基于未確知測度理論的山區管道地質災害風險評估

陳利瓊， 曾志強， 張開

(西南石油大學石油與天然氣工程學院， 成都 610500)

西南山區管道作為中國能源進口四大通道之一，其沿線地形地貌復雜，地質災害頻發，故管道的設計、施工、運行和維護世界罕見[1]。在管道運營過程中，西南管道公司管理的油氣管道跨越三大階梯地形[2]，70%以上位于山區，沿線山高谷底，河流與山脈相間排列，因滑坡、水毀、崩塌、泥石流等地質災害造成管道事故層出不窮。據統計，2019年西南地區的重慶、四川、貴州等地區共發生地質災害1 046起，占中國地質災害數量的17%，其中滑坡在地質災害中占比最大，是中國地質災害較嚴重的區域。直到2021年底，西南地區的地質災害防治依然十分嚴峻，地質災害破壞力大、突發性強，給山區管道的風險管控帶來了極大挑戰。但風險評價是管控的前提，為確保山區管道的安全運營，如何全面、準確、定量地對管道進行風險評價已成為各管道公司關注的重點。

目前，關于管道地質災害風險評價方法的研究，因山區管道地質災害復雜性和不確定性較大，考慮的因素多，單靠一種方法不能夠系統、準確地對管道進行風險評價。為了綜合考慮，許多學者采用定性評價、半定量評價、定量評價中兩種或三種相結合的方法進行風險評價。其中，潘禹臣等[3]結合沿線的地質環境，建立區域內地質災害風險評價指標體系，通過灰色關聯分析計算權重，利用加權信息量模型完成對中緬天然氣管道沿線的地質災害風險評估。楊惠元[4]分析了滑坡對天然氣管道的危害，建立了中緬管線地區定量和半定量結合的安全風險評估指標模型，運用層次分析法量化確定指標評估等級，結合風險矩陣對管道進行風險評估。冼國棟等[5]基于GIS技術構建了區域管道地質災害風險評價模型，利用柵格計算器獲取各指標的權重，并根據計算的風險值確定管道的風險等級。以上研究更多的利用常用權重計算方法將指標因素進行處理，將復雜問題按照權重排序決策；但山區管道受地形等客觀條件限制，很多因素的狀態都不容易確定，數據的測量和監測較多，很容易造成數據收集不全面，大部分采用定性方法研究，使得在指標賦值和人為打分上存在較大的主觀性，造成結果的不準確。而未確知測度理論能夠在數據不全面的情況下，利用不確定測度函數解決客觀信息不全面的問題，并對未知系統的事物進行定量描述，從而降低人為主觀選擇，提高評估的準確性。

圖1 山區管道地質災害指標體系Fig.1 Index system of pipeline geological disaster in mountainous area

對于未確知測度理論，已廣泛運用于多個領域，如城市燃氣管道風險評價[6]、邊坡穩定性評價[7]，崩塌危險性評價[8]，采空區地面沉降風險評價[9]等；雖然該理論也較少運用于管道風險的研究，但未在此基礎上建立符合管道風險等級的評估準則，不能夠很好地結合管道指標評價等級判斷風險等級。

為此，現應用未確知測度理論定量的描述指標因素，結合層次分析法計算權重，并根據山區管道地質災害的風險等級判定管道風險，使得山區管道風險評估結果更加準確。

1 建立山區管道地質災害指標體系

為了建立符合西南山區油氣管道地質災害的指標體系，通過現場調研、綜合專家意見以及結合《油氣管道地質災害風險管理技術規范》等相關文獻的研究[10-13]，建立科學的山區管道指標體系。該指標體系主要從巖土類因素、水文水流因素、地質誘發因素、沿管道因素和防護措施5方面進行風險評價分析。該指標體系包括5個二級指標和17個三級指標，如圖1所示。

2 未確知測度理論介紹

對某研究對象進行評價時，評價對象空間是由所研究對象的全部評價因素組成的集合空間，記作I。該空間集合內的m個評價因素，用I1，I2，…，Im表示，則評價對象空間可寫作：I={I1，I2，…，Im}。對任意評價因素Ii有n個評價指標，則評價因素Ii的評價指標空間X是由X1，X2，…，Xn這n個指標構成的集合，即X={X1，X2，…，Xn}。若xij表示第i個評價因素Ii關于指標Xj(j=1,2,…,n)的測量值，則xi可表示一個n維向量：xi={xi1，xi2，…，xin}。設xij有P個評價等級C1，C2，…，Cp，評價空間記為C，C={C1，C2，…，Cp}。對第k個評價等級的安全程度大于第k+1級，記為Ck>Ck+1，若C1>C2>…>Cp，則稱{C1，C2，…，Cp}是評價空間C的1個有序分割類。

若測量值xij屬于第k個評價等級Ck的程度，記uijk=u(xij∈Ck)，且u滿足關系式

(1)

式(1)中：i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;k=1,2,…,p。

則稱u為未確知測度[14]，其中u必須同時滿足非負有界性、歸一性和可加性。

2.1 構造單指標未確知測度

為了求某評價因素Xi的各指標測度值uijk，構造單指標測度函數u(xij∈Ck)(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；k=1，2，…，p)，則稱各指標測度值uijk構成的矩陣(uijk)m×p為單指標測度評價矩陣，表達式為

(2)

2.2 確定未確知測度函數方法

采取應用最廣、最簡單的直線型未確知測度函數(圖2)，其表達式為

(3)

(4)

圖2 直線型未確知測度函數圖Fig.2 Graph of linear unascertained measure function

2.3 指標權重的確定

因評價指標等級中定性指標較多，為減少人為主觀評估的影響，故采用層次分析法計算權重[15]。其流程如下。

2.3.1 建立層次結構模型

根據圖1建立的山區管道地質災害指標體系構建層次結構模型。

2.3.2 構造判斷矩陣

在風險評價指標體系基礎上，為了量化比較兩因素的重要程度，常采用1～9標度法[16]，表1所示。

表1 因素比較標度法及其說明Table 1 Factor comparison scale method and its description

設rij表示本層次兩個因素(xi和xj)之比，建立的判斷矩陣R為

2.3.3 計算權重

采用和積法求權重W，將矩陣R按列歸一化處理，近似作為權重向量。即

(5)

(6)

其次，計算矩陣R的最大特征值λmax，即

(7)

2.3.4 一致性檢驗

一致性比例CR是檢驗判斷矩陣R是否滿足一致性條件的重要標準，其計算公式為

(8)

(9)

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標；λmax為最大特征值；n為矩陣階數。表2為平均隨機一致性指標RI的取值。

表2 平均隨機一致性指標取值Table 2 Average random consistency index values

當一致性比率CR<0.1，則判定矩陣R符合一致性條件；反之，則需對矩陣進行調整，直至滿足CR<0.1為止。

2.4 多指標未確知測度

(10)

則uik=(ui1,ui2,…,uip)，為Ii多指標綜合測度評價向量。

2.5 建立風險等級識別準則

設多指標綜合評價向量u=(k1,k2,…,kp)。根據正態分布的特點，結合置信度識別準則[14]，發現地質災害下管道處于某風險區間的概率越大，向量u對應的向量值ki就越大，離ki越近的值變化幅度越小，離ki越遠的值變化幅度越大。為此，依據山區管道地質災害的指標因素等級建立風險等級識別準則，如表3為不同風險等級識別準則。

3 指標因素等級劃分

根據圖1建立的山區管道地質災害指標體系，三級指標包括4個定量指標和13個定性指標，將每個指標對應分為3個評價等級，對應事件的低概率、中等概率和高概率，表示為C={C1，C2，C3}。采用分級標準量化法[14]對13個定性指標量化處理，按照1-4-7對評價指標分級劃分。山區管道地質災害指標體系評價等級標準如表4所示。

根據2.2節直線型未確知測度函數構建風險評價模型，下面結合定性和定量指標劃分的評價等級確定指標函數圖形，如圖3～圖7所示。

表3 風險等級識別準則Table 3 Risk grade identification criteria

表4 山區管道地質災害指標體系對應的評價等級標準Table 4 Evaluation grade standards corresponding to the geological disaster index system of pipeline in mountainous areas

續表4

圖3 地震烈度指標測度函數Fig.3 Measure function of seismic intensity index

圖4 年降雨量指標測度函數Fig.4 Measure function of annual rainfall index

圖5 山體坡度指標測度函數Fig.5 Index measure function of mountain slope

圖6 埋深指標測度函數Fig.6 Burial depth index measure function

圖7 定性指標測度函數Fig.7 Qualitative index measure function

4 應用實例

該管段為西南地區的中貴天然氣管線，管段長為2 261 m，經專項排查發現較高地質災害1處。該區域地形起伏大，山區面積占65%以上，坡度為50°～60°。其中，該區域年降雨量為800～1 100 mm，夏季6—8月降雨量較大，河流較多，均屬于長江流域。該區域的土壤是砂粒較小的黃砂土，不是地震頻發地段。根據該區域的管理人員了解，由于地形較復雜，管段的監測預警主要依靠人為監測和無人機巡航輔助監測。

根據山區管段的實際情況，確定出各個評價指標的值，如表5所示。

表5 山區管段地質災害評價指標取值Table 5 Value of geological hazard evaluation index for pipeline section in mountainous area

4.1 單指標評價矩陣確定

將表4的取值代入直線型未確知測度函數圖3～圖7中，確定各評價因素的單指標評價矩陣分別為

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

4.2 權重確定

根據專家和現場工作人員的意見、管道事故數據分析得出不同評價因素間的重要度比較，如表6～表11所示。

表6 二級指標重要度比較Table 6 Comparison of importance of secondary indicators

表7 巖土類因素指標重要度比較Table 7 Comparison of significance of geotechnical factors

表8 水文水流因素指標重要度比較Table 8 Comparison of importance degree of hydrologic and flow factor indexes

表9 地質誘發因素指標重要度比較Table 9 Comparison of the importance of geological inducing factors index

表10 沿管道因素指標重要度比較Table 10 Comparison of importance of factor along pipelines

表11 防護措施指標重要度比較Table 11 Comparison of importance of protective measures

4.3 多指標未確知測度確定

由求得的單指標評價矩陣和權重，根據式(10)計算出多指標未確知測度評價向量為

(16)

4.4 風險等級確定

4.5 評價結果

通過對該山區管段各指標因素的取值發現，該區域山體坡度大、山體落差大、年降雨較多、山洪沖刷頻繁、管段沿河溝道敷設多、物理保護不全面等情況，使管道失效的概率增大。由于一些指標因素是自然環境形成的，是不可改變的，或者說改變的成本太大，對此不過多考慮；如土壤類型、山體巖石、山體坡度、山體落差、年降雨量等指標因素。為此，主要從人為可改變的因素方面考慮，如規范人為建設后的回填、提高管道埋深、增設管道的預警和預測手段等，通過改變以上因素降低管道風險，提高管道的安全性。

5 結論

(1)結合西南山區特點，建立符合山區管道的地質災害指標體系，利用未確知測度理論確定各底層指標的未知信息，將各定性指標進行量化處理，對各評價指標因素的發生劃分為低概率、中等概率和高概率等級，采用層次分析法計算指標權重，建立了符合山區管道的五級風險等級，為山區管道地質災害的風險評價提供了新方法。

(2)基于未確知測度理論的山區管道地質災害風險評價實例分析，與專項排查情況對比后，該評價結果符合實際，說明該方法的科學性和適用性。

(3)相比通過風險矩陣判斷管道的風險等級，該方法建立的風險等級，有機的結合未確知測度理論和層次分析法，能準確地判定山區管道地質災害風險等級。

(4)通過評價結果分析，可從人為可改變的因素來提高管控效率，降低管道事故，確保管道安全。