基于贡献率模型的管道河(沟)道水毁灾害危险性评价指标体系

陈国辉，吴 森，潘国耀

(四川省地质工程勘察院, 四川 成都 610072)

0 引言

中国石油西南管道公司所辖管道途径滇、黔、桂、川、渝、陕、甘、宁7省1市，是我国油气输送工程的重要组成部分，为确保西南地区经济发展所需的能源供应发挥了巨大的作用。辖区内管道穿越的滇、黔、陕、甘、宁与四川的东北部等，大部份地区处于欧亚板块与印度板块强烈碰撞、挤压的地槽区，地质构造活动强烈，沿线有一系列深大断裂和次生断裂。区内山高谷深，河流与山脉相间排列，管道蜿蜒于大山大河之间。管道沿线地质环境条件复杂，滑坡、崩塌、泥石流、水毁等地质灾害发育，管道面临地质灾害的危害风险大[1]。

本文以管道沿线的河(沟)道水毁为例，选取其中典型的119处河(沟)道水毁灾害点作为样本点，基于贡献率模型对河(沟)道水毁的影响因子的敏感性进行统计分析，最终在敏感性中等、敏感性高的因子中筛选部分因子作为管道河(沟)道水毁灾害的危险性评价因子。

1 河(沟)道水毁的发育及危害

管道沿线发育的河(沟)道水毁灾害是研究区的优势灾种。河(沟)道水毁在各条管道沿线均有不同程度的发育，其中以兰成渝成品油管道沿线发育数量最多，成灾规模以一般水毁为主(影响管道长度≤100 m)，部分段发育大型水毁(影响管道长度>100 m)，分散性较强，发育分布不均衡[1]。

河(沟)道水毁主要发育在穿越河沟、顺河沟敷设段的河沟床及岸坡地带。受地表水(洪水)的冲蚀、侵蚀作用影响，根据破坏机理的不同，形式主要表现为河床下切、堤岸坍塌和水工保护设施破坏等，其中又以堤岸坍塌(图1)、河床下切(图2)危害最为严重。

图1 堤岸坍塌型的河(沟)道水毁Fig.1 The bank-collapse type of washout hazard

河(沟)道水毁对管道的危害表现形式主要有露管、悬管、漂管，可能影响管道的正常运营，严重时可能造成管道破损，导致油、气泄漏。

图2 河床下切型河(沟)道水毁Fig.2 The riverbed-incised type of washout hazard

2 河(沟)道水毁的影响因素分析

管道沿线河(沟)道水毁灾害的形成受内因和外因两方面的条件控制，内因是河(沟)道水毁形成的物质基础(地形地貌、地质环境等)，外因是诱发河(沟)道水毁形成的外在条件(降水、人类工程活动等)。

2.1 内部因素

2.1.1地形地貌因素

河(沟)道水毁主要是河、沟岸或河、沟底在水流作用下冲刷掏蚀、下切而造成的河(沟)岸坍塌或河(沟)底侵蚀的现象，导致管道浅埋、露管、悬管或漂管[2]。河(沟)道水毁主要由水力作用引起，水力作用的强弱主要取决于地形条件(主要包括岸坡类型、岸坡坡度、河沟纵坡降)。当处于特定的河(沟)道部位，同时具备适当的地形条件，就有可能发生水毁灾害。对于横穿河流沟谷的管道，主要遭受河(沟)的冲刷下切作用，同等条件下，当河(沟)道纵坡降越大，水流速度越快，就越利于河(沟)道的下切；沿河、沟岸敷设的管道；凹岸坡部位的破坏形式主要表现为淘刷坍岸，对管道影响大；凸岸坡部位的破坏形式主要表现为淤积，故对管道影响小[2]。另外，河岸坡度越大，则越利于淘刷坍岸。

例如兰成原油管道清江河2#水毁，该灾害位于剑阁县桅杆村清江河河边，管道处于凹岸区，受暴雨和清江河发洪水影响，河岸冲刷加剧，最终导致坍岸，造成两段管道悬管，其中一处光缆被冲断(图3)。

图3 兰成原油管道清江河2#水毁Fig.3 Qingshuihe 2# washout hazard of Lanzhou-Chengdu crude oil pipeline

2.1.2地质环境条件

地质环境条件是河(沟)道水毁形成的重要内在因素[3]，主要包括岩土类型、土体状态(岩土体密实度、土体塑性状态)、河(沟)岸植被覆盖等。

(1)岩土类型是河(沟)道水毁形成的至关重要的因素。不同岩土类型产生水毁的难易程度较大，在相同条件下，土体相对于岩体更容易导致水毁形成；土体中的细粒土比块、碎石土等粗粒土的内摩擦角较小，更容易遭受水流掏蚀、冲刷。

(2)岩土体密实度也是导致水毁形成的主要因素。结构松散的岩土体往往物理力学性质较差，更容易被地表水掏蚀、冲刷。

(3)植被和土地利用类型也影响着水毁的发生，一般裸地地区缺乏植被的保护，水土流失严重，更容易导致灾害的发生[2,4]。

图4 兰成原油管道小峡沟水毁Fig.4 Xiaoxiagou washout hazard of Lanzhou-Chengdu crude oil pipeline

例如兰成原油管道小峡沟水毁(图4)，该灾害点位于广元市朝天区羊木镇五星村小峡沟，兰成原油管道沿沟道纵穿，沟道整体纵坡降120%，沟道内主要为管道开挖形成的碎块石填土，土体结构松散，2013年6月20日暴雨导致该区管道露管。露管分两段，上半段与下半段各20 m，共计40 m，管道被碎石砸伤20余处。

2.2 外部诱发因素

导致河沟水毁形成的外部因素较多，主要包括洪水位变幅、流量、流速、降水、人类工程活动等[2]。

2.2.1流量及流速

流量与流速直接决定水流对河沟的冲刷、掏蚀的强弱，水流越大，流速越快，对岸坡及河床的冲刷与下切作用就越强烈[5]。

2.2.2人类工程活动

河道人工采砂活动、岸坡开挖与堆载、上游修建水库等人类工程活动都会诱发河(沟)道水毁。

例如兰成、中贵管道火烧沟水毁(图5)，该灾害位于甘肃省康县白杨乡，兰成中贵管道在火烧沟内敷设长度为13.5 km，采用同沟、同隧道敷设方式。由于河道蛇曲，管道在沟内设置了11座隧道进行取直(进出洞口多位于沟道凹岸)，管道开挖导致土体松散，同时隧道开挖形成的弃碴严重侵占现有沟道，有的地方占用了4/5的河道，2013年6月19日晚21时至次日12时康县境内遭遇百年不遇特大暴雨，特大暴雨过后，火烧沟内山洪爆发，洪水位急剧上升了4～5 m，由于洪水的冲刷、侵蚀，导致伴行路多处受损，完全冲毁长度约1 km，局部路基或路面冲毁约10 km。伴行路冲毁后导致2段管道出露悬空，悬空长度分别为67 m和120 m；另外有9处穿河段管道暴露在河底，暴露的长度不同，多数与河底宽度大致相同，长度不超过10 m；冲刷后河底下切严重，有些是整个管道暴露，形成短距离悬空，局部防腐层损坏严重。

图5 兰成管道、中贵管道火烧沟水毁Fig.5 The Huoshaogou washout hazard of Zhongwei-Guiyang pipeline and Lanzhou-Chengdu pipeline

3 河(沟)道水毁影响因子敏感性分析

3.1 因子的选取

根据管道沿线河(沟)道水毁的影响因素分析，河(沟)道水毁灾害受地形地貌、地质环境、结构特征、变形特征、外部诱发因素等五大因素影响，结合管道河(沟)道水毁灾害的实际特点，从中选取12个评价因子(岸坡类型(凹岸、凸岸、直岸)、坡高、河岸坡度、流域面积、河(沟)纵坡降、岩土类型、河岸植被覆盖率、河沟道变形、土体状态(岩土体密实度、土体塑性状态)、洪水位变幅、流速、人类工程活动)[6-7]作为备选指标因子。

3.2 样本的选取与统计

3.2.1样本的选取

选取119处典型河(沟)道水毁灾害点作为样本点，用于灾害的影响因子敏感性分析。选取的119个样本点横跨西南管道5条管道穿越区7省1市所有地貌单元，具有良好的代表性。

3.2.2样本的统计

各因子根据其对河(沟)道水毁灾害发生的影响程度，按表1对其贡献进行赋值[1]。

表1 贡献赋值参考表

119个样本点各因子按表1分别赋值后统计见表2。

表2 河(沟)道水毁样本贡献赋分统计表

3.3 敏感性分析

3.3.1因子间敏感性分析

为了客观的评价因子的敏感性，采用贡献率模型对管道沿线河(沟)道灾害影响因子的敏感性进行分析，贡献率模型是指利用每个评价因子的贡献值来反映该因子对灾害的贡献情况，然后通过归一化处理，将贡献值转换为敏感性值，最终通过归一化的敏感性值大小表示因子间的敏感性。

该模型的优点是结构简单，不受地域限制，能客观地反映出各因子的敏感性大小。该模型是通过统计分析已发生119处河(沟)道水毁灾害对各因子的贡献情况，反映出因子的敏感性大小。贡献率模型如下[8-9]：

(1)

(2)

式中：rij——第j样本的第i个因子的分值；

n——灾害样本的个数，这里取119；

ri——第i个因子的贡献总分；

m——地灾影响因子的个数，这里取12；

Si——各因子的敏感性值。

根据贡献率模型可以求取各因子的敏感性值，计算结果见表3。

表3 河(沟)道水毁影响因子的敏感性值统计表

3.3.2单因子敏感性分析

在不同地貌单元，不同地质环境条件下，各因子内部的敏感性大小是否收敛，就成了其是否能作为评价因子的关键。因此还需要对各因子的内部敏感性进行分析，分析因子的收敛性，这里以洪水位变幅为例介绍。

通过洪水位变幅对119个样本点统计数据分析显示(表4)，在119个灾害点样本中，有108个为高贡献，占总数的91%；中等贡献9个；低贡献2个。

分析显示洪水位变幅对于河(沟)道水毁的影响敏感性高，通过折线图可以看出(图6)，样本点主要收敛在高贡献中，因此洪水位变幅(流量)在河(沟)道水毁灾害中占据主控地位，是不可或缺的评价指标。通过对各因子内部敏感性分析，12个备选因子均具有较好的收敛性。

表4 洪水位变幅因子贡献统计

图6 洪水位变幅因子贡献分析Fig.6 The contribution analysis of flood level fluctuation factors

4 评价指标体系构建

按照评价因子敏感性大小，将影响因子划分为高敏感因子、中等敏感因子、低敏感因子[10-11]，划分标准与结果参见表5。

低敏感因子在河(沟)道水毁灾害中占据极其次要地位，为了便于评价，一般不选作河(沟)道水毁灾害危险性评价指标。由于野外调查中，某些因子状态是不可基于调查手段获取的，鉴于此，这里将高、中等敏感因子中不可通过野外调查获取的因子剔除，最终保留洪水位变幅、岩土类型、土体状态、岸坡类型、河沟纵坡降、岸坡与河沟变形、河岸坡度7个因子构建单体管道河(沟)道水毁灾害危险性评价指标体系(图7)。

表5 影响因子敏感性分级

图7 管道河(沟)道水毁灾害危险性评价指标体系Fig.7 The assessment index system of washout hazard of pipeline across-river

5 结论

(1)贡献率模型能客观地分析管道沿线河(沟)道水毁灾害影响因子的敏感性，该模型的优点是结构简单，不受地域限制，能客观地反映出各因子的敏感性大小。

(2)对因子敏感性进行排序，最终保留洪水位变幅、岩土类型、土体状态、岸坡类型、河沟纵坡降、河沟道变形、河岸坡度7个因子作为管道河(沟)道水毁危险性评价指标因子。

(3)受资料限制，本次仅选取管道沿线119处典型河(沟)道水毁灾害作为样本点，样本数量不足可能会造成分析的误差，下一步应增加样本量，对评价指标进行进一步的验证与改进。