西气东输管道坡面水毁风险变权综合评价*

郭磊 刘凯 姚安林 蒋宏业 史爽

1中国石油西气东输管道公司 2中国石油天然气与管道分公司 3西南石油大学

西气东输管道坡面水毁风险变权综合评价*

郭磊1刘凯2姚安林3蒋宏业3史爽3

1中国石油西气东输管道公司 2中国石油天然气与管道分公司 3西南石油大学

在坡面水毁灾害风险因素辨识的基础上，结合西气东输管道灾害易发地区的实际环境状况和管理条件，可以将水毁灾害的风险因素归纳为自然因素、管道敷设状况、灾害活动以及设计与误操作四大类。在进行管道坡面水毁风险评价时，必须建立一个科学的权重赋值模型。采用变权方法对各因素的权重进行赋值，能够克服常权赋值方法的缺陷，合理地反映各评价指标的相对重要度和指标值对管道风险值的综合影响。结合工程要求和各个变权形式的特点，管道坡面水毁灾害风险评价应建立惩罚与激励相结合的局部变权模型。

西气东输；坡面水毁；变权赋值；风险评价

西气东输管道横贯我国东西，不可避免地穿越山地、黄土塬等地质地形条件复杂的地区，加之降雨和人类活动的影响，这些地区常常会发生各类地质灾害，威胁管道的安全。由于坡面水毁灾害具有突发性和快速成灾性等特点，因而已成为部分管道亟需防治的主要灾害[1-3]。管道坡面水毁灾害风险评价的目的就是为制定合理的风险缓解方案提供决策依据。

图1 西气东输管道坡面水毁灾害风险因素层次关系

1 风险因素指标体系

1.1 指标分类

在坡面水毁灾害风险因素辨识的基础上，结合西气东输管道灾害易发地区的实际环境状况和管理条件，可以将水毁灾害的风险因素归纳为自然因素、管道敷设状况、灾害活动以及设计与误操作四大类。各类一级风险因素对应的二级风险因素见图1。

1.2 指标分析

二级风险因素是相应一级风险因素的进一步细化，在对管道进行评价时，假设各二级风险因素指标的赋值范围均为0~100分，指标值愈大，表示愈有利于管道安全。

（1）自然因素。主要是指管道所在斜坡的地形、地质、水文条件以及人类工程活动对这些条件的破坏或改善。在对该项指标进行评价时，应注意以下几种造成或加剧坡面水土流失的情况，即大坡降斜坡、盐渍土、膨胀土、黄土、软土、土体松散、植被稀少、强降雨、冰雪融水冲刷、溃水冲刷、灌溉水冲刷和灌溉水渗透等。

（2）管道敷设状况。主要是指管道在坡面水毁灾害易发地区的敷设现状。不同的敷设位置和管道埋深，对坡面水毁灾害的抵御能力是不同的。

（3）灾害活动。主要是指在斜坡表面已经存在的水毁迹象（地表破坏迹象和管道破坏迹象）和灾害发生的频繁程度。管道坡面水毁灾害风险评价的主要内容是评价水力侵蚀继续发展将对管道造成的危害，因此灾害活动情况是进行评价的基点。在对该项指标进行评价时，应注意以下几种典型的坡面水毁迹象，即坡面冲沟、坡面沉陷、断头渠、落水洞、管道被堆埋、管道覆土减薄、管道外保护层受损、管道裸露和管道悬空等。

（4）设计与误操作。主要是指管道在设计、施工和管理方面是否因考虑水毁灾害的影响而采取了相应措施，这是避免或缓解管道遭受坡面水毁灾害的重要因素，也是管道管理者可以不断改进的主要方面。

1.3 风险值的计算

管道坡面水毁灾害风险值表示待评管段遭受坡面水毁破坏的程度，可按相关文献给出的公式计算。

式中H为管道坡面水毁灾害风险值；n为二级风险因素指标数；wi为第i个风险因素的权重；xi为第i个风险因素的指标值；K为泄漏影响系数。

按公式（1）得到的风险值愈大，表示管道愈安全。

2 风险因素指标权重赋值模型

为了准确评价管道水毁灾害，不仅要求风险因素指标体系能够科学、全面地概括造成管道水毁灾害的主要因素，而且还要求在评价中所采用的权重赋值模型能够准确地量化各个风险因素对管道风险评价结果的影响。因此，在进行管道坡面水毁风险评价时，必须建立一个科学的权重赋值模型。

2.1 常权赋值模型的缺陷

常权赋值模型可以较好地反映各基本因素的相对重要度，但是由于权向量始终固定不变，因而无法反映风险因素指标值的剧烈变化对管道风险的影响[4]。事实上，在管道坡面水毁灾害风险评价中，各风险因素的重要程度是随着因素指标值的改变而改变的，当其中1~2项重要指标值低于一定的阈值时，会大大增加该管段遭受坡面水毁的可能性。由于管道坡面水毁灾害因素指标众多，如果采用常权赋值模型对风险因素权重进行赋值，这时危险常常会被其他指标值中和而无法对评价结果产生足够的影响，从而大大降低了评价的准确性和可信度。

对于这种常权赋值模型中由于众多指标的平均化所引起的评价不合理问题可以举例说明。假设管道坡面水毁灾害一级风险因素的权向量W=(0.25,0.25,0.25,0.25)，管段1、管段2的风险因素指标值向量分别为X1=(50,50,50,50)、X2=(10,90,10,90)，且泄漏影响系数均为1。采用常权赋值模型得到的管道风险值分别为H1=0.25×50+0.25×50+0.25×50+0.25×50=50、 H2=0.25×10+0.25×90+0.25×10+0.25×90=50，即管段1与管段2的风险评价结果完全相同。但是，从指标分析可知，自然因素和灾害活动均十分恶劣的管段显然更易发生管道水毁破坏。由此可见，常权赋值模型的评价结果未能很好地反应工程实际情况。

2.2 变权综合原理

变权赋值方法与常权赋值方法相比，其最大的优点是不仅考虑了各基本因素的相对重要性，而且考虑了因素指标值的差异性对目标值的影响，这两方面的作用同时体现在可变的权重之中。因此，采用变权方法对各因素的权重进行赋值，能够克服常权赋值方法的缺陷，合理反映各评价指标的相对重要度和指标值对管道风险值的综合影响。

（1）数学原理。变权综合是因素空间理论的重要内容之一。李洪兴教授在文献[5]、[6]中深入地阐释了变权综合理论，并给出了变权原理。即在变权向量空间里，设X=(x1,x2,…,xn)为风险因素指标值向量，变权向量W(X)=[w1(X),w2(X),…,wn(X)]就是因素常权向量W0=(w01,w02,…,w0n)与状态变权向量S(X)=[S1(X),S2(X),…,Sn(X)]的归一化Hadamard乘积

为了便于工程应用，文献[5]同时给出了惩罚型变权、激励型变权、混合型变权的公理化定义，文献[7]给出了局部变权的公理体系。

（2）工程要求。为了客观、准确地反应风险因素对管道风险值的综合影响，风险因素变权赋值模型应该满足以下三个条件：第一，能够反映各个风险因素指标的相对重要度。管道的风险程度在很大程度上取决于常权值大的指标，因此变权模型应该对常权值大的指标反应灵敏，且常权值越大，相应的惩罚或激励幅度就应该越大。第二，能够设置不同的惩罚阈值，对不同水平的风险因素指标值进行分段惩罚。第三，能够正确反映风险因素指标值对管道风险的影响。在管道坡面水毁灾害风险评价中，单一风险因素指标值非常低时，往往会使管道风险显著增加，但是单一风险因素指标值非常高时，却不一定会使管道风险显著降低。因此，变权模型的惩罚幅度应比激励幅度大。

2.3 变权赋值模型

结合工程要求和各个变权形式的特点，管道坡面水毁灾害风险评价应建立惩罚与激励相结合的局部变权模型[7]。根据工程数据实验，构造局部状态变权映射，如图2所示。公式为

式中n为风险因素指标数，此处n=21；a为否定水平，a∈[0,100]；b为及格水平，b∈[0,100]；c为激励水平，c∈[0,100]；d为调整水平，d∈[0,100]；e为w0i=1/n时激励与惩罚的幅度之比，e∈[0,1]；xi为第i项风险因素指标值，xi∈[0,100]。

式（2）和式（3）即为管道坡面水毁灾害风险因素变权赋值模型。

图2 局部变权映射曲线

由图2可见，当xi∈[0,a)时，惩罚程度最大；当xi∈[a,b)时，惩罚程度随xi的增大而减小；当xi∈[b,c)时，对第i个指标主观上既不惩罚也不激励；当xi∈[c,100]时，激励程度随xi的增大而增大。图2中纵坐标的M代表由式（3）第1式算得的值，N代表由式（3）第4式算得的值。

3 应用实例

对西气东输管道坡面水毁灾害易发管段分别进行常权和变权风险评价，假设各管段泄漏影响系数均为1，取a=30、b=60、c=90、d=20、e=0.8，用VB编程实现模型算法，给出管段1、管段2和管段3的风险评价数据。

从风险评价数据的计算结果可以看出，采用变权法得到的各管段风险值与常权法得到的风险值均有一定程度的变化。假定风险值0~19为高风险，20~39为较高风险，40~59为中等风险，60~79为较低风险，80~100为低风险，进一步计算变权赋值对评价结果的影响，结果见表1。

表1 变权对评价结果的影响

由风险评价数据及变权对评价结果的影响可见，管段1除B3和D2的指标值较高外，其他指标值均比较适中，通过变权风险评价，管段1的风险值有所增加（增幅为4.8%），实现了激励效果；管段2、管段3除B3和D2的指标值较低外，其他指标值均比较适中，通过变权风险评价，管段2、管段3的风险值均有不同程度的降低（降幅分别为13.0%和24.5%），实现了惩罚效果。对比管段1和管段2的风险值变化幅度可知，该模型实现了惩罚幅度大于激励幅度的要求；对比管段2和管段3的风险值变化幅度可知，管段3所接受的惩罚力度大于管段2的惩罚力度，这是因为管段3的B3和D2指标值已经低于否定水平，变权赋值模型加大了对管段3的惩罚水平，即实现了对不同水平的因素指标值进行分段惩罚的目的。对比各管段B3和D2的权重变化可知，该模型对于常权权重较大的风险因素（如B3）反应灵敏，惩罚或激励的幅度均较大，对常权较小的风险因素（如D2）惩罚或激励的幅度则相对较小。

以上分析证明，该模型可以较好地满足工程应用中对风险因素权重的变权要求，从而说明所建立的管道坡面水毁风险变权综合评价方法是切实可行的。

4 结语

西气东输管道坡面水毁灾害风险变权综合评价方法构建了较为全面的风险因素指标体系，并采用变权赋值模型解决了常权赋值模型由于众多指标的平均化所引起的评价不合理问题。该方法可以很好得适应工程应用中对风险因素权重的动态要求，具有较好的应用前景；当然，对于变权赋值模型中各参数的取值方案，还应在生产实践中进一步优化，以提高西气东输管道坡面水毁灾害风险变权综合评价方法的准确性和可信度。

[1]鲜福，关惠平，姚安林，等．西气东输管道地质灾害辨识[J]．油气田地面工程，2010，29（3）：80-82．

[2]胡涛，曾继磊，牛振宇，等．西气东输二线甘肃段地质灾害及防护措施[J]．石油工程建设，2010，36（1）：112-115．

[3]赵忠刚，姚安林，赵学芬，等．长输管道地质灾害的类型、防控措施和预测方法[J]．石油工程建设，2006，32（1）：7-12．

[4]赵忠刚．姚安林．基于变权赋值模型的应急预案质量优选[J]．油气储运，2009，28（4）：30-78．

[5]李洪兴．因素空间理论与知识表示的数学框架（Ⅷ）——变权综合原理[J]．模糊系统与数学，1995，9（3）1-9．

[6]Hong-Xing Li．Fuzzy Decision Making Based on Variable Weights[J]．Mathematical and Computer Modeling，2004（39）：163-179．

[7]姚炳学，李洪兴．局部变权的公理体系[J]．系统工程理论与实践，2000（1）：106-109．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.001

基金论文：四川省教育厅资助科研项目“超临界CO2管道输送技术研究”（09ZB097）。

郭磊：硕士，2011年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，现在中国石油西气东输管道公司从事油气储运设备的维护与管理工作。13688327021、guolei0629@163.com

（栏目主持 杨 军）