晋 良 海，姜 桂 莲，易 小 钰，江 新，陈 述1，，4

(1.湖北省水电工程施工与管理重点实验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 3.三峡大学(湖北)安环科技有限公司，湖北 宜昌 443002； 4.三峡大学 安全生产标准化评审中心，湖北 宜昌 443002)

长距离埋地管道的安全运行不仅是我国优化能源结构、促进经济快速发展的重要条件，更是事关国家能源安全和群众生命财产安全的大事。长距离埋地管道普遍具有浅埋、薄壳、线状及内含高压易燃易爆介质的特点，即使是较小的地质灾害也可能造成难以估量的安全威胁。其中，管道水毁灾害是发育最普遍、数量最多、分布最广的地质灾害[1]，严重危害管道运行安全，轻则慢性导致管道覆土体被冲刷、防护工程毁坏、管道裸露、悬空、漂管，出露于地表外的管道还将会遭到第三方破坏或空气腐蚀；重则急性造成管道变形、破裂、断裂，甚至介质泄漏等紧急情况[2-3]。

管道水毁灾害的相关研究始于海底输油管道冲刷。研究者发现渗流和涡流状态对管道有冲刷作用[4]，采用基于能量守恒的管道和土壤相互作用模型探究管道冲刷侵蚀和管道失稳的关系。随后，研究者借助电子科学技术，利用有限元软件模拟管道受力情况，开拓了软件模拟管道的新思路，得到了长足应用和发展，大量模拟软件被应用于水毁灾害导致的管道失效数值计算中。现今，已有多套有限元软件能对管道悬空、出露、涡旋、震动、水流冲刷等情况作数值模拟[6]。随着西气东输、川气东送等大型长距离埋地管道工程的大力开发，越来越多的管道水毁典型实例被调查和研究。王生新等[7]基于西北地区输油气管道的水毁灾害数据及统计的洪积扇区域管道水毁灾害类型，探讨了水毁灾害对埋地管道水毁防护工程的损毁特征，提出科学适用的水毁防护工程改进方法。王任等[8]根据对中缅输油气管道水毁灾害的调研和统计分析，得出了一种迅捷、经济、安全系数高、环境友好的新型管道水毁灾害治理方案。国内外针对水毁灾害孕育特征的成果大多以实例为研究对象，结合力学、数学和计算机软件等技术，探究管道水毁灾害的致灾因子和发育特征。相关研究成果值得借鉴，但往往具有地区局限性，缺乏普适性。也有学者借助有限元软件模拟和GIS平台等相对较成熟的技术进行管道水毁风险评价研究，但实施过程一般需要详尽的数据库或专业操作人员，成本大。

为提高管道水毁灾害防治水平，保证长距离埋地管道运营安全，分析管道水毁灾害的孕育特征，提出易发性和易损性评价指标体系，采取半结构化风险评价方法，构建FAHP综合评价模型，对长距离管道水毁风险进行分级，并以川气东送管道改迁工程为例进行风险评价，以期为制定水毁灾害防治措施提供理论支持。

1 长距离管道水毁灾害孕育特征

长距离管道敷设长度可达几百上千公里，管道沿线水文、地质和气象等条件复杂多变。管道工程建设条件复杂，管道工程常受河流、洪水、地下水渗透、降雨、灌溉等水流动力的冲击侵蚀影响，加之山体滑坡、冲沟、河流改道、河床下切等作用，极易造成管道工程覆土层变薄、结构稳定性被破坏，进而产生管道裸露、悬空、防腐层损坏、失稳变形、介质泄露等管道水毁灾害现象。

根据成灾原因和基本作用形式，管道水毁灾害可分为地面水毁和地下水毁两类。地表水动力作用对埋地管道覆土层冲刷引起地面水毁灾害，根据地形地貌不同分为坡面、河沟道和台田地水毁[9]，表现为洪水冲刷、坡面冲刷、山体滑坡、冲沟、河床下切、河流改道等，导致管道埋深不足，出现裸露、悬空、游荡、变形、断裂等现象。地面水毁特征具体列于表1。

地下水动力作用对管道岩土体侵蚀冲刷引起地下水毁灾害，根据地下水流态形式不同，分为渗流水毁和管底槽流水毁[10]，表现出管道底部悬空、管沟沉降、陷穴、落水洞、地面塌陷、本体下沉等现象。地下水毁特征具体列于表2。

2 管道水毁半结构化风险评价方法

2.1 风险评价指标体系

水毁灾害危害管道运行安全，影响居民的正常生产生活，甚至威胁群众的生命财产安全，并对国民经济发展和社会造成巨大损失。因此，做好长距离管道水毁灾害的风险评估与管理工作极具必要性。风险评价是管道水毁灾害风险评估的主要依据，也是灾害防控管理的核心环节，推行管道水毁灾害风险评价是解决灾害频发的有效手段。通过开展风险评价可对存在的管道水毁灾害风险进行辨识和排序，以确定管道水毁灾害风险控制的相对优先度，实现管道水毁灾害风险分级管控。

风险评价指标体系是实现客观风险评价的基础，选取指标构建风险评价体系时必须遵循系统性、科学性、普适性以及定性与定量结合的原则[11]。管道水毁灾害风险评价内容需考虑灾害的易发性和易损性。易发性因素用于分析水毁灾害发生的概率，易损性因素则可评价灾害受体结构的损失程度[12]。基于长距离管道水毁灾害孕育特征，结合实地调查、现场试验及灾害分析，参考国内外管道水毁灾害治理实例和研究成果[13-14]，建立管道水毁灾害半结构化风险评价指标体系。管道水毁灾害风险评价指标因素多而复杂，部分定性指标难以量化，如地质条件、环境敏感性等因素，因此，本文采用半结构化风险评价体系量化风险指标。半结构化风险评价体系采用定性与定量相结合的办法，对不可量化的指标进行分级或打分，并收集可量化的指标数据，建立数学模型，系统全面地分析管道水毁灾害风险指标。本方法将所有风险指标的评价建立在同一个风险平台上进行综合评判、统一评级，有利于管道水毁灾害的分级管理和分重点控制。半结构化风险评价结合了定性与定量分析的优势，使风险评价方法更具有科学性和经济性，适用于各种地质灾害、工程安全、事故等影响因素众多的风险评价[15-16]。

表1 地面水毁灾害孕育特征Tab.1 Characteristics of surface water disasters

表2 地下水毁灾害孕育特征Tab.2 Features of groundwater disasters

风险评价指标体系采用管道水毁的一些关键性指标，并考虑各因素的交叉性，从易发性和易损性评价两个方面，选取9项指标，建立管道水毁灾害半结构化风险评价指标体系，如图1所示。

(1) 洪水流量x1。汛期管道沿线经过的洪水流量。

(2) 水毁灾害持续时间x2。管道及其相关工程设施的被水毁灾害破坏的持续时间。

(3) 冲刷速度x3。暴雨、洪水等水动力对管道覆土层的冲刷速度。

(4) 降雨强度x4。管道沿线地区单位时间内的降雨深度或单位面积上的降雨体积。

(5) 下切深度x5。由于水流的侵蚀冲刷作用导致河流下向切割的深度。

(6) 地质条件x6。沿线地区地形地貌和地质构造条件、岩土体特性、地震参数、地表水和地下水条件等地质现象，即对管道有影响的各种地质因素的总称。

(7) 水毁防护工程有效性x7。管道水毁灾害防护设施的完善性及有效性。

(8) 环境敏感性x8。管道周围自然环境和人类社会经济环境对管道水毁灾害的敏感程度。

(9) 管道易损性x9。反应水毁灾害对管道造成的危害程度。

图1 管道水毁灾害半结构化风险评价指标体系Fig.1 Semi-structured risk evaluation index system of pipeline water damaged disaster

9个指标中，洪水流量、水毁灾害持续时间、冲刷速度、降雨强度和下切深度5个指标易于获取具体数值，而地质条件、水毁防护工程有效性、环境敏感性和管道易损性4个指标难以量化，故结合半结构化评价方法[15]，对无法准确量化的指标采用专家评分方法。指标评分标准如表3所列。

表3 半结构化风险评价定性指标评分Tab.3 Qualitative index score of semi-structured risk assessment

2.2 FAHP半结构化风险评价模型

该方法的主要步骤包括：① 确定评价指标体系；② 赋权；③ 确定评判集；④ 模糊综合评价；⑤ 灵敏性分析。长距离管道的FAHP半结构化风险评价方法叙述如下。

2.2.1主成分分析法赋权

用x1，x2，…，x9分别表示水毁灾害的9个指标。用i=1，2，…，l分别表示管道水毁风险测试点，第i个管道桩号的x1，x2，…，x9的取值分别记作[ai1，ai2，…，ai9]，构造矩阵A=(aij)l×9。

(1)

对应地，称式(2)为标准化指标变量：

(2)

Step2：计算相关系数矩阵R。相关系数矩阵R=(rij)9×9，有

(3)

式中：rii=1；rij=rji，rij为第i个指标与第j个指标的相关系数。

Step3：计算特征值和特征向量。计算相关系数矩阵R的特征值λ1≥λ2≥…≥λ9≥0，及对应标准化特征向量u1，u2，…，u9，其中uj=[u1j，u2j，…，u9j]T，组成9个新的指标变量。

(4)

式中：y1为第1主成分；y2为第2主成分；…；y9为第9主成分。

Step4：选择p(p≤5)个主成分，计算综合评价值。计算特征值λj(j=1，2，…，9)的信息贡献率和累积贡献率。称

(5)

为主成分yj的信息贡献率，而且称

(6)

为主成分y1，y2，…，yp的累积贡献率。当αp接近于1(αp=0.85，0.90，0.95)时，则选择前p个指标变量y1，y2，…，yp作为p个主成分，代替原来5个指标变量，从而可对p个主成分进行综合分析。

计算综合得分：

(7)

式中：bj为第j个主成分的信息贡献率，根据综合得分值就可以进行赋权评价。

2.2.2水毁灾害风险分级

建立FAHP综合评价模型，将管道水毁灾害依据不同的特征进行层次划分。

Step1：0.1～0.9标度法。对灾害指标进行交叉式比较，得到指标间定量的重要程度。

Step2：确定管道水毁灾害风险评价的评判集，对管道水毁灾害风险进行分级。依据管道水毁灾害特征的水毁属性，即洪水流量、降雨强度、冲刷速度等，分5级定义评判集。

Step3：确定管道水毁灾害风险评价分级的影响因素指标集。将分级评判指标按照某种类型分成几类，按类分别进行综合评判；随后，对各类评判结果进行类之间的高层次评判。对分级评判指标集合T，按某个属性c，将它划分成m个子集，使其满足：

(8)

这样就得到了第二级评价因素集合：

T/c={T1，T2，…，Tm}

(9)

根据前文水毁灾害风险评价分级的特点，将影响水毁灾害风险评价分级的所有因素集T按水毁灾害事件易发性评价因素(T1)和易损性评价因素(T2)2个方面考虑，归纳为9个维度的影响因素指标。

Step4：确定影响因素指标值。对能量化的评价指标，其值利用数量统计和数值计算等方法得出指标的量化值；难以量化的评价指标，其值利用模糊语言和专家打分等方法确定。

Step5：指标模糊化处理。

Step6：计算低层级影响因素指标集的每个因素以获得高一层级中因素的指标值，并给出隶属度函数。建立一个从低层级影响因素指标集U到ρ(v)的Fuzzy映射[17-18]。

V：U→ρ(v)

(10)

0≤rij≤1，0≤i≤n，0≤j≤m

由V可以诱导出Fuzzy关系，得到Fuzzy矩阵：

R=(rij)，0≤i≤n，0≤j≤m

(11)

其中，rij的确定在模糊数学中采用隶属度函数的方法。管道水毁灾害风险评价等级划分为5级，灾害等级(R，O，Y，B，H)隶属度函数表示为

(12)

式中：i为每一层次影响因素指标个数；j=1，2，3，4，5；a，b，c，d为影响因素指标临界值。

Step7：确定影响要素权重子集。采用FAHP确定风险评价的权重系数，单个层级的n个影响因素指标构成一个两两比较的判断矩阵A=(aij)n×n，得出最大特征根对应的特征向量，即为管道水毁灾害风险评价各影响因素指标的重要性进行排序。

定义一致性指标为公式(13)进行一致性和随机检验。

(13)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根，m为判断矩阵的阶数。令RI为平均一致性指标，则计算随机一致性比率为

(14)

当CR<0.1时，则判断矩阵具有满意的一致性，即管道水毁灾害风险评价的影响因素指标权重分配合理；反之，需调整判断矩阵，直到得出CR<0.1。

Step8：综合模糊评判。由矩阵R诱导模糊变换为[19]

TR：F(U)→F(V)

(15)

(16)

式中：W是管道水毁灾害风险评价分级影响因素指标权重因子，R是管道水毁风险评价模糊评判矩阵，“∘”是模糊关系合成算子。模型输出一个管道水毁灾害风险评价分级决策B=W∘R，即

[bR，bO，bY，bB，bH]=[w1，w2，…，wm]∘(rij)

(17)

根据综合评价相关步骤，结合相关收集的数据，得到各个指标的模糊综合判断矩阵R，综合判断矩阵如下：

(18)

依据综合判断矩阵R，求解出模糊综合评价集B，利用相关公式对各个指标综合评分，并根据评分结果划分安全评价等级。长距离管道水毁灾害风险等级划分标准如表4所示[13]。

表4 管道水毁灾害风险等级划分标准Tab.4 Criteria for classification of pipeline water damaged disaster risk levels

2.2.3灵敏度分析

对排序结果进行灵敏度分析，即层次单排序及一次性检验。

Step1：寻找影响水毁灾害风险评价的最大特征根λmax和特征向量γ，即向量满足

D×γ=λmax×γ

(19)

Step2：计算一致性指标：

(20)

式中：n表示对应矩阵的阶数。

Step3：寻找随机一致性指标RI的值。

3 工程案例分析

本文选取川气东送管道改迁工程的桩号WHHNG06～WHHNG15段管道作为工程案例分析对象。川气东送管道改迁工程位于武汉市汉南区杜家台分蓄洪区下东城垸和纱帽保护区内，其地理位置特殊，且三面环水、地势低平，常年有洪涝等水毁灾害。据已调查的管道改迁工程沿线数据显示，管道沿线遍布水毁灾害点。本文结合实地勘测数据和调查人员打分情况，得到川气东送改迁工程管道改迁工程10个桩号段管道的水毁风险指标量值，如表5所列。根据管道水毁灾害的各指标评分标准进行专家打分，打分结果列于表6。

表5 改迁工程管道风险评价指标值Tab.5 Index values of pipeline risk assessment for relocation project

表6 改迁工程管道风险评价指标打分值Tab.6 Scoring values of pipeline risk assessment indicators for relocation projects

基于本文构建的FAHP半结构化风险评价模型，采用Python软件进行模型求解。灵敏度检验中得CR取值为0.05，满足CR<0.1的条件，所以层次总排序具有满意的一致性，川气东送管道改迁工程水毁风险评价结果如图2所示。

图2 改迁工程管道水毁风险评价结果Fig.2 Risk assessment results of pipeline water damaged disaster for relocation project

由FAHP半结构化风险评价结果可知，从整体上看，桩号WHHNG6～WHHNG15段风险评价评分普遍偏高，管道水毁灾害易发。其中，桩号WHHNG6，WHHNG7和WHHNG13段的管道水毁灾害风险最大，其水毁风险评价得分分别为0.88，0.89和0.86，均为高风险级别，应按照高风险管理规范优化安全管理，降低管道水毁灾害风险水平。基于工程监理日志和安全管理资料得知，桩号WHHNG6和WHHNG7段的管道经过沟渠，汛期长时间持续冲沟，易造成管道覆土层变薄，河沟床下切等水毁现象，严重威胁管道安全；桩号WHHNG13段管道布置于粉质黏土夹粉土层中，与长江大堤压浸台最小间距130 m，易受渗流影响，有抗渗和抗浮稳定问题，水毁灾害持续时间长。高风险等级的管道敷设段应结合实际灾害点的水毁风险孕育特征，提出针对性措施防治管道水毁灾害，着重加强水毁灾害防控管理。桩号WHHNG8，WHHNG10，WHHNG12和WHHNG15段管道的风险级别为较高，部分管道敷设在蓄滞洪区内，汛期分洪时管道被淹没，受洪水冲刷严重，管道水毁灾害发生的可能性较大，应设立管道水毁灾害风险监测点，实时监测管道安全状态，确保管道运行安全；桩号WHHNG11和WHHNG14段管道的水毁灾害风险等级为中，应建立定期检查机制，加强汛期管道水毁灾害预警和防控能力；桩号WHHNG9段管道水毁灾害风险等级为较低，水毁灾害发生可能性相对较小，需做好汛期灾害风险管理。综上所述，本文建立的长距离管道水毁孕育风险的半结构化评价模型能够有效评价管道风险现状，计算结果与实际情况相符，能够为长距离管道运营管理和管道水毁灾害治理提供理论支撑。

4 结 论

为提高长距离埋地管道水毁灾害风险辨识和防控能力，本文基于管道水毁灾害的分布特点、成灾机理、主要孕育因素和危害特征，确定长距离埋地管道水毁灾害风险评价内容，建立管道水毁灾害风险评价指标体系；采用FAHP半结构化风险评价方法对管道水毁灾害进行风险分级，并选取川气东送管道改迁工程进行案例分析，验证模型有效性。主要结论如下：

(1) 案例风险评价结果表明，改迁工程管道水毁灾害风险等级普遍较高，需采取相应的措施进行灾害风险管控，确保管道运行安全。针对不同灾害等级的管道敷设段，应结合实际灾害点的水毁风险孕育特征，并采取分级分重点管控措施，促进管道水毁灾害风险管控的科学性、经济性和适用性。

(2) FAHP半结构化风险评价方法结合了定性和定量评价的优势，将所有易发性和易损性风险指标进行综合评判、统一评级，有利于系统全面地分析管道水毁灾害风险影响因素。该方法能够客观反映管道水毁灾害的风险等级，能为提升灾害风险管控能力提供参考，适用于各种地质灾害、工程安全、事故等影响因素众多的风险评价。

(3) 管道水毁灾害风险评价指标选取虽应结合定性和定量分析的原则，对于定性视角研究的评价指标主要依靠专家经验进行打分，存在一定的客观性，对于这类指标的选取原则、评判标准和量化机制需要进一步的研究和改进。