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，黃土區(qū)敷設(shè)的管道沿線普遍發(fā)育的黃土濕陷危險性評價成為研究熱點。依據(jù)物元理論和可拓集合理論，構(gòu)建黃土濕陷危險性評價物元模型。在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境與黃土濕陷基本特征調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，選取14個具代表性的、可量化的評價指標(biāo)，引入灰色關(guān)聯(lián)度法求其權(quán)系數(shù)，采用可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)確定待評物元與危險性分級之間的關(guān)聯(lián)度和隸屬度。通過實際應(yīng)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具有較高的可信度和良好的實用性。

關(guān)鍵詞：可拓法；黃土濕陷；危險性評價；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，近年來越來越多突出的管道地質(zhì)災(zāi)害問題，引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-4]。據(jù)筆者統(tǒng)計，黃土高原管道地質(zhì)災(zāi)害約50%為黃土濕陷，給管道安全運(yùn)營、日常管理帶來了較多的困難[5]。開展管道黃土濕陷危險性評價不僅可為風(fēng)險管理奠定基礎(chǔ)，而且可為其監(jiān)測、防治提供理論依據(jù)，十分有意義。

筆者依據(jù)蔡文提出的可拓理論[6-7]，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法，構(gòu)建指標(biāo)物元模型，評價黃土高原區(qū)集中發(fā)育的典型黃土濕陷危險性，并與PGRMS(管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理系統(tǒng))分析、綜合評價結(jié)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、可量化的評價指標(biāo)，引入灰色關(guān)聯(lián)度法求其權(quán)重，采用可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)確定評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和隸屬度�？赏胤ㄔu價結(jié)果合理可靠，更接近客觀實際，且主觀因素影響較小，具有良好的應(yīng)用前景。

1 可拓理論評價模型

1.1 可拓學(xué)物元模型

可拓法采用形式化工具，從定性和定量兩個角度研究事物的規(guī)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(gòu)成物元R=（N， C， υ）的概念，通過建立多指標(biāo)的質(zhì)量評價模型來反映整個樣本的綜合水平。

假設(shè)物N 具有n 個特征，即C1， C2，…， Cn，則物N關(guān)于特征Ci對應(yīng)的量值υi可構(gòu)成n維物元R，表示如下：

 

1.2 經(jīng)典域和節(jié)域的確定

1.2.1 經(jīng)典域

經(jīng)典域指評價指標(biāo)隸屬于某個評價等級的取值范 圍，表達(dá)式為：

 

1.2.2 節(jié)域

節(jié)域表達(dá)了事物N的某一特征C對應(yīng)的量值范圍，在其范圍內(nèi)事物性質(zhì)具連續(xù)穩(wěn)定性，如式（3）所示。

 

1.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)

可拓理論引進(jìn)距的概念來確定關(guān)聯(lián)度，從而將實變函數(shù)點與量值范圍之間的關(guān)系由“類內(nèi)為同”拓展為“類內(nèi)存異”。域內(nèi)任意一點υj與經(jīng)典域＜atj， btj＞和節(jié)域＜apj， bpj＞的關(guān)聯(lián)函數(shù)Kt（υj）見式（4）。

 

1.4 評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)確定

可拓法中評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)對危險性評價結(jié)果影響較大，為減少主觀因素的影響，該次采用灰色關(guān)聯(lián)度法確定評價指標(biāo)的權(quán)系數(shù)。

1.4.1 數(shù)據(jù)處理

評價指標(biāo)量化值的無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(shù)列

選取參考數(shù)列，記為C0（k ），其他數(shù)列與之比較，得到絕差數(shù)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(shù)

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

 

1.4.4 灰色關(guān)聯(lián)度及權(quán)重

黃土濕陷評價指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度rj由式（10）求得，結(jié)果表示為﹛r1， r2，…， r14﹜；利用式（11）計算其權(quán)系數(shù)ωj。

 

1.5 危險性評價物元模型構(gòu)建

可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)合評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)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(jù)式（13）可得最大關(guān)聯(lián)度值對應(yīng)的 t 即為黃土濕陷的危險性等級。

2 黃土濕陷危險性評價模型構(gòu)建及應(yīng)用

2.1 研究區(qū)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(zāi)害頻發(fā)期，且豐水年易發(fā)育管道地質(zhì)災(zāi)害。該區(qū)域地層主要為黃土和火山巖、變質(zhì)巖、沉積巖。

據(jù)2019年地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料，該區(qū)域共發(fā)育災(zāi)害109處，其中黃土濕陷54處，占發(fā)育災(zāi)害總量的49.54%。隨機(jī)選取10處黃土濕陷作為研究對象，依據(jù)SY/T 6828―2017《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理技術(shù)規(guī)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、水毀類型、影響長度等進(jìn)行調(diào)查、測量與定性評判，基本特征見表 1。

 

2.2 評價指標(biāo)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、時空差異性較大，故參評因子選取是否合理直接影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和實用性。筆者在野外調(diào)查、災(zāi)害分析和PGRMS應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)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(zāi)害發(fā)育特征（C6）、管道與塌陷夾角（C7）、管道埋深的倒數(shù)（C8）、災(zāi)害活動情況（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）、人類工程活動（C14）等14個影響因素作為可拓物元模型的評價指標(biāo)。

為滿足工程需要，將黃土濕陷危險性劃分為低、較低、中、較高、高5個等級；依據(jù)已有研究及統(tǒng)計成果，其評價指標(biāo)可拓分級標(biāo)準(zhǔn)如表 2所示。再據(jù)表 2，黃土濕陷危險性分級經(jīng)典域和節(jié)域如表 3所示。

 

2.3 待評物元

選取的10處黃土濕陷災(zāi)害點列為一組評價單元，創(chuàng)建的待評物元如式（14）所示。依據(jù)表 1，評價單元實測值結(jié)合調(diào)查人員評分結(jié)果得評價指標(biāo)量化值，見表 4。

 

2.4 物源模型計算結(jié)果

通過式（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(shù)K t(υj)；結(jié)合評價指標(biāo)權(quán)系數(shù)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(yīng)的危險性等級見表 5。

 

2.5 評價結(jié)果對比分析

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

綜上，可拓法定性—定量評價結(jié)果與綜合評價結(jié)果具有較高的一致性，而與PGRMS評價結(jié)果一致性較差，主要是因為綜合評價由專家根據(jù)以往經(jīng)驗、結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行評判，更符合客觀情況。

3 結(jié)論

（1）油氣管道黃土濕陷危險性評價是風(fēng)險管理的基礎(chǔ)和安全運(yùn)營的保障，采用可拓法對其進(jìn)行危險性評價嘗試，結(jié)果與實際情況基本吻合。

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

（3）與PGRMS分析、綜合評價相比，可拓法理論較為嚴(yán)謹(jǐn)，計算過程較為簡單，評價結(jié)果合理可靠，主觀因素影響較小，具有良好的應(yīng)用前景。

（4）基于灰色關(guān)聯(lián)度的可拓法中，選取的評價指標(biāo)是否科學(xué)合理、其量化值是否準(zhǔn)確可信直接影響評價結(jié)果的客觀和實用性。

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

 

參考文獻(xiàn)：

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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(zāi)害防治工作。聯(lián)系方式：13619328002， liuxh18@lzu.edu.cn。