晉 良 海，姜 桂 蓮，易 小 鈺，江 新，陳 述1，，4

(1.湖北省水電工程施工與管理重點實驗室(三峽大學)，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學(湖北)安環(huán)科技有限公司，湖北 宜昌 443002； 4.三峽大學 安全生產(chǎn)標準化評審中心，湖北 宜昌 443002)

長距離埋地管道的安全運行不僅是我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進經(jīng)濟快速發(fā)展的重要條件，更是事關(guān)國家能源安全和群眾生命財產(chǎn)安全的大事。長距離埋地管道普遍具有淺埋、薄殼、線狀及內(nèi)含高壓易燃易爆介質(zhì)的特點，即使是較小的地質(zhì)災害也可能造成難以估量的安全威脅。其中，管道水毀災害是發(fā)育最普遍、數(shù)量最多、分布最廣的地質(zhì)災害[1]，嚴重危害管道運行安全，輕則慢性導致管道覆土體被沖刷、防護工程毀壞、管道裸露、懸空、漂管，出露于地表外的管道還將會遭到第三方破壞或空氣腐蝕；重則急性造成管道變形、破裂、斷裂，甚至介質(zhì)泄漏等緊急情況[2-3]。

管道水毀災害的相關(guān)研究始于海底輸油管道沖刷。研究者發(fā)現(xiàn)滲流和渦流狀態(tài)對管道有沖刷作用[4]，采用基于能量守恒的管道和土壤相互作用模型探究管道沖刷侵蝕和管道失穩(wěn)的關(guān)系。隨后，研究者借助電子科學技術(shù)，利用有限元軟件模擬管道受力情況，開拓了軟件模擬管道的新思路，得到了長足應(yīng)用和發(fā)展，大量模擬軟件被應(yīng)用于水毀災害導致的管道失效數(shù)值計算中?，F(xiàn)今，已有多套有限元軟件能對管道懸空、出露、渦旋、震動、水流沖刷等情況作數(shù)值模擬[6]。隨著西氣東輸、川氣東送等大型長距離埋地管道工程的大力開發(fā)，越來越多的管道水毀典型實例被調(diào)查和研究。王生新等[7]基于西北地區(qū)輸油氣管道的水毀災害數(shù)據(jù)及統(tǒng)計的洪積扇區(qū)域管道水毀災害類型，探討了水毀災害對埋地管道水毀防護工程的損毀特征，提出科學適用的水毀防護工程改進方法。王任等[8]根據(jù)對中緬輸油氣管道水毀災害的調(diào)研和統(tǒng)計分析，得出了一種迅捷、經(jīng)濟、安全系數(shù)高、環(huán)境友好的新型管道水毀災害治理方案。國內(nèi)外針對水毀災害孕育特征的成果大多以實例為研究對象，結(jié)合力學、數(shù)學和計算機軟件等技術(shù)，探究管道水毀災害的致災因子和發(fā)育特征。相關(guān)研究成果值得借鑒，但往往具有地區(qū)局限性，缺乏普適性。也有學者借助有限元軟件模擬和GIS平臺等相對較成熟的技術(shù)進行管道水毀風險評價研究，但實施過程一般需要詳盡的數(shù)據(jù)庫或?qū)I(yè)操作人員，成本大。

為提高管道水毀災害防治水平，保證長距離埋地管道運營安全，分析管道水毀災害的孕育特征，提出易發(fā)性和易損性評價指標體系，采取半結(jié)構(gòu)化風險評價方法，構(gòu)建FAHP綜合評價模型，對長距離管道水毀風險進行分級，并以川氣東送管道改遷工程為例進行風險評價，以期為制定水毀災害防治措施提供理論支持。

1 長距離管道水毀災害孕育特征

長距離管道敷設(shè)長度可達幾百上千公里，管道沿線水文、地質(zhì)和氣象等條件復雜多變。管道工程建設(shè)條件復雜，管道工程常受河流、洪水、地下水滲透、降雨、灌溉等水流動力的沖擊侵蝕影響，加之山體滑坡、沖溝、河流改道、河床下切等作用，極易造成管道工程覆土層變薄、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞，進而產(chǎn)生管道裸露、懸空、防腐層損壞、失穩(wěn)變形、介質(zhì)泄露等管道水毀災害現(xiàn)象。

根據(jù)成災原因和基本作用形式，管道水毀災害可分為地面水毀和地下水毀兩類。地表水動力作用對埋地管道覆土層沖刷引起地面水毀災害，根據(jù)地形地貌不同分為坡面、河溝道和臺田地水毀[9]，表現(xiàn)為洪水沖刷、坡面沖刷、山體滑坡、沖溝、河床下切、河流改道等，導致管道埋深不足，出現(xiàn)裸露、懸空、游蕩、變形、斷裂等現(xiàn)象。地面水毀特征具體列于表1。

地下水動力作用對管道巖土體侵蝕沖刷引起地下水毀災害，根據(jù)地下水流態(tài)形式不同，分為滲流水毀和管底槽流水毀[10]，表現(xiàn)出管道底部懸空、管溝沉降、陷穴、落水洞、地面塌陷、本體下沉等現(xiàn)象。地下水毀特征具體列于表2。

2 管道水毀半結(jié)構(gòu)化風險評價方法

2.1 風險評價指標體系

水毀災害危害管道運行安全，影響居民的正常生產(chǎn)生活，甚至威脅群眾的生命財產(chǎn)安全，并對國民經(jīng)濟發(fā)展和社會造成巨大損失。因此，做好長距離管道水毀災害的風險評估與管理工作極具必要性。風險評價是管道水毀災害風險評估的主要依據(jù)，也是災害防控管理的核心環(huán)節(jié)，推行管道水毀災害風險評價是解決災害頻發(fā)的有效手段。通過開展風險評價可對存在的管道水毀災害風險進行辨識和排序，以確定管道水毀災害風險控制的相對優(yōu)先度，實現(xiàn)管道水毀災害風險分級管控。

風險評價指標體系是實現(xiàn)客觀風險評價的基礎(chǔ)，選取指標構(gòu)建風險評價體系時必須遵循系統(tǒng)性、科學性、普適性以及定性與定量結(jié)合的原則[11]。管道水毀災害風險評價內(nèi)容需考慮災害的易發(fā)性和易損性。易發(fā)性因素用于分析水毀災害發(fā)生的概率，易損性因素則可評價災害受體結(jié)構(gòu)的損失程度[12]?；陂L距離管道水毀災害孕育特征，結(jié)合實地調(diào)查、現(xiàn)場試驗及災害分析，參考國內(nèi)外管道水毀災害治理實例和研究成果[13-14]，建立管道水毀災害半結(jié)構(gòu)化風險評價指標體系。管道水毀災害風險評價指標因素多而復雜，部分定性指標難以量化，如地質(zhì)條件、環(huán)境敏感性等因素，因此，本文采用半結(jié)構(gòu)化風險評價體系量化風險指標。半結(jié)構(gòu)化風險評價體系采用定性與定量相結(jié)合的辦法，對不可量化的指標進行分級或打分，并收集可量化的指標數(shù)據(jù)，建立數(shù)學模型，系統(tǒng)全面地分析管道水毀災害風險指標。本方法將所有風險指標的評價建立在同一個風險平臺上進行綜合評判、統(tǒng)一評級，有利于管道水毀災害的分級管理和分重點控制。半結(jié)構(gòu)化風險評價結(jié)合了定性與定量分析的優(yōu)勢，使風險評價方法更具有科學性和經(jīng)濟性，適用于各種地質(zhì)災害、工程安全、事故等影響因素眾多的風險評價[15-16]。

表1 地面水毀災害孕育特征Tab.1 Characteristics of surface water disasters

表2 地下水毀災害孕育特征Tab.2 Features of groundwater disasters

風險評價指標體系采用管道水毀的一些關(guān)鍵性指標，并考慮各因素的交叉性，從易發(fā)性和易損性評價兩個方面，選取9項指標，建立管道水毀災害半結(jié)構(gòu)化風險評價指標體系，如圖1所示。

(1) 洪水流量x1。汛期管道沿線經(jīng)過的洪水流量。

(2) 水毀災害持續(xù)時間x2。管道及其相關(guān)工程設(shè)施的被水毀災害破壞的持續(xù)時間。

(3) 沖刷速度x3。暴雨、洪水等水動力對管道覆土層的沖刷速度。

(4) 降雨強度x4。管道沿線地區(qū)單位時間內(nèi)的降雨深度或單位面積上的降雨體積。

(5) 下切深度x5。由于水流的侵蝕沖刷作用導致河流下向切割的深度。

(6) 地質(zhì)條件x6。沿線地區(qū)地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造條件、巖土體特性、地震參數(shù)、地表水和地下水條件等地質(zhì)現(xiàn)象，即對管道有影響的各種地質(zhì)因素的總稱。

(7) 水毀防護工程有效性x7。管道水毀災害防護設(shè)施的完善性及有效性。

(8) 環(huán)境敏感性x8。管道周圍自然環(huán)境和人類社會經(jīng)濟環(huán)境對管道水毀災害的敏感程度。

(9) 管道易損性x9。反應(yīng)水毀災害對管道造成的危害程度。

圖1 管道水毀災害半結(jié)構(gòu)化風險評價指標體系Fig.1 Semi-structured risk evaluation index system of pipeline water damaged disaster

9個指標中，洪水流量、水毀災害持續(xù)時間、沖刷速度、降雨強度和下切深度5個指標易于獲取具體數(shù)值，而地質(zhì)條件、水毀防護工程有效性、環(huán)境敏感性和管道易損性4個指標難以量化，故結(jié)合半結(jié)構(gòu)化評價方法[15]，對無法準確量化的指標采用專家評分方法。指標評分標準如表3所列。

表3 半結(jié)構(gòu)化風險評價定性指標評分Tab.3 Qualitative index score of semi-structured risk assessment

2.2 FAHP半結(jié)構(gòu)化風險評價模型

該方法的主要步驟包括：① 確定評價指標體系；② 賦權(quán)；③ 確定評判集；④ 模糊綜合評價；⑤ 靈敏性分析。長距離管道的FAHP半結(jié)構(gòu)化風險評價方法敘述如下。

2.2.1主成分分析法賦權(quán)

用x1，x2，…，x9分別表示水毀災害的9個指標。用i=1，2，…，l分別表示管道水毀風險測試點，第i個管道樁號的x1，x2，…，x9的取值分別記作[ai1，ai2，…，ai9]，構(gòu)造矩陣A=(aij)l×9。

(1)

對應(yīng)地，稱式(2)為標準化指標變量：

(2)

Step2：計算相關(guān)系數(shù)矩陣R。相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)9×9，有

(3)

式中：rii=1；rij=rji，rij為第i個指標與第j個指標的相關(guān)系數(shù)。

Step3：計算特征值和特征向量。計算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λ1≥λ2≥…≥λ9≥0，及對應(yīng)標準化特征向量u1，u2，…，u9，其中uj=[u1j，u2j，…，u9j]T，組成9個新的指標變量。

(4)

式中：y1為第1主成分；y2為第2主成分；…；y9為第9主成分。

Step4：選擇p(p≤5)個主成分，計算綜合評價值。計算特征值λj(j=1，2，…，9)的信息貢獻率和累積貢獻率。稱

(5)

為主成分yj的信息貢獻率，而且稱

(6)

為主成分y1，y2，…，yp的累積貢獻率。當αp接近于1(αp=0.85，0.90，0.95)時，則選擇前p個指標變量y1，y2，…，yp作為p個主成分，代替原來5個指標變量，從而可對p個主成分進行綜合分析。

計算綜合得分：

(7)

式中：bj為第j個主成分的信息貢獻率，根據(jù)綜合得分值就可以進行賦權(quán)評價。

2.2.2水毀災害風險分級

建立FAHP綜合評價模型，將管道水毀災害依據(jù)不同的特征進行層次劃分。

Step1：0.1～0.9標度法。對災害指標進行交叉式比較，得到指標間定量的重要程度。

Step2：確定管道水毀災害風險評價的評判集，對管道水毀災害風險進行分級。依據(jù)管道水毀災害特征的水毀屬性，即洪水流量、降雨強度、沖刷速度等，分5級定義評判集。

Step3：確定管道水毀災害風險評價分級的影響因素指標集。將分級評判指標按照某種類型分成幾類，按類分別進行綜合評判；隨后，對各類評判結(jié)果進行類之間的高層次評判。對分級評判指標集合T，按某個屬性c，將它劃分成m個子集，使其滿足：

(8)

這樣就得到了第二級評價因素集合：

T/c={T1，T2，…，Tm}

(9)

根據(jù)前文水毀災害風險評價分級的特點，將影響水毀災害風險評價分級的所有因素集T按水毀災害事件易發(fā)性評價因素(T1)和易損性評價因素(T2)2個方面考慮，歸納為9個維度的影響因素指標。

Step4：確定影響因素指標值。對能量化的評價指標，其值利用數(shù)量統(tǒng)計和數(shù)值計算等方法得出指標的量化值；難以量化的評價指標，其值利用模糊語言和專家打分等方法確定。

Step5：指標模糊化處理。

Step6：計算低層級影響因素指標集的每個因素以獲得高一層級中因素的指標值，并給出隸屬度函數(shù)。建立一個從低層級影響因素指標集U到ρ(v)的Fuzzy映射[17-18]。

V：U→ρ(v)

(10)

0≤rij≤1，0≤i≤n，0≤j≤m

由V可以誘導出Fuzzy關(guān)系，得到Fuzzy矩陣：

R=(rij)，0≤i≤n，0≤j≤m

(11)

其中，rij的確定在模糊數(shù)學中采用隸屬度函數(shù)的方法。管道水毀災害風險評價等級劃分為5級，災害等級(R，O，Y，B，H)隸屬度函數(shù)表示為

(12)

式中：i為每一層次影響因素指標個數(shù)；j=1，2，3，4，5；a，b，c，d為影響因素指標臨界值。

Step7：確定影響要素權(quán)重子集。采用FAHP確定風險評價的權(quán)重系數(shù)，單個層級的n個影響因素指標構(gòu)成一個兩兩比較的判斷矩陣A=(aij)n×n，得出最大特征根對應(yīng)的特征向量，即為管道水毀災害風險評價各影響因素指標的重要性進行排序。

定義一致性指標為公式(13)進行一致性和隨機檢驗。

(13)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根，m為判斷矩陣的階數(shù)。令RI為平均一致性指標，則計算隨機一致性比率為

(14)

當CR<0.1時，則判斷矩陣具有滿意的一致性，即管道水毀災害風險評價的影響因素指標權(quán)重分配合理；反之，需調(diào)整判斷矩陣，直到得出CR<0.1。

Step8：綜合模糊評判。由矩陣R誘導模糊變換為[19]

TR：F(U)→F(V)

(15)

(16)

式中：W是管道水毀災害風險評價分級影響因素指標權(quán)重因子，R是管道水毀風險評價模糊評判矩陣，“°”是模糊關(guān)系合成算子。模型輸出一個管道水毀災害風險評價分級決策B=W°R，即

[bR，bO，bY，bB，bH]=[w1，w2，…，wm]°(rij)

(17)

根據(jù)綜合評價相關(guān)步驟，結(jié)合相關(guān)收集的數(shù)據(jù)，得到各個指標的模糊綜合判斷矩陣R，綜合判斷矩陣如下：

(18)

依據(jù)綜合判斷矩陣R，求解出模糊綜合評價集B，利用相關(guān)公式對各個指標綜合評分，并根據(jù)評分結(jié)果劃分安全評價等級。長距離管道水毀災害風險等級劃分標準如表4所示[13]。

表4 管道水毀災害風險等級劃分標準Tab.4 Criteria for classification of pipeline water damaged disaster risk levels

2.2.3靈敏度分析

對排序結(jié)果進行靈敏度分析，即層次單排序及一次性檢驗。

Step1：尋找影響水毀災害風險評價的最大特征根λmax和特征向量γ，即向量滿足

D×γ=λmax×γ

(19)

Step2：計算一致性指標：

(20)

式中：n表示對應(yīng)矩陣的階數(shù)。

Step3：尋找隨機一致性指標RI的值。

3 工程案例分析

本文選取川氣東送管道改遷工程的樁號WHHNG06～WHHNG15段管道作為工程案例分析對象。川氣東送管道改遷工程位于武漢市漢南區(qū)杜家臺分蓄洪區(qū)下東城垸和紗帽保護區(qū)內(nèi)，其地理位置特殊，且三面環(huán)水、地勢低平，常年有洪澇等水毀災害。據(jù)已調(diào)查的管道改遷工程沿線數(shù)據(jù)顯示，管道沿線遍布水毀災害點。本文結(jié)合實地勘測數(shù)據(jù)和調(diào)查人員打分情況，得到川氣東送改遷工程管道改遷工程10個樁號段管道的水毀風險指標量值，如表5所列。根據(jù)管道水毀災害的各指標評分標準進行專家打分，打分結(jié)果列于表6。

表5 改遷工程管道風險評價指標值Tab.5 Index values of pipeline risk assessment for relocation project

表6 改遷工程管道風險評價指標打分值Tab.6 Scoring values of pipeline risk assessment indicators for relocation projects

基于本文構(gòu)建的FAHP半結(jié)構(gòu)化風險評價模型，采用Python軟件進行模型求解。靈敏度檢驗中得CR取值為0.05，滿足CR<0.1的條件，所以層次總排序具有滿意的一致性，川氣東送管道改遷工程水毀風險評價結(jié)果如圖2所示。

圖2 改遷工程管道水毀風險評價結(jié)果Fig.2 Risk assessment results of pipeline water damaged disaster for relocation project

由FAHP半結(jié)構(gòu)化風險評價結(jié)果可知，從整體上看，樁號WHHNG6～WHHNG15段風險評價評分普遍偏高，管道水毀災害易發(fā)。其中，樁號WHHNG6，WHHNG7和WHHNG13段的管道水毀災害風險最大，其水毀風險評價得分分別為0.88，0.89和0.86，均為高風險級別，應(yīng)按照高風險管理規(guī)范優(yōu)化安全管理，降低管道水毀災害風險水平。基于工程監(jiān)理日志和安全管理資料得知，樁號WHHNG6和WHHNG7段的管道經(jīng)過溝渠，汛期長時間持續(xù)沖溝，易造成管道覆土層變薄，河溝床下切等水毀現(xiàn)象，嚴重威脅管道安全；樁號WHHNG13段管道布置于粉質(zhì)黏土夾粉土層中，與長江大堤壓浸臺最小間距130 m，易受滲流影響，有抗?jié)B和抗浮穩(wěn)定問題，水毀災害持續(xù)時間長。高風險等級的管道敷設(shè)段應(yīng)結(jié)合實際災害點的水毀風險孕育特征，提出針對性措施防治管道水毀災害，著重加強水毀災害防控管理。樁號WHHNG8，WHHNG10，WHHNG12和WHHNG15段管道的風險級別為較高，部分管道敷設(shè)在蓄滯洪區(qū)內(nèi)，汛期分洪時管道被淹沒，受洪水沖刷嚴重，管道水毀災害發(fā)生的可能性較大，應(yīng)設(shè)立管道水毀災害風險監(jiān)測點，實時監(jiān)測管道安全狀態(tài)，確保管道運行安全；樁號WHHNG11和WHHNG14段管道的水毀災害風險等級為中，應(yīng)建立定期檢查機制，加強汛期管道水毀災害預警和防控能力；樁號WHHNG9段管道水毀災害風險等級為較低，水毀災害發(fā)生可能性相對較小，需做好汛期災害風險管理。綜上所述，本文建立的長距離管道水毀孕育風險的半結(jié)構(gòu)化評價模型能夠有效評價管道風險現(xiàn)狀，計算結(jié)果與實際情況相符，能夠為長距離管道運營管理和管道水毀災害治理提供理論支撐。

4 結(jié) 論

為提高長距離埋地管道水毀災害風險辨識和防控能力，本文基于管道水毀災害的分布特點、成災機理、主要孕育因素和危害特征，確定長距離埋地管道水毀災害風險評價內(nèi)容，建立管道水毀災害風險評價指標體系；采用FAHP半結(jié)構(gòu)化風險評價方法對管道水毀災害進行風險分級，并選取川氣東送管道改遷工程進行案例分析，驗證模型有效性。主要結(jié)論如下：

(1) 案例風險評價結(jié)果表明，改遷工程管道水毀災害風險等級普遍較高，需采取相應(yīng)的措施進行災害風險管控，確保管道運行安全。針對不同災害等級的管道敷設(shè)段，應(yīng)結(jié)合實際災害點的水毀風險孕育特征，并采取分級分重點管控措施，促進管道水毀災害風險管控的科學性、經(jīng)濟性和適用性。

(2) FAHP半結(jié)構(gòu)化風險評價方法結(jié)合了定性和定量評價的優(yōu)勢，將所有易發(fā)性和易損性風險指標進行綜合評判、統(tǒng)一評級，有利于系統(tǒng)全面地分析管道水毀災害風險影響因素。該方法能夠客觀反映管道水毀災害的風險等級，能為提升災害風險管控能力提供參考，適用于各種地質(zhì)災害、工程安全、事故等影響因素眾多的風險評價。

(3) 管道水毀災害風險評價指標選取雖應(yīng)結(jié)合定性和定量分析的原則，對于定性視角研究的評價指標主要依靠專家經(jīng)驗進行打分，存在一定的客觀性，對于這類指標的選取原則、評判標準和量化機制需要進一步的研究和改進。