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. 蘭州大學土木工程與力學學院

 

 

摘  要：近年來，黃土區敷設的管道沿線普遍發育的黃土濕陷危險性評價成為研究熱點。依據物元理論和可拓集合理論，構建黃土濕陷危險性評價物元模型。在區域地質環境與黃土濕陷基本特征調查研究的基礎上，選取14個具代表性的、可量化的評價指標，引入灰色關聯度法求其權系數，采用可拓關聯函數確定待評物元與危險性分級之間的關聯度和隸屬度。通過實際應用和對比分析，證明基于灰色關聯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。

關鍵詞：可拓法；黃土濕陷；危險性評價；灰色關聯度

 

 

黃土高原作為能源管網東西和南北交叉點，近年來越來越多突出的管道地質災害問題，引起國內外學者的關注[1-4]。據筆者統計，黃土高原管道地質災害約50%為黃土濕陷，給管道安全運營、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]，結合灰色關聯度法，構建指標物元模型，評價黃土高原區集中發育的典型黃土濕陷危險性，并與PGRMS(管道地質災害風險管理系統)分析、綜合評價結果進行對比。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，引入灰色關聯度法求其權重，采用可拓關聯函數確定評價指標的關聯度和隸屬度。可拓法評價結果合理可靠，更接近客觀實際，且主觀因素影響較小，具有良好的應用前景。

1 可拓理論評價模型

1.1 可拓學物元模型

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律和解決方法，其核心為物元理論和可拓集合理論。可拓學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，通過建立多指標的質量評價模型來反映整個樣本的綜合水平。

假設物N 具有n 個特征，即C1， C2，…， Cn，則物N關于特征Ci對應的量值υi可構成n維物元R，表示如下：

 

1.2 經典域和節域的確定

1.2.1 經典域

經典域指評價指標隸屬于某個評價等級的取值范 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具連續穩定性，如式（3）所示。

 

1.3 關聯函數

可拓理論引進距的概念來確定關聯度，從而將實變函數點與量值范圍之間的關系由“類內為同”拓展為“類內存異”。域內任意一點υj與經典域＜atj， btj＞和節域＜apj， bpj＞的關聯函數Kt（υj）見式（4）。

 

1.4 評價指標權系數確定

可拓法中評價指標權系數對危險性評價結果影響較大，為減少主觀因素的影響，該次采用灰色關聯度法確定評價指標的權系數。

1.4.1 數據處理

評價指標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 計算關聯系數

比較數列Cj（k）與參考數列C0（k）的關聯系數rj（k）表示為：

 

1.4.4 灰色關聯度及權重

黃土濕陷評價指標灰色關聯度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 危險性評價物元模型構建

可拓關聯函數結合評價指標權系數得到待評物元黃土濕陷N與危險性分級t 的關聯度為：

 

依據式（13）可得最大關聯度值對應的 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，受季風影響，全年降水量的50%～70%集中在7～9月，降雨期也是地質災害頻發期，且豐水年易發育管道地質災害。該區域地層主要為黃土和火山巖、變質巖、沉積巖。

據2019年地質災害調查資料，該區域共發育災害109處，其中黃土濕陷54處，占發育災害總量的49.54%。隨機選取10處黃土濕陷作為研究對象，依據SY/T 6828―2017《油氣管道地質災害風險管理技術規范》，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、與管道空間關系、水毀類型、影響長度等進行調查、測量與定性評判，基本特征見表 1。

 

2.2 評價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、時空差異性較大，故參評因子選取是否合理直接影響評價結果的準確性和實用性。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（C4）、與管道空間關系（C5）、災害發育特征（C6）、管道與塌陷夾角（C7）、管道埋深的倒數（C8）、災害活動情況（C9）、管道附件環境敏感性（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。

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；依據已有研究及統計成果，其評價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處黃土濕陷災害點列為一組評價單元，創建的待評物元如式（14）所示。依據表 1，評價單元實測值結合調查人員評分結果得評價指標量化值，見表 4。

 

2.4 物源模型計算結果

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

 

2.5 評價結果對比分析

采用可拓法、 PGRMS分析及綜合評價對10處黃土濕陷分別進行危險性評價，對比結果得到：①可拓法與綜合評價結果一致性比例達70%，偏低比例30%；②可拓法與PGRMS評價結果一致性比例達40%，偏高30%，偏低30%；③PGRMS與綜合評價結果一致性比例達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—定量評價結果與綜合評價結果具有較高的一致性，而與PGRMS評價結果一致性較差，主要是因為綜合評價由專家根據以往經驗、結合現場實際進行評判，更符合客觀情況。

3 結論

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

（2）可拓物元模型采用灰色關聯度法確定已量化評價指標的權系數，減少了主觀因素對評價結果的影響，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、綜合評價相比，可拓法理論較為嚴謹，計算過程較為簡單，評價結果合理可靠，主觀因素影響較小，具有良好的應用前景。

（4）基于灰色關聯度的可拓法中，選取的評價指標是否科學合理、其量化值是否準確可信直接影響評價結果的客觀和實用性。

（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災害危險性評價提出了新的研究思路。

 

參考文獻：

[1] 李智毅，顏宇森，雷海英.西氣東輸工程建設用地區的地質災害[J].地質力學學報， 2004， 10(3)： 253-259.

[2] 劉小暉，張滿銀，王得楷，等.河溝谷區管道敷設方式和地質災害的關系探析[J].地質災害與環境保護，2014， 25(2)： 92-95.

[3] Reznik Y M. Influence of physical properties ondeformation characteristics of collapsible soils[J].Engineering Geology, 2007, 92:27-37.

[4] Sun Y F, Wei L M. The Collapsible Diseases of MasonryStructure in the Loess Regions[J]. Procedia Earth andPlanetary Science, 2012, 5:164-169.

[5] 王智博，劉小暉，羅士棣.黃土濕陷區油氣管道暗懸長度探析[J] .地質災害與環境保護， 2016， 27(3)：96-99.

[6] 蔡文，楊春燕.可拓學的基礎理論與方法體系[J].科學通報， 2013， 58(13)： 1190-1199.

[7] 蔡文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法[M].北京：科學出版社， 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災害防治工作。聯系方式：13619328002， liuxh18@lzu.edu.cn。