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(xiǎn)性評(píng)價(jià)成為研究熱點(diǎn)。依據(jù)物元理論和可拓集合理論，構(gòu)建黃土濕陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(gè)具代表性的、可量化的評(píng)價(jià)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(píng)物元與危險(xiǎn)性分級(jí)之間的關(guān)聯(lián)度和隸屬度。通過實(shí)際應(yīng)用和對(duì)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有較高的可信度和良好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：可拓法；黃土濕陷；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；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(diǎn)，近年來越來越多突出的管道地質(zhì)災(zāi)害問題，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-4]。據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，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(yíng)、日常管理帶來了較多的困難[5]。開展管道黃土濕陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)不僅可為風(fēng)險(xiǎn)管理奠定基礎(chǔ)，而且可為其監(jiān)測(cè)、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(píng)價(jià)黃土高原區(qū)集中發(fā)育的典型黃土濕陷危險(xiǎn)性，并與PGRMS(管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng))分析、綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從黃土濕陷危險(xiǎn)性眾多影響因素中選取具有代表性的、可量化的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和隸屬度。可拓法評(píng)價(jià)結(jié)果合理可靠，更接近客觀實(shí)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(píng)價(jià)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?jī)蓚�(gè)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。可拓學(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(píng)價(jià)模型來反映整個(gè)樣本的綜合水平。

假設(shè)物N 具有n 個(gè)特征，即C1， C2，…， Cn，則物N關(guān)于特征Ci對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬于某個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)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(duì)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(shí)變函數(shù)點(diǎn)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(diǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)確定

可拓法中評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)對(duì)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)。

1.4.1 數(shù)據(jù)處理

評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值的無(wú)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(jì)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(píng)價(jià)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(jì)算其權(quán)系數(shù)ωj。

 

1.5 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)物元模型構(gòu)建

可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)得到待評(píng)物元黃土濕陷N與危險(xiǎn)性分級(jí)t 的關(guān)聯(lián)度為：

 

依據(jù)式（13）可得最大關(guān)聯(lián)度值對(duì)應(yīng)的 t 即為黃土濕陷的危險(xiǎn)性等級(jí)。

2 黃土濕陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(duì)象，依據(jù)SY/T 6828―2017《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》，對(duì)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(zhǎng)度等進(jìn)行調(diào)查、測(cè)量與定性評(píng)判，基本特征見表 1。

 

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與可拓分級(jí)

油氣管道黃土濕陷危險(xiǎn)性影響因素較多、時(shí)空差異性較大，故參評(píng)因子選取是否合理直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)（C14）等14個(gè)影響因素作為可拓物元模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

為滿足工程需要，將黃土濕陷危險(xiǎn)性劃分為低、較低、中、較高、高5個(gè)等級(jí)；依據(jù)已有研究及統(tǒng)計(jì)成果，其評(píng)價(jià)指標(biāo)可拓分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表 2所示。再據(jù)表 2，黃土濕陷危險(xiǎn)性分級(jí)經(jīng)典域和節(jié)域如表 3所示。

 

2.3 待評(píng)物元

選取的10處黃土濕陷災(zāi)害點(diǎn)列為一組評(píng)價(jià)單元，創(chuàng)建的待評(píng)物元如式（14）所示。依據(jù)表 1，評(píng)價(jià)單元實(shí)測(cè)值結(jié)合調(diào)查人員評(píng)分結(jié)果得評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值，見表 4。

 

2.4 物源模型計(jì)算結(jié)果

通過式（4）得待評(píng)物元黃土濕陷HS-01～HS-10與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j1～j5之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)K t(υj)；結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)ωj，由式（12）、式（13）計(jì)算得待評(píng)物元危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)度Kt（N ）和隸屬度Rt（N ），詳情及其對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)性等級(jí)見表 5。

 

2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

采用可拓法、 PGRMS分析及綜合評(píng)價(jià)對(duì)10處黃土濕陷分別進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，對(duì)比結(jié)果得到：①可拓法與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果一致性比例達(dá)70%，偏低比例30%；②可拓法與PGRMS評(píng)價(jià)結(jié)果一致性比例達(dá)40%，偏高30%，偏低30%；③PGRMS與綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果危險(xiǎn)性等級(jí)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(píng)價(jià)結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的一致性，而與PGRMS評(píng)價(jià)結(jié)果一致性較差，主要是因?yàn)榫C合評(píng)價(jià)由專家根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行評(píng)判，更符合客觀情況。

3 結(jié)論

（1）油氣管道黃土濕陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)和安全運(yùn)營(yíng)的保障，采用可拓法對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)嘗試，結(jié)果與實(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，減少了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)相比，可拓法理論較為嚴(yán)謹(jǐn)，計(jì)算過程較為簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果的客觀和實(shí)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(jiǎn)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。