基于GIS的油氣管道高后果區(qū)識別研究

楊宏偉 張 松 管 磊 信 碩

1. 中國石油規(guī)劃總院, 北京 100083;2. 中油國際尼羅河公司, 北京 100034

0 前言

油氣管道作為天然氣和石油的主要運輸方式,具有安全、穩(wěn)定、運輸效率高等特點,對保障我國能源安全供需以及經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展具有重大意義。近30年來,我國經(jīng)濟發(fā)展取得了巨大成就,油氣管道建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展。截至2017年,我國陸上油氣管道總里程超過12×104km,覆蓋全國31個省市自治區(qū),基本形成了全國油氣管網(wǎng)[1]。油氣管道已成為推動我國經(jīng)濟發(fā)展的能源動脈,影響千家萬戶。

由于油氣管道運輸?shù)慕橘|(zhì)屬于易燃、易爆和易擴散的危險化學品,如果管道由于腐蝕或遭受外力破壞發(fā)生泄漏、爆炸事故,將對管道附近居民的人生和財產(chǎn)安全、社會生活、自然環(huán)境造成較大危害[2-3]。近年來,我國油氣管道事故常有發(fā)生,尤其是一些發(fā)生在居民密集地段的管道事故,造成了重大人員傷亡和環(huán)境污染,產(chǎn)生了較大的社會危害和影響。如,2010年7月大連新港管道發(fā)生火災造成50 km2的海面污染[4],2013年11月青島東黃管線發(fā)生特大爆炸造成300多人傷亡,經(jīng)濟損失達7.5億元[5]。

高后果區(qū)是指如果管道發(fā)生泄漏會危及公眾安全,對財產(chǎn)、環(huán)境造成較大破壞的區(qū)域[6]。因此,快速、準確地識別油氣管道事故可能造成嚴重后果的高后果區(qū)段,對管道管理人員合理利用資源,針對性地制定管理方案,加強監(jiān)管和防護,保障管道長期安全穩(wěn)定運營,避免重大事故發(fā)生,降低管道沿線人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞具有重要作用。

1 高后果區(qū)識別現(xiàn)狀

1.1 高后果區(qū)識別的技術(shù)現(xiàn)狀

高后果區(qū)的研究最早出現(xiàn)于歐美國家。美國的研究最成熟,已頒布了關(guān)于高后果區(qū)的數(shù)部法案和法規(guī),明確了管道高后果區(qū)管理的方案、細則和標準。美國目前運行的輸氣管道長約53×104km,液體燃料管道長約26×104km。為了提高油氣管道安全管理水平,2001年,美國出臺了API 1160-2001“Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipeline”規(guī)程[7],提出了高后果區(qū)識別的相關(guān)規(guī)程、方法。2002年11月,美國國會通過了“H.R.3609:The Pipeline Safety Improvement Act of 2002,PSIA”(增進管道安全性法案),該法案對管道開展完整性管理提出了強制要求,明確規(guī)定了運營商要在管道高后果區(qū)實施完整性管理[8];在該法案的基礎(chǔ)上,美國交通運輸部發(fā)布了油氣等危險品管道安全管理的建議規(guī)則。2003年,美國聯(lián)邦法典(Code of Federal Regulation,CFR)第49 CFR 192規(guī)程[9]明確了輸氣管道高后果區(qū)的定義、界定、識別和計算方法以及完整性管理內(nèi)容;第49 CFR 195規(guī)程明確了危險液體管道高后果區(qū)相關(guān)管理要求。目前,美國運輸部已開發(fā)了全球GIS數(shù)據(jù)庫[10],該數(shù)據(jù)庫能提供管道沿線周邊環(huán)境、生態(tài)分布、人口密集分布數(shù)據(jù),繪制出全美地區(qū)的管道高后果區(qū)域圖,對高后果區(qū)的管理,減少高后果區(qū)事故發(fā)生具有重要幫助。印度GAIL公司[11]利用遙感和GIS系統(tǒng)等先進的地理信息技術(shù)對管道沿線的自然環(huán)境和人口分布情況進行分析,界定了管道安全邊界,對高后果區(qū)的識別準確性具有顯著效果。

國內(nèi)對油氣管道高后果區(qū)的研究起步較晚,沒有明確的法律法規(guī)支撐。由于近年來不斷發(fā)生的油氣管道安全事故,給人民生命財產(chǎn)以及環(huán)境造成了嚴重影響，國內(nèi)管道公司開始重視管道高后果區(qū)研究。2009年,中國石油最先形成了關(guān)于高后果區(qū)識別、管理的企業(yè)標準Q/SY 1180.2-2009《管道完整性管理規(guī)范》,其中定義了高后果區(qū),明確要求評估高后果區(qū)是油氣管道運行必不可少的一個環(huán)節(jié)[12]。2010年,張燃等人[13]研究了輸氣管道高后果區(qū)失效后的運行風險水平,并制定了高后果區(qū)的科學管理方案。2011年,曹斌等人[14]分析了高后果區(qū)失效的第三方因素,提出了保障高后果區(qū)管段可靠性措施。2014年,馬廷霞等人[15]通過相關(guān)軟件開發(fā)了高后果區(qū)因素數(shù)據(jù)庫。2015年,出臺了首個關(guān)于油氣管道高后果區(qū)的國家標準GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》,提出了高后果區(qū)的識別準則,識別工作的基本要求及管理要求。2016年,王帥[16]利用構(gòu)建的管道高后果區(qū)評價單元及模型,對石油管道進行了高后果區(qū)的識別及風險評價。2017年,張振永等人[17]在中俄東線失效等級研究中,改進了風險矩陣,并進行了高后果區(qū)的評估。

1.2 高后果區(qū)識別的類型

油氣管道在高后果區(qū)發(fā)生泄漏事故,造成危害和影響的類型一般分為三類。

1)人員傷亡:油氣管道在城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村等居民密集區(qū)域,或?qū)W校、商場、醫(yī)院、集市等特定的大規(guī)模人口活動密集地段發(fā)生泄漏而造成火災或爆炸事故,可能會導致重大傷亡事故。

2)重要設(shè)施損壞:油氣管道在工廠、發(fā)電站等重要工業(yè)設(shè)施，或鐵路、加油站、車站、碼頭等重要基礎(chǔ)設(shè)施，或地下管道等地下構(gòu)筑物地段發(fā)生火災或爆炸事故,可能會造成重要設(shè)施損壞,對社會生活和生產(chǎn)活動產(chǎn)生嚴重破壞,導致重大經(jīng)濟財產(chǎn)損失。

3)環(huán)境污染:油氣管道在重要河流、大型水域、濕地、自然保護區(qū)等環(huán)境敏感地段發(fā)生泄漏,會造成生態(tài)環(huán)境破壞,對當?shù)厣鷳B(tài)造成長期影響。

總的來說,高后果區(qū)可以分為以上三類,也可以是以上任意兩類組合以及包含全部三類[18]。

2 基于GIS高后果區(qū)識別方法

油氣管道是一個線性工程,而管道高后果區(qū)識別的主要內(nèi)容是識別出管道周圍一定距離寬度空間區(qū)域內(nèi)的人員密集區(qū)、重要基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境敏感點等自然和社會因素點,屬于地理空間分析的范疇。GIS(Geographic Information System)作為一門計算機操作工具可以用于數(shù)據(jù)采集、管理、分析、輸入和輸出[19]。GIS集計算機科學、地理學、環(huán)境科學、空間科學、測繪遙感學、城市科學、信息科學與管理科學為一體，可將真實世界的地理數(shù)據(jù)信息以數(shù)字地圖中的不同地理圖層來記錄[20]、處理、分析和展示。GIS作為一種先進地理空間分析技術(shù),具有強大的空間分析功能。GIS緩沖分析方法能夠精確地識別出線性地物兩側(cè)指定距離寬度的空間區(qū)域范圍,很好地支撐管道沿線高后果區(qū)的識別工作。

2.1 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析,又叫鄰域分析,是一種常見的GIS空間分析算法。緩沖區(qū)分析指針對點、線、面等地理空間對象,通過計算機自動構(gòu)建其周圍指定寬度的空間區(qū)域,實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)在其領(lǐng)域延伸的地理空間分析方法。常用于分析地理對象的影響范圍,如一個化工廠排放廢氣的污染范圍,交通線兩側(cè)拆遷范圍,緩沖區(qū)也可以是地理對象的服務(wù)范圍,如河流的灌溉范圍,電力線路的供電范圍,商場、醫(yī)院、銀行的服務(wù)范圍等。

緩沖區(qū)分析的基本思想是給定一個空間實體,確定其鄰域,鄰域大小由鄰域半徑R決定?？臻g實體Oi的緩沖區(qū)可以定義為:

Bi={x:d(x,Oi)δR}

(1)

式中:對象Oi的半徑R的緩沖區(qū)是全部距Oi的距離d小于等于R的點的集合,d一般是指最小歐式距離。對于多個對象的集合:O={Oi:i=1,2,…,n}。

緩沖區(qū)分析原理見圖1。

圖1 緩沖區(qū)分析原理示意圖

2.2 識別的主要流程

1)管道中心線數(shù)據(jù)獲取。通過PCM等管道外腐蝕電磁檢查設(shè)備現(xiàn)場獲取管道中心線坐標數(shù)據(jù)。

2)管道沿線遙感影像數(shù)據(jù)獲取。通過奧維等軟件獲取管道沿線遙感影像數(shù)據(jù),影像數(shù)據(jù)要滿足時效性和識別分辨率的精度要求。

3)數(shù)據(jù)標準化。將管道中心線坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS格式,和管道沿線遙感影像數(shù)據(jù)一并輸入到GIS系統(tǒng),統(tǒng)一數(shù)據(jù)參考的地理和投影坐標系統(tǒng)。

4)基于GIS緩沖區(qū)分析。依據(jù)油氣管道高后果區(qū)識別規(guī)則,確定管道中心線兩側(cè)的識別距離邊界。根據(jù)距離邊界,在GIS系統(tǒng)中對管道中心線進行緩沖區(qū)分析,獲得管道中心線兩側(cè)的緩沖區(qū)塊。

5)遙感影像解譯。對管道中心線兩側(cè)緩沖區(qū)區(qū)域內(nèi)的遙感影像進行解譯,識別出緩沖區(qū)內(nèi)居民區(qū)、國道、鐵路、森林、河流等重要地形地物。地形地物特征可通過目視解譯或影像解譯方法進行識別,地形地物特征分布稀疏且簡單的情況下,可依據(jù)高清遙感影像直接目視識別出管線兩側(cè)河流、居民區(qū)等影響因素,地形、地物特征分布較密集且復雜的情況下,可以通過樣本訓練,監(jiān)督分類的方法對其進行識別和提取。

6)高后果區(qū)識別。根據(jù)第5)步中解譯出來的管道中心線兩側(cè)50 200 m距離邊界范圍內(nèi)的地形地物特征,結(jié)合表1輸油管道高后果區(qū)識別規(guī)則,初步識別出管道沿線的高后果區(qū)并對其分級,最后進行現(xiàn)場定位復核,最終確認管道沿線高后果區(qū)數(shù)量和級別。

表1 輸油管道高后果區(qū)識別規(guī)則表

基于GIS高后果區(qū)具體識別流程見圖2。

圖2 高后果區(qū)識別流程圖

2.3 高后果區(qū)判定標準

基于GIS分析和解譯出管線兩側(cè)距離邊界內(nèi)的地形地物,管道高后果區(qū)段的判定標準按照表1要求進行,管道中心線兩側(cè)50 m內(nèi)主要關(guān)注是否有高速公路、國道、省道、鐵路及易燃易爆等場所,管道中心線兩側(cè) 200 m 范圍內(nèi)主要關(guān)注人口密集程度、環(huán)境敏感點情況。

3 基于GIS高后果區(qū)識別實踐

3.1 項目背景

某管道高后果區(qū)識別的工作區(qū)域所在鎮(zhèn)區(qū)面積約245 km2,轄18個村,91個村小組,2 000余戶,10 000余人。整個地貌呈“一川兩嶺三條溝”,兩側(cè)山峁起伏,表層全被黃土覆蓋。溝壑縱橫,狹窄陡竣,下部紅砂石懸崖縱立,上部紅粘土多外露,自然植被差。境內(nèi)交通便捷,信息通暢,基礎(chǔ)條件較好。工作區(qū)域內(nèi)分布著2條小型河流,河寬約20 m,常年有流水,管道周邊零散分布著居民區(qū),人口密度低。

3.2 管道基本情況

本次高后果區(qū)識別管線總共9條,管線基本情況見表2。

表2 管線基本信息表

3.3 基于GIS高后果區(qū)識別

依據(jù)PCM設(shè)備檢測到9條管線的中心線坐標數(shù)據(jù),將坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS數(shù)據(jù)格式。利用地圖數(shù)據(jù)軟件,下載各條管線沿線的遙感影像,并統(tǒng)一輸入到GIS系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)標準化,統(tǒng)一管線中心線和沿線遙感影像的地理參考系,接著利用GIS緩沖區(qū)分析方法,分別識別出各條管線中心線兩側(cè)50、200 m的距離邊界,解譯出各條管線兩側(cè)的遙感影像人口密集區(qū)、重要設(shè)施、環(huán)境敏感點等地形地物特征,依據(jù)高后果區(qū)的識別規(guī)則識別出各條管線的高后果區(qū),依據(jù)表1的識別規(guī)則,對管道中心線兩側(cè)50、200 m邊界范圍內(nèi)，河流和居民等地形地物特分布情況進行管道管段高后果區(qū)識別,最后進行現(xiàn)場復核,確認管道沿線的高后果區(qū)。

3.4 識別結(jié)果

3.4.1 1#管線

在GIS系統(tǒng)中,結(jié)合遙感影像可知,1#管線由南向北敷設(shè),管線長度3.8 km。該管線105～190 m處、3 470～3 520 m處管線西側(cè)200 m區(qū)域內(nèi)有河流流過,269～650 m處管線兩側(cè)50 m范圍內(nèi)存在建筑物,1#管線高后果區(qū)識別情況見圖3。

通過現(xiàn)場人員踏勘復核得知269～650 m處管線周圍建筑物為農(nóng)戶居住場所,不屬于易燃易爆場所。故該管線存在2處高后果區(qū),分別為HCA 001(105～190 m),Ⅲ級和HCA 002(3 470～3 520 m),Ⅲ級。

3.4.2 2#管線

2#管線由東北向西南敷設(shè),管線長度5.5 km。通過GIS分析,結(jié)合遙感影像可知該管線1 150～2 080 m處管線兩側(cè)200 m區(qū)域內(nèi)有河流流過,5 200～5 500 m處管線兩側(cè)50 m范圍內(nèi)存杏河集輸站,為易燃易爆場所,1 280～1 315 m處、3 390～3 53 0 m處、4 840～4 980 m處管段兩側(cè)50 m范圍內(nèi)存在建筑物,管線高后果區(qū)識別情況見圖4。

圖3 1#管線高后果區(qū)識別圖

圖4 2#管線高后果區(qū)識別圖

通過現(xiàn)場人員踏勘復核得知1 280～1 315 m處、3 390～3 530 m處、4 840～4 980 m處周圍建筑物均為農(nóng)戶居住場所,不屬于易燃易爆場所。故2#管線的高后果區(qū)為2處,分別是HCA 001(1 150～2 080 m),Ⅲ級和HCA 002(5 200～5 500 m),Ⅰ級。

其余7條管線如上分別進行了高后果區(qū)識別工作。

4 結(jié)論

全國油氣管網(wǎng)已基本形成,如何保障管道的安全穩(wěn)定運行,避免發(fā)生安全事故,是今后管道管理工作的重中之重。高后果區(qū)的識別工作作為管道安全管理的前期工作,顯得尤為重要。目前,管道高后果區(qū)的識別工作,主要是管道管理、巡線人員進行現(xiàn)場勘測識別,存在工作任務(wù)重、效率低,識別準確率低的問題。本文結(jié)合現(xiàn)行遙感影像數(shù)據(jù)、GIS技術(shù),提出了一種關(guān)于管道高后果區(qū)識別新方法。實踐證明,基于GIS的高后果區(qū)識別方法能夠快速、準確地進行高后果區(qū)的識別工作,具有效率高,節(jié)省人力、財力和物力的優(yōu)勢,能較好地支撐管道安全管理工作。

我國地形地貌多樣,管道沿線的自然和社會環(huán)境復雜多變,高后果區(qū)識別工作內(nèi)容多、任務(wù)重,未來應該充分利用現(xiàn)有的地理信息數(shù)據(jù)和先進的地理信息技術(shù),實現(xiàn)高后果區(qū)的自動識別、提取和分析統(tǒng)計功能。