基于可拓理论的油气管道黄土湿陷危险性评价

范立旎，黄 娴，龚 琪，刘小晖

(1.云南湖柏环保科技有限公司，云南 昆明 650000；2.四川省国环环境工程咨询有限公司，四川 成都 610000；3. 兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000)

0 引言

近年我国油气管道迅速发展，截至2017年底，在役油气管道总里程累计约13.31万km，逐渐形成了东西南北互通的能源管网。黄土高原作为东西和南北的交叉点，近年来越来越多的管道灾害问题，引起国内外学者的关注[1-4]。笔者根据基层工作实际统计，黄土高原管道地质灾害约60%为黄土湿陷，给管道安全运营、日常管理带来了较多的困难[5]。故开展管道黄土湿陷危险性评价是十分有意义的，不仅能为风险管理奠定基础，还能为其监测、防治提供理论依据。

早在20世纪70年代，美国已开展油气管道安全评价研究，并应用于工程实践。1985 年，在美国出版的《风险调查指南》一书中，第一次在油气管道地质自然灾害中应用评分法进行评估工作[6]。1992年 W.Kent Muhlbauer 编写的《Pipeline Risk Management Manual》介绍了一种较为完善的管道危险性评价模型，该模型的理论依据为评分法[7]。1995 年潘家华先生对W.Kent Muhlbauer 给出的评分法进行了数次阐述，引发我国科研人员对其积极探讨，并在之后的管道安全评估中进行了实例分析[8-10]。2009年，中国石油管道科技研究中心研发的管道地质灾害风险管理系统(PGRMS)采用指标评分的半定量评价方法[11]。除此之外，故障树法、模糊综合评判法、可拓法等应用于管道地质灾害危险性评价的研究也较多[12-17]。目前，油气管道通常采用PGRMS半定量与调查人员定性评价相结合的综合评价结果，基本满足工程要求。在复杂环境因素的客观影响与评判人员的主观影响下，现有评价方法、风险管理系统在实践应用中均存在一定的局限性。

笔者依据蔡文提出的可拓理论[18-19]，结合灰色关联度法，构建指标物元模型，评价黄土高原区集中发育的典型黄土湿陷危险性，并与PGRMS分析、综合评价结果进行对比分析。从黄土湿陷危险性众多影响因素中选取具有代表性的、可量化的评价指标，引入灰色关联度法求其权重，采用可拓关联函数确定评价指标的关联度和隶属度。可拓法评价结果合理可靠，更接近客观实际，且主观因素影响较小，具有良好的应用前景。

1 可拓理论评价模型

1.1 可拓学物元模型

可拓法采用形式化工具，从定性和定量两个角度去研究事物的规律和解决方法，其核心为物元理论与可拓集合理论。可拓学物元理论提出由事物N、特征C及量值υ构成物元R=(N，C，υ)的概念，通过建立多指标的质量评价模型来反映整个样本的综合水平。

假设物N具有n个特征，即C1，C2，…，Cn，则物N关于特征Ci对应的量值υi可构成n维物元R，表示如下：

(1)

1.2 经典域和节域的确定

(1)经典域

经典域指评价指标隶属于某个评价等级的取值范围，表达式为：

Rt=(Nt，Cj，υtj)=(Nt，Cj，)

(2)

式中：Nt表示河沟道水毁危险性分级，t=1，2，…，5；Cj为评价指标，j=1，2，…，14；为Nt关于Cj的取值范围。

(2)节域

节域表达了事物N的某一特征C对应的量值范围，在其范围内事物性质具连续稳定性，如式(3)所示。

Rp=(p，Cj，υpj)=(p，Cj，)

(3)

式中：p为河沟道水毁危险性全体类别；Cj为评价指标，j=1，2，…，14；为Cj所确定的量值区间。

1.3 关联函数

可拓理论引进距的概念来确定关联度，从而将实变函数点与量值范围之间的关系由“类内为同”拓展为“类内存异”。域内任意一点υj与经典域和节域的关联函数Kt(υj)见式(4)。

(4)

1.4 评价指标权系数确定

可拓法中评价指标权系数对危险性评价结果影响较大，为了减少主观因素的影响，该次采用灰色关联度法[15-16]确定评价指标的权系数。

(1)数据处理

评价指标量化值的无量纲化处理采用均值变换法，如式(5)所示。

(5)

式中：j表示评价指标数；k表示待评价的河沟道水毁数；Cj(k)表示第k处河沟道水毁的第j个评价指标的量化值。

(2)创建绝差数列

选取参考数列，记为C0(k)，其它数列与之比较，得到绝差数列Δj(k)，并求出Δj(k)max和Δj(k)min，分别表示如下：

Δj(k)=|cj(k)-c0(k)|

(6)

Δj(k)max=max|cj(k)-c0(k)|

(7)

Δj(k)min=min|cj(k)-c0(k)|

(8)

(3)计算关联系数

比较数列Cj(k)与参考数列C0(k)的关联系数rj(k)表示为：

(9)

其中：ρ为分辨系数，ρ=[0.5]，一般取0.5。

(4)灰色关联度及权重

河沟道水毁评价指标灰色关联度rj由式(10)求得，结果表示为﹛r1，r2，…，r14﹜；利用式(11)计算其权系数ωj。

(10)

(11)

1.5 危险性评价物元模型构建

可拓关联函数结合评价指标权系数得到待评物元河沟道水毁N与危险性分级t的关联度为：

(12)

(13)

依据式(13)可得最大关联度值对应的t即为河沟道水毁危险性等级。

2 黄土湿陷危险性评价模型构建及应用

2.1 研究区概况

兰成管道K0～K278段，地处黄土高原南缘，南接秦巴山脉，西连乌鞘岭，具有典型的黄土高原的黄土湿陷特征，属北亚热带湿润气候区，温差大，雨量小。年平均气温4～14℃。受季风影响，降水多集中在7—9月，占全年降水量的50%～70%，受降雨影响，7—9月是地质灾害频繁发生时期。另外，降水量的年际变化较大，往往丰水年比枯水年降水量多几倍，甚至更多，因此造成地质灾害的形成发育具有一定的周期性。该区域由于人类的毁林开荒活动，现较多区域已成为农业耕种区，主要植被以农作物和经济作物为主，植被覆盖率较低。地层主要为黄土和祁连、西秦岭地层区的火山岩、变质岩及沉积岩。

通过2019年地质灾害调查资料，该区域共发育灾害109处，其中黄土湿陷54处，占发育灾害总量的49.54%，随机选取10处黄土湿陷作为研究对象，依据《SY/T 6828-2011油气管道地质灾害风险管理技术规范》，对湿陷面积、湿陷形状、湿陷深度、植被情况、汇水条件、微地貌形态、与管道空间关系、水毁类型、影响长度等进行调查、测量与定性评判，基本特征见表1所示。

表1 油气管道黄土湿陷基本特征

表2 黄土湿陷危险性可拓分级标准

2.2 评价指标的选取与可拓分级

油气管道黄土湿陷危险性影响因素较多、时空差异性较大，故参评因子选取是否合理直接影响评价结果的准确性和实用性。笔者在野外调查、灾害分析和PGRMS应用基础上，结合已有学者研究成果[10-11]，选取黄土湿陷面积(C1)、管道影响长度(C2)、危害管道程度(C3)、微地貌形态(C4)、与管道空间关系(C5)、灾害发育特征(C6)、管道与塌陷夹角(C7)、管道埋深的倒数(C8)、灾害活动情况(C9)、管道附件环境敏感(C10)、水力侵蚀方式(C11)、暴雨频次/年(C12)、多年最大日均降雨量(C13)、人类工程活动(C14)等14个主要影响因素作为可拓物元模型的评价指标。

为满足工程需要，将黄土湿陷危险性划分为低、较低、中、较高、高5个等级；依据已有研究[10-11]及调查资料概率统计成果，其评价指标可拓分级标准如表2所示。依据表2，黄土湿陷危险性分级经典域和节域如表3所示。

表3 河沟道水毁危险性分级经典域和节域

2.3 待评物元

研究区域选取的10处黄土湿陷灾害点列为一组评价单元，创建的待评物元如式(14)所示。依据表1，评价单元实测值结合调查人员评分结果得评价指标量化值，见表4。

(14)

表4 待评黄土湿陷评价指标量化值

2.4 物源模型计算结果

(1)评价指标权系数

依据式(5)，黄土湿陷评价指标量化值进行均值变换，结果见表5。选取黄土湿陷面积(C1)为参考数列，利用式(6)～式(8)计算得到评价指标C2～C14相对于C1的绝差数列、最大极差值2.59和最小极差值0.01，见表6。由式(9)～式(11)计算得待评物元组14个评价指标的灰色关联系数、关联度和权系数，见表7、表8。

(2)物元模型关联度及评价结果

通过式(4)得待评物元河沟道水毁HS-01～HS-10与分险等级j1～j5之间的关联系数Kt(υj)；结合评价指标权系数ωj，由式(12)、式(13)计算得待评物元危险性关联度Kt(N)和隶属度Rt(N)，见表9、表10。

由表9可知，黄土湿陷HS-01与风险等级的关联度依次为：K1(N)=-0.214，K2(N)=-0.359，K3(N)=-0.271，K4(N)=-0.147，K5(N)=-0.390；隶属度R3(N)=-0.147，对应t=4，即危险性等级为较高。表10中待评物元HS-01～HS-10隶属度依次为：R1(N)=-0.147，R2(N)=-0.271，R3(N)=-0.207，R4(N)=-0.146，R5(N)=-0.077，R6(N)=-0.076，R7(N)=-0.159，R8(N)=0.005，R9(N)=-0.104，R10(N)=-0.202；对应的危险性等级依次为：较高、中、中、低、较高、高、中、较高、较低、较低。

表5 待评河沟道水毁评价指标均值化数据

表6 评价指标C2～C14相对于C1的绝差数列

表7 评价指标C2～C14相对于C1的灰色关联系数

表8 评价指标灰色关联度和权系数

表9 待评物元HS-01关联系数与关联度

表10 待评黄土湿陷关联度、隶属度及评价结果

2.5 评价结果对比分析

采用可拓法、PGRMS分析及综合评判对10处黄土湿陷分别进行危险性评价，其结果对比分析得到：①可拓法与综合评价结果一致性比例达70%，偏低比例30%；②可拓法与PGRMS评价结果一致性比例达40%，偏高比例30%，偏低比例30%；③PGRMS与综合评价结果一致性比例达60%，偏高比例20%，偏低20%；④可拓法、PGRMS与综合评价结果危险性等级差Δt=1的占比90%，未出现较大的差异性。

综上，可拓法定性-定量评价结果与综合评价结果具有较高的一致性，而与PGRMS评价结果一致性较差，主要原因是综合评判是专家根据以往经验，结合现场实际进行评定，更符合客观情况。

3 结论

(1)油气管道黄土湿陷危险性评价是风险管理的基础和安全运营的保障，笔者采用可拓法对其进行危险性评价尝试，结果与实际情况基本吻合。

(2)可拓物元模型采用灰色关联度法确定已量化评价指标的权系数，减少了主观因素对评价结果的影响，但其仅选取湿陷面积作为参考数列可能存在缺陷。

(3)与定性评价、专家评分、PGRMS分析、模糊综合评判相比，可拓法理论较为严谨，计算过程较为简单，评价结果合理可靠，主观因素影响较小，具有良好的应用前景。

(4)基于灰色关联度的可拓法中，评价指标选取的科学合理及其量化值的准确可信直接影响评价结果的客观性和实用性。

(5)可拓理论采用定性和定量相结合的研究方法，建立多指标物元模型，为黄土湿陷及其他地质灾害危险性评价提出了新的研究思路。