李天祺，趙振東，余世舟

(1.江南大學環(huán)境與土木工程學院，江蘇無錫214122;2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江哈爾濱150080)

爆炸是一種危害性極大的災害形式，其產(chǎn)生的沖擊波和熱輻射會造成人員傷亡和建筑物的破壞［1］。特別是象加油站、石油液化氣儲配站等位于城市中的易燃易爆危險源［2］，處于人員和建筑設施相對集中密集的區(qū)域，一旦發(fā)生爆炸，會造成慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失［3］。這就需要我們加強危險源的日常管理，同時還應對爆炸可能造成的危害進行評估，來指導防災減災工作的進行。其中的每一過程和環(huán)節(jié)都與空間的地理要素密切相關，如災害造成破壞區(qū)域的范圍、災害發(fā)生地的社會經(jīng)濟易損性及抗災能力、人員分布、災害評估、災害應急救助措施及預案等。因而以地理信息系統(tǒng)為平臺進行相應研究，已成為綜合防災的重要工具和手段，建立在具有強大空間分析功能的地理信息系統(tǒng)上的減災系統(tǒng)，將在防災減災中發(fā)揮快速、準確的輔助決策作用［4］。

地理信息系統(tǒng)是建立在統(tǒng)一地理坐標基礎上的空間信息系統(tǒng)，它利用地學模型來進行管理［5］?；贕IS的爆炸災害數(shù)值模擬可以直觀地給出災害危害區(qū)域的范圍，在此基礎上，可以計算出相應的人員傷亡與財產(chǎn)損失情況，有助于對災害危險源的日常管理并可在災時提供應急救災決策的依據(jù)。

1 分析模型

1.1 基本理論

爆炸可以產(chǎn)生多種破壞效應，如輻射、一次破片作用等。沖擊波是最危險、破壞力最強、破壞區(qū)域最大的破壞效應。影響沖擊波破壞效應的主要因素有:①沖擊波的性質(zhì)，如超壓、持續(xù)時間、沖量等;②目標物特征，如人的年齡、性別、體重、身體素質(zhì)，建筑物的高度、結構類型、建筑材料等;③沖擊波與目標物的相互作用方式。常見的沖擊波傷害-破壞準則有:超壓準則、沖量準則、壓力-沖量準則［6］。本文采用超壓準則。

表1和表2分別給出了建筑物破壞和人員傷亡的超壓準則。

表1 建筑物破壞的超壓準則

表2 人員傷亡的超壓準則

1.2 人員傷亡區(qū)域模型

人員的傷害分區(qū)有3個等級:死亡區(qū)的外徑為圓周處因沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為0.5的半徑;重傷區(qū)外徑為圓周處因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.5的半徑;輕傷區(qū)的外徑為圓周處因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.01的半徑。

死亡區(qū):

式中:R0.5為死亡區(qū)半徑(m);E為爆源總能量(kJ)。

重傷區(qū):

式中:R3為重傷區(qū)半徑(m);P0=5 000 Pa;ΔP=44 000 Pa。

輕傷區(qū):數(shù)學模型同重傷區(qū)模型，其中ΔP=17 000 Pa。

1.3 建筑物破壞區(qū)域模型

把建筑物的破壞分為5個等級，各區(qū)域外徑由下式?jīng)Q定:

式中:Ri為不同破壞等級區(qū)域半徑(m);Ki為破壞常數(shù)，由表3確定;WTNT為爆源處TNT當量(kg)。

表3 建筑物破壞等級劃分

2 應急損失評估

2.1 基本假定

在損失評估中應用了以下假定:

(1)事故的傷害或破壞效用是各向同性的，傷害和破壞區(qū)域是以單元中心為圓心，以傷害或破壞半徑為半徑的圓形區(qū)域。在傷害和破壞區(qū)域內(nèi)無障礙物。

(2)在傷害區(qū)內(nèi)人員全部被傷害;在傷害區(qū)外人員均不被傷害。

(3)在破壞區(qū)內(nèi)財產(chǎn)全部損失，區(qū)外財產(chǎn)毫無損失。

(4)事故發(fā)生使正常生產(chǎn)、生活和經(jīng)營受到影響，由此而引起的間接損失不予考慮。

(5)不考慮各種預防措施對計算模型的影響。

2.2 傷亡人數(shù)評估

(1)死亡人數(shù)計算:

式中:ρ1為死亡區(qū)平均人員密度(人/m2);R0.5為死亡區(qū)半徑(m)。

(2)重傷人數(shù)計算:

式中:ρ2為重傷區(qū)平均人員密度(人/m2);Rd0.5為重傷區(qū)外徑(m)。

(3)輕傷人數(shù)計算:

式中:ρ3為輕傷區(qū)平均人員密度(人/m2);Rd0.01為重傷區(qū)外徑(m)。

2.3 財產(chǎn)損失評估

(1)財產(chǎn)損失計算

事故直接財產(chǎn)損失C(萬元)計算如下:式中:ρ4為破壞區(qū)平均財產(chǎn)密度(萬元/m2)。

(2)損失工作日數(shù)的計算

由于人員傷亡而損失的工作日數(shù)N(d)為:

式中:6 000、3 000、105分別為死亡、重傷和輕傷一人折合成的損失工作日數(shù)。

(3)事故總后果的計算

如果把人員傷亡換算成財產(chǎn)損失，則可用總財產(chǎn)損失S(萬元)來表示事故的嚴重度。

式中:b為死亡一人損失的價值，建議取值20萬元。

3 GIS下的應用

3.1 程序流程

本文中的數(shù)值模擬是在ArcView8.1平臺上進行的。GIS具有很強的對復雜的地理系統(tǒng)進行空間定位和過程動態(tài)分析能力，但數(shù)值計算能力相對較差［7］。這里通過用VC++編寫的DLL動態(tài)擴展程序，對數(shù)值模型進行計算，返回的數(shù)據(jù)再在GIS下完成圖形數(shù)據(jù)的分析和顯示，從而提高了程序的整體運行速度。在數(shù)值模擬的圖形顯示中，把數(shù)值模擬圖形以新的圖層給出，設置成半透明狀態(tài)，從而更容易確定模擬圖形的相對位置，對新生成圖層中的不同圖形用顏色加以區(qū)分。程序流程如圖1所示。

圖1 爆炸模擬程序流程圖

3.2 參數(shù)輸入

進行爆炸模擬時，首先需要確定兩個參數(shù)，分別為爆源能量和環(huán)境壓力。環(huán)境壓力是指爆源周圍的大氣壓，一般為標準大氣壓;爆源能量是指爆源的總能量，這里要求的單位為噸(TNT)。TNT爆熱與爆源能量的換算關系為:1(kg)TNT爆熱相當于4 520 kJ爆源能量。

3.3 結果顯示

圖2、圖3分別顯示爆源為60tTNT爆炸對建筑物的破壞分區(qū)和對人員的傷害分區(qū)。破壞分區(qū)共有5個等級;人員的傷害分區(qū)有3個等級。在圖中，人員的傷害區(qū)域和建筑物的破壞區(qū)域均以半透明的方式顯示，可以清楚地了解到各區(qū)域覆蓋的建筑和設備。

圖2 建筑物破壞區(qū)域范圍

圖3 人員傷亡區(qū)域范圍

在人員的傷害區(qū)域和建筑物的破壞區(qū)域顯示完成后，將給出計算結果的顯示窗口，如圖4所示。圖中給出了各區(qū)域的覆蓋面積、圖形半徑、人員傷亡人數(shù)、財產(chǎn)損失值和事故嚴重度的計算結果。計算過程前需要調(diào)查確定區(qū)域內(nèi)人員和財產(chǎn)的分布數(shù)值，這里假定人員分布密度為0.01人/m2，財產(chǎn)分布密度為0.1萬元/m2。

圖4 損失計算結果

4 結語

本文基于GIS，對爆炸造成的人員傷亡和建筑物破壞區(qū)域進行了數(shù)值模擬，并對災害造成的后果進行了應急評估。利用GIS的空間分析功能，能夠直觀的給出災害造成危害的區(qū)域范圍，有助于加強對于危險源的日常管理，也為決策者提供了應急救災輔助決策的科學依據(jù)［8］。

災害模擬中使用的數(shù)學模型都有一些假定的條件，多為理想狀態(tài)，模擬的結果與實際情況會有一定的差距，但作為參考依據(jù)，總體上把握災情的結果和變化是具有一定應用價值的。

［1］崔輝，徐志勝，宋文華.人工燃氣爆炸與中毒事故危害定量比較分析［J］.災害學，2008，23(4):96－100.

［2］崔輝，徐志勝，宋文華，等.有毒氣體危害區(qū)域劃分之臨界濃度研究［J］.災害學，2008，23(3):80－84.

［3］駱正山，王小完.基于天然氣泄漏的危害性分析及應用［J］.災害學，2009，24(1):97－100.

［4］余世舟，趙振東，鐘江榮.基于GIS的地震次生災害數(shù)值模擬［J］.自然災害學報，2003，12(4):100－105.

［5］陳如桂，楊林生，王五一.GIS在衛(wèi)生與健康領域的應用探索——中國鼠疫醫(yī)學地理信息系統(tǒng)的設計與建立［J］.地理科學進展，1999，18(4):368－372.

［6］惠君明.炸藥爆炸理論［M］.南京:江蘇科學出版社，1996.

［7］張孟威.環(huán)境問題的數(shù)學解法及計算機應用［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社，1989.

［8］趙振東，鐘江榮，余世舟，等.大慶市東風新村和開發(fā)區(qū)地震災害預測與信息管理系統(tǒng)［J］.東北地震研究，2007，23(3):10－16.