化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景構建與演化分析

趙江平，王 敏，楊 震，張翌曼

(西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)

地震災害是因為地球突然釋放其內部長期累積的能量而引起地球表面的振動，造成傷亡人數(shù)最多，且最容易引起社會恐慌的自然災害。化工園區(qū)是易燃易爆物、毒物高度集中的高風險區(qū)域，一旦有強震來襲，直接作用于園區(qū)內部基礎設施和化工設備，易造成級聯(lián)事故，產(chǎn)生災難性的后果。為了了解化工園區(qū)地震級聯(lián)災害的演化路徑及級聯(lián)效應的擴展機理，國內外學者做了大量的研究。Strinberg[1]分析了土耳其科賈埃利地震導致的Na-tech事故。賈培宏等[2]探討了油罐次生災害與地震的相關性，建立了油罐地震災害的預評估模型。鐘江榮等[3]通過研究儲油罐地震及其引發(fā)的次生火災，建立了儲油罐地震次生火災故障樹評估模型。余世舟等[4]引入災害鏈理論分析石化系統(tǒng)的地震致災機理，用概率評估災害鏈節(jié)點，采取斷鏈措施減少損失。周愉峰等[5]建立地震災害動態(tài)GERT網(wǎng)絡模型來預測地震災害的演化過程。謝紅梅等[6]分析了典型化工設備地震破壞形式和破壞原因，從不同角度提出了風險預防及控制措施。余世舟等[7]對毒氣、火災、爆炸等3種地震級聯(lián)災害進行GIS模擬，預測了地震危害區(qū)域的范圍。郭燕等[8]以汶川地震為例，運用模糊綜合評價法對該區(qū)域的防震減災能力進行了評價。顏峻等[9]通過構建貝葉斯網(wǎng)絡研究建筑物內部遭受地震時燃氣管道泄漏引發(fā)次生火災的演化路徑。Salzano，F(xiàn)abbrocino和Campedel[10-12]分析了洪水、地震等自然災害可能造成的次生災害風險和化工廠脆弱性。羅東雨等[13]采用數(shù)值仿真方法研究各類近斷層地震動對LNG儲罐的作用效應，對比分析LNG儲罐地震響應的差異性。在現(xiàn)有研究中大多是對自然災害和技術災害進行單方面分析，忽略了致災因子之間的災害耦合作用，沒有充分考慮后續(xù)可能會發(fā)生的級聯(lián)事故，缺乏對園區(qū)內部地震級聯(lián)災害事故系統(tǒng)性的分析，而貝葉斯網(wǎng)絡在描述系統(tǒng)中各災害風險間關聯(lián)強度和災害發(fā)生的不確定性方面具有明顯優(yōu)勢。因此，本文在貝葉斯理論的基礎上，改進網(wǎng)絡模型結構的構建以及節(jié)點概率的計算方法，為探究化工園區(qū)地震級聯(lián)災害演化過程提供新的思路。

本文在已有研究的基礎上，通過案例收集和文獻分析并結合化工領域專家知識分析化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景演化過程，構建貝葉斯網(wǎng)絡情景演化結構模型。針對非常規(guī)突發(fā)事件的不確定性和專家意見的主觀性，提出了一種將D-S證據(jù)理論、專家打分法結合的改進貝葉斯網(wǎng)絡方法，通過融合專家打分數(shù)據(jù)得到節(jié)點條件概率分布。利用貝葉斯模型的推理功能，得出化工園區(qū)地震級聯(lián)災害演化過程各節(jié)點后驗概率值，通過不同角度的對比分析，探討各網(wǎng)絡節(jié)點對化工園區(qū)的影響程度，找到其中主要影響因素，為化工園區(qū)地震災害預防與應急工作提供科學的參考依據(jù)。

1 化工園區(qū)地震致災機理分析

地震災害因為突發(fā)性強、危害性大、不能及時準確預報等原因成為影響化工園區(qū)安全運行的典型自然災害之一。由于化工園區(qū)內存有大量危險化學品，易受地震波及，引發(fā)爆炸、火災等事故，并且在合成、氧化、還原、聚合等化工生產(chǎn)工序中，一般都具有放熱特點，其反應條件為高溫高壓，極易發(fā)生燃燒和爆炸。地震的發(fā)生導致生命線損壞，引起停水、停電，此時正在進行運作的工序，由于停水缺失冷卻水的提供和停電導致攪拌停止，壓力和溫度突然升高，當其超過反應容器的耐溫耐壓極限時，便會發(fā)生火災和爆炸事故[14]。例如，在1976年唐山地震時，天津一化工廠內的氯乙烯單體罐發(fā)生爆炸引起火災。從以往震例資料分析可知，化工園區(qū)地震災害的致災機理主要對園區(qū)內建筑物、化工設備及供水、供電、供氣等生命線工程產(chǎn)生破壞，造成危化品泄漏，誘發(fā)化工園區(qū)火災、爆炸以及中毒等Na-tech事件[15]。

本文主要從自然災害、致災方式、災害演化和事故損害角度分析地震災害對化工園區(qū)的影響程度。如圖1所示，地震災害直接作用于化工設備或損壞生命線工程和建筑物，導致化工設備內有毒有害?；?、易燃易爆危化品不同程度的泄漏，進而引發(fā)化工園區(qū)中毒、火災、爆炸等一系列Na-tech事件，最終造成環(huán)境污染、財產(chǎn)損失和人員傷亡。

圖1 化工園區(qū)地震致災機理圖Fig.1 Mechanism diagram of earthquake disaster in chemical industrial park

2 貝葉斯模型構建

貝葉斯網(wǎng)絡是一個數(shù)學模型，其本質是運用概率方法進行推理，將有向無環(huán)圖的網(wǎng)絡拓撲結構和概率方法巧妙地結合起來，為求解實際問題提出的一種圖解方式，它在處理非常規(guī)突發(fā)事件的不確定性方面具有明顯的優(yōu)勢。

2.1 確定網(wǎng)絡節(jié)點變量

在案例收集和文獻分析的基礎上，結合化工園區(qū)地震致災機理圖分析化工園區(qū)地震災害情景演化過程，參考專家意見確定各節(jié)點變量和取值范圍，由于篇幅限制，僅對部分節(jié)點取值范圍進行闡述：

(1)地震災害本身狀態(tài)取值范圍

地震烈度：地震烈度的大小決定了地震災害的嚴重程度。根據(jù)地震發(fā)生時對建筑物的損毀程度進行分級，烈度較小(Ⅷ度以下)的地震對建筑物損毀程度較??；烈度過大(如Ⅻ度)則會對建筑物造成毀滅性破壞[16]。在此僅考慮烈度在Ⅷ-Ⅺ度之間(地震烈度值大于等于Ⅷ度或小于Ⅺ度)的地震，并將地震烈度值劃分為Ⅷ-Ⅸ度(地震烈度值大于等于Ⅷ度或小于Ⅸ度)、Ⅸ-Ⅹ度(地震烈度值大于等于Ⅸ度或小于Ⅹ度)、Ⅹ-Ⅺ度(地震烈度值大于等于Ⅹ度或小于Ⅺ度)3個等級。

(2)情景分析層狀態(tài)取值范圍

為了更好地表示等級間差距，對節(jié)點變量取值范圍進行0-1間的模糊量化處理。

1)化工裝置破壞：根據(jù)地震災害造成化工裝置的破壞程度將其劃分為沒有破損即正常狀態(tài)、局部破損、完全摧毀3個等級，其對應的量化分值為0-0.3、0.3-0.7、0.7-1.0。

2)儲罐破壞：根據(jù)地震災害造成儲罐的損壞程度將其劃分為正常、局部破損、完全摧毀3個等級，其對應的量化分值為0-0.3、0.3-0.7、0.7-1.0。

3)管道破裂：根據(jù)管道受地震災害影響而引起管道的破裂程度將其劃分為正常、局部破損、完全摧毀3個等級，其對應的量化分值為0-0.3、0.3-0.7、0.7-1.0。

4)建筑物破壞：由于目前收集的震例數(shù)據(jù)指標無法統(tǒng)一，為了簡化情景研究的復雜性，故根據(jù)發(fā)生地震后建筑物的倒塌情況將其劃分為少量倒塌或者沒有倒塌、建筑物倒塌大半、大部分或全部建筑物倒塌3個等級，其對應的量化分值為0-0.3、0.3-0.7、0.7-1.0。

5)應急響應：根據(jù)化工園區(qū)遭遇地震災害后采取應急措施的時間分為2個等級，震時未及時作出應急響應和震時及時作出應急響應。

(3)事故輸出層狀態(tài)取值范圍

人員傷亡：根據(jù)國務院出臺的《生產(chǎn)安全事故報告和調查處理條例》相關規(guī)定，造成10人以上死亡的事故屬于重大事故，將其風險水平為不可接受[17]，因此將其劃分為風險水平可接受和不可接受2個等級。

經(jīng)上分析，可獲得化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景網(wǎng)絡各節(jié)點變量的取值范圍如表1所示。

表1 化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景網(wǎng)絡節(jié)點變量取值范圍Table 1 The value range of node variables of seismic cascading disaster scenario network in chemical industry park

續(xù)表1

2.2 確定網(wǎng)絡節(jié)點關系

D-S證據(jù)理論根據(jù)兩個證據(jù)的Dempster合成法則，可以獲得一個能合成多個證據(jù)的合成公式，公式定義如下：

(1)

K的大小代表多個獨立證據(jù)的沖突程度,系數(shù)(1/(1-K)為歸一化因子，它是為了規(guī)避在合成時把非零的概率賦予空集[18]。

在公式(1)中，倘若K=1，證據(jù)對立，公式失效。此外，若K→1時，證據(jù)沖突程度高，公式(1)將會得到違背常理的結論。因此學者[19]在文獻中提到將證據(jù)沖突概率按各個命題的平均支持程度加權進行合理分配，改進了證據(jù)合成公式：

(2)

本文為了保證結果科學合理，選取2種公式的加權平均結果表示各節(jié)點變量之間的直接因果關系，即：m(A)總=(m(A)+m(A)′)/2。如果2個節(jié)點變量xi→xj的直接因果關系為真的信任度m(Y)大于等于信度閥值u，則節(jié)點變量xi→xj的關系成立。

根據(jù)前文分析確定的網(wǎng)絡節(jié)點變量即表1，對化工行業(yè)專家進行調查，通過打分的方式表示各個節(jié)點變量之間的直接因果關系，即給出基本概率賦值函數(shù)mi(Y,N)，根據(jù)公式(1)和公式(2)計算組合后的m(Y)。依據(jù)相關D-S證據(jù)理論應用情況的統(tǒng)計分析和專家經(jīng)驗的估計，信度閥值一般在0.8-0.9之間較為合理，本文取信度閥值為u=0.85。

以“易燃易爆?；沸孤﹛15”節(jié)點為例說明網(wǎng)絡節(jié)點的確定過程。5名專家對節(jié)點x15與其它節(jié)點變量因果關系的基本概率賦值函數(shù)mi(Y,N)如表2所示，運用公式(1)和公式(2)計算得到組合信任度m(Y)，如果m(Y)≥0.85則關系成立，反之則不成立。

表2 節(jié)點之間因果關系專家打分結果表Table 2 Expert scoring results of causality between nodes

經(jīng)計算可知，x15→x16的組合信任度m(Y)=0.922836>0.85，x15→x17的組合信任度m(Y)=0.860289>0.85,則x15→x16、x15→x17的因果關系成立，其它的因果關系不成立。

根據(jù)上述的因果關系分析，確定了網(wǎng)絡節(jié)點之間的順序，獲得的貝葉斯網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景演化圖Fig.2 The evolution ofseismic cascading disaster scenarios in the chemical industry park

3 情景應用

貝葉斯網(wǎng)絡結構確定之后，需要獲得結構中各節(jié)點變量的條件概率或者先驗概率值。由于該領域數(shù)據(jù)的缺乏，本文采用專家打分的方式對各節(jié)點變量的條件概率或先驗概率值進行估計。為了更好地消除專家之間意見的差異性，減小專家意見主觀性的影響，通過統(tǒng)計多名化工行業(yè)專家意見，采用D-S證據(jù)理論對其進行整合，以形成更加科學合理的條件概率表(CPT)。

以“儲罐破壞x10”節(jié)點為例，說明化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景網(wǎng)絡各節(jié)點條件概率的獲取過程。3名專家對“儲罐破壞x10”節(jié)點條件概率的打分情況如表3所示，利用公式(1)對m(X1,X2,X3)進行計算，例如當結構或構件破壞時，計算過程如下：

表3 “儲罐破壞x10”節(jié)點專家打分結果及計算結果Table 3 Expert scoring results and calculation results of storage tank damage x10 node

K=1-m1(X1)·m2(X1)·m3(X1)-m1(X2)·m2(X2)·m3(X2)-m1(X3)·m2(X3)·m3(X3)
=1-0.5×0.5×0.4-0.2×0.15×0.3-0.3×0.35×0.3
=1-0.1-0.009-0.0315=0.8595

則m(X1,X2,X3)=(0.712,0.064,0.224)。同理，經(jīng)過計算可獲得其他節(jié)點的條件概率。

倘若某化工園區(qū)內的廠房和其他建筑物抗震性能好，并且建筑物之間分布較稀疏，即建筑物的密度?。坏卣鸢l(fā)生在白天，上班時間則認為人員密度大，并將所計算得到的條件概率表(CPT)導入GeNIe 2.0軟件，得到的各節(jié)點后驗概率如表4所示。

地震災害不僅會損壞化工園區(qū)內設備設施，還會造成設備閥門的松動和連接管線的破壞，從而引起內部危險化學品泄漏，造成中毒、火災、爆炸等一系列級聯(lián)災害事故的發(fā)生，最終導致人員傷亡、環(huán)境污染和財產(chǎn)損失。在判斷設備結構或構件是否破壞的前提下，根據(jù)化工設備的破裂情況將其細分為正常、局部破損和完全摧毀，化工設備在生產(chǎn)過程中的氧化、還原、聚合、合成等工序受停水、停電的影響，極易引起燃燒和爆炸，因此化工生產(chǎn)裝置不僅受建筑物倒塌的直接影響，還受地震導致生命線損壞造成停水、停電的間接影響。由表4中數(shù)據(jù)分析可知，化工設備局部破損和完全摧毀的概率隨著地震烈度的增長而變大，無破損即正常的概率隨之變小。在同一地震烈度條件下，儲罐的損壞概率最大，其次為管道和化工生產(chǎn)裝置，主要原因是化工園區(qū)內儲罐的數(shù)量較多且分布密集，導致其受地震災害的影響程度高于其他化工設備。

如表4所示，隨著地震烈度的增大，建筑物絕大多數(shù)倒塌的概率從0.103最終增長到0.231，大半倒塌的概率從0.213增長到0.391；儲罐被完全摧毀的概率從0.224變?yōu)?.291，局部破損的概率從0.064變?yōu)?.314；管道完全破裂的概率由0.150上升到0.283；而化工裝置完全破壞的概率從最初的0.124增長到0.144，最后減小到0.132，局部破損從最初的0.131變成了最后的0.193。結果表明，在工程結構破壞程度方面，伴隨著地震烈度的增長，導致園區(qū)內建筑及化工設備的破壞越嚴重，事故擴展效應越大，最終后果越嚴重。與已有的專家[20]研究結果對比，符合其變化趨勢，說明該模型可行。

表4 化工園區(qū)地震災害網(wǎng)絡各節(jié)點變量的后驗概率值Table 4 The posterior probability value of each node variable in the network of chemical park earthquake disaster

隨著地震烈度的增大，事故的后驗概率值有一定程度的增加，相比于地震直接造成的建筑物倒塌、化工設備破壞以及生命線損壞等事故，發(fā)生爆炸、火災、中毒等事故的增長幅度較低，其分別為0.155～0.164、0.261～0.271、0.114～0.117。由此可見，地震對園區(qū)內化工設備直接破壞的影響程度較大，由于演化過程存在多個中間變量的約束，導致其對事故損害的影響程度變小。

假設該化工園區(qū)發(fā)生地震災害，地震烈度為9度，對比單一化工設備造成不同化工事故的發(fā)生概率大小，如圖3所示。在單一化工設備的影響下，發(fā)生火災事故的概率最大，其次是爆炸事故，發(fā)生中毒事故的概率最小。儲罐破壞造成中毒、火災、爆炸事故的概率分別為0.142、0.312、0.273，管道破裂造成3個不同類型事故的概率為0.125、0.279、0.234，而化工裝置造成事故的概率為0.111、0.252、0.157。對比可知，當造成同一類型事故時，儲罐破壞的影響程度最大，其次為管道破裂。因此，針對化工事故，化工園區(qū)需要采取防護措施加強化工設備的管理，結合政府出臺的相關文件，科學管控危險化學品，做好化工設備的安全防護，防止事故進一步擴展。

圖3 不同化工設備造成的不同事故類型概率對比圖Fig.3 Comparison chart of the probability of different accident types caused by different chemical equipments

化工園區(qū)地震級聯(lián)災害的特征不僅表現(xiàn)為連鎖效應，還表現(xiàn)為次級事件造成的影響比初始事件更大的放大效應。盡管地震災害的發(fā)生無法避免，化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景模型可以模擬災害的演化過程，預測各級聯(lián)災害的發(fā)生情況，以便采取相應措施減少災害損失。地震災害情景演化研究為化工園區(qū)的防震減災工作提供了一種新思路，有利于化工園區(qū)震前預防、震時應急管理。

4 結論

本文收集歷史震例資料和文獻的基礎上，將D-S證據(jù)理論和貝葉斯網(wǎng)絡結合構建化工園區(qū)地震級聯(lián)災害情景貝葉斯網(wǎng)絡圖，通過情景演化方法分析得出結論，為化工園區(qū)防震減災提供科學的參考依據(jù)。

(1)由于地震災害是一種“低概率，高風險”的非常規(guī)突發(fā)事件，其導致的化工園區(qū)災害數(shù)據(jù)至今并未有人統(tǒng)計，因為數(shù)據(jù)的缺乏本文選用了專家打分法對其造成的級聯(lián)災害的發(fā)生次序和發(fā)生概率進行估計，為減小專家判斷主觀性的影響，引入了D-S證據(jù)理論對多位專家的估計數(shù)據(jù)進行融合，用融合所得的數(shù)值進行貝葉斯推理。在構建貝葉斯網(wǎng)絡的同時，將專家知識進行保存，便于知識的學習。

(2)根據(jù)特定的情景對所構建的貝葉斯網(wǎng)絡模型進行推理，從不同角度對化工園區(qū)地震級聯(lián)災害事件進行對比分析，結果表明：地震造成化工設備的直接破壞中對儲罐的完全摧毀概率最大為0.291；隨著地震烈度的增加，化工設備的損傷概率變大，造成傷亡人數(shù)越多；化工裝置、儲罐、管道單一設備造成的火災事故概率最大分別為0.252、0.279、0.312。確定了儲罐破壞和火災事故時是級聯(lián)災害中導致災害擴大的主要影響因素，為化工園區(qū)提供科學的地震級聯(lián)災害預測方法，以及震前預防、震時應急的側重點。

(3)地震耦合作用下的化工園區(qū)事故與傳統(tǒng)化工生產(chǎn)安全事故相比，地震會引起化工園區(qū)失效概率增加，從而使個人風險值增大；但是因為園區(qū)內化工設備分布十分密集，導致傷亡范圍一定，所以社會風險保持不變。受數(shù)據(jù)缺乏的限制，各節(jié)點變量的取值分類還不夠十分精細，如火災可分為池火災、火球、閃火等，而且雖然加入D-S證據(jù)理論進行數(shù)據(jù)融合，但是依舊存在一定的主觀性，導致模型的適用范圍有限，需要進行進一步研究。