基于风险可接受性的输油管道环境损失风险管理研究＊

■ 张鹏 杨钦 秦国晋

1.西南石油大学土木工程与测绘学院 成都 610500

2.西南石油大学机电工程学院 成都 610500

0 引言

随着世界经济水平的发展，各国对石油资源的需求越来越大[1]，压力管道作为油气资源运输最经济、高效的方式在我国得到广泛使用，截至2018年底，中国石油天然气长输管道总长度达到13.6 万公里，逐步形成了具有灵活性和稳定性的国家能源供应体系[2]。但任何事物都有其两面性，长距离石油天然气管道不可避免会在地灾频发、地质条件恶劣环境穿行跨越，且路由环境多为偏远地区，管道将无法及时维护，失效事故也在所难免。其中输油管道一旦失效发生泄漏，会造成严重的环境（包括空气、水体、土壤及地下水）污染和经济损失，严重时可能导致火灾、爆炸等事故，破坏输油设施正常运行，甚至危及到人的健康与安全。

其中成品油泄漏后，大量油蒸汽扩散到大气中，渗透到土壤、地下水中。对环境造成很大的影响，如空气质量下降，土壤失去耕种价值，饮水水源遭到破坏等[3]。如2016年加拿大某地区输油管道失效发生泄漏污染了水源，导致该地区闹水荒数日。图1展示了油品泄漏对一些环境造成的影响。管道环境风险评估能够有针对性地综合评估管道失效可能性与其失效后对环境影响的严重性，对预防管道失效与失效造成的环境损失的减少有明显的效果，因此不少学者进行了这方面的研究并取得了不少成果[4-6]，但就如何判断风险评估结果是否可以被接受，仍然是一个“瓶颈”问题。如果无法对风险评估结果进行可接受性判断，那么风险管理者就缺少了风险决策的依据，以至于不科学地实施风险缓解措施，进而造成资源的浪费。所以在风险评估之后需要一个可以评价风险评估结果的准则，这个评价准则就是风险可接受标准[7]。

图1 油品泄漏对环境的影响：（a）土壤；（b）水体；（b）大气

在20世纪60年代后期，美国社会学家斯塔尔开始研究可接受风险水平[8]。随着风险可接受水平研究的深入，学者们认识到风险可接受性是一个涉及政治，经济，健康和环境的社会问题，是一个社会政治事件[9]。我国风险可接受性研究起步较晚，目前已有学者将此观点引入环境风险领域[10-11]，但就输油管道路由的周边环境这一特殊区域的损失风险可接受性鲜有涉及。论文为此探讨和确定了输油管道环境损失风险可接受标准，弥补了该领域的不足，并且提出了针对此类风险的风险缓解决策思路，旨在为风险管理者对此类风险进行管控时提供科学的依据。

1 输油管道环境损失风险管理相关概念

环境损失风险（Risk of environmental loss）指在自然生态环境中发生对环境破坏甚至毁灭性影响事故的风险。由此定义知，输油管道环境损失风险指由于输油管道失效使管内输送的油品发生泄漏导致管道泄漏处周边环境被污染事件的风险。对此类风险进行管控首先需要进行风险评估，在此基础上进行风险判断，最后由风险判断的结果进行风险决策。故针对该特殊环境的风险管控提出了风险管理模型，图2为输油管道环境损失风险管理体系模型，其包含了工作任务及主体流程。

由于输油管道失效通常分为断裂和穿孔两种情况，这两种情况都会导致油品的泄漏[12]，故论文在进行研究时不区分管道失效类型，只考虑油品泄漏对环境造成的后果严重性。采用文献[10]的观点，环境损失风险可接受标准的研究应以环境介质为核心，故论文研究的环境损失由油品泄漏对环境介质的污染来体现，主要讨论的环境介质有土壤、水体、大气。

1.1 土壤污染

埋地敷设是输油管道最常见的敷设方式之一，埋地输油管道一旦发生泄漏油品会迅速渗透到周围土壤中。油品具有疏水性会堵塞土壤孔隙使土壤的透水、透气性降低，另外由于聚集在土壤中的油品其化学成分为石油烃是高分子组成的，其粘在植物、农作物根系上会形成一层阻碍根系汲取养分的粘膜，严重时甚至会使根部腐烂。被油污染的土壤可能在长时间无法生长作物[13]。

1.2 水体污染

油品对水体的污染主要包括3 个方面:地下水、地表水和海水污染。

地下水污染：土壤中油污染物的浸出和渗透是造成地下水污染的主要原因。用受污染的地下水浇灌农田会导致农作物黄化和死亡。另外地下水是饮用水的主要来源之一，若饮用被油品污染的地下水会造成中毒等症状[14]。

地表水污染：泄漏的油品流入江河湖泊等地表水资源会直接导致水体受到严重污染。与地下水一样，地表水是人们生活和农业的主要水源。油品污染地表水将导致区域水资源短缺和粮食短缺。另外由于油品具有毒性，会使水域中的生物中毒、死亡，甚至破坏生态系统。

图2 风险管理体系模型

海洋污染：海洋中的油品输送通过海底管道在海床或海底上运输。当管道失效会导致油品直接泄漏至海洋中，难以清理，完全清理需要几十年甚至上百年。同样油品会对海洋生物的生长发育造成影响，严重的造成海洋生物生长畸形甚至死亡[15]。

1.3 大气污染

油品污染大气环境表现为油品的挥发性化学物质与其它有毒气体暴露在紫外线下形成光化学烟雾，产生对人体有害的致癌物质，甚至造成温室效应、破坏臭氧层等[16]。

2 输油管道环境损失风险可接受标准研究

2.1 环境损失风险指标

表征环境损失风险的指标有道（DΟW）化学指数、火灾指数、爆炸指数、内梅罗污染指数等。内梅罗污染指数（综合污染指数）是一种可操作性高，综合考虑到影响环境介质的所有因子，而且特别考虑了污染最严重的因素，在加权过程中就避免了主观因素对权重系数的影响，故目前使用频率较高[17]。所以，论文采用内梅罗污染指数表征输油管道发生泄漏造成的环境损失。

内梅罗污染指数是根据单因素环境质量指数计算的，因此首先引入单因素环境质量指数[18]：

图3 风险水平和ALARP区域

式中:Ci为污染物i的实测质量浓度，mg/L(或kg)；Csi为污染物i的最大容许质量浓度，mg/L(或kg)。

内梅罗污染指数通过以下公式计算:

式中:Imax为各单因子环境质量指数最大者，mg/L；-I为均权指数，，mg/L；n为单因子的总个数。

2.2 风险可接受标准制定原则

虽然风险可接受标准种类很多，但它们之间有一个共同的原则，就是寻求降低风险所花费的成本与效益之间的平衡。绝对零事故是不可能的，因为那会是无限的资金投入，可接受性的思想就是使风险降低至可承受范围的同时能获得足够的效益，这种思想的集中体现就是ALARP 原则，这是研究风险可接受标准中的一个重要工具。如图2所示，ALARP 原则有两根重要的分界线：最大可接受风险线将风险分为不可接受风险与可接受风险，应该不惜代价地降低风险不可接受区域的风险；可忽略风险标准线将可接受风险分为ALARP 区域和风险可接受区域，风险可接受区域内的风险是可以忽略的风险，不需要降低该区域风险；两线之间的ALARP 区域内风险虽然可接受，但是还应通过成本效益分析判断是否需要降低风险[19]。

表1 环境介质内梅罗污染指数评价标准

图4 土壤损失风险可接受P-I曲线

图5 地下水损失风险可接受P-I曲线

图6 地表水损失风险可接受P-I曲线

2.3 环境损失风险可接受标准确定

事件的风险是其发生概率及其发生后果的组合。风险可接受标准的确定应与其风险值的计算相同，是失效概率与后果的结合。故论文采用失效概率—内梅罗污染指数曲线（简称P-I曲线）结合ALALRP 原则来确定输油管道环境损失风险可接受标准，P-I曲线用以下公式确定[20]：

式中:Pf(I)为发生环境损失事故的累积概率；F(I)为事故年环境损失的概率分布函数；C为P-I 曲线的截距，用于确定ALARP 原则中两根风险界线位置，本文取两分界线截距为:输油管道失效最大可接受风险水平10-4与可忽略风险水平为10-6[21]；n为风险极限曲线的斜率:n绝对值的大小与风险管控程度有关，值越大表明风险管控力度越大，一般取1、2、3。

由于原油对不同的环境介质污染程度不同，且没有可比性，所以环境损失风险可接受标准应该针对不同环境介质来制定。确定可接受的环境损失风险标准与其他风险可接受标准不同，其确定更为标准化。环境介质的内梅罗污染指数等级划分源于国家标准和规范，可根据HJ/T166-2004“土壤环境监测技术规范”、GB/T 14848-2017“地下水质量标准”、GB3838-2002“地表水环境质量标准”、GB 3097-1997“海水水质标准”、GB3095-2012“环境空气质量标准”中对于土壤、地下水、地表水、海水、大气的污染等级划分表征环境损失风险可接受程度，见表1。

最大可接受风险线的斜率n可根据表1中污染等级的分类确定:当环境介质处于清洁状态时，说明油品对环境造成的污染非常小，因此只需要将环境污染事故发生的概率控制在最大可接受风险水平10-4以下即可；当其处于尚清洁状态时，说明油品对环境造成了一定的污染，因此需要对风险进行管控，取n=1；当其处于轻度污染状态时，即油品对环境的污染已经较为严重，因此需要加大风险管控力度，取n=2；当其处于中度污染状态时，油品对环境污染非常严重需要高度警惕，必须立即采取措施控制风险，取n=3；当它处于重污染状态时，油品对环境的污染特别严重，这种风险是完全不可接受的，即该风险应该直接落入风险不可接受区。根据该方法可得到这5 种环境介质损失风险的最大可接受风险线，同理以可忽略风险水平10-6为截距可以得到可忽略风险线，两线之间区域为ALARP 区域，进而得到输油管道环境损失风险可接受标准P-I曲线，见图4～图8。

对一输油管道环境进行风险评估后，将其发生环境污染事故的概率和可能导致的环境污染情况在P-I 图上表示出来。如果该点落在风险可接受区域，则该风险被认为是可接受的，并且不需要降低风险；如果该点落在风险不可接受区域，则该风险被认为是完全不可接受的，必须强制采取措施降低其风险至ALARP 区域；如果该点落在ALARP 区域，应基于成本效益分析结果来进行决策。

3 环境损失风险决策

3.1 风险缓解决策流程

图7 海水损失风险可接受P-I曲线

图8 大气损失风险可接受P-I曲线

在风险可接受性判断之后，风险管理者需要做出风险决策，即风险管理者应该依据输油管道环境损失的风险可接受性来决定使用何种风险缓解措施来降低风险。由环境损失风险的概念可知，降低其风险需要从减小输油管道失效概率（发生环境污染事故概率）和失效后果（因管道失效导致的环境污染）两方面着手，基于此提出如图8所示的风险降低决策的流程，通过风险可接受性判断确定是否采取缓解措施以及如何经济有效采取缓解措施。其明确了风险可接受性判断作为风险评估阶段与风险决策阶段之间一个桥梁，为风险决策阶段提供依据，是一个必不可少的阶段。如图所示，在选取降低风险的措施时，应该考虑该措施能否将风险降低到可接受的范围之内。

图9 风险缓解决策的流程

表2 被污染土壤重金属测定结果

图10 风险可接受性判断图

3.2 成本效益分析

前文提到，处于ALARP 区域内的风险虽然可以接受，但根据ALARP 原则的规定应该采取措施尽量将风险降低，直到降低风险的成本与所获得的收益极不相称时，就无需继续降低风险。风险管理者使用措施降低处于ALARP 区域的风险需要考虑能从中获得的效益，即需要该措施既能使风险降低到可接受区域之内，又能平衡所获得的效益，故需要进行成本效益分析。这里的效益为某一风险降低措施带来的预期总收益，用E（元）来表示。就本文而言，效益为管道输油带来的收益，而事实上由于管道的失效可能性不会消除，故输油带来的收益应该是以概率的形式获得，用I（元）表示，失效可能性用Pf表示。另一方面，管道失效造成的环境损失也应以概率的形式存在，用C1（元）表示。风险降低措施的费用即是风险降低的成本，用C2（元）表示。可以建立以下数学模型：

其中C2用于降低失效可能性，则降低风险的投入的变化影响了失效可能性的大小，即失效可能性Pf是C2的函数：

则收益的期望E(A)为:

而采取风险降低措施带来的总效益应该等于使用风险降低措施带来的收益减去措施成本，故总效益E可以由下式计算得到:

就风险管理者而言，倘若只考虑经济性与ALARP原则，则当E＞0时，证明该风险降低措施是可行的。

4 案例分析

以某公司运营的两段原油管道为例，评价其路由环境中土壤损失的潜在风险。管道定量风险失效概率的计算方法较多[12,22]，风险管理者多采用故障树的方式计算管道失效概率。原油管道故障树以“管道失效”为顶事件，分为“管道穿孔”和“管道断裂”两个次顶事件。该故障树底事件包括“第三方破坏”、“腐蚀”、“管道设计缺陷”、“员工误操作”、“自然灾害”5 个方面的事件。再进行管道失效故障树定量计算，得到该管段失效概率为：8.26×10-5和3.88×10-7。

对于管段失效可能对土壤造成的污染，参考这两管段某次泄漏对土壤造成的污染来确定。当修复管道泄漏之后，及时采用《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166-2004）的方法检测了土壤重金属含量，采样为泄漏点周围土壤表层10cm 处土壤1kg，经过样品的制备后称取1.000g 样品做前处理，采用电感耦合等离子体质谱联用仪（ICP-MS）对土样中的重金属污染元素进行测定。测定的元素有如下几种：砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、汞（Hg）、镍（Ni）、铅（Pb）、锌（Zn），测定结果见表2。参考国家标准《土壤环境质量标准》GB15618-1995的土壤环境质量分类的标准值，通过式(1)，式(2)处理表2数据，得到采样土壤内梅罗污染指数为1.872和1.609。

综上所述，将定量风险评价的结果标记在图4上，如图10 所示。管段2 的环境损失风险落入风险可接受区域，故可以忽略该风险。而管段1 的环境损失风险落入不可接受区域，故该管段环境损失风险不可接受，应该不惜代价地采取措施将风险缓解至可接受的范围。

本案例中原油管道失效可能对土壤造成的污染，都属于轻度污染，但是管段1 的环境损失风险最终评定出来的结果却是不可接受。事实上是因为管段1失效概率偏高导致整体风险不可接受，故从中可以看出，基于风险可接受性思想的环境损失风险管理对事故的发生管控精准，这也是因为国家对环境保护非常重视的原因。另一方面，如果后果值很高，但是由于事故发生的概率很低，整体风险落入风险可接受区域，则该风险就可以忽略，这样就避免了不必要的开支，使用于风险管控的资源有的放矢。

5 结论

由于风险可接受标准是合理控制风险水平的重要参考标准，在风险管理过程中起到了桥梁作用，因此针对输油管道路由的周边环境这一特殊区域，进行基于风险可接受性的环境损失风险管理研究，并以原油管道失效泄漏实例分析土壤损失风险，验证了风险可接受标准在输油管道环境安全风险管理中的科学合理性与独特优势，得到以下主要结论：

(1)采用内梅罗污染指数表征环境损失风险的指标，运用P-I 曲线与ALARP 原则相结合的方法，得到了输油管道环境介质为土壤、地下水、地表水、海水、大气的环境损失风险可接受标准（图4—图8），计算得到的风险划分为不可接受区、ALARP 区和可接受区3 个区域，确定了输油管道事故环境损失风险评估的定量的风险评判标准；

(2)基于风险可接受性思想，提出了输油管道环境损失风险缓解决策思路（图9）和风险决策数学模型（式7），针对不同等级风险采取不同级别风险缓解措施，向风险管理者提供了管控输油管道路由环境损失风险的思路；

(3)为进一步提高可接受标准的实用性与适用性，还需深入研究该标准在输油管道风险评价中的应用。