基于GIS的油氣管道高后果區識別研究

楊宏偉 張 松 管 磊 信 碩

1. 中國石油規劃總院, 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、穩定、運輸效率高等特點,對保障我國能源安全供需以及經濟穩定發展具有重大意義。近30年來,我國經濟發展取得了巨大成就,油氣管道建設也得到了迅猛發展。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,基本形成了全國油氣管網[1]。油氣管道已成為推動我國經濟發展的能源動脈,影響千家萬戶。

由于油氣管道運輸的介質屬于易燃、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生泄漏、爆炸事故,將對管道附近居民的人生和財產安全、社會生活、自然環境造成較大危害[2-3]。近年來,我國油氣管道事故常有發生,尤其是一些發生在居民密集地段的管道事故,造成了重大人員傷亡和環境污染,產生了較大的社會危害和影響。如,2010年7月大連新港管道發生火災造成50 km2的海面污染[4],2013年11月青島東黃管線發生特大爆炸造成300多人傷亡,經濟損失達7.5億元[5]。

高后果區是指如果管道發生泄漏會危及公眾安全,對財產、環境造成較大破壞的區域[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,加強監管和防護,保障管道長期安全穩定運營,避免重大事故發生,降低管道沿線人員傷亡、財產損失和環境破壞具有重要作用。

1 高后果區識別現狀

1.1 高后果區識別的技術現狀

高后果區的研究最早出現于歐美國家。美國的研究最成熟,已頒布了關于高后果區的數部法案和法規,明確了管道高后果區管理的方案、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”規程[7],提出了高后果區識別的相關規程、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,明確規定了運營商要在管道高后果區實施完整性管理[8];在該法案的基礎上,美國交通運輸部發布了油氣等危險品管道安全管理的建議規則。2003年,美國聯邦法典(Code of Federal Regulation,CFR)第49 CFR 192規程[9]明確了輸氣管道高后果區的定義、界定、識別和計算方法以及完整性管理內容;第49 CFR 195規程明確了危險液體管道高后果區相關管理要求。目前,美國運輸部已開發了全球GIS數據庫[10],該數據庫能提供管道沿線周邊環境、生態分布、人口密集分布數據,繪制出全美地區的管道高后果區域圖,對高后果區的管理,減少高后果區事故發生具有重要幫助。印度GAIL公司[11]利用遙感和GIS系統等先進的地理信息技術對管道沿線的自然環境和人口分布情況進行分析,界定了管道安全邊界,對高后果區的識別準確性具有顯著效果。

國內對油氣管道高后果區的研究起步較晚,沒有明確的法律法規支撐。由于近年來不斷發生的油氣管道安全事故,給人民生命財產以及環境造成了嚴重影響，國內管道公司開始重視管道高后果區研究。2009年,中國石油最先形成了關于高后果區識別、管理的企業標準Q/SY 1180.2-2009《管道完整性管理規范》,其中定義了高后果區,明確要求評估高后果區是油氣管道運行必不可少的一個環節[12]。2010年,張燃等人[13]研究了輸氣管道高后果區失效后的運行風險水平,并制定了高后果區的科學管理方案。2011年,曹斌等人[14]分析了高后果區失效的第三方因素,提出了保障高后果區管段可靠性措施。2014年,馬廷霞等人[15]通過相關軟件開發了高后果區因素數據庫。2015年,出臺了首個關于油氣管道高后果區的國家標準GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規范》,提出了高后果區的識別準則,識別工作的基本要求及管理要求。2016年,王帥[16]利用構建的管道高后果區評價單元及模型,對石油管道進行了高后果區的識別及風險評價。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,并進行了高后果區的評估。

1.2 高后果區識別的類型

油氣管道在高后果區發生泄漏事故,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、鄉村等居民密集區域,或學校、商場、醫院、集市等特定的大規模人口活動密集地段發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)重要設施損壞:油氣管道在工廠、發電站等重要工業設施，或鐵路、加油站、車站、碼頭等重要基礎設施，或地下管道等地下構筑物地段發生火災或爆炸事故,可能會造成重要設施損壞,對社會生活和生產活動產生嚴重破壞,導致重大經濟財產損失。

3)環境污染:油氣管道在重要河流、大型水域、濕地、自然保護區等環境敏感地段發生泄漏,會造成生態環境破壞,對當地生態造成長期影響。

總的來說,高后果區可以分為以上三類,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高后果區識別方法

油氣管道是一個線性工程,而管道高后果區識別的主要內容是識別出管道周圍一定距離寬度空間區域內的人員密集區、重要基礎設施、環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據采集、管理、分析、輸入和輸出[19]。GIS集計算機科學、地理學、環境科學、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據信息以數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,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指定距離寬度的空間區域范圍,很好地支撐管道沿線高后果區的識別工作。

2.1 緩沖區分析

緩沖區分析,又叫鄰域分析,是一種常見的GIS空間分析算法。緩沖區分析指針對點、線、面等地理空間對象,通過計算機自動構建其周圍指定寬度的空間區域,實現空間數據在其領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,交通線兩側拆遷范圍,緩沖區也可以是地理對象的服務范圍,如河流的灌溉范圍,電力線路的供電范圍,商場、醫院、銀行的服務范圍等。

緩沖區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}。

緩沖區分析原理見圖1。

圖1 緩沖區分析原理示意圖

2.2 識別的主要流程

1)管道中心線數據獲取。通過PCM等管道外腐蝕電磁檢查設備現場獲取管道中心線坐標數據。

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

3)數據標準化。將管道中心線坐標數據轉換成GIS格式,和管道沿線遙感影像數據一并輸入到GIS系統,統一數據參考的地理和投影坐標系統。

4)基于GIS緩沖區分析。依據油氣管道高后果區識別規則,確定管道中心線兩側的識別距離邊界。根據距離邊界,在GIS系統中對管道中心線進行緩沖區分析,獲得管道中心線兩側的緩沖區塊。

5)遙感影像解譯。對管道中心線兩側緩沖區區域內的遙感影像進行解譯,識別出緩沖區內居民區、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,可依據高清遙感影像直接目視識別出管線兩側河流、居民區等影響因素,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,監督分類的方法對其進行識別和提取。

6)高后果區識別。根據第5)步中解譯出來的管道中心線兩側50 200 m距離邊界范圍內的地形地物特征,結合表1輸油管道高后果區識別規則,初步識別出管道沿線的高后果區并對其分級,最后進行現場定位復核,最終確認管道沿線高后果區數量和級別。

表1 輸油管道高后果區識別規則表

基于GIS高后果區具體識別流程見圖2。

圖2 高后果區識別流程圖

2.3 高后果區判定標準

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

3 基于GIS高后果區識別實踐

3.1 項目背景

某管道高后果區識別的工作區域所在鎮區面積約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。境內交通便捷,信息通暢,基礎條件較好。工作區域內分布著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,人口密度低。

3.2 管道基本情況

本次高后果區識別管線總共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高后果區識別

依據PCM設備檢測到9條管線的中心線坐標數據,將坐標數據轉換成GIS數據格式。利用地圖數據軟件,下載各條管線沿線的遙感影像,并統一輸入到GIS系統中進行數據標準化,統一管線中心線和沿線遙感影像的地理參考系,接著利用GIS緩沖區分析方法,分別識別出各條管線中心線兩側50、200 m的距離邊界,解譯出各條管線兩側的遙感影像人口密集區、重要設施、環境敏感點等地形地物特征,依據高后果區的識別規則識別出各條管線的高后果區,依據表1的識別規則,對管道中心線兩側50、200 m邊界范圍內，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識別,最后進行現場復核,確認管道沿線的高后果區。

3.4 識別結果

3.4.1 1#管線

在GIS系統中,結合遙感影像可知,1#管線由南向北敷設,管線長度3.8 km。該管線105～190 m處、3 470～3 520 m處管線西側200 m區域內有河流流過,269～650 m處管線兩側50 m范圍內存在建筑物,1#管線高后果區識別情況見圖3。

通過現場人員踏勘復核得知269～650 m處管線周圍建筑物為農戶居住場所,不屬于易燃易爆場所。故該管線存在2處高后果區,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,管線長度5.5 km。通過GIS分析,結合遙感影像可知該管線1 150～2 080 m處管線兩側200 m區域內有河流流過,5 200～5 500 m處管線兩側50 m范圍內存杏河集輸站,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50 m范圍內存在建筑物,管線高后果區識別情況見圖4。

圖3 1#管線高后果區識別圖

圖4 2#管線高后果區識別圖

通過現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戶居住場所,不屬于易燃易爆場所。故2#管線的高后果區為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識別工作。

4 結論

全國油氣管網已基本形成,如何保障管道的安全穩定運行,避免發生安全事故,是今后管道管理工作的重中之重。高后果區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,管道高后果區的識別工作,主要是管道管理、巡線人員進行現場勘測識別,存在工作任務重、效率低,識別準確率低的問題。本文結合現行遙感影像數據、GIS技術,提出了一種關于管道高后果區識別新方法。實踐證明,基于GIS的高后果區識別方法能夠快速、準確地進行高后果區的識別工作,具有效率高,節省人力、財力和物力的優勢,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境復雜多變,高后果區識別工作內容多、任務重,未來應該充分利用現有的地理信息數據和先進的地理信息技術,實現高后果區的自動識別、提取和分析統計功能。