城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链风险分析*

2022-05-03王成军王志刚

化工矿物与加工 2022年4期

王成军，王志刚

(西安建筑科技大学管理学院，陕西西安 710055)

0 引言

根据我国油气管网发展规划，2025年全国油气管网里程将从12万km增长至24万km[1]，其中近60%的管道进入老龄期，使得管道本体脆弱度骤增以及抵抗外部干扰的能力骤降[2]。自国务院提出新型城镇化重点建设任务后，我国城镇化发展迅速，城镇与森林交界域输油线数量骤增，形成了大面积的城镇与森林交界区域,区域内城镇与森林相互交织[3]，建筑施工[4]、人为破坏[5]等原因都会对地下管线的正常运行造成不利影响。输油管道泄漏事件属于非常规事件[6]，一旦发生将会对周边群众人身安全、社会环境等造成巨大危害[5]。因此，在我国如何做好城镇-森林交界域输油管道泄漏事件的预防与控制，是当前迫切需要解决的难题。

目前学术界对于输油管道泄漏事件的研究方向主要有管道本体状态数值模拟[7]、管道运行环境监测与控制[8]、管道泄漏成因分析[9-10]、管道泄漏扩散数值模拟[11]等，而对于管道泄漏事件发生带来的次生、衍生事件之间的逻辑与演化关系研究较少。为应对突发事件演化关系的复杂多变对应急管理部门带来的巨大挑战，张明红等[12]采取情景分析法从环境、突发事件、应急管理三方面对青岛“11·22”输油管道泄漏事件进行了分析，结果表明，情景分析法有助于应急管理部门开展智能决策；在此基础上，屈静等[13]采用情景分析法与动态贝叶斯理论模型对输油管道泄漏事故进行了情景演化与推演，将事故情景分为状态、应急措施、驱动因素以及目标四大类，通过计算事故发生的概率以达到情景推演的目的，据此对新疆某案例进行了分析，发现输油管道泄漏出现明火的概率较高。但情景分析法具有一定的局限性，研究样本来源于具体的案例，依赖于分析者当前所掌握的知识水平，对事件之间的关系表述不是很直观[14]。

复杂网络理论主要结合图论与计算机网络等多学科的特点，充分利用复杂网络兼顾局部与全局的优点，运用更为客观的数学思维对网络模型进行多指标数值求取，从而对网络中节点、边等信息进行更为客观的描述[15]。基于此，孟祥坤等[16]采用复杂网络模型对海底输油管道泄漏风险进行了网络建模与关键节点、关键边的求取与分析，从抑制初始事件、控制传递事件和减轻后果事件三方面对网络模型进行了断链减灾，具有良好的实践意义。在此基础上，刘海云等[17]将灾害链理论与复杂网络理论相结合对城镇燃气管道破裂灾害链进行了风险分析，结果表明，将灾害链理论引入复杂网络模型有利于提高燃气管线破裂灾害事件的应急处置能力与管理水平。上述研究成果为单系统输油管道泄漏事件的预防、控制提供了宝贵的分析方法与研究思路，但输油管道泄漏事件的发生在时空上不是单因素的影响，而是多因素、多系统耦合的结果[18]。

城镇-森林交界域是指由于生态化城市的建设或城镇边界的大幅扩张造成的城镇与森林、耕地等边界的模糊化，形成大面积的城镇-森林交界区，其中建筑物与植被混合分布，城镇系统与森林系统相互交融形成更为复杂的城镇-森林交界域系统[19]，系统内部各个影响因素之间的耦合[18]，易扩大输油管道泄漏事件造成的损失。如：2013年黄岛输油管道破裂造成的原油泄漏事件，导致62人死亡、136人受伤，直接经济损失高达7.5亿元。有关部门对事故的调查发现，灾害损失扩大的主要原因是没有考虑城市系统的复杂性与不确定性，仅采取野外应急救援方式对管道泄漏灾害事件进行处理[20]。故在不同的环境系统中，事故带来的影响是不同的[21]。

为更好地从本质上对城镇-森林交界域输油管道泄漏事件进行分析，本文以城镇-森林交界域输油管道泄漏事件作为灾害源，基于灾害链和复杂网络理论，对城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链中灾害事件的构成进行分析，构建灾害链演化模型，对灾害链系统中节点以及演化边进行分析，以期为城镇-森林交界域输油管道泄漏事件的预防和控制提供理论支撑与科学依据。

1 相关理论

1.1 灾害链理论

灾害(D)是由孕灾环境(E)、致灾因子(H)、承灾体(S)三者共同组成的产物，而灾害链是灾害事件不同发展阶段引发次生、衍生灾害的链式关系[22]。灾害链是一个由多个灾害要素构成的复杂系统，而各个灾害子系统之间相互关联，且可以与外界环境进行物质、能量、信息等交换，使灾害链成为了一个复杂的反馈系统。灾害链表达式为

C(n)={Cs(n),R,E}，

(1)

式中：C(n)为灾害链，由两个及以上互相关联的灾害要素组成；Cs(n)为灾害链中各灾害要素；R为各灾害要素之间的关联关系；E为灾害链的外部环境。

1.2 复杂网络理论

复杂网络基于系统理论、图论和统计理论将风险转化为由节点、边、权值组成的带权有向图，通过最短路径确定导致输油管道泄漏事件放大的关键节点与路径[16]。灾害演化网络表达式为

G=(V,E,W),

(2)

式中：V={v1,v2,…,vn}，表示构成网络的节点，由初始灾害事件、次生灾害事件构成；E={e1,e2,…,en}，表示网络中各节点之间连接边的集合；W为网络中连接边的权重构成的集合。节点vi和vj之间的最短距离表示为d(i,j)。

2 城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链模型构建

城镇-森林交界域是指无人居住的荒地与人类开发土地之间的过渡区域，距离该区域800 m以内的社区也包括在内[23]。目前，我国对于输油管道泄漏事件的统计还没有建立统一的数据库[24]。由于国内外输油管道泄漏事件引发的后果具有一定的相似性，为增强数据的说服力，本研究对中国、美国、欧洲、加拿大等地[25]近30年内发生的输油管道泄漏灾害事件进行了收集，对事故的发生时间、地点、周边环境、伤亡人数、经济损失、环境影响等信息进行了分析。借鉴输油管道高后果区的相关定义以及泄漏区域内建筑物密度、植被密度等相关指标[26]，依据城镇-森林交界域特点以及相关定义，最终选取7个具有代表性的案例进行分析(见表1)。

表1 城镇-森林交界域输油管道泄漏典型事件

与传统的城镇输油管道泄漏事件和森林输油管道泄漏事件相比，城镇-森林交界域由于系统之间相互影响，使得管道泄漏事件造成的影响更大。如：2010年美国密歇根州马歇尔地区发生原油泄漏事件最终造成320人出现不同程度的病症，主要原因为泄漏点位于城镇-森林交界域，区域内基础设施较落后[27]、人员较密集，使得原油管道泄漏事件造成人畜中毒，最终导致灾害损失扩大。因此，通过对城镇-森林交界域内发生的典型输油管道泄漏灾害事件进行分析，结合城镇系统[28]、森林系统[29]以及二者之间的相互影响，最终确定了44个节点事件以及112条连接边。根据节点事件的分级特点[30]，最终分为2个一级事件、40个二级事件、2个三级事件(见表2)。同时依据各节点事件之间的因果关系，绘制城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链演化模型(见图1)。

表2 城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害事件集合

图1 城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链演化模型

3 城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链风险分析

3.1 关键节点分析

在复杂网络演化模型中，节点事件在网络中的影响程度通常用出入度、子网节点数以及度中心性来表示[22]。通过建立Python模型对城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链风险演化模型进行分析，结果表明，相邻管线系统破坏、形成流淌火、森林火灾、管道爆炸、地表流淌5个灾害事件的出度较高，表明这些灾害事件对社会经济的影响较大；人员伤亡、经济损失、影响居民生活、建筑物受损、道路破坏5个灾害事件的入度较大，表明这些灾害事件容易受到其他灾害事件的影响；城镇输油管道泄漏、森林输油管道泄漏、地表流淌、形成流淌火、流入地下管网、出现明火6个灾害事件的子网节点数较大，表明这些灾害事件的风险较大；相邻管线系统损坏、人员伤亡、建筑物受损、管道爆炸、影响居民生活、道路破坏、形成流淌火7个灾害事件节点的度中心性较大，表明这些灾害事件对于周边事件的影响较大。

根据城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链演化模型关键节点的分析结果，确定相邻管线系统损坏、形成流淌火、管道爆炸、建筑物受损、人员伤亡5个灾害事件为城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链演化网络中的关键节点。由于输油管道泄漏事件的发生受多因素影响且具有极大的不确定性[31]，因此为有效降低管道泄漏事件带来的损失，应从关键节点着手实现对网络的断链减灾。如：设置管廊，减少管道间的相互干扰；设置导沟，当发生原油流淌时使原油尽可能顺着导沟流动而避免其四散流淌；每隔一段路径设置管廊通风口以及管道静电接地措施，避免由于原油泄漏造成管廊内可燃气体浓度过高被静电点燃导致管道爆炸。网络模型节点数据见表3。

表3 网络模型节点数据统计(部分)

3.2 关键边分析

在复杂网络模型中，研究人员通常使用平均路径长度、介数、连通度表示连接边的脆弱度[22]。本文将这3个评价指标进行整合，以使对边的脆弱度评价更加全面。

1)平均路径长度

平均路径长度是指网络中所有节点之间的最短平均距离[22]。城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链演化网络为有向网络，因此平均路径长度指初始灾害事件i到其他灾害事件j距离之和的平均值。通常，若由于连接边的断裂导致两节点之间不存在连接方式，则默认这两节点之间的最短路径为0，但这有悖于常理。为了使网络最短路径计算更加合理，当由于连接边的断裂导致两节点之间不存在连接方式时，则默认网络最短路径为当前两节点之间的最短演化路径[17]。

(3)

式中，Lk为将k边移除后的平均路径长度，N为网络节点总数，V为网络节点集，dij为网络中初始节点i到节点j之间的最短路径长度。

2) 介数

介数是指经过网络中某连接边最短路径的数量[22]。

(4)

式中，Bk为连接边k的介数，gij(k)为节点i和节点j之间的最短路径经过连接边k的次数。连接边介数越大，表示此连接边在风险演化中脆弱度越大。

3) 连通度

在有向图网络中，连通度通常指从某初始节点出发，将某一条连接边移除后，初始节点能连接的节点数量与网络中总节点数量之比[22]。

(5)

式中，Hk为移除连接边k之后的连通度，Nk为与事件k连通的节点个数。在网络中，如果将某一条连接边移除，网络的连通度变小，则说明该连接边在网络模型风险传递中具有较大的脆弱度。

4) 脆弱度

脆弱度是用来衡量连接边脆弱性的综合指标[22]。在复杂网络模型中，连接边脆弱度越高表明该连接边在网络传递中的重要度越大，同时以城镇-森林交界域输油管道泄漏为初始灾害节点对网络中的连通度进行分析。

(6)

式中，Vk为连接边k的脆弱度，Lk为将连接边k移除后网络的平均路径长度，Hk为将连接边k移除时网络的连通度，Bk为连接边k的介数，n为灾害链网络中连接边的总数。

利用Python软件，结合式(3)-式(6)，求取模型连接边的重要度。计算结果表明，水土流失-山体塌方、改变土壤性质-水土流失、土壤中重金属元素超标-改变土壤性质、山体塌方-道路破坏、影响居民生活-不良社会舆论等5条边的脆弱度较大，是城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链网络模型的关键边。通过对关键边采取相应的断链措施，可实现对灾害蔓延的及时控制。如针对影响居民生活-不良社会舆论关键边，可先由政府部门公布管道泄漏事件的现状与救援进度，其次调配地域间物资以满足居民的日常需求，最后政府部门应控制日常用品的价格，避免某些商家为牟取暴利而不择手段，从而最大限度地缓和输油管道泄漏事件给居民带来的恐慌情绪；针对土壤中重金属元素超标-改变土壤的理化性质关键边，首先应及时对输油管道泄漏区域土壤性质进行检测与监控，其次对重金属超标区域采取物理方法、化学方法以及生物方法进行土壤改良[32]。网络模型接边脆弱度计算结果见表4。

表4 网络模型接边脆弱度(部分)

3.3 最短路径分析

路径长度是指事件A到事件B所经过的连接边长度之和，但因网络模型较复杂，事件A到事件B的路径并不唯一。通过分析城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链演化网络，获得初始事件A到次生事件B的最短路径长度(见表5)。

表5 网络模型最短路径

由表5可知，网络模型的平均最短路径长度为3.2，表明城镇-森林交界域输油管道泄漏事件与其诱发的次生、衍生事件之间联系较为紧密，一般只需要3～4次扩散就会造成灾害的蔓延。通过构建城镇-森林交界域输油管道泄漏灾害链演化模型，发现输油管道泄漏事件不仅会造成环境污染、经济损失、人员伤亡，而且还会影响生态平衡，对生态环境造成严重的不可逆损伤。