基于耦合協調模型的油氣管道滑坡災害風險評價研究

郭自強

中國石油華北油田分公司第五采油廠，河北辛集 052360

針對管道風險評價，國內外學者進行了大量研究，Einstein[3]通過風險源識別，構造了5個層級的風險評價體系，可為管道提供預警機制；席莎等[4]通過對西氣東輸沿線32處已發生滑坡的災害點進行分析，得到了變形破壞特點與管道方向和滑坡主軸向的關系，并對滑坡類型和規律進行了敏感性分析；冼國棟等[5]通過對西南管道沿線64處典型滑坡進行分析，利用貢獻率模型得到坡度、坡面形態等9個高敏感性因子，建立了危險性評價指標體系；周曉瑩等[6]建立了土彈簧模型，以最大Mises應力為基準對不同條件下的管道位移和應力情況進行了計算，其中管道埋深、滑坡位移對應力的影響最大。以上研究結果對于滑坡災害風險評價研究具有一定意義，但均以定性和半定量分析為主?；聲r管道受土體載荷、管周抗力和摩擦力的影響，從力學角度分析屬于多系統耦合作用的結果。目前，耦合協調模型主要應用在經濟和環境領域[7-8]，以災害學為主的分析研究較少[9]，且未見以滑坡為研究對象的耦合協調模型。本文以山西煤層氣集輸管道為例，針對滑坡成因選擇影響因子，從災害易發性和管體易損性考慮，建立環境致災系統和管體承災系統，采用組合權重-耦合協調模型[10]，對滑坡災害點進行風險評價，并對比驗證SY/T 6828—2017《油氣管道地質災害風險管理技術規范》的評價結果，以期為該類型管道的風險評價和風險消減提供理論依據和實際參考。

1 耦合協調模型

1.1 耦合與協調

耦合概念為物理學范疇，指兩個或兩個以上的子系統通過各種作用相互影響彼此的現象，如單個系統對另一個系統具有促進或拮抗作用，不同系統間的作用可以疊加，決定了系統從無序到有序的過程。采用耦合度描述各系統間的影響程度：

式中：C為耦合度，C∈（0，1）；U為子系統對總系統的貢獻值；m為子系統個數；i=1，2，…，m；j=1，2，…，m，i≠j。

當耦合度趨于1時，說明子系統之間的有序性很強，管道危險性較大；當耦合度趨于0時，說明子系統之間的相關性較小，管道危險性較小。但耦合度只能代表子系統間影響程度的強弱，無法反映子系統協調發展趨勢，因此引入耦合協調度函數，對耦合模型進行改進，強調對相互影響平衡狀態的衡量，引入的函數為：

式中：D為耦合協調度；T為子系統間的綜合協調指數，見式（3）。

式中：a1，a2，…，am為待定系數，取子系統對整個評價體系的權重。

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1.2 功效函數

將總系統的估計值與判定準則之間建立函數關系，通過功效函數反應子系統的大小及變化對總系統發展推演的影響，分為正功效函數和負功效函數兩種，正功效值越大，代表系統的耦合協調發展處于不利狀態，負功效值越大，代表系統的耦合協調發展處于有利狀態，公式如下：

式中：Xij和X′ij為第i個系統中第j個指標的功效值，Xij，X′ij∈ （0，1）；xij為第 i個系統中第 j個指標的初始值，下標max、min表示最大、最小。

通過求解子系統內不同指標的權重，進行線性加權得到子系統對總系統的貢獻值Ui：

式中：ωij為第i個系統中第j個指標的權重。

1.3 組合權重

根據式（3）和式（6）可知，指標及子系統的權重對評價結果的準確性影響較大。目前，權重的確定方法有主觀法和客觀法，其中主觀法尊重專家意見，反映決策者和管理者的意向，通過對專家意見的數字化體現，反應權重影響；客觀法充分利用已有數據提供的信息，但評價結果過于絕對，忽略了專家經驗在實際工況中的作用。在此，采用層次分析法確定主觀權重，熵權法確定客觀權重，充分利用兩者優勢，以偏差最小化原則優化組合權重，見式（7）。

式中：ωi為第i個指標的組合權重；ui為第i個指標的主觀權重；vi為第i個指標的客觀權重。

2 實例分析

以華北油田公司山西煤層氣分公司地區集輸管道為例，進行耦合協調風險評價，研究區域見圖1。

圖1 研究區域圖及滑坡災害點

研究區域位于沁水盆地東南部，地面主體為丘陵、山地，溝谷切割，基巖出露，地形較復雜，海拔高度700～1 300 m。四周群山環繞，主要有歷山、老雕崖、鹿臺山等山峰，區內河流有沁河支流固縣河等。管道途經的地貌主要有中低山區山梁頂部區、斜梁頂部區、斜坡地帶區及沖溝溝谷區，沿線覆蓋層較薄，三疊系砂巖（夾泥巖）普遍出露，地形起伏較大，工程地質條件較復雜。所在地區屬溫帶季風氣候區，大陸性氣候明顯，四季分明，冬長夏短，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季溫和宜人，冬季寒冷寡照，年平均降水量500～1 000 mm。以上地形地貌、地質環境和外部誘發因素為地質災害的發生提供了有利條件，尤其是雨季滑坡、泥石流等地質災害頻繁發生。管道沿線共有55處滑坡災害點，其中大部分為橫穿滑坡（48處），縱穿滑坡和斜穿滑坡數量較少（7處），據研究表明，橫穿滑坡對管道造成的危害遠大于其余兩種穿越方式，破壞后管道多出現懸空、漏管或側方偏移，因此以48處橫穿滑坡點為研究對象。

2.1 建立評價指標體系

滑坡災害的發生除與形成滑坡的內因和誘發滑坡的外因有關外，還與管道自身的敷設條件及力學因素相關。綜上所述，參照前人的相關研究和DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查規范》、DZ/T 0216—2014《滑坡崩塌泥石流災害調查規范》等規范，從災害易發性和管體易損性考慮，建立環境致災系統和管體承災系統。環境致災系統選取高差、坡度、坡向、地表曲率、滑面傾角、滑體厚度、年平均降水量、歸一化植被指數（NDVI）等8個指標，管體承災系統選取壁厚、埋深、內壓、敷設位置、缺陷密度等5個指標，見表1。

表1 滑坡災害評價指標體系

2.1.1 環境致災系統指標

環境致災系統指標中除滑面傾角和滑體厚度根據投產運行時現場勘查數據獲得，其余指標均取自國土資源部、地理空間數據云等網站數據，使用ArcGIS軟件，將滑坡災害點導入研究區域，并將評價指標與矢量圖連接，得到48個災害點的指標數據，數據見表2。

表2 環境致災系統指標數據

其中NDVI指標數據可以反映研究區域內植被覆蓋情況，NDVI∈[-1，1]。NDVI為負值代表地面覆蓋有雨、雪、水；NDVI為正值代表地面有植被覆蓋，且越接近1，植被覆蓋率越高。計算公式為：

式中：NIR為近紅外波段的反射值，R為紅外波段的反射值。

2.1.2 管體承災系統指標

管體承災系統指標中壁厚采用最近兩次的內檢測數據，選取穿越段的平均壁厚；埋深采用PCM-x埋地管道探測儀進行檢測；內壓根據現場安裝的一次或二次儀表獲得；敷設位置即管道與滑坡剖面中心線的距離，決定管道在滑坡體中的具體位置，不同位置造成的管道變形破壞形式也不同；缺陷密度為由內檢測數據得到每段管道的缺陷軸向長度與管道長度之間的比值，數據見表3。

表3 管體承災系統指標數據

2.2 評價過程及結果

采用SPSS分析軟件，在置信度水平95%的條件下，分析兩個子系統中各指標的相關性，通過計算，在顯著性水平0.05下，各指標的相關性均為弱相關或不相關，符合耦合-協調模型指標相互獨立的原則。計算每個子系統的指標權重，見表1?？紤]兩個子系統在評價體系中的權重，環境致災系統和管體承災系統的權重分別為a1=0.384 3，a2=0.6157，可見管道自身條件對安全運行影響較大。

在環境致災系統中，NDVI的組合權重最大為0.319 8，良好的植被覆蓋可以改變地表水和地下水的入滲條件，防止水土流失，同時植被的根系具有固化土體、增加土體黏聚力的特點，如果根系嵌入基巖或濕陷性黃土中還可起到預應力錨固的作用；其次為年平均降水量，降雨是誘發山體滑坡的主要因素，水的作用會導致巖體軟化，靜水和動水壓力會促進滑體蠕動，增加坡體體積和容重，使坡體的抗剪切能力減弱。

在管體承災系統中，缺陷密度的組合權重最大為0.532 1，可見因內外腐蝕造成的壁厚減薄、腐蝕產物沉積、附著物堆積對管道安全運行影響較大；其次為埋深和壁厚，埋深越淺、壁厚越大，最大Mises應力越小，管道的承災能力越強。

根據式（4）、式（5）求得各指標的功效值，根據式（6）計算子系統對總系統的貢獻值，由式（1） ～（3） 計算每個災害點的耦合協調度，部分結果見表4，其中U1為環境致災系統對總系統的貢獻值，U2為管體承災系統對總系統的貢獻值，T為子系統間的綜合協調指數，C為耦合度，D為耦合協調度。

表4 48個滑坡災害點的計算結果（部分）

對于耦合協調模型的等級區間劃分沒有固定模式，可以選擇相等間隔、分位數、幾何間隔、標準差和自然點間斷分級法。由于幾何間隔法為其余幾種方法的折中方案，可確保每類元素的平方和最小、每類元素的范圍和值域一致，故根據計算結果及實際工作經驗，采用幾何間隔法對耦合協調的類型和等級進行劃分，見表5。

表5 滑坡災害耦合協調類型和等級劃分

2.3 對比驗證

為了評價耦合協調模型的準確性，采用SYIT 6828—2017《油氣管道地質災害風險管理技術規范》中的半定量方法計算風險概率指數，采用幾何間隔法劃分為 0.12～0.16、0.16～0.24、0.24～0.34、0.34～1.00，分別對應低、中、高、極高四個等級，結果見圖2。

圖2 耦合協調度與風險概率指數對比

從圖2可以看出，耦合協調度與風險概率指數的趨勢基本一致，高度耦合協調的風險點風險概率指數較大，低度耦合協調的風險點風險概率指數較小，兩種方法中均為33號滑坡的風險最大。33號滑坡整體地形開闊，高差較大，坡度31°，屬于25°～40°最危險坡度范圍內，為斜坡失穩后勢能轉化為動能提供了有利條件，滑坡前緣寬，后緣窄，具有較好的有效臨空面，同時滑面傾角、滑體厚度及滑坡體積較大，滑帶土呈軟塑狀，滑床近似呈直線型，抗阻和抗剪切能力較差，為滑坡發育提供了有利的地形地貌及地質特征；此外，該處災害點的年平均降水量與同類對比較大，植被覆蓋類型為栽培植被，對巖土的穩定能力遠不及闊葉林和針葉林。

不考慮等級區間劃分的主觀差異性，兩種方法刻畫的相對風險趨勢一致，評價結果相同，證明耦合協調模型可以有效量化風險大小，具有良好的適用性和可操作性。經評價，48處滑坡多為中度耦合協調，應加強監測技術，重點巡查，預防滑坡及次生災害發生；而類似1號、35號的滑坡風險點，雖然評價結果為低度耦合協調，失效可能性較小，但與中度耦合的下限端點值接近，如不及時采取措施，失效可能性可能隨時上升，應隨時注意各影響因素的變化情況，采取監測及保護措施。

3 結論

（1）滑坡災害的發生與環境條件和管體條件有關，通過偏差最小化原則優化組合權重，以山西煤層氣集輸管道為例，環境致災系統和管體承載系統中歸一化植被指數（NDVI）和缺陷密度的權重最大，應對植被覆蓋類型和管體損傷情況進行重點關注。

（2）基于耦合協調模型，考慮子系統間的相互作用、協調發展趨勢，計算得到的耦合協調度與風險概率指數具有很好的一致性，即高度耦合協調的風險點風險概率指數較大，反之亦然，證明耦合協調模型在進行地質災害風險評價上具有很好的互饋效果。

（3）在評價指標選取上只考慮了管體的5個方面，對于部分重要的定性指標，如外防腐、坡腳開挖、應急預案、非法占壓等方面尚未納入評價系統。今后可增加類似指標，使評價結果趨于完整。