城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估框架研究

端木維可，李潤婉，朱麗榕，馬文輝，侯龍飛，2*

（1.合肥澤眾城市智能科技有限公司，安徽 合肥 230601；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601）

隨著城市現(xiàn)代化進程的不斷加快，地下各種管網(wǎng)密布。因地下空間所限，作為城市市政管網(wǎng)工程中重要組成部分的燃氣管道和排水管道，存在普遍的交叉和并行敷設(shè)間距過小的情況[1]。由于燃氣的易燃易爆特性，燃氣管線一旦發(fā)生泄漏，極易擴散至排水管線蔓延聚集燃爆[2]。此類事故在我國已發(fā)生多起，例如2013年10月-12月，溫州燃氣管道發(fā)生泄漏，泄漏氣體擴散至2 m外排水管道聚集，沿排水管線擴散五六百米后聚集燃爆；2014年8月1日，臺灣高雄穿越排水暗渠的丙烯管道因管道腐蝕發(fā)生泄漏，泄漏氣體在排水管線聚集燃爆，影響范圍約2~3 km2，事故導(dǎo)致340人死傷。

根據(jù)GB/T 23694—2013《風(fēng)險管理 術(shù)語》[3]，風(fēng)險被定義為不確定性對目標的影響。作為有效的安全態(tài)勢評估手段，風(fēng)險評估通過評估安全事件發(fā)生的可能性和后果，從而得出系統(tǒng)的安全風(fēng)險大小，達到掌握系統(tǒng)安全態(tài)勢的目的。為了有效識別城市地下縱橫交錯的燃氣管道與排水管網(wǎng)耦合風(fēng)險，本文以燃氣泄漏導(dǎo)致排水管線燃爆事件鏈為基礎(chǔ)，通過分析城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事件多個環(huán)節(jié)關(guān)鍵要素，提出了一種城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估方法。相關(guān)結(jié)論有助于城市管理者對城市排水管網(wǎng)燃爆風(fēng)險開展針對性的風(fēng)險分析、評估、分級和管理，為控制相關(guān)風(fēng)險提供支撐。

1 城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事件分析

通過對城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事故進行分析，城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事件可表述為埋地燃氣管線因自身或者外部擾動等因素發(fā)生泄漏，泄漏氣體通過土壤擴散。當排水管線位于氣體擴散范圍內(nèi)，氣體可通過排水管線連接處或破損處進入，并在自身浮力或排水管線內(nèi)部水流作用下在排水管線蔓延，被煙頭、火花等點火源點燃發(fā)生燃爆。燃爆過程中超壓、破片、振動等作用于排水管線周邊人員、建筑、地下管線等導(dǎo)致人員傷亡、財產(chǎn)損毀。流程如圖1所示。

圖1 城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事件發(fā)展過程

因此為構(gòu)建城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估方法，需考慮以下因素：

（1）燃氣管線是否容易泄漏；（2）泄漏氣體能否擴散到排水管線；（3）排水管線內(nèi)可燃氣體被點燃可能性；（4）排水管線的燃爆后果。

2 排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估框架

風(fēng)險具有概率和損失的雙重性，風(fēng)險R可用發(fā)生可能性P和損失程度C的函數(shù)來表示，即R=f（P，C）[4]?；诔鞘信潘芫W(wǎng)燃氣聚集燃爆事件發(fā)展過程分析，其發(fā)生可能性需要考慮燃氣管線泄漏可能性Pleak，泄漏氣體聚集可能性Pgather，點火可能性Pfire，后果包括人員傷亡Cpeople，建筑物損毀Cbuilding，地下管線損毀Cpipe，社會影響Csocietalimpact等。

2.1 可能性評估

2.1.1 燃氣管線泄漏可能性Pleak

埋地燃氣管線泄漏主要因素包括腐蝕、第三方施工破壞、自然災(zāi)害影響、材料/焊接/裝備原因等方面[5]，通過標準化或打分法使各項泄漏可能性得分在[1，10]范圍內(nèi)。

（1）腐蝕導(dǎo)致燃氣管線泄漏可能性Pco

腐蝕導(dǎo)致燃氣管線泄漏可能性因素主要考慮燃氣管線防腐情況CO1，燃氣管線服役年限CO2，地鐵、高壓線纜距離燃氣管線距離CO3，周邊燃氣管線腐蝕泄漏頻次CO4，基于指標狀態(tài)進行定量/定性評估獲取對應(yīng)分值，即Pco=f（CO1，CO2，CO3，CO4）。需要注意的是，當燃氣管線為PE管道時，一般不考慮腐蝕。

（2）第三方施工破壞燃氣管線可能性分析Ptpc

第三方施工破壞燃氣管線影響因素主要包括第三方施工點與燃氣管線位置關(guān)系TPC1，第三方施工行為是否備案TPC2，燃氣管線資料是否齊全TPC3，燃氣管線埋深是否合理TPC4，基于指標狀態(tài)進行定量/定性評估獲取對應(yīng)分值，即Ptpc=f（TPC1，TPC2，TPC3，TPC4）。

（3）自然災(zāi)害影響燃氣管線泄漏可能性分析Pnd

自然災(zāi)害對燃氣管線的破壞可被描述為穩(wěn)定程度較差/防護措置較差的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生并對其作用范圍內(nèi)燃氣管線造成影響[6]。自然災(zāi)害影響燃氣管線泄漏可能性指標主要包括燃氣管線與自然災(zāi)害點影響范圍位置關(guān)系ND1，自然災(zāi)害穩(wěn)定性ND2，極端天氣情況ND3，地質(zhì)災(zāi)害治理措施ND4，基于指標狀態(tài)進行定量/定性評估獲取對應(yīng)分值，即Pnd=f（ND1，ND2，ND3，ND4）。

（4）材料/焊接/裝備原因?qū)е氯細夤芫€泄漏可能性Ppq

材料/焊接/裝備等方面原因?qū)е氯細夤芫€泄漏可能性主要考慮管線施工質(zhì)量，占壓、車輛碾壓等原因?qū)е氯細夤芫€失效，即考慮指標包括管線施工質(zhì)量PQ1（根據(jù)浴盆曲線，對應(yīng)問題將在管線服役初期出現(xiàn)，因此可用服役時間代替），管線占壓情況PQ2，車輛碾壓情況PQ3?；谥笜藸顟B(tài)進行定量/定性評估獲取對應(yīng)分值，即Ppq=f（PQ1，PQ2，PQ3）。

腐蝕、第三方施工破壞、自然災(zāi)害破壞、材料/焊接/裝備問題其中一個發(fā)生即可導(dǎo)致燃氣管線泄漏。因此燃氣管線泄漏可能性表示為

2.1.2 燃氣擴散聚集可能性Pgather

相關(guān)文獻表明，一般城市中壓燃氣管網(wǎng)土壤擴散距離在2.5~12.5 m范圍內(nèi)，因此可基于待評估的燃氣管線與對應(yīng)排水管線的最短距離l來表征燃氣擴散聚集概率，即Pgather=f（D），其取值范圍在（0，1]。

2.1.3 點火可能性Pfire

燃氣擴散進入排水管線中發(fā)生聚集，此時如果被點燃，就可能發(fā)生燃爆事故。點火概率與人員活動密集程度具有強相關(guān)性，一般人員活動密集區(qū)域，點火概率相對增大，反之則減小。因此可基于待評估管道對應(yīng)局部人口密度ρ來表征點火可能性Pfire=f（ρ），分值區(qū)間在[1，10]。

由于泄漏氣體擴散至排水管線聚集燃爆為鏈式發(fā)展，因此對于排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事件發(fā)生概率P應(yīng)表示為

2.2 后果評估

2.2.1 安全埋深對排水管線燃爆影響

文獻[7]指出，對于一定直徑排水管線，當其埋設(shè)較深時，即使燃爆也不會對路面上方造成影響。設(shè)置修正因子φ，當管道埋深H小于安全埋深Hsafe，φ取1，否則φ取0.01。Hsafe與排水管線管徑（或當量直徑）D相關(guān)，即

排水管線燃爆損傷主要包括超壓影響、振動影響、破片影響三類。其中超壓的作用對象為人員及建筑物，破片的作用對象為人員，振動的主要作用對象為地下管線。

2.2.2 排水管線燃爆人員傷亡后果Cpeople

排水管線燃爆超壓影響范圍與排水管道截面積及燃爆管線長度相關(guān)（表征燃爆TNT當量），即導(dǎo)致人員傷亡的最小超壓對應(yīng)影響范圍可表示為Sspp=fspp（D，l）。排水管線破片影響范圍與排水管線截面積、燃爆管線長度及排水管線上方覆蓋介質(zhì)厚度D1（表征覆蓋介質(zhì)截面積）相關(guān)，即導(dǎo)致人員傷亡的破片影響范圍可表示為Sfp=ffp（D，D1，l）。

明顯的，在其他參數(shù)一致情況下，被評估排水管線越長導(dǎo)致的人員傷亡越多，為修正此影響，定義排水管線燃爆超壓影響后果如下式所示：

基于相關(guān)突發(fā)事件標準獲取單位長度待評估排水管線傷亡人數(shù)對應(yīng)分值標準，使Cpeople取值在[1，10]范圍內(nèi)。

2.2.3 排水管線燃爆建筑物損毀后果Cbuilding

同樣的，導(dǎo)致建筑物損毀的最小超壓對應(yīng)影響范圍可表示為Sspb=fspb（D，l），基于影響范圍獲取其中危險源防護目標數(shù)量n1作為代表性建筑物。

基于ρbuilding在待評估城市總體分布情況，制定Cbuilding取值規(guī)則，使其取值在[1，10]范圍內(nèi)。

2.2.4 排水管線燃爆振動導(dǎo)致地下管線損毀后果Cpipe

排水管線燃爆振動影響范圍與排水管道截面積及燃爆管線長度相關(guān)，即導(dǎo)致地下管網(wǎng)破損的最小振動對應(yīng)影響范圍可表示為Svp=fvp（D，l）?；谟绊懛秶@取其中地下管線數(shù)量n2。

基于ρpipe在待評估城市總體分布情況，制定Cpipe取值規(guī)則，使其取值在[1，10]范圍內(nèi)。

2.2.5 排水管線燃爆社會影響Csocietalimpact

Csocietalimpact指爆炸導(dǎo)致的社會性恐慌，當爆炸發(fā)生在敏感時間（如兩會、重要賽事、重要展（博）覽會等期間）、敏感地點（如涉政、涉外場所、醫(yī)療機構(gòu)等）、敏感人群（如老弱病殘等）時，排水管網(wǎng)燃爆事件后果將被放大。設(shè)置修正因子τ（τ≥1），用來表征這種風(fēng)險增量。

因此爆炸后果C可表示為

當τ取1時，C取值在（0，10]。因此規(guī)定當C≥10時，取10。

城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估框架如圖2所示。

圖2 城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估框架

2.3 風(fēng)險評估

當燃氣管道周邊對應(yīng)多條排水管道時，與周邊所有排水管道耦合災(zāi)害風(fēng)險評估值為經(jīng)過上述計算后得到的若干個耦合風(fēng)險值中的最大值，并疊加數(shù)量修正。

R=max（Ri）×1.1i-1， （8）當R大于100時，取100。根據(jù)風(fēng)險值從大至小依次劃分為重大風(fēng)險、較大風(fēng)險、一般風(fēng)險、低風(fēng)險4個等級（表1），分別用紅、橙、黃、藍4種顏色進行表示，并確定各級風(fēng)險閾值。

表1 風(fēng)險等級劃分標準

3 排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

數(shù)據(jù)是風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，基于城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估框架運行所需數(shù)據(jù)內(nèi)容，形成排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)如圖3所示。一般排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險評估數(shù)據(jù)分布在燃氣行業(yè)部門及住建局、氣象局、應(yīng)急局等各部門，在信息化實現(xiàn)時，需對相關(guān)數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚、分析、清洗、融合，結(jié)合城市燃氣風(fēng)險治理與管控業(yè)務(wù)需求，細化分析規(guī)則和模型，來實現(xiàn)風(fēng)險值計算與展示。

圖3 城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆風(fēng)險數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

4 結(jié)論

本文基于城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事故，歸納了該類事故發(fā)生發(fā)展的一般規(guī)律，在此基礎(chǔ)上形成了包括事故發(fā)生可能性及后果的評估框架。其中事故發(fā)生可能性包括燃氣泄漏可能性、燃氣擴散聚集概率、點火可能性等部分，事故后果包括排水管道燃爆安全埋深后果修正因子、人員傷亡后果、建筑物損毀后果、地下管線損毀后果、社會影響修正因子等部分。對各部分評估邏輯及涉及因素進行了歸納，并分析了評估模型在信息化實現(xiàn)時各因素對應(yīng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)邏輯。相關(guān)內(nèi)容有助于相關(guān)部門對城市排水管網(wǎng)燃氣聚集燃爆事故進行防控，同時對地下空間燃爆風(fēng)險相關(guān)研究提供有益幫助。