刘小晖1,2 张小建1 武锴1 邓丰林1 马烨1

1. 西南管道兰州输油气分公司； 2. 兰州大学土木工程与力学学院

 

 

摘  要：近年来，黄土区敷设的管道沿线普遍发育的黄土湿陷危险性评价成为研究热点。依据物元理论和可拓集合理论，构建黄土湿陷危险性评价物元模型。在区域地质环境与黄土湿陷基本特征调查研究的基础上，选取14个具代表性的、可量化的评价指标，引入灰色关联度法求其权系数，采用可拓关联函数确定待评物元与危险性分级之间的关联度和隶属度。通过实际应用和对比分析，证明基于灰色关联度的可拓法用于油气管道黄土湿陷危险性评价具有较高的可信度和良好的实用性。

关键词：可拓法；黄土湿陷；危险性评价；灰色关联度

 

 

黄土高原作为能源管网东西和南北交叉点，近年来越来越多突出的管道地质灾害问题，引起国内外学者的关注[1-4]。据笔者统计，黄土高原管道地质灾害约50%为黄土湿陷，给管道安全运营、日常管理带来了较多的困难[5]。开展管道黄土湿陷危险性评价不仅可为风险管理奠定基础，而且可为其监测、防治提供理论依据，十分有意义。

笔者依据蔡文提出的可拓理论[6-7]，结合灰色关联度法，构建指标物元模型，评价黄土高原区集中发育的典型黄土湿陷危险性，并与PGRMS(管道地质灾害风险管理系统)分析、综合评价结果进行对比。从黄土湿陷危险性众多影响因素中选取具有代表性的、可量化的评价指标，引入灰色关联度法求其权重，采用可拓关联函数确定评价指标的关联度和隶属度。可拓法评价结果合理可靠，更接近客观实际，且主观因素影响较小，具有良好的应用前景。

1 可拓理论评价模型

1.1 可拓学物元模型

可拓法采用形式化工具，从定性和定量两个角度研究事物的规律和解决方法，其核心为物元理论和可拓集合理论。可拓学物元理论提出由事物N、特征C及量值υ构成物元R=（N， C， υ）的概念，通过建立多指标的质量评价模型来反映整个样本的综合水平。

假设物N 具有n 个特征，即C1， C2，…， Cn，则物N关于特征Ci对应的量值υi可构成n维物元R，表示如下：

 

1.2 经典域和节域的确定

1.2.1 经典域

经典域指评价指标隶属于某个评价等级的取值范 围，表达式为：

 

1.2.2 节域

节域表达了事物N的某一特征C对应的量值范围，在其范围内事物性质具连续稳定性，如式（3）所示。

 

1.3 关联函数

可拓理论引进距的概念来确定关联度，从而将实变函数点与量值范围之间的关系由“类内为同”拓展为“类内存异”。域内任意一点υj与经典域＜atj， btj＞和节域＜apj， bpj＞的关联函数Kt（υj）见式（4）。

 

1.4 评价指标权系数确定

可拓法中评价指标权系数对危险性评价结果影响较大，为减少主观因素的影响，该次采用灰色关联度法确定评价指标的权系数。

1.4.1 数据处理

评价指标量化值的无量纲化处理采用均值变换法，如式（5）所示。

 

1.4.2 创建绝差数列

选取参考数列，记为C0（k ），其他数列与之比较，得到绝差数列∆j（k），并求出∆j（k） max和∆j（k） min，分别表示如下：

 

1.4.3 计算关联系数

比较数列Cj（k）与参考数列C0（k）的关联系数rj（k）表示为：

 

1.4.4 灰色关联度及权重

黄土湿陷评价指标灰色关联度rj由式（10）求得，结果表示为﹛r1， r2，…， r14﹜；利用式（11）计算其权系数ωj。

 

1.5 危险性评价物元模型构建

可拓关联函数结合评价指标权系数得到待评物元黄土湿陷N与危险性分级t 的关联度为：

 

依据式（13）可得最大关联度值对应的 t 即为黄土湿陷的危险性等级。

2 黄土湿陷危险性评价模型构建及应用

2.1 研究区域概况

兰成管道K0－K278段管道地处黄土高原南缘，受季风影响，全年降水量的50%～70%集中在7～9月，降雨期也是地质灾害频发期，且丰水年易发育管道地质灾害。该区域地层主要为黄土和火山岩、变质岩、沉积岩。

据2019年地质灾害调查资料，该区域共发育灾害109处，其中黄土湿陷54处，占发育灾害总量的49.54%。随机选取10处黄土湿陷作为研究对象，依据SY/T 6828―2017《油气管道地质灾害风险管理技术规范》，对湿陷面积、湿陷形状、湿陷最大深度、植被情况、汇水条件、微地貌形态、与管道空间关系、水毁类型、影响长度等进行调查、测量与定性评判，基本特征见表 1。

 

2.2 评价指标的选取与可拓分级

油气管道黄土湿陷危险性影响因素较多、时空差异性较大，故参评因子选取是否合理直接影响评价结果的准确性和实用性。笔者在野外调查、灾害分析和PGRMS应用基础上，结合已有学者研究成果，选取黄土湿陷面积（C1）、管道受影响 长度（C2）、危害管道程度（C3）、微地貌形态（C4）、与管道空间关系（C5）、灾害发育特征（C6）、管道与塌陷夹角（C7）、管道埋深的倒数（C8）、灾害活动情况（C9）、管道附件环境敏感性（C10）、水力侵蚀方式（C11）、暴雨频次/年（C12）、多年最大日均降雨量（C13）、人类工程活动（C14）等14个影响因素作为可拓物元模型的评价指标。

为满足工程需要，将黄土湿陷危险性划分为低、较低、中、较高、高5个等级；依据已有研究及统计成果，其评价指标可拓分级标准如表 2所示。再据表 2，黄土湿陷危险性分级经典域和节域如表 3所示。

 

2.3 待评物元

选取的10处黄土湿陷灾害点列为一组评价单元，创建的待评物元如式（14）所示。依据表 1，评价单元实测值结合调查人员评分结果得评价指标量化值，见表 4。

 

2.4 物源模型计算结果

通过式（4）得待评物元黄土湿陷HS-01～HS-10与风险等级j1～j5之间的关联系数K t(υj)；结合评价指标权系数ωj，由式（12）、式（13）计算得待评物元危险性关联度Kt（N ）和隶属度Rt（N ），详情及其对应的危险性等级见表 5。

 

2.5 评价结果对比分析

采用可拓法、 PGRMS分析及综合评价对10处黄土湿陷分别进行危险性评价，对比结果得到：①可拓法与综合评价结果一致性比例达70%，偏低比例30%；②可拓法与PGRMS评价结果一致性比例达40%，偏高30%，偏低30%；③PGRMS与综合评价结果一致性比例达60%，偏高20%，偏低20%；④可拓法、 PGRMS与综合评价结果危险性等级差∆t =1的占比90%，未出现较大的差异性。

综上，可拓法定性—定量评价结果与综合评价结果具有较高的一致性，而与PGRMS评价结果一致性较差，主要是因为综合评价由专家根据以往经验、结合现场实际进行评判，更符合客观情况。

3 结论

（1）油气管道黄土湿陷危险性评价是风险管理的基础和安全运营的保障，采用可拓法对其进行危险性评价尝试，结果与实际情况基本吻合。

（2）可拓物元模型采用灰色关联度法确定已量化评价指标的权系数，减少了主观因素对评价结果的影响，但其仅选取湿陷面积作为参考数列可能存在缺陷。

（3）与PGRMS分析、综合评价相比，可拓法理论较为严谨，计算过程较为简单，评价结果合理可靠，主观因素影响较小，具有良好的应用前景。

（4）基于灰色关联度的可拓法中，选取的评价指标是否科学合理、其量化值是否准确可信直接影响评价结果的客观和实用性。

（5）可拓理论采用定性和定量相结合的研究方法，建立多指标物元模型，为黄土湿陷及其他地质灾害危险性评价提出了新的研究思路。

 

参考文献：

[1] 李智毅，颜宇森，雷海英.西气东输工程建设用地区的地质灾害[J].地质力学学报， 2004， 10(3)： 253-259.

[2] 刘小晖，张满银，王得楷，等.河沟谷区管道敷设方式和地质灾害的关系探析[J].地质灾害与环境保护，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，刘小晖，罗士棣.黄土湿陷区油气管道暗悬长度探析[J] .地质灾害与环境保护， 2016， 27(3)：96-99.

[6] 蔡文，杨春燕.可拓学的基础理论与方法体系[J].科学通报， 2013， 58(13)： 1190-1199.

[7] 蔡文，杨春燕，林伟初.可拓工程方法[M].北京：科学出版社， 1997.

 

作者简介： 刘小晖 ， 1 9 8 6 年生，硕士、工程师，主要从事油气管道地质灾害防治工作。联系方式：13619328002， liuxh18@lzu.edu.cn。