基于耦合协调模型的油气管道滑坡灾害风险评价研究

郭自强

中国石油华北油田分公司第五采油厂，河北辛集 052360

针对管道风险评价，国内外学者进行了大量研究，Einstein[3]通过风险源识别，构造了5个层级的风险评价体系，可为管道提供预警机制；席莎等[4]通过对西气东输沿线32处已发生滑坡的灾害点进行分析，得到了变形破坏特点与管道方向和滑坡主轴向的关系，并对滑坡类型和规律进行了敏感性分析；冼国栋等[5]通过对西南管道沿线64处典型滑坡进行分析，利用贡献率模型得到坡度、坡面形态等9个高敏感性因子，建立了危险性评价指标体系；周晓莹等[6]建立了土弹簧模型，以最大Mises应力为基准对不同条件下的管道位移和应力情况进行了计算，其中管道埋深、滑坡位移对应力的影响最大。以上研究结果对于滑坡灾害风险评价研究具有一定意义，但均以定性和半定量分析为主。滑坡时管道受土体载荷、管周抗力和摩擦力的影响，从力学角度分析属于多系统耦合作用的结果。目前，耦合协调模型主要应用在经济和环境领域[7-8]，以灾害学为主的分析研究较少[9]，且未见以滑坡为研究对象的耦合协调模型。本文以山西煤层气集输管道为例，针对滑坡成因选择影响因子，从灾害易发性和管体易损性考虑，建立环境致灾系统和管体承灾系统，采用组合权重-耦合协调模型[10]，对滑坡灾害点进行风险评价，并对比验证SY/T 6828—2017《油气管道地质灾害风险管理技术规范》的评价结果，以期为该类型管道的风险评价和风险消减提供理论依据和实际参考。

1 耦合协调模型

1.1 耦合与协调

耦合概念为物理学范畴，指两个或两个以上的子系统通过各种作用相互影响彼此的现象，如单个系统对另一个系统具有促进或拮抗作用，不同系统间的作用可以叠加，决定了系统从无序到有序的过程。采用耦合度描述各系统间的影响程度：

式中：C为耦合度，C∈（0，1）；U为子系统对总系统的贡献值；m为子系统个数；i=1，2，…，m；j=1，2，…，m，i≠j。

当耦合度趋于1时，说明子系统之间的有序性很强，管道危险性较大；当耦合度趋于0时，说明子系统之间的相关性较小，管道危险性较小。但耦合度只能代表子系统间影响程度的强弱，无法反映子系统协调发展趋势，因此引入耦合协调度函数，对耦合模型进行改进，强调对相互影响平衡状态的衡量，引入的函数为：

式中：D为耦合协调度；T为子系统间的综合协调指数，见式（3）。

式中：a1，a2，…，am为待定系数，取子系统对整个评价体系的权重。

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1.2 功效函数

将总系统的估计值与判定准则之间建立函数关系，通过功效函数反应子系统的大小及变化对总系统发展推演的影响，分为正功效函数和负功效函数两种，正功效值越大，代表系统的耦合协调发展处于不利状态，负功效值越大，代表系统的耦合协调发展处于有利状态，公式如下：

式中：Xij和X′ij为第i个系统中第j个指标的功效值，Xij，X′ij∈ （0，1）；xij为第 i个系统中第 j个指标的初始值，下标max、min表示最大、最小。

通过求解子系统内不同指标的权重，进行线性加权得到子系统对总系统的贡献值Ui：

式中：ωij为第i个系统中第j个指标的权重。

1.3 组合权重

根据式（3）和式（6）可知，指标及子系统的权重对评价结果的准确性影响较大。目前，权重的确定方法有主观法和客观法，其中主观法尊重专家意见，反映决策者和管理者的意向，通过对专家意见的数字化体现，反应权重影响；客观法充分利用已有数据提供的信息，但评价结果过于绝对，忽略了专家经验在实际工况中的作用。在此，采用层次分析法确定主观权重，熵权法确定客观权重，充分利用两者优势，以偏差最小化原则优化组合权重，见式（7）。

式中：ωi为第i个指标的组合权重；ui为第i个指标的主观权重；vi为第i个指标的客观权重。

2 实例分析

以华北油田公司山西煤层气分公司地区集输管道为例，进行耦合协调风险评价，研究区域见图1。

图1 研究区域图及滑坡灾害点

研究区域位于沁水盆地东南部，地面主体为丘陵、山地，沟谷切割，基岩出露，地形较复杂，海拔高度700～1 300 m。四周群山环绕，主要有历山、老雕崖、鹿台山等山峰，区内河流有沁河支流固县河等。管道途经的地貌主要有中低山区山梁顶部区、斜梁顶部区、斜坡地带区及冲沟沟谷区，沿线覆盖层较薄，三叠系砂岩（夹泥岩）普遍出露，地形起伏较大，工程地质条件较复杂。所在地区属温带季风气候区，大陆性气候明显，四季分明，冬长夏短，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季温和宜人，冬季寒冷寡照，年平均降水量500～1 000 mm。以上地形地貌、地质环境和外部诱发因素为地质灾害的发生提供了有利条件，尤其是雨季滑坡、泥石流等地质灾害频繁发生。管道沿线共有55处滑坡灾害点，其中大部分为横穿滑坡（48处），纵穿滑坡和斜穿滑坡数量较少（7处），据研究表明，横穿滑坡对管道造成的危害远大于其余两种穿越方式，破坏后管道多出现悬空、漏管或侧方偏移，因此以48处横穿滑坡点为研究对象。

2.1 建立评价指标体系

滑坡灾害的发生除与形成滑坡的内因和诱发滑坡的外因有关外，还与管道自身的敷设条件及力学因素相关。综上所述，参照前人的相关研究和DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查规范》、DZ/T 0216—2014《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范》等规范，从灾害易发性和管体易损性考虑，建立环境致灾系统和管体承灾系统。环境致灾系统选取高差、坡度、坡向、地表曲率、滑面倾角、滑体厚度、年平均降水量、归一化植被指数（NDVI）等8个指标，管体承灾系统选取壁厚、埋深、内压、敷设位置、缺陷密度等5个指标，见表1。

表1 滑坡灾害评价指标体系

2.1.1 环境致灾系统指标

环境致灾系统指标中除滑面倾角和滑体厚度根据投产运行时现场勘查数据获得，其余指标均取自国土资源部、地理空间数据云等网站数据，使用ArcGIS软件，将滑坡灾害点导入研究区域，并将评价指标与矢量图连接，得到48个灾害点的指标数据，数据见表2。

表2 环境致灾系统指标数据

其中NDVI指标数据可以反映研究区域内植被覆盖情况，NDVI∈[-1，1]。NDVI为负值代表地面覆盖有雨、雪、水；NDVI为正值代表地面有植被覆盖，且越接近1，植被覆盖率越高。计算公式为：

式中：NIR为近红外波段的反射值，R为红外波段的反射值。

2.1.2 管体承灾系统指标

管体承灾系统指标中壁厚采用最近两次的内检测数据，选取穿越段的平均壁厚；埋深采用PCM-x埋地管道探测仪进行检测；内压根据现场安装的一次或二次仪表获得；敷设位置即管道与滑坡剖面中心线的距离，决定管道在滑坡体中的具体位置，不同位置造成的管道变形破坏形式也不同；缺陷密度为由内检测数据得到每段管道的缺陷轴向长度与管道长度之间的比值，数据见表3。

表3 管体承灾系统指标数据

2.2 评价过程及结果

采用SPSS分析软件，在置信度水平95%的条件下，分析两个子系统中各指标的相关性，通过计算，在显著性水平0.05下，各指标的相关性均为弱相关或不相关，符合耦合-协调模型指标相互独立的原则。计算每个子系统的指标权重，见表1。考虑两个子系统在评价体系中的权重，环境致灾系统和管体承灾系统的权重分别为a1=0.384 3，a2=0.6157，可见管道自身条件对安全运行影响较大。

在环境致灾系统中，NDVI的组合权重最大为0.319 8，良好的植被覆盖可以改变地表水和地下水的入渗条件，防止水土流失，同时植被的根系具有固化土体、增加土体黏聚力的特点，如果根系嵌入基岩或湿陷性黄土中还可起到预应力锚固的作用；其次为年平均降水量，降雨是诱发山体滑坡的主要因素，水的作用会导致岩体软化，静水和动水压力会促进滑体蠕动，增加坡体体积和容重，使坡体的抗剪切能力减弱。

在管体承灾系统中，缺陷密度的组合权重最大为0.532 1，可见因内外腐蚀造成的壁厚减薄、腐蚀产物沉积、附着物堆积对管道安全运行影响较大；其次为埋深和壁厚，埋深越浅、壁厚越大，最大Mises应力越小，管道的承灾能力越强。

根据式（4）、式（5）求得各指标的功效值，根据式（6）计算子系统对总系统的贡献值，由式（1） ～（3） 计算每个灾害点的耦合协调度，部分结果见表4，其中U1为环境致灾系统对总系统的贡献值，U2为管体承灾系统对总系统的贡献值，T为子系统间的综合协调指数，C为耦合度，D为耦合协调度。

表4 48个滑坡灾害点的计算结果（部分）

对于耦合协调模型的等级区间划分没有固定模式，可以选择相等间隔、分位数、几何间隔、标准差和自然点间断分级法。由于几何间隔法为其余几种方法的折中方案，可确保每类元素的平方和最小、每类元素的范围和值域一致，故根据计算结果及实际工作经验，采用几何间隔法对耦合协调的类型和等级进行划分，见表5。

表5 滑坡灾害耦合协调类型和等级划分

2.3 对比验证

为了评价耦合协调模型的准确性，采用SYIT 6828—2017《油气管道地质灾害风险管理技术规范》中的半定量方法计算风险概率指数，采用几何间隔法划分为 0.12～0.16、0.16～0.24、0.24～0.34、0.34～1.00，分别对应低、中、高、极高四个等级，结果见图2。

图2 耦合协调度与风险概率指数对比

从图2可以看出，耦合协调度与风险概率指数的趋势基本一致，高度耦合协调的风险点风险概率指数较大，低度耦合协调的风险点风险概率指数较小，两种方法中均为33号滑坡的风险最大。33号滑坡整体地形开阔，高差较大，坡度31°，属于25°～40°最危险坡度范围内，为斜坡失稳后势能转化为动能提供了有利条件，滑坡前缘宽，后缘窄，具有较好的有效临空面，同时滑面倾角、滑体厚度及滑坡体积较大，滑带土呈软塑状，滑床近似呈直线型，抗阻和抗剪切能力较差，为滑坡发育提供了有利的地形地貌及地质特征；此外，该处灾害点的年平均降水量与同类对比较大，植被覆盖类型为栽培植被，对岩土的稳定能力远不及阔叶林和针叶林。

不考虑等级区间划分的主观差异性，两种方法刻画的相对风险趋势一致，评价结果相同，证明耦合协调模型可以有效量化风险大小，具有良好的适用性和可操作性。经评价，48处滑坡多为中度耦合协调，应加强监测技术，重点巡查，预防滑坡及次生灾害发生；而类似1号、35号的滑坡风险点，虽然评价结果为低度耦合协调，失效可能性较小，但与中度耦合的下限端点值接近，如不及时采取措施，失效可能性可能随时上升，应随时注意各影响因素的变化情况，采取监测及保护措施。

3 结论

（1）滑坡灾害的发生与环境条件和管体条件有关，通过偏差最小化原则优化组合权重，以山西煤层气集输管道为例，环境致灾系统和管体承载系统中归一化植被指数（NDVI）和缺陷密度的权重最大，应对植被覆盖类型和管体损伤情况进行重点关注。

（2）基于耦合协调模型，考虑子系统间的相互作用、协调发展趋势，计算得到的耦合协调度与风险概率指数具有很好的一致性，即高度耦合协调的风险点风险概率指数较大，反之亦然，证明耦合协调模型在进行地质灾害风险评价上具有很好的互馈效果。

（3）在评价指标选取上只考虑了管体的5个方面，对于部分重要的定性指标，如外防腐、坡脚开挖、应急预案、非法占压等方面尚未纳入评价系统。今后可增加类似指标，使评价结果趋于完整。