(3)依次计算贡献值U、耦合度C、危险性体系的综合协同指数T的值。计算T时,待定系数α1、α2、α3和α4的赋值参选各子系统对在评价体系中的贡献权重,α1=0.57,α2=0.26,α3=0.11,α4=0.06。各子系统的U、C、T及耦合-协同度D计算结果见表3。

表2　权重分布

表3　系统耦合协调度及评价结果

4.2结果分析

基于指标评分法的风险分级标准是将风险概率值在(0.1,0.2]内划分为中,(0.2,0.4]划分为较高,将其评价结果也列入表3。对于管道工程,目前尚无耦合协同度与危险性等级相对应的关系。采用(0,1.0)等分方法,将(0.4,0.6]危险性划为中,(0.6,0.8]危险等级划为较高,则N2为中,N1、N3、N4为较高。研究区的耦合协同度D排序为N4>N1>N3>N2,说明N4段管道发生泥石流灾害的危险性最大,其次是N1、N3、N2;文献[11]中风险概率大小的排序亦为N4>N1>N3>N2,前后完全一致,说明基于组合赋权的耦合-协同理论评价方法能很好地量化危险性大小,具有很好的可操作性和适用性。

5　结论

(1)泥石流灾变系统具有复杂性和不确定性,尚无统一评价标准。作为山区长输管道所面临的最为常见地质灾害之一,尝试新的评价方法促进管道安全评估的相关工作是有必要的。从相互叠加的系统耦合-协同理论入手进行评价方法研究,是一项有益的尝试,对业界相关工作具有积极的借鉴价值。

(2)基于组合赋权和耦合-协同模型的评价方法,将管体(承灾体)融入环境介质大系统中,同时考虑各系统及其各复杂因子之间的相互促进、制约关系及协同发展演化等特点,经实例验证表明该方法可行,也符合真实情况,并在一定程度上更好地揭示了耦合系统的互馈作用机制。

(3)评价过程中由于测量值、打分值与实际物理值的误差,其结果也存在相应的偏差。耦合-协同度赋值算法与危险等级对应关系等问题还需进行深入研究。

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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.

中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司科技开发项目(XG11-2015-001)；甘肃省科学院青年科技创新基金项目(2014 QN-10).

王沪生(1991-)，男，安徽安庆人，硕士，研究方向为盐渍土与地质灾害.E-mail:270614766@qq.com.

张满银.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.[王沪生,张满银,王生新,等.基于组合赋权和耦合-协同理论的油气管道泥石流灾害危险性评价研究[J].甘肃科学学报,2016,28(4):45-50.]