劉小暉1,2 張小建1 武鍇1 鄧豐林1 馬燁1

1. 西南管道蘭州輸油氣分公司； 2. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院

 

 

摘  要：近年來(lái)，黃土區敷設的管道沿線(xiàn)普遍發(fā)育的黃土濕陷危險性評價(jià)成為研究熱點(diǎn)。依據物元理論和可拓集合理論，構建黃土濕陷危險性評價(jià)物元模型。在區域地質(zhì)環(huán)境與黃土濕陷基本特征調查研究的基礎上，選取14個(gè)具代表性的、可量化的評價(jià)指標，引入灰色關(guān)聯(lián)度法求其權系數，采用可拓關(guān)聯(lián)函數確定待評物元與危險性分級之間的關(guān)聯(lián)度和隸屬度。通過(guò)實(shí)際應用和對比分析，證明基于灰色關(guān)聯(lián)度的可拓法用于油氣管道黃土濕陷危險性評價(jià)具有較高的可信度和良好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：可拓法；黃土濕陷；危險性評價(jià)；灰色關(guān)聯(lián)度

 

 

黃土高原作為能源管網(wǎng)東西和南北交叉點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越多突出的管道地質(zhì)災害問(wèn)題，引起國內外學(xué)者的關(guān)注[1-4]。據筆者統計，黃土高原管道地質(zhì)災害約50%為黃土濕陷，給管道安全運營(yíng)、日常管理帶來(lái)了較多的困難[5]。開(kāi)展管道黃土濕陷危險性評價(jià)不僅可為風(fēng)險管理奠定基礎，而且可為其監測、防治提供理論依據，十分有意義。

筆者依據蔡文提出的可拓理論[6-7]，結合灰色關(guān)聯(lián)度法，構建指標物元模型，評價(jià)黃土高原區集中發(fā)育的典型黃土濕陷危險性，并與PGRMS(管道地質(zhì)災害風(fēng)險管理系統)分析、綜合評價(jià)結果進(jìn)行對比。從黃土濕陷危險性眾多影響因素中選取具有代表性的、可量化的評價(jià)指標，引入灰色關(guān)聯(lián)度法求其權重，采用可拓關(guān)聯(lián)函數確定評價(jià)指標的關(guān)聯(lián)度和隸屬度�？赏胤ㄔu價(jià)結果合理可靠，更接近客觀(guān)實(shí)際，且主觀(guān)因素影響較小，具有良好的應用前景。

1 可拓理論評價(jià)模型

1.1 可拓學(xué)物元模型

可拓法采用形式化工具，從定性和定量?jì)蓚�(gè)角度研究事物的規律和解決方法，其核心為物元理論和可拓集合理論�？赏貙W(xué)物元理論提出由事物N、特征C及量值υ構成物元R=（N， C， υ）的概念，通過(guò)建立多指標的質(zhì)量評價(jià)模型來(lái)反映整個(gè)樣本的綜合水平。

假設物N 具有n 個(gè)特征，即C1， C2，…， Cn，則物N關(guān)于特征Ci對應的量值υi可構成n維物元R，表示如下：

 

1.2 經(jīng)典域和節域的確定

1.2.1 經(jīng)典域

經(jīng)典域指評價(jià)指標隸屬于某個(gè)評價(jià)等級的取值范 圍，表達式為：

 

1.2.2 節域

節域表達了事物N的某一特征C對應的量值范圍，在其范圍內事物性質(zhì)具連續穩定性，如式（3）所示。

 

1.3 關(guān)聯(lián)函數

可拓理論引進(jìn)距的概念來(lái)確定關(guān)聯(lián)度，從而將實(shí)變函數點(diǎn)與量值范圍之間的關(guān)系由“類(lèi)內為同”拓展為“類(lèi)內存異”。域內任意一點(diǎn)υj與經(jīng)典域＜atj， btj＞和節域＜apj， bpj＞的關(guān)聯(lián)函數Kt（υj）見(jiàn)式（4）。

 

1.4 評價(jià)指標權系數確定

可拓法中評價(jià)指標權系數對危險性評價(jià)結果影響較大，為減少主觀(guān)因素的影響，該次采用灰色關(guān)聯(lián)度法確定評價(jià)指標的權系數。

1.4.1 數據處理

評價(jià)指標量化值的無(wú)量綱化處理采用均值變換法，如式（5）所示。

 

1.4.2 創(chuàng )建絕差數列

選取參考數列，記為C0（k ），其他數列與之比較，得到絕差數列∆j（k），并求出∆j（k） max和∆j（k） min，分別表示如下：

 

1.4.3 計算關(guān)聯(lián)系數

比較數列Cj（k）與參考數列C0（k）的關(guān)聯(lián)系數rj（k）表示為：

 

1.4.4 灰色關(guān)聯(lián)度及權重

黃土濕陷評價(jià)指標灰色關(guān)聯(lián)度rj由式（10）求得，結果表示為﹛r1， r2，…， r14﹜；利用式（11）計算其權系數ωj。

 

1.5 危險性評價(jià)物元模型構建

可拓關(guān)聯(lián)函數結合評價(jià)指標權系數得到待評物元黃土濕陷N與危險性分級t 的關(guān)聯(lián)度為：

 

依據式（13）可得最大關(guān)聯(lián)度值對應的 t 即為黃土濕陷的危險性等級。

2 黃土濕陷危險性評價(jià)模型構建及應用

2.1 研究區域概況

蘭成管道K0－K278段管道地處黃土高原南緣，受季風(fēng)影響，全年降水量的50%～70%集中在7～9月，降雨期也是地質(zhì)災害頻發(fā)期，且豐水年易發(fā)育管道地質(zhì)災害。該區域地層主要為黃土和火山巖、變質(zhì)巖、沉積巖。

據2019年地質(zhì)災害調查資料，該區域共發(fā)育災害109處，其中黃土濕陷54處，占發(fā)育災害總量的49.54%。隨機選取10處黃土濕陷作為研究對象，依據SY/T 6828―2017《油氣管道地質(zhì)災害風(fēng)險管理技術(shù)規范》，對濕陷面積、濕陷形狀、濕陷最大深度、植被情況、匯水條件、微地貌形態(tài)、與管道空間關(guān)系、水毀類(lèi)型、影響長(cháng)度等進(jìn)行調查、測量與定性評判，基本特征見(jiàn)表 1。

 

2.2 評價(jià)指標的選取與可拓分級

油氣管道黃土濕陷危險性影響因素較多、時(shí)空差異性較大，故參評因子選取是否合理直接影響評價(jià)結果的準確性和實(shí)用性。筆者在野外調查、災害分析和PGRMS應用基礎上，結合已有學(xué)者研究成果，選取黃土濕陷面積（C1）、管道受影響 長(cháng)度（C2）、危害管道程度（C3）、微地貌形態(tài)（C4）、與管道空間關(guān)系（C5）、災害發(fā)育特征（C6）、管道與塌陷夾角（C7）、管道埋深的倒數（C8）、災害活動(dòng)情況（C9）、管道附件環(huán)境敏感性（C10）、水力侵蝕方式（C11）、暴雨頻次/年（C12）、多年最大日均降雨量（C13）、人類(lèi)工程活動(dòng)（C14）等14個(gè)影響因素作為可拓物元模型的評價(jià)指標。

為滿(mǎn)足工程需要，將黃土濕陷危險性劃分為低、較低、中、較高、高5個(gè)等級；依據已有研究及統計成果，其評價(jià)指標可拓分級標準如表 2所示。再據表 2，黃土濕陷危險性分級經(jīng)典域和節域如表 3所示。

 

2.3 待評物元

選取的10處黃土濕陷災害點(diǎn)列為一組評價(jià)單元，創(chuàng )建的待評物元如式（14）所示。依據表 1，評價(jià)單元實(shí)測值結合調查人員評分結果得評價(jià)指標量化值，見(jiàn)表 4。

 

2.4 物源模型計算結果

通過(guò)式（4）得待評物元黃土濕陷HS-01～HS-10與風(fēng)險等級j1～j5之間的關(guān)聯(lián)系數K t(υj)；結合評價(jià)指標權系數ωj，由式（12）、式（13）計算得待評物元危險性關(guān)聯(lián)度Kt（N ）和隸屬度Rt（N ），詳情及其對應的危險性等級見(jiàn)表 5。

 

2.5 評價(jià)結果對比分析

采用可拓法、 PGRMS分析及綜合評價(jià)對10處黃土濕陷分別進(jìn)行危險性評價(jià)，對比結果得到：①可拓法與綜合評價(jià)結果一致性比例達70%，偏低比例30%；②可拓法與PGRMS評價(jià)結果一致性比例達40%，偏高30%，偏低30%；③PGRMS與綜合評價(jià)結果一致性比例達60%，偏高20%，偏低20%；④可拓法、 PGRMS與綜合評價(jià)結果危險性等級差∆t =1的占比90%，未出現較大的差異性。

綜上，可拓法定性—定量評價(jià)結果與綜合評價(jià)結果具有較高的一致性，而與PGRMS評價(jià)結果一致性較差，主要是因為綜合評價(jià)由專(zhuān)家根據以往經(jīng)驗、結合現場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行評判，更符合客觀(guān)情況。

3 結論

（1）油氣管道黃土濕陷危險性評價(jià)是風(fēng)險管理的基礎和安全運營(yíng)的保障，采用可拓法對其進(jìn)行危險性評價(jià)嘗試，結果與實(shí)際情況基本吻合。

（2）可拓物元模型采用灰色關(guān)聯(lián)度法確定已量化評價(jià)指標的權系數，減少了主觀(guān)因素對評價(jià)結果的影響，但其僅選取濕陷面積作為參考數列可能存在缺陷。

（3）與PGRMS分析、綜合評價(jià)相比，可拓法理論較為嚴謹，計算過(guò)程較為簡(jiǎn)單，評價(jià)結果合理可靠，主觀(guān)因素影響較小，具有良好的應用前景。

（4）基于灰色關(guān)聯(lián)度的可拓法中，選取的評價(jià)指標是否科學(xué)合理、其量化值是否準確可信直接影響評價(jià)結果的客觀(guān)和實(shí)用性。

（5）可拓理論采用定性和定量相結合的研究方法，建立多指標物元模型，為黃土濕陷及其他地質(zhì)災害危險性評價(jià)提出了新的研究思路。

 

參考文獻：

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[7] 蔡文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法[M].北京：科學(xué)出版社， 1997.

 

作者簡(jiǎn)介： 劉小暉 ， 1 9 8 6 年生，碩士、工程師，主要從事油氣管道地質(zhì)災害防治工作。聯(lián)系方式：13619328002， liuxh18@lzu.edu.cn。