化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系的研究*

彭子涵張建文叢曉明

1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.北京化工大學(xué)流體力學(xué)與傳熱研究室 3.青海省地址礦產(chǎn)測繪院

化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系的研究*

彭子涵1張建文2叢曉明3

1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.北京化工大學(xué)流體力學(xué)與傳熱研究室 3.青海省地址礦產(chǎn)測繪院

在闡述脆弱性概念和分析方法的基礎(chǔ)上，將其引入化工園區(qū)的安全研究。通過對化工園區(qū)常見事故類型的分析，從承載體的暴露性和易損性角度分析影響化工園區(qū)脆弱性的主要因素，建立了包括人員脆弱性、設(shè)施脆弱性、環(huán)境脆弱性3個方面共11項(xiàng)指標(biāo)的評價(jià)指標(biāo)體系。以層次分析法為基礎(chǔ)，應(yīng)用MATLAB編制函數(shù)程序計(jì)算得到各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，確定了各項(xiàng)指標(biāo)對化工園區(qū)脆弱性的影響程度，進(jìn)而明確了安全管理的主要方向。

安全；化工園區(qū)；脆弱性；層次分析法；指標(biāo)權(quán)重

近期全球化工產(chǎn)業(yè)越來越趨向大型化，由化工企業(yè)集中布置而成的化工園區(qū)已經(jīng)發(fā)展成為國內(nèi)外化工行業(yè)的主流，據(jù)統(tǒng)計(jì)截止到2012年我國省級以上化工園區(qū)數(shù)量較2006年增長了近20倍［1］。因此如何對化工園區(qū)進(jìn)行科學(xué)的安全分析，確保園區(qū)內(nèi)部及周邊的安全，已成為社會各界需要解決的核心問題。

化工事故的發(fā)生原因各不相同，發(fā)生時間與事故后果更是難以預(yù)料，舊的安全剛被排除，新的安全隱患又會產(chǎn)生，但事故的發(fā)生不一定就要造成嚴(yán)重的破壞和損失。準(zhǔn)備不充分的區(qū)域在一場事故中可能損失巨大，而有充分預(yù)防和準(zhǔn)備的區(qū)域則可能遭受很少的損失，這是因?yàn)槭艿絽^(qū)域自身脆弱性因素的影響［2］。事故的破壞性不完全取決于致災(zāi)因子的強(qiáng)度，還取決于人類社會自身應(yīng)對災(zāi)害表現(xiàn)出的準(zhǔn)備能力和脆弱性［3］。當(dāng)外界的作用能力超過承災(zāi)體的承載力閾值時，承災(zāi)體的不利影響就會發(fā)生，承災(zāi)體的脆弱性越大，事故后果越嚴(yán)重［4］。

目前對系統(tǒng)的安全性研究主要從致災(zāi)因子角度評價(jià)系統(tǒng)安全狀況，而非從如何完善系統(tǒng)脆弱性方面加以考慮，因此得到的結(jié)論存在不足。筆者以脆弱性概念為基礎(chǔ)，從化工園區(qū)承載體的暴露性和易損性角度出發(fā)，構(gòu)建了化工園區(qū)的脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系并利用層次分析法求得各指標(biāo)權(quán)重，確定了化工園區(qū)安全治理主要方向。

1 脆弱性的概念

1974年Gilbert F White 首次提出了脆弱性的概念［5］，隨著脆弱性研究對象和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，脆弱性的概念逐漸從地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域延伸到經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、災(zāi)害學(xué)等多個領(lǐng)域的各個層面。

在化工園區(qū)的脆弱性研究中，脆弱性是指系統(tǒng)對內(nèi)外擾動的敏感性，以及系統(tǒng)因缺乏應(yīng)對能力而使結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變的一種屬性，其構(gòu)成要素包括暴露性和易損性［6］。化工園區(qū)脆弱性的構(gòu)成，如圖1。

圖1 化工園區(qū)脆弱性構(gòu)成

承災(zāi)體是致災(zāi)因子的作用對象，也是承受事故后果的載體。承災(zāi)體的種類和結(jié)構(gòu)直接決定了它對外界作用力的承受能力，化工園區(qū)通常由三部分構(gòu)成，即從事生產(chǎn)活動的勞動人員和周邊的居民，機(jī)器裝備、廠房、住宅樓等設(shè)施，以及園區(qū)內(nèi)部及周邊的農(nóng)田、綠地等環(huán)境。因此本文依據(jù)化工園區(qū)系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)，將承災(zāi)體類型分為人員、設(shè)施和環(huán)境三部分。

2 化工園區(qū)的事故作用特點(diǎn)

依據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局網(wǎng)站提供的案例數(shù)據(jù)庫，對2001～2013年我國危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)發(fā)生的重大事故次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析［7］，統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖2。

圖2 事故類型分布圖

根據(jù)對重大事故發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生次數(shù)最多，占全部事故的55%。由此可知，化工行業(yè)的主要事故類型為火災(zāi)、爆炸和中毒事故，事故發(fā)生次數(shù)占80%，死亡人數(shù)占86.4%。因此本文將對火災(zāi)、爆炸、有毒物質(zhì)泄漏作為承災(zāi)體事故類型的主要研究對象。

2.1 火災(zāi)事故作用特點(diǎn)

化工園區(qū)存在許多易燃易爆的化學(xué)危險(xiǎn)品，且廠區(qū)的作業(yè)環(huán)境多為高溫高壓，一旦具有易燃易爆特性的危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生泄漏并接觸到明火或靜電，就極有可能引發(fā)火災(zāi)。根據(jù)火災(zāi)燃燒方式的不同，火災(zāi)可以分為池火、球火、噴射火和閃火［8］?；馂?zāi)主要通過熱輻射的形式對周邊人員、設(shè)備設(shè)施及環(huán)境造成傷害。對于人員，火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射和濃煙容易造成身體燒傷或呼吸困難；對于設(shè)備設(shè)施，火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射會引燃其中的易燃物質(zhì)，造成事故范圍的擴(kuò)大；對于環(huán)境，火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的污染物、煙塵顆粒、有毒有害氣體將對園區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境造成一定的傷害。

2.2 爆炸事故作用特點(diǎn)

爆炸是一種劇烈的物理、化學(xué)變化，并伴隨巨大能量的快速釋放?；@區(qū)發(fā)生的爆炸事故一般包括蒸氣云爆炸（UVCE）、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸（BLEVE）、物理爆炸三種。爆炸事故危害形式為沖擊波超壓。爆炸產(chǎn)生的沖擊波會對周邊的人員、建筑的環(huán)境造成不同程度傷害，對于人員，爆炸產(chǎn)生的沖擊波將造成器官的嚴(yán)重?fù)p傷；對于建筑設(shè)備，爆炸產(chǎn)生的沖擊波將造成房屋損壞、建筑物塌陷等；對于環(huán)境，沖擊波將造成生態(tài)環(huán)境的功能紊亂［9］。

2.3 有毒物質(zhì)泄漏作用特點(diǎn)

工作人員的違章操作，勞動組織不合理及設(shè)備失效等都可能引起有毒有害物質(zhì)的泄漏，有毒物質(zhì)發(fā)生泄漏后若處理不及時，將形成有毒蒸氣云，在大氣中飄逸、擴(kuò)散，直接危害企業(yè)內(nèi)外部人員的身體健康，造成嚴(yán)重的人員傷亡和環(huán)境污染［10］。

3 化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

指標(biāo)體系是實(shí)現(xiàn)脆弱性評估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，指標(biāo)體系的正確與否直接決定了脆弱性評估的可靠性。

3.1 指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)原則

（1）科學(xué)性原則，即本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，依據(jù)科學(xué)的方法與程序進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和指標(biāo)選擇，得到全面、準(zhǔn)確的科學(xué)結(jié)論。

（2）針對性原則，脆弱性指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)該從研究目的出發(fā)，即從化工園區(qū)的脆弱性特點(diǎn)和承載體構(gòu)成等方面入手構(gòu)建指標(biāo)體系。

（3）完備性原則，化工園區(qū)脆弱性評價(jià)體系涉及范圍較廣，影響因素眾多，選取評價(jià)指標(biāo)時，應(yīng)盡量選擇具有代表性的，能夠全面反映化工園區(qū)脆弱性的指標(biāo)，且各指標(biāo)之間既要相互補(bǔ)充，又要避免內(nèi)容的重疊［11］。

（4）可操作性原則，選取脆弱性評估指標(biāo)時，需要考慮獲得相關(guān)數(shù)據(jù)、資料的難易程度、人力和物力的現(xiàn)實(shí)條件等。

（5）可追蹤性原則，化工園區(qū)建設(shè)與生產(chǎn)是動態(tài)變化的過程，因此脆弱性指標(biāo)應(yīng)該具有可追蹤性，以便于對實(shí)時跟蹤評價(jià)，真正做到防患于未然。

3.2 化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系

本文按照化工園區(qū)承災(zāi)體的種類將脆弱性分成人員脆弱性、設(shè)施脆弱性、環(huán)境脆弱性三部分，并從暴露性和易損性兩方面入手，分別對人員、設(shè)施、環(huán)境的脆弱性影響因素進(jìn)行了全面分析，構(gòu)建的化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系，如圖3。

圖3 化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系

4 層次分析法基本原理

層次分析法是將主觀判斷進(jìn)行整理和綜合的客觀方法，是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，特別適于難以用定量分析法解決的復(fù)雜問題［12］。層次分析法的基本步驟如下：

（1）構(gòu)造判斷矩陣。邀請專家對隸屬同一準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，確定判斷矩陣。筆者為了提高結(jié)果準(zhǔn)確性，邀請了10位相關(guān)領(lǐng)域的專家構(gòu)成評價(jià)小組，采用9級標(biāo)度法打分［13］，并將其打分結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均。

（2）層次單排序及一致性檢驗(yàn)。構(gòu)造好判斷矩陣后，通過對每一個判斷矩陣求解最大特征根λmax及對應(yīng)特征向量W可得針對某一準(zhǔn)則層各元素的相對權(quán)重。判斷矩陣A的特征向量及特征向量的計(jì)算公式為：

層次分析法一般選用和積法、方根法、冪積法求得最大特征值及特征向量，但求解過程復(fù)雜，步驟繁瑣，本文用MATLAB軟件建立模型進(jìn)行求解，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，提高傳統(tǒng)計(jì)算方法的效率和精確度。

式中：

CI—一致性指標(biāo)；

CR—一致性比例；

RI—隨機(jī)一致性指標(biāo)，見表1。當(dāng)CR＜0.1時，說明判斷矩陣合理，否則需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整，重新計(jì)算直到滿足一致性要求為止［14］。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

（3）層次總排序及一致性檢驗(yàn)。假設(shè)上一層次A 有m個因素，各因素的總排序權(quán)重為a1，a2，…，am。下一層次B包含n個因素，各因素對于總目標(biāo)A的權(quán)重為b1j，b2j，…，bnj。B層次對總目標(biāo)的權(quán)重為c1，c2，…，cn，具體計(jì)算公式為：

層次總排序一致性檢驗(yàn)的計(jì)算公式為：

如果CR＜0.10，則認(rèn)為層次總排序結(jié)果滿足一致性要求，否則就必須調(diào)整每一個判斷矩陣直到滿足CR＜0.10為止。

5 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)專家調(diào)查結(jié)果，構(gòu)造判斷矩陣，并通過層次分析法的計(jì)算程序，求得化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系的各層指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果，見表2-6。

表2 A-B判斷矩陣

表3 B1-C判斷矩陣

表4 B2-C判斷矩陣

表5 B3-C判斷矩陣

表6 化工園區(qū)脆弱性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

6 結(jié)論

（1）基于脆弱性概念和化工園區(qū)多發(fā)事故的作用特點(diǎn)，從人員、環(huán)境、設(shè)施的暴露性和易損性角度出發(fā)，構(gòu)建了一套包括人員脆弱性、設(shè)施脆弱性、環(huán)境脆弱性3個方面共11項(xiàng)指標(biāo)的評價(jià)指標(biāo)體系。

（2）以某化工園區(qū)為例，運(yùn)用層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重可知，人口暴露位置所占比權(quán)重最高，其次為人口暴露密度、環(huán)境重要程度和人口年齡結(jié)構(gòu)等，因此在對為化工園區(qū)進(jìn)行安全規(guī)劃、應(yīng)急救援方案的制定和改進(jìn)時，應(yīng)將上述指標(biāo)作為重點(diǎn)考慮的對象，從而達(dá)到降低化工園區(qū)脆弱性的目的。

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國家科技支撐計(jì)劃（2015BAK39B02），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（ZD1507）支持