熊俊楠 孫明遠(yuǎn) 孫 銘

1. 西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 2. 四川省第一測(cè)繪工程院

0 引言

根據(jù)對(duì)我國(guó)天然氣管道服役年齡的粗略統(tǒng)計(jì)，服役年齡超過(guò) 20年的天然氣管道占17%（主要是川渝天然氣管網(wǎng)）[1]，隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)管網(wǎng)占?jí)?、部分管道老化、管理不到位、人為破壞，以及途?jīng)地區(qū)地質(zhì)地貌、氣候、城市擴(kuò)張[2]等復(fù)雜多變情況，近年來(lái)一些地方甚至發(fā)生了油氣管道爆炸事故，造成重大人員傷亡，油氣管道的安全性問(wèn)題不容忽視。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面做了大量研究，1992年Muhlbauer[3-4]編寫(xiě)了《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》一書(shū)，被世界各國(guó)接受并作為開(kāi)展油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要依據(jù)。在定量評(píng)估研究中，Kiefner和Vieth對(duì)管道缺陷進(jìn)行了定量評(píng)估，最終被ASME采納用以評(píng)價(jià)管道的表面缺陷[3]。隨后不斷有研究者對(duì)該方法進(jìn)行完善，從單一的研究腐蝕對(duì)管道壽命預(yù)測(cè)，擴(kuò)展到周圍環(huán)境多種因素共同作用下對(duì)管道的評(píng)估預(yù)測(cè)[3]。部分學(xué)者對(duì)管道采空塌陷[5-6]、坡面水毀[7-8]、溝道水毀[9]危險(xiǎn)性進(jìn)行了探索。近年來(lái)針對(duì)我國(guó)國(guó)情建立的長(zhǎng)輸管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也取得了較好效果[10-13]。管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有：定性法、半定量和定量方法[14]。在量化分析的研究工作中，目前主要方法為基于聯(lián)合國(guó)公布的自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)式：風(fēng)險(xiǎn)度＝危險(xiǎn)度×易損度，運(yùn)用指標(biāo)評(píng)分法[15-17]、層次分析法、模糊綜合評(píng)判法等開(kāi)展評(píng)價(jià)[18-20]，其中關(guān)于耦合理論的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的耦合關(guān)系方面研究比較豐富，但對(duì)災(zāi)害與環(huán)境的耦合分析研究較少[21]。災(zāi)害評(píng)價(jià)主要集中于方法上的耦合[22]，如Lozoya等[23]提出了多災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法框架，蓋程程等[24]對(duì)于多災(zāi)種耦合提出了基于GIS的評(píng)估方法，金菊良等[25]運(yùn)用耦合模型建立了水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，賈業(yè)明等[26]運(yùn)用兩類方法耦合建立了燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

針對(duì)耦合協(xié)調(diào)原理在災(zāi)害評(píng)價(jià)中應(yīng)用較少，管道災(zāi)害受多系統(tǒng)相互作用的特性，筆者以蘭成渝長(zhǎng)輸油氣管道廣元段為研究區(qū)，首先對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道進(jìn)行管線分段，采用斜坡單元[27]劃分管道獲得準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。其次根據(jù)山洪泥石流成因選擇影響因子，利用遙感、GIS技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)輸管道按照斜坡單元分段提取指標(biāo)信息，同時(shí)結(jié)合管體自身屬性，建立耦合協(xié)調(diào)模型，對(duì)每段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。最后與成熟的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明耦合協(xié)同原理能夠較好地應(yīng)用于管道風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

蘭成渝長(zhǎng)輸油氣管道廣元段位于管道K558—K640里程段，選取可能對(duì)管道產(chǎn)生影響區(qū)域作為研究區(qū)（圖1）。該區(qū)域位于四川盆地東北部邊緣，山地向盆地過(guò)渡地帶，以中低山地貌為主，地勢(shì)由北向東南傾斜，河谷大多呈“V”形且切割亦深，地形變化明顯。管道地跨3個(gè)構(gòu)造單元且研究區(qū)內(nèi)共有2條大斷裂，處于斷裂帶區(qū)域地質(zhì)環(huán)境惡劣，災(zāi)害頻發(fā)。河谷兩岸主要分布荊棘、灌木等植被，低山和丘陵區(qū)域內(nèi)多種植農(nóng)作物，其他區(qū)域主要有林地、灌木林、草場(chǎng)。研究區(qū)屬嘉陵江水系，降水量豐富導(dǎo)致嘉陵江各支流水量充沛。上述地形地貌為地質(zhì)災(zāi)害提供了條件，旱、澇等自然災(zāi)害頻繁，尤其是洪澇、泥石流、滑坡等災(zāi)害。根據(jù)資料顯示研究區(qū)內(nèi)山洪泥石流地質(zhì)災(zāi)害有20余處，部分山洪泥石流距離管道不足300 m，這些山洪泥石流對(duì)管道的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了較大威脅。

圖1 研究區(qū)范圍簡(jiǎn)圖

2 耦合協(xié)調(diào)原理

耦合原本作為物理學(xué)概念，是指2個(gè)或2個(gè)以上系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)形式通過(guò)各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象。耦合度就是描述系統(tǒng)或要素相互影響的程度。從協(xié)同學(xué)的角度看，耦合作用及其協(xié)調(diào)程度決定了系統(tǒng)在達(dá)到臨界區(qū)域時(shí)走向何種序與結(jié)構(gòu)，即決定了系統(tǒng)由無(wú)序走向有序的趨勢(shì)[28]。長(zhǎng)輸油氣管道山洪泥石流風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，管道受多種復(fù)雜因素影響，在總結(jié)分析該區(qū)域管道可能遭受山洪泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)因素以及評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，筆者采用耦合協(xié)調(diào)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

2.1 耦合度與系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型

從物理學(xué)中耦合系數(shù)模型[29]推廣得到多系統(tǒng)相互作用耦合度：

式中u1、u2分別表示自然系統(tǒng)指數(shù)和管體條件指數(shù)；C表示系統(tǒng)耦合度，C∈[0, 1]，耦合度越趨近于1，表示各子系統(tǒng)之間達(dá)到“良性”共振耦合，說(shuō)明管道危險(xiǎn)性越高，耦合度越趨近于0，則表示整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部要素處于無(wú)關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)向無(wú)序發(fā)展，說(shuō)明管道相對(duì)安全。

耦合度只能說(shuō)明子系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的強(qiáng)弱，不分利弊，有些情況下難以反應(yīng)子系統(tǒng)（自然環(huán)境系統(tǒng)和管體系統(tǒng)）的整體功效和協(xié)同效應(yīng)，特別是在多個(gè)區(qū)域?qū)Ρ妊芯康那闆r下。因此，引入綜合調(diào)和指數(shù)，構(gòu)造自然環(huán)境和管體耦合協(xié)調(diào)模型。

式中T表示自然環(huán)境和管體條件的綜合調(diào)和指數(shù)，強(qiáng)調(diào)耦合程度的大小，體現(xiàn)了協(xié)調(diào)狀況的好壞程度[30]；α1, α2, …, αm表示待定系數(shù) ；D 表示耦合協(xié)調(diào)度。

2.2 熵權(quán)法權(quán)重計(jì)算

在系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型中，權(quán)重對(duì)于評(píng)價(jià)的結(jié)果至關(guān)重要。目前賦予權(quán)重的方法有主觀和客觀兩大類，筆者采用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重。熵權(quán)的基本思路是根據(jù)指標(biāo)差異性的大小來(lái)確定客觀權(quán)重，即熵值越大表示差異越大，信息量越豐富；熵值越小則表示差異程度越小，提供的信息量越少，在評(píng)價(jià)中發(fā)揮的作用越小，權(quán)重也就越小[31]。熵權(quán)法權(quán)重計(jì)算的步驟主要有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、計(jì)算熵和確定熵權(quán)。

原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：

式中rij∈Rmn；原始數(shù)據(jù)共m個(gè)指標(biāo)、n個(gè)評(píng)價(jià)單元；Rmn表示歸一化數(shù)據(jù)。

計(jì)算熵。第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：

確定熵權(quán)。第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：

3 蘭成渝管道風(fēng)險(xiǎn)性的耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)

3.1 自然環(huán)境指標(biāo)

筆者通過(guò)遙感影像和已有文獻(xiàn)資料，收集已發(fā)生山洪泥石流災(zāi)害，獲取廣元段遙感影像、地質(zhì)巖性、降水等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用GIS手段提取流域單元，并將其作為基本單元，獲得管道附近9個(gè)自然環(huán)境指標(biāo)。通過(guò)相關(guān)分析，得到9個(gè)兩兩之間呈弱相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)：高程、坡度、坡向、高差、地形剖面曲率、年降水量、斷層、巖性和歸一化植被指數(shù)（NDVI）（圖 2）。

其中年降水量取自研究區(qū)附近武都、文縣、廣元、劍閣、茂縣等共18個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)克里金插值得到多年平均降水量數(shù)據(jù)。為量化巖性指標(biāo)，筆者將巖性從低到極高危險(xiǎn)量化為5個(gè)值（1、2、3、4、5）。

3.2 管體指標(biāo)

筆者研究K558—K640蘭成渝管道（廣元段），由于管道跨度范圍廣，地形復(fù)雜多變，所以按照不同的斜坡單元對(duì)管道的劃分，分別提取每段管道的埋深、夾角（與斜坡單元夾角）、壁厚、缺陷密度、埋設(shè)位置等5個(gè)指標(biāo)信息（表1）。同時(shí)對(duì)選取的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示相關(guān)性較弱，符合評(píng)價(jià)體系建立原則之一的指標(biāo)間相對(duì)獨(dú)立原則。根據(jù)已有分析[32]和現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重（表2）。

3.3 評(píng)價(jià)過(guò)程及結(jié)果

將上述獲取的自然環(huán)境指標(biāo)和管體指標(biāo)進(jìn)行相交分析，對(duì)長(zhǎng)輸管道廣元段分段，得到180個(gè)管道單元，每個(gè)管道單元有14個(gè)指標(biāo)信息的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包含管體指標(biāo)數(shù)據(jù)（表3）和自然環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)（表4）。

耦合協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)有兩個(gè)子系統(tǒng)，其中管體子系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)為5，自然環(huán)境子系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)為9，根據(jù)式（1）～（2）計(jì)算每個(gè)子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值，利用式（3）～（5）采用熵權(quán)法得到每個(gè)子系統(tǒng)不同指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果如表2所示。

圖2 廣元段管道自然環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)圖

據(jù)耦合協(xié)調(diào)模型，按照式（1）～（2）依次計(jì)算系統(tǒng)耦合度（C）、綜合調(diào)和指數(shù)（T）、耦合協(xié)調(diào)度（D），其中計(jì)算綜合協(xié)調(diào)指數(shù)的待定系數(shù)分別為α1、α2，參考子系統(tǒng)在整個(gè)評(píng)價(jià)體系的貢獻(xiàn)權(quán)重，取α1=0.605 264、α2=0.394 736。計(jì)算結(jié)果表5，耦合協(xié)調(diào)模型評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1 管道指標(biāo)描述表

表2 管道評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)權(quán)重表

表3 廣元段管道管體指標(biāo)數(shù)據(jù)（部分）表

表4 廣元段管道自然環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)（部分）表

4 結(jié)果分析

該研究區(qū)分為管體和自然環(huán)境兩個(gè)子系統(tǒng)，利用熵權(quán)法計(jì)算得到管體子系統(tǒng)所占權(quán)重更高，表明管道本身對(duì)管道能否正常運(yùn)營(yíng)有很大影響。管體子系統(tǒng)的5個(gè)指標(biāo)中管體缺陷密度（管體缺陷密度是利用管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算單位長(zhǎng)度管道出現(xiàn)缺陷、管徑變化、彎頭、附著物等信息的指標(biāo)）占該子系統(tǒng)的權(quán)重最高，達(dá)67.9%，表明管體的缺陷、管徑變化、彎頭、附著物等對(duì)管道的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生了較大影響。自然環(huán)境子系統(tǒng)中NDVI占權(quán)重最高，即管道穿越地區(qū)范圍廣，NDVI數(shù)據(jù)離散程度高，說(shuō)明植被對(duì)管道是否正常運(yùn)營(yíng)影響較為明顯。

耦合協(xié)調(diào)的等級(jí)劃分依據(jù)一直沒(méi)有準(zhǔn)確的定論，常見(jiàn)的分級(jí)方法有標(biāo)準(zhǔn)差、自然間斷點(diǎn)、分位數(shù)、幾何間隔等，通過(guò)綜合考慮，筆者按分位數(shù)進(jìn)行如下劃分：0.35～0.44為低耦合協(xié)調(diào)，0.44～0.47為中度耦合協(xié)調(diào)，0.47～0.50為高度耦合協(xié)調(diào)，0.50～1.00為極高耦合協(xié)調(diào)。分級(jí)結(jié)果與已發(fā)生災(zāi)害、管道損害結(jié)果疊加分析，耦合協(xié)調(diào)度較高的區(qū)域多集中在已發(fā)生災(zāi)害點(diǎn)及管道損傷缺陷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，分級(jí)結(jié)果顯示，研究區(qū)南部管道耦合協(xié)調(diào)度普遍較高，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)加強(qiáng)預(yù)防（表6）。

表5 廣元段管道計(jì)算結(jié)果（部分）表

圖3 廣元段管道耦合協(xié)調(diào)模型評(píng)價(jià)結(jié)果圖

表6 廣元段管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)描述表

5 對(duì)比分析

根據(jù)該區(qū)域已發(fā)生的山洪泥石流信息，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算小流域山洪泥石流危險(xiǎn)度[33]，運(yùn)用熵權(quán)法建立管道易損性評(píng)價(jià)。結(jié)合聯(lián)合國(guó)公布的自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)式（風(fēng)險(xiǎn)度＝危險(xiǎn)度×易損度），得到量化的管道風(fēng)險(xiǎn)度（圖4）。

該方法通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分布規(guī)律分析，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上，利用插值理論，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)樣本矩陣，使樣本矩陣不再依賴其他評(píng)價(jià)方法而獲取，避免了利用專家評(píng)分法、指標(biāo)法等方法構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型過(guò)程中人為因素的影響。同時(shí)為了克服傳統(tǒng)權(quán)重賦值法不考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)指標(biāo)值差異性、賦值過(guò)程中人為影響因素過(guò)大的弊端[34]，利用熵權(quán)法賦值理論建立了適用管道山洪泥石流易損性評(píng)價(jià)模型。最終運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)式完成風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)。

管道風(fēng)險(xiǎn)度與耦合協(xié)調(diào)度對(duì)比分析：同樣按分位數(shù)劃分風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果，按照0.002～0.003、0.003～0.140、0.140～0.300、0.300～1.000劃分為低、中、高、極高4個(gè)等級(jí)。部分評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表7。

圖4 廣元段管道風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果圖

表7 廣元段部分管道評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表

管道 145、144、115、114、113、112、180耦合協(xié)調(diào)度與對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值增減變化趨勢(shì)相同。數(shù)據(jù)表明高度耦合協(xié)調(diào)的管道風(fēng)險(xiǎn)性更大，而低耦合協(xié)調(diào)度的管道風(fēng)險(xiǎn)較低。如表7所示，耦合協(xié)調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果之間存在差異，因?yàn)榈燃?jí)的劃分反應(yīng)的是一種主觀判斷。從數(shù)值結(jié)果分析，兩種方法刻畫(huà)管道之間相對(duì)危險(xiǎn)的程度，大多表現(xiàn)出一致的結(jié)果，表明耦合協(xié)調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)度具有較好的一致性（圖5）。

圖5 廣元段管道單元風(fēng)險(xiǎn)度與耦合協(xié)調(diào)度對(duì)比圖

通過(guò)部分管段和整體結(jié)果的對(duì)比分析，兩種方法對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同，系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型可以通過(guò)各子系統(tǒng)間耦合程度反映整個(gè)系統(tǒng)走向趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合熵權(quán)法確定權(quán)值，避免了受主觀因素影響較多、受歷史資料限制和學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。利用該方法對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行山洪泥石流風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面是可行的，是一種新的量化風(fēng)險(xiǎn)方法。

6 結(jié)論

1）整體上研究區(qū)南部管道風(fēng)險(xiǎn)度和耦合度都偏高，南部管道周圍有較多的已發(fā)生山洪泥石流的災(zāi)害點(diǎn)，該區(qū)域的自然環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造和氣候變化更易誘發(fā)山洪泥石流自然災(zāi)害。利用熵權(quán)法定權(quán)，熵權(quán)數(shù)據(jù)表明本研究區(qū)受管體自身影響較大，尤其是管體自身缺陷。自然環(huán)境指標(biāo)中，植被覆蓋對(duì)管道是否能正常運(yùn)營(yíng)也起著重要作用，所以該段管道應(yīng)注重管體損壞風(fēng)險(xiǎn)和加強(qiáng)植被變化監(jiān)測(cè)。

2）管道是否受自然災(zāi)害威脅，是外部自然環(huán)境條件和管體自身?xiàng)l件之間相互聯(lián)系、共同作用的結(jié)果。通過(guò)蘭成渝長(zhǎng)輸管段廣元段實(shí)例驗(yàn)證，耦合協(xié)調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)度具有較好的一致性，即耦合協(xié)調(diào)程度低，對(duì)應(yīng)于管道的風(fēng)險(xiǎn)度也低，管道受山洪泥石流等自然災(zāi)害或管道本體發(fā)生異常的可能性較低；相反地，高度耦合協(xié)調(diào)的系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于高風(fēng)險(xiǎn)性，管道更易發(fā)生損毀和失效，需要重點(diǎn)防護(hù)和監(jiān)測(cè)。

3）基于耦合協(xié)調(diào)理論研究管道災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為長(zhǎng)輸管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了新思路。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠從多角度全面地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但耦合協(xié)調(diào)模型評(píng)價(jià)結(jié)果受指標(biāo)選取、測(cè)量數(shù)據(jù)、權(quán)重分配等的影響，對(duì)于模型中權(quán)重的設(shè)置，可以通過(guò)主觀和客觀相結(jié)合的賦權(quán)方法提高權(quán)重的合理性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際情況。由于數(shù)據(jù)限制，只采用了管道的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，還可以進(jìn)一步將管道防護(hù)、管道埋設(shè)是否穿城、管道內(nèi)外腐蝕情況、管道線路標(biāo)識(shí)不明、建筑物違章占?jí)旱戎笜?biāo)納入分析評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)也可以劃分為更多的子系統(tǒng)，比如可以加入社會(huì)影響子系統(tǒng)，考慮人口密度、人口工程活動(dòng)等指標(biāo)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確和貼近實(shí)際。