突發(fā)災害對疏散人群動態(tài)傷害的量化方法

陳一洲，房志明

(1.中國建筑科學研究院有限公司 公共安全研究中心，北京 100013；2.上海理工大學 管理學院，上海200093)

火災、危險品泄漏、爆炸等突發(fā)性的事故災害一旦發(fā)生，其生成的高溫、毒氣、沖擊能量等災害產物將直接威脅人們的生命安全。為了形成有效的突發(fā)災害應對方案，需采用模擬分析方法評估特定區(qū)域的突發(fā)災害風險。模擬分析工作一般包括兩方面，一是模擬分析突發(fā)災害發(fā)展過程，二是模擬分析人群疏散過程，最終通過對比兩個過程的發(fā)展狀況評定突發(fā)災害的風險水平。

在突發(fā)災害模擬方面，學者們建立了越來越多的災害模型與軟件，主要包括：用于火災模擬研究與工程應用的FDS、CFAST、SMARTFIRE等專用軟件[1-3]；用于危險品泄漏災害模擬的高斯模型、BM模型、Sutton模型、FEM3模型、箱及相似模型等危險品泄漏擴散模型[4- 5]；用于對火災蔓延、氣體泄漏及爆炸等多項災害進行綜合模擬的FLACS、PHOENICS、ANSYS等通用軟件[6-8]。其中，F(xiàn)DS的主要模擬對象為火災中流體運動，該軟件是開源的，其準確性得到了大量的試驗驗證，并在火災科學領域得到了廣泛應用。FLACS是一種權威的、專業(yè)級的針對泄漏、爆炸及火災危害的分析軟件，可對復雜的通風、泄漏、擴散、爆炸和火災場景(含典型的易燃物質和有毒物質)進行三維模擬，其準確性同樣經過了大量試驗數(shù)據的驗證。

在人群疏散模擬方面，計算機模型已經被廣泛用于預測人員的疏散行為和評估疏散效率中，最具代表性的模型有社會力模型、格子氣模型和場域模型[9-11]。近年來，學者們利用上述模型重現(xiàn)了人員疏散中的復雜行為現(xiàn)象：①在多出口建筑環(huán)境中出現(xiàn)的“人員從眾”行為[12]；②在寬度發(fā)生變化的疏散通道中出現(xiàn)的“寬即是窄”現(xiàn)象；③在疏散出口出現(xiàn)的“快即是慢”現(xiàn)象[13]。疏散模型中最顯著的是社會力模型，該模型利用多粒子自驅動方程，考慮了疏散中的擠壓、摩擦、恐慌和可視范圍的作用，然而社會力模型計算效率較低，且模型規(guī)則復雜，不適合進行理論分析[14]。而與之相對的格子氣模型、場域模型等離散模型規(guī)則簡單，計算效率高，又能實現(xiàn)精細計算，基于這些離散模型，學者們開發(fā)了各種商業(yè)化的疏散模擬軟件，包括Pathfinder、STEPS、Simulex、buildingEXODUS等[15-18]。

在突發(fā)災害下人員受損機理研究方面，由于災害下的人員傷害實驗難以開展，學者們通常采用動物實驗、災害后果分析的方式研究災害對人員的傷害作用。例如，基于哺乳動物火災耐受實驗結果，SFPE手冊中給出了煙氣熱量、毒性氣體等火災產物與人員可承受時間的關系式[19]；CROWL等[20]則提出了人員傷亡概率與危險化學品濃度劑量之間的關系?；趯嶋H的地震傷亡統(tǒng)計結果，學者們通過回歸分析給出了基于地震參數(shù)(震級和烈度)的人員死亡數(shù)或死亡率經驗公式[21]及基于建筑破壞率的人員傷亡率公式[22]。

隨著計算機模擬軟硬件技術的發(fā)展和對突發(fā)災害傷害作用認知的不斷深入，當前關于綜合模擬突發(fā)災害與人群疏散過程的研究，對直接考慮災害下人員傷亡情況的需求越來越高。為此，筆者提出在疏散模型中考慮災害產物作用的方案，并將疏散模擬過程與災害模擬過程進行同步模擬與分析，以考慮災害產物對疏散人員的動態(tài)傷害作用。

1 疏散模型中考慮災害產物傷害作用的方案

1.1 人員疏散過程時間與空間特點描述

對于人員疏散過程，可以簡化為人員的空間位置隨時間的變化過程。對于某個編號為i的人員，其空間位置為(xi,yi,zi)，用Pi=(xi,yi,zi)代表人員i的空間位置，Pi隨著時間變化，即是時間t的函數(shù)，其表達式如式(1)所示。

Pi=(xi,yi,zi)=f1(t)

(1)

1.2 災害發(fā)展過程時間與空間特點描述

筆者關注災害對疏散人員的傷害，因此對于災害發(fā)展過程，主要考慮災害產物(如火災產生的高溫煙氣、泄漏的危險化學品)的蔓延發(fā)展過程。用Fx,y,z表示每個空間位置(x,y,z)災害產物的特征量(對于高溫煙氣，這一特征量為高溫煙氣的溫度值；對于危險化學品，這一特征量為危險化學品的濃度)，由于災害是動態(tài)發(fā)展的，因此Fx,y,z是時間t的函數(shù)，如式(2)所示。

Fx,y,z=f2(t)

(2)

1.3 基于災害與疏散同步模擬的傷害作用分析方法

在同一時間與空間維度上分析人員疏散過程與災害發(fā)展過程，即可建立起人員i與其所在位置的災害產物特征量(Fxi,yi,zi)的對應關系。設定Hi為災害產物對人員i傷害作用的量化參數(shù)，則Hi是人員i對應Fxi,yi,zi的函數(shù)，如式(3)所示。

Hi=f3(Fxi,yi,zi)

(3)

因此，在同步模擬災害發(fā)展與疏散過程的基礎上，可以根據如下步驟分析災害產物對人員的傷害作用：①根據式(1)更新每個人員的空間位置(xi,yi,zi)。在實際應用中，式(1)對應的是各類疏散模型，f1(t)即是模型中建立的人員運動規(guī)則。②根據式(2)更新每個人員所處的災害產物環(huán)境，即其所在位置的災害產物特征量Fxi,yi,zi。在實際應用中，式(2)對應的是各種計算災害產物蔓延發(fā)展過程的模型。③根據式(3)計算災害產物對人員的傷害情況。對于不同的災害產物，式(3)的表達形式不同，筆者將針對幾種典型災害產物給出相應的表達形式。

2 典型突發(fā)災害傷害作用量化方法

2.1 火災

SFPE手冊中指出，高溫煙氣與有毒氣體等火災產物會損害人員的生理健康。筆者重點關注火災產生的高溫煙氣和一氧化碳(CO)對人員生命生理健康的損害。根據HABER的毒性氣體傷害理論[23]，火災發(fā)生時，煙氣中的CO濃度CCO與人員在此濃度下能夠承受的時間tCO的乘積是一個常數(shù)，即：

WCO=CCO×tCO

(4)

通過靈長類動物CO耐受能力測試實驗，發(fā)現(xiàn)靈長類動物在一定CO濃度值環(huán)境中能承受的時間滿足式(4)，并且相應的常數(shù)值為27 000 ppm·min。參考靈長類動物的實驗結果，筆者認為火災煙氣中的CO濃度與致使人員昏迷的時間滿足式(4)，并且取常數(shù)值WCO=27 000ppm·min。需要注意的是，由于人員呼吸過程中不但會吸入CO，還會將其呼出，所以當火災煙氣中CO濃度較低時，不滿足式(4)的關系，此時人員能忍受的時間大于式(4)計算得到的時間。

對于人員直接接觸的火災高溫煙氣，SFPE手冊中同樣給出了煙氣溫度(用溫度T表示)和人員在此溫度下能承受的時間tHEAT的關系，如式(5)所示。

tHEAT=5×107T-3.4

(5)

(6)

式(6)即是針對火災時式(3)的具體形式?？山Y合式(1)、式(2)與式(6)計算火災下的死亡與重傷人員數(shù)量，從而直接評定火災對疏散人群的傷害情況。

2.2 危險化學品泄漏

根據毒物學的經典傷害理論，人員i暴露在危險化學品環(huán)境中時，其死亡概率與概率變量之間的關系如式(7)所示。

(7)

或者用式(8)替代：

(8)

式中：Pi為人員i的死亡概率；erf為誤差函數(shù)；Yi為人員i對應的概率變量，其表達式如式(9)所示。

Yi=k1+k2lnVi

(9)

式中：k1，k2為概率參數(shù)，不同的危險化學品取值不同，幾種典型的危險化學品的概率參數(shù)取值如表1所示；Vi為人員i對應的危險化學品劑量，是危險化學品濃度和人員i在危險化學品環(huán)境中暴露時間的關系式，如式(10)所示。

表1 典型危險化學品概率參數(shù)表

(10)

式中：Cxi,yi,zi為人員i所處位置的危險化學品濃度(由于人員在運動且危險化學品在擴散，該濃度值不斷變化)；Δt為在疏散模型更新危險化學品濃度數(shù)據的時間間隔；Ct,xi,yi,zi為每次更新數(shù)據后人員i所處位置的危險化學品濃度；n為常數(shù)，不同的危險化學品取值見表1。

式(8)是針對危險化學品泄漏時式(3)的具體形式?？山Y合式(1)、式(2)與式(8)計算危險化學品泄漏時每個受影響人員的死亡概率，從而直接評定危險化學品泄漏對疏散人群的傷害情況。

3 結論

為了評估火災、危險化學品泄漏、爆炸等突發(fā)災害事故的風險，預測高溫、毒氣、沖擊能量等災害產物對人員生命的傷害是關鍵之一。筆者在總結人群疏散模擬與突發(fā)災害模擬原理的基礎上，提出了一種突發(fā)災害對疏散人群動態(tài)傷害作用的量化方法。該方法首先利用疏散模型或軟件更新人員的位置，其次利用災害產物蔓延發(fā)展模型或軟件更新每個人員所處的災害產物環(huán)境，最后根據突發(fā)災害對人員傷害作用量化公式計算災害產物對人員的傷害情況。

該方法需要將疏散模型與災害模型的數(shù)據進行有效結合，即在同一模型系統(tǒng)中分析人群疏散過程與突發(fā)災害蔓延過程。實際應用中，考慮到現(xiàn)有模型軟件系統(tǒng)的兼容性，適用方式是：①使用災害產物蔓延發(fā)展模型或軟件模擬災害蔓延發(fā)展過程，并輸出動態(tài)的災害產物數(shù)據；②建立疏散模型，導入災害產物數(shù)據，在更新人員位置的同時更新人員對應的災害產物特征量；③根據筆者提出的火災與危險化學品泄漏對人員傷害作用的量化公式，計算典型突發(fā)災害下的人員傷亡情況。該方法提供了災害影響下人群疏散安全模擬研究的框架模型，可基于此構建耦合突發(fā)災害傷害作用的疏散模型系統(tǒng)，量化災害產物對疏散人員的動態(tài)傷害作用，以準確預測突發(fā)災害下的人員傷亡情況。