长输油气管道河沟段水毁灾害气象风险评价研究

薛俊卓，詹 辉，张国良，何 开，邓清禄

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074;2.江西省天然气管道有限公司，江西 南昌 330096)

对于浅埋钢质输油气管道，自然灾害是主要风险源之一[1]。国内外相关统计分析表明地质灾害对于管道的危害性不可忽视[1-3]。

在各类地质灾害中，滑坡和崩塌对管道的危害最大，但数量相对少；而数量多、发育广泛的地质灾害是水毁[3-6]，尤其是穿越河道或冲沟(统称河沟)段的长输油气管道易受暴雨洪水冲刷的危害，造成河沟段水毁灾害的危害性最大。河沟段水毁灾害的危害性主要表现在，暴雨时，引发的洪水冲刷侵蚀河床与岸坡，可能造成顺河沟或穿河沟敷设的管道出现露管或漂管，并伴随带来管道损伤、弯折等后果[7-8]。管道穿越中小型河流，以开挖直埋的敷设方式为主，其埋深较浅(一般小于2 m)。中小型河流实测水文资料通常不足[9]，缺乏专门的勘察，通常未设置针对性的防治暴雨洪水冲刷措施，因此开展暴雨状况下管道河沟段水毁灾害气象风险评价具有重要意义。

对管道地质灾害风险评价方面的研究，既有整体风险管控方法的研究[10]，也有专门针对某类型地质灾害风险评价的研究，如对滑坡、崩塌、泥石流等高危害性地质灾害风险评价方面的研究成果较多[3,11]，且模糊逻辑法[12]、耦合协调[13]等复杂数学方法也有所应用。而对埋地管道水毁灾害方面的研究则相对较少，主要有以下方面：①河沟段水毁灾害中埋地管道的力学特性[14]；②水毁灾害风险的现场调查分析[6-7]；③应用知识或数据驱动模型来评价水毁灾害的风险，如层次分析法[15]、灰色关联可拓理论[16]、GIS因子叠加[5]等；④水毁灾害发生后埋地管道水工保护措施的重新设计[8]、基于投入—产出的效率评价[17]等灾后反思研究；⑤考虑多因素的半定量风险概率指数评价[18]等。虽然这些研究取得了一定的成果，但在埋地管道河沟段水毁水文气象风险评价方面未见专门的研究。因此，本文探讨了适合长输油气埋地管道河沟段水毁灾害气象风险评价的暴雨洪水和河沟道冲刷深度等关键指标的计算方法，在此基础上设计了风险半定量评价指标体系，并对江西省天然气管网一期工程进行了实例应用与分析，可为长输油气管道河沟段水毁灾害气象风险评价提供技术路线，对管道水毁灾害进行预测评价。

1 河沟道冲刷深度计算方法

山地丘陵地区河沟道的冲淤变化主要是通过降雨汇流作用产生的，具有季节性和突发性。估算暴雨洪水状态下河沟道的冲刷深度，是河沟段管道风险评价的关键指标。河沟道冲刷深度与洪峰时水流速、水深、河床物质等有关，其计算方法研究是河沟段管道水毁灾害气象风险评价的重要研究内容。

1. 1 暴雨洪水计算

在我国大部分地区，洪水主要由暴雨形成，本文采用根据降水量汇流计算暴雨洪水的方法(即水文气象法)[9]，该计算过程需要综合考虑产流计算、汇流计算以及洪峰流量与水深、流速的计算等几个部分。

1.1.1 产流计算

一次降雨过程可分成若干间隔相等的时段Δt，则降雨时程可计为1×Δt、2×Δt、…、t×Δt，如3 h、6 h、24 h。某时程t×Δt内降雨的面雨量P面t×Δt可表示为

P面t×Δt=P点·t×Δt·α

(1)

式中：P面t×Δt为t×Δt时程内降雨的面雨量(mm)；P点t×Δt为t×Δt时程内降雨的点雨量(mm);α为点面折算系数，与暴雨时程、流域面积有关。

某时程t×Δt内的净面雨量ht×Δt，等于毛雨量扣除下渗损失量。结合江西省水文局的暴雨统计资料，采用蓄满产流原理的降雨径流分析模型，可表示如下：

ht×Δt=(R总t×Δt)-min(R总t×Δt，3×fc)

(2)

R总t×Δt=f(P面t×Δt+Pa)

(3)

式中：ht×Δt为t×Δt时程内的净面雨量(mm)；fc为稳定下渗率(mm/h)；R总t×Δt为t×Δt时程内降雨的径流总量(mm)；Pα为雨前土壤含水量(mm)。

根据地区水文气象资料，可直接获得fc、Pa值；根据资料，统计实测的R总t×Δt值和P面t×Δt+Pa值，可拟合出两者间二次经验关系函数f。

1.1.2 汇流计算

汇流计算方法有等流时线法、单位线法、经验公式法等。通过对比各方法的特点，瞬时单位线法、水科院推理公式法以其适用性广、结果精准的特点，常被作为水利水电工程防洪设计的依据。实践研究表明，对于有较大流域的河流，采用瞬时单位线法计算设计洪水更合理，对于小汇水面积的河沟，通常采用推理公式法计算设计洪水更合理[9]。考虑到长输管道穿越的河沟流域面积相差较大，本文针对不同流域面积的河沟采用不同的汇流计算方法。

(1) 瞬时单位线法。采用瞬时单位线法计算暴雨洪水流量的公式为[9]

(4)

(5)

Qt×Δt=h1×Δt·q(1×Δt,(t+1)×Δt)+h2×Δt·q(2×Δt,t×Δt)+…+ht×Δt·q(t×Δt,1×Δt)

(6)

上式中：u(0,t)为无因次单位线；q(t,Δt)为时段单位暴雨洪水流量(km3/h)；Qt×Δt为t×Δt时程内暴雨洪水流量(m3/s);F为至计算断面的流域面积(km2)；Γ为伽马函数；n、k为瞬时单位线模式参数，由各流域水文资料获得，n根据本流域资料总结的n～F关系表取值，k由本流域资料总结的含F、主河道加权平均坡降j(‰)、n、经验系数等参数的指数函数经验公式计算得到；其他符号含义同前。

暴雨洪水流量的时程曲线呈现先递增后递减的趋势，递减达到Qt×Δt=0时，表示地面暴雨洪水径流终止。

(2) 推理公式法。推理公式法计算洪峰流量的公式为

(7)

(8)

式中：h(rank)t×Δt为各时程净面雨量按大小排列；L为主河道长度(km)；j为主河道加权平均坡降(‰);τ为汇流时间(s)；m为地区推理公式参数，根据本域流资料总结的含L、j、经验系数等参数的经验公式计算得到。

求解汇流时间τ，即联立求解公式(7)=(8)，得到t=τ的值，此时Qτ·Δt=Qt·Δt为地面洪峰流量。

1.1.3 洪峰流量与水深、流速的计算

所有时程的洪水流量Qt×Δt之最大值即为洪峰流量Qm。河流断面根据实际情况设为矩形、梯形等形态，记河流水面宽为b(m)，断面边坡系数为m(平距与垂距之比)，根据谢才公式，可反解出洪峰流量时的水深h(m)，其计算公式为

(9)

流速v(m/s)的计算公式为

v=Q/ω

(10)

1. 2 河沟道冲刷深度的计算

开挖施工敷设的管道通常埋深浅，管道易受到暴雨冲刷的影响。在管道河沟段冲刷深度计算方法方面，已有研究探究了将墩、台跨度扩展为整个河宽的一般、局部冲刷深度的计算公式[3]，但该方法在江西省天然气管道多点试算结果与野外经验值偏差较大；而水利部《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[19]中的顺坝及平顺护岸冲刷深度计算模型，与管道河沟段施工后平整岸坡或修建护坡的物理模型一致[6]，且试算结果与野外经验值较为吻合，局部冲刷深度的计算公式为

(11)

2 长输油气管道河沟段水毁灾害气象风险评价方法

长输油气管道输送介质具有高压、易燃易爆的特点，故管道地质灾害风险评价不仅要考虑地质灾害的易发性、易损性，还要结合管道失效后果[3-4,19]。管道河沟段可能修建有护岸、护底等针对水毁灾害的工程防治措施，这些工程防护措施能在多大程度上阻止自然灾害的发生，也应纳入评价指标体系。

本文建立的评价指标体系包括地质灾害的自然条件加工程防治措施下的地质灾害易发性P、管道易损性C和管道失效后果E三个部分。首先，分别对地质灾害易发性、管道易损性建立多个评价指标，每个指标以(0,1]上的数值来表示其可能产生风险的程度，即风险概率指数；然后对管道失效后果E按照公式计算归一化管道失效后果损失指数；最终将易发性、易损性、失效后果以概率代数、模糊逻辑等方式运算，得到五级划分的气象风险等级。

在河沟道冲刷强度易发性评价指标方面，按照输气管道设计规范[21]，管道埋深不应小于0.8 m，将管道埋深减去冲刷深度记为h(m)，当h小于0.8 m时管道埋深不足，且h越小风险概率越高，故风险概率指数设为h的函数；而在护岸、护底的有效性评价指标方面，单指标的风险概率指数则难以定量计算；同样，管道易损性的3个单指标风险概率指数也难以定量计算。针对此种情况，设置每个评价指标所属的几种状态，根据专家经验，对某单评价指标εi(ε1～6为P1～3和C1～3)不同状态，如河沟道冲刷强度评价指标P1中P11(h≤0)，P12(0

熵权法是根据指标变异性的大小，即信息熵来确定指标的客观权重，信息熵越小则提供的信息量越多，更利于评价区分，其重要性越大。某评价指标εi对应评价点的指标值记为xiq，如试算的河沟道冲刷强度P1，第1、2个评价点，则有x11=0.459，x12=0.522；管道敷设方式C1，x41=2(表示沟埋穿越)，x42=3(表示沿河凹岸敷设),…。n个评价点、k个评价指标之间(如3个管道易损性指标之间)，评价指标εi(Pi或Ci)的熵权wi计算过程如下：

xiq的归一化数据为

(12)

评价指标值比重为

(13)

(14)

评价指标熵权为

(15)

评价指标风险概率指数εij′的计算公式为

(16)

管道河沟段水毁灾害易发性、易损性评价指标(Pi和Ci)在不同状态(Pij和Cij)下的风险概率指数εij′，见表1。

表1 管道河沟段水毁灾害易发性、易损性评价指标在 不同状态下的风险概率指数

灾害事件是多项不利因素共同作用造成的，故某评价点管道水毁灾害的风险概率(不含失效后果)P(R)，可采用单指标概率指数代数积的方法来计算。地质灾害易发性概率Pi、管道易损性概率Ci取值，采用在该指标所属的某一状态对应的风险概率指数。P(R)的计算公式为

(17)

管道失效后果E的计算公式[20]为

E=PH×SP×DI×RC

(18)

其中：PH为产品危害系数，根据管道输送的产品类别(如柴油、原油、汽油、天然气)，取值为5～10；SP为泄漏系数，计算输气管道10 min或输油管道1 h的泄漏量，并划分等级，取值为1～5；DI为扩散系数，根据管道周围岩土体密实程度、与流动水系距离等关系，取值为1.5～5；RC为受体系数，根据管道所在土地用途(如工业区、农村等)以及环境敏感性，取值为0.5～4.9。

管道归一化失效后果E′的计算公式为

E′=(E-3.75)/1 446.25

(19)

将风险评价等级划分为五级即低、较低、中、较高、高，不同风险评价等级的确定以风险概率为主、后果损失为辅，后果损失偏低者，按风险概率分级，后果损失偏高者，则其风险等级应当比概率分级有所提高。本文采用模糊逻辑关系，建立风险等级的模糊逻辑关系图，以此确定风险评价等级，见图1。

3 实例应用与分析

江西省天然气管网一期工程全长约1 020 km，为环鄱阳湖8个地市及一些县区供气，沿线地形地貌条件复杂多变，降水充沛，该地区多年平均降水量1 638 mm，且年际变化较大，洪水频发。在管道路线上选取19处开挖施工的一定规模中小河沟道作为评价点，使用GIS软件，并结合quick bird、worldview卫星高分辨率遥感影像以及江西省测绘局制作的1∶50 000矢量地形图中的等高线及河流线，提取主河道、流域面积、主河道加权平均坡降等流域参数。由于该输气管道投产时间不长，故本文根据江西省水文局暴雨统计资料，以概率统计方法推求N年一遇暴雨降水量，以此对管道河沟段水毁灾害气象风险进行评价。

3. 1 暴雨洪水和河沟道冲刷深度的计算

某时段Δt内设计频率为a%(1/a%年一遇)的暴雨面雨量P面Δt(a%)计算公式为

P面Δt(a%)=PΔt(年最大)·CvΔt·Kp(a%)·α

(20)

式中:PΔt为年最大Δt时段(年最大)暴雨点雨量均值，如年1 h、3 h最大暴雨点雨量均值，由当地暴雨统计资料相应等值线图读取；CvΔt为Δt时段年最大暴雨变差系数，由当地暴雨统计资料相应等值线图读取；Kp(a%)为a%所对应的偏差系数Cs=3.5Cv(Cv为变差系数)的皮尔逊Ⅲ型曲线值，即：

(21)

式中：f(x,β,α)为伽马分布概率密度函数，当β=1时，其为

(22)

由江西省水文局暴雨统计资料可知，该管道经过地区1 h年最大暴雨点雨量均值范围为40～50 mm，1 h年最大暴雨变差系数点为0.35～5；24 h年最大暴雨点雨量均值范围为100～140 mm，24 h年最大暴雨变差系数为0.4～0.65。根据暴雨的特征，分别计算时段为1 h、3 h、6 h和24 h，设计频率分别为2%(50年一遇)、1%(100年一遇)的面暴雨量。在此基础上，根据对水文调节最不利的雨型时程分配表，设计每个时程的降雨量。

根据江西省天然气管网一期工程，针对该长输管道穿越的河沟道流域面积的不同，对于面积大于50 km2的流域采用瞬时单位线法计算并设计洪峰流量，小于或等于50 km2的流域采用推理公式法计算设计洪峰流量，最后根据野外实调的河道断面资料，计算河沟道冲刷深度。

3. 2 风险评价结果与讨论

各评价点的信息根据野外调查记录、测绘资料、地质资料，按照上述方法进行计算与评价。其中，该管道管径为508 mm，输送天然气压力为6.3 MPa，按规范推荐资料[20]，后果损失指数中PH均为10，SP统一取值为4，DI统一取值为5。50年一遇暴雨下水毁灾害的风险概率P(R)、风险等级和归一化管道失效后果E′以及100年一遇暴雨下水毁灾害的风险概率的计算结果，见表2。

由表2可以看出：

(1) 该评价计算结果与专家经验判断结果基本一致。

(2) 在计算过程中，有7处评价点，在50年一遇暴雨条件下管道埋深减去冲刷深度的值处于0～0.8 m之间，但多数评价点处已修建护岸护底等防治措施，工程质量优良，故总风险概率并不高；而金溪县徐家乡管道穿越山间河流(19号评价点)，其现状已出现浆砌石沟底硬化损毁现象，下蚀、溯源侵蚀发育(见图2和图3)，经计算该评价点在50年一遇设计暴雨洪水下，洪峰流量为42.2 m3/s，冲刷深度为0.2 m，冲刷后管道埋深为0.3 m，其风险概率P(R)为0.149 9，归一化管道失效后果E′为0.12，风险等级较高，因此为了降低风险，建议重修沟底硬化以及在管道下游5 m外加修淤积坝，以降低局部坡降，提高护底措施的有效性。

表2 江西省天然气管网一期工程河沟道水毁灾害气象风险评价结果

图2 19号评价点较高风险现状 Fig.2 Situation of the high risk point No.19

图3 19号评价点较高风险现状剖面图Fig.3 Profile map of the high risk point No.19

(3) 在100年一遇暴雨条件下，相比50年一遇暴雨条件，其风险概率P(R)有升高的趋势，且有2处评价点的风险概率升高明显。其中，升高最明显的10号评价点位于安义县石鼻镇，管道穿越河流，河床主要由漂石、砂卵石组成，管道上已修建盖板涵防护，两岸已有挡墙护岸，但其现状已出现左侧墙基础掏蚀，右岸部分垮塌现象(见图4)，经计算，该评价点在50年一遇设计暴雨洪水下其风险概率为0.011 6，在100年一遇设计暴雨洪水下其风险概率为0.016 7，且调查期间护岸被冲毁，护底工程尚完整，经预测暴雨时河流侵蚀能力强，建议汛期应加强巡查，并根据气象风险适时加强水工保护措施的强度。

图4 10号评价点中风险现状Fig.4 Situation of the medium risk point No.10

4 结论与建议

本文探讨了适合于长输油气管道河沟段暴雨洪水和河沟道冲刷深度计算的方法，并设计了半定量评价指标体系，实现了长输管道河沟段水毁灾害的气象风险评价。运用此方法，利用推求的 50年、100年一遇的暴雨降水量，对江西省天然气管网一期工程的19处评价点的水毁灾害进行气象风险评价，其评价结果与实际情况较为符合，说明该方法可为长输油气管道等河沟道水毁灾害的气象风险评价提供技术路线参考。

需要注意的是，以概率方式推求N年一遇暴雨降雨量有一定的局限性，汛期时可采用暴雨降雨量实测值或短期预报值，并根据现场实际情况对其他评价指标状态进行动态修改，从而得到短期预测气象风险。另外，评价指标的风险概率指数与等级划分判据等可以随着实践认知而优化，以使风险评价结果更加合理。