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1 目标区块埋地天然气管道概况及研究方法
常州地处长江三角洲中心，是长江三角洲地区中心城市之一。常州地势西南略高于东北，高度差约为2 m。常州经济发达，地下天然气管网密集交错，城市地下天然气管道大多铺设在人口稠密的城区地下，使得埋地天然气管道泄漏具有群发性、社会性、突发性、复杂性的特点。研究区块为常州市港华天然气某一区块的埋地天然气管道，管道铺设在人口密集的城区地下，管网分布密集，覆盖面积约190 km2，通过对常州地区灾害、管道运行压力及危险源分布的现场调查和实测数据的搜集，发现造成埋地天然气管道泄漏的主要因素有：地面沉降，地裂缝，城市内涝，土壤腐蚀等方面，各个影响因素的破坏直接影响埋地天然气管道的可靠性和使用寿命。这些影响因素主要是使埋地天燃气管道发生形变、错位、松动等一系列问题，造成埋地天然气管道中携带挥发性有机物的气体泄漏，加剧空气污染。
在样本数据采集中，往往收集的都是离散点形式的数据，因此应通过空间数据库的建立及空间插值来得到连续的数据。IDRISI空间与属性数据库的建立在workshop中完成，主要分为2步：一是空间、属性数据的存储；二是空间和属性数据的关联。在IDRISI中建立样本数据的空间属性数据库，一方面定义了样本点的地理坐标，另一方面描述了样本点的属性值。空间分析是一种研究空间变量变化规律的统计方法，现在已经广泛地应用于矿产估计、生态环境、大气研究、土地利用与管理等多个方面。空间插值是研究区域变量的基本方法，空间插值的实质就是通过已知样本点数据来估算未知点的数据。现有的样本数据无法覆盖全部研究区域，通过样本点数据库的建立及TIN插值将离散的样本数据转变成连续的平面数据。
2 因素分析
埋地天然气管道发生拉断、剪断、弯曲变形、扭转变形、承接口开裂、承接口拉开、承接口剪开[3]等多种事故会使埋地天然气管道失效而造成挥发性有机物泄漏，根据常州市地质、河流分布、土壤类型等分析可得地面沉降、地裂缝、城市内涝及土壤腐蚀是造成埋地天然气管道泄露的最主要因素。通过IDRISI中空间数据库的建立以及空间差值对常州市埋地天然气管道泄露的主要因素进行了分析。
2.1 地面沉降
地面沉降是指由于人类活动导致的地层松散，使得地表面标高降低的一种地面水平面局部下降现象，是目前城市的一个主要工程地质问题[4]。地壳运动、海平面上升等都会引起区域性沉降；随着人类活动日益频繁，大量开采地下水成为引起城市局部地面沉降的主要原因[5]。沉降量与沉降区大小、管径、管壁的厚度、土体的强度、管土的摩擦力以及管道内的压力都会使得埋地天然气管道发生变形，地面沉降引起的埋地天然气管道泄漏形式有多种形式，使得天然气管道中气体发生泄漏，油气中的挥发性有机物会对空气造成严重污染。常州市地面沉降发生于20世纪70年代初期，已对人们的生产生活造成了一定的影响[6]。图 1为常州市中心城区累计沉降量折线图，可以发现在1991—1998年这7年中，由于常州经济快速发展，大量开采地下水，导致沉降量增长迅猛，此后10年中地面沉降量增长趋于缓慢，由于采取了包括关闭水井、限采及回灌等一系列措施，遏制住了地下水水位的持续下降[7]。2010—2011年的监测数据显示，市区大部分地区的地面沉降率低于5 mm·a-1，但市区南部地面沉降速率仍在20~30 mm·a-1，且局部地段地面沉降速率有所增大。因此，地面沉降仍然是导致埋地天然气管道泄漏的重要因素之一。
图1 1988—2008年常州市中心城区累计沉降量
Fig. 1 Accumulative total subsidence in downtown area of Changzhou city from 1988 to 2008
Fig. 1 Accumulative total subsidence in downtown area of Changzhou city from 1988 to 2008
图1 1988—2008年常州市中心城区累计沉降量
Fig. 1 Accumulative total subsidence in downtown area of Changzhou city from 1988 to 2008
Fig. 1 Accumulative total subsidence in downtown area of Changzhou city from 1988 to 2008
2.2 地裂缝
地裂缝是指在自然或人为因素作用下，土体形成一定长度和宽度的开裂的宏观地表破坏现象[8]。地裂缝会对埋地天然气管道造成爆管从而引发油气泄漏，造成环境污染及经济损失，当发生地裂缝时，埋地天然气管道会产生裂缝、接口松动、变形等情况[9]，在外力的作用下，管道极易发生爆管，距离地裂缝越近，爆管的可能性越大。在常州市发现了6处地裂缝，对埋地天然气管道造成了破坏，带来了泄漏的风险，给居民的生产和生活带来惨重的损失[10]。如图 2所示，常州市地裂缝高易发区主要分布在常州东部，表明常州东部地区埋地天然气管道发生泄露的可能性高于其他地区。
图2 常州市地裂缝分布
Fig. 2 Distribution of ground fissures in Changzhou city, China
Fig. 2 Distribution of ground fissures in Changzhou city, China
2.3 城市内涝
多数城市频发城市内涝，给生产和生活带来了严重影响，常州临靠长江、太湖，京杭大运河穿境而过，河网纵横[11]，城市内涝频发，导致埋地天然气管道面临更严峻的地下腐蚀的情况，发生油气泄露的的风险性也就越大。2015年6—7月，常州暴雨雨量大而猛，从而引发了历史罕见的城市内涝灾害，属历史特大洪涝。全市普降大暴雨[12]在12 h、24 h以及3 d内的雨量都超过了历史最大值，内涝会加剧埋地天然气管道的泄漏并产生不可预估的损失。针对内涝风险比较大的地区，应加强风险监测及埋地天然气管道的改造。图 3为IDRISI根据收集的数据资料得到的分析图，由图 3中可知，右侧数据为该地区发生内涝的危险值，分值越大，颜色越红的地方发生内涝的可能性就越大，图中红紫色区域占据了一半，表明城市内涝仍然是影响埋地天然气管道泄露的重要因素之一。
图3 常州市城市内涝危险值分布
Fig. 3 Distribution of dangerous value of water logging in Changzhou
Fig. 3 Distribution of dangerous value of water logging in Changzhou
2.4 土壤腐蚀
管道腐蚀是埋地天然气管道泄漏的重要影响因素之一[13]，埋地天然气管道在土壤中的腐蚀不仅造成了极大的损失，而且还会导致携带挥发性有机物的油气的泄漏，为人们的生活带来了安全隐患。土壤腐蚀是指土壤因温度、溶解氧含量、土壤类型、地下水位、土壤含水率等对地下设施等产生的腐蚀破坏现象[14]。土壤腐蚀不仅会对埋地天然气管道造成破坏泄漏，还会造成火灾与爆炸，给经济、能源、环境及人身安全等多方面带来威胁[15]。土壤腐蚀性等级标准如表 1所示，可知土壤的腐蚀等级不是受单一影响因素控制的，是受多个影响因素控制的综合作用，不同地段的腐蚀等级也不同。研究区块内的样本土的数据如表 2所示，大部分样本土都处在腐蚀等级稍高和高的范围之内，因此，土壤腐蚀是影响埋地天然气管道泄漏的重要影响因素之一。
表1 土壤腐蚀性等级标准
Table 1 Soil corrosivity grade standard
Table 1 Soil corrosivity grade standard
表1 土壤腐蚀性等级标准
Table 1 Soil corrosivity grade standard
Table 1 Soil corrosivity grade standard
| 腐蚀等级 | 含盐量/% | 含水量/% | 自然腐蚀电位/mV | 氧化还原电位/mV | 电阻率/(Ω·m) |
| 高 | 0.1~0.75 | 12~25 | -0.7~-0.55 | < 100 | < 5 |
| 稍高 | 0.05~0.1 | 10~12 | -0.55~-0.45 | 100~200 | 5~20 |
| 中 | 0.01~0.05 | 7~10 | -0.45~-0.30 | 200~400 | 20~50 |
| 低 | < 0.01 | 0~7 | -0.30~-0.15 | 400~500 | 50~150 |
表2 样本土的采样数据
Table 2 Sample data of sample soil
Table 2 Sample data of sample soil
表2 样本土的采样数据
Table 2 Sample data of sample soil
Table 2 Sample data of sample soil
| 样本序号 | 电阻率/(Ω·m) | 氧化还原电位/mV | 自然腐蚀电位/mV | 含水量% | 含盐量% |
| 1 | 31.4 | 105 | -0.490 | 19.75 | 0.066 |
| 2 | 34.5 | 83 | -0.460 | 18.01 | 0.055 |
| 3 | 52.7 | 82 | -0.590 | 17.9 | 0.070 |
| 4 | 26.3 | 87 | -0.630 | 18.15 | 0.054 |
| 5 | 106 | 86 | -0.510 | 18.01 | 0.048 |
| 6 | 42 | 59 | -0.650 | 17.61 | 0.044 |
| 7 | 38.3 | 91 | -0.630 | 17.75 | 0.042 |
| 8 | 25.7 | 121 | -0.610 | 20.55 | 0.048 |
| 9 | 33.9 | 91 | -0.670 | 19.01 | 0.045 |
| 10 | 28.8 | 142 | -0.480 | 21.2 | 0.041 |
| 11 | 27.6 | 90 | -0.540 | 22.15 | 0.061 |
| 12 | 32 | 107 | -0.520 | 19.55 | 0.046 |
3 埋地天然气管道泄漏的保护措施
文章借助IDRISI对常州市埋地天然气管道泄漏的几个影响因素：地面沉降，地裂缝，城市内涝，土壤腐蚀等进行了数据库的建立和空间分析的工作，并针对各影响因素，总结得出以下保护措施：
1) 针对地面沉降及地裂缝，应禁采深井水，减缓地面沉降速率，做好浅层地下水合理开发利用，完善监测体制，健全地面沉降检测体系。科学勘测、严谨设计，尽量避开可能发生灾害的地段，对安全风险较大的地区应当进行重点监测。
2) 针对严重土壤腐蚀地段，应考虑对相应地段土壤进行脱水、净化、换土、除氧、添加缓蚀剂等措施，改善腐蚀环境。还可以通过管道外涂层来屏蔽腐蚀介质从而减缓腐蚀。
3) 针对城市内涝，应在埋地天然气管道的建设中，完善防涝体系，做好防涝规划以降低管道泄漏的可能性。
4) 针对油气泄漏风险较大的埋地天然气区段，要完善油气回收机制，尽可能降低损失。
4 结论
埋地天然气管道失效造成挥发性有机物的泄漏，不仅会对环境造成灾难性的影响，对人们的生产生活也会造成重大影响。通过IDRISI对常州市埋地天然气管道泄漏的影响因素进行分析，得出地面沉降、地裂缝、城市内涝、土壤腐蚀是造成管道泄漏的主要影响因素，并针对这些因素，提出了相应的保护措施，为该地区制定防护措施，进行风险评估提供了客观依据，为埋地天然气管道的防护提出了意见及建议，具有重要意义。
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