魏利軍，王向陽(yáng),，羅艾民，多英全，王如君，向　陽(yáng)

(1.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012； 2.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029)

0　引言

地震作為一種突發(fā)性強(qiáng)、不確定性高的自然災(zāi)害，不僅僅會(huì)直接造成極大的破壞及人員傷亡，同時(shí)由于化工園區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)化學(xué)品的存在，極易造成泄漏、火災(zāi)或爆炸等嚴(yán)重的化工事故，給地震應(yīng)急救援工作帶來(lái)了極大的困難[1]。為了探明地震災(zāi)害化工事故演化機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。余世舟等[2]在地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)支持下利用火災(zāi)、爆炸及毒氣泄漏和擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，對(duì)地震次生災(zāi)害進(jìn)行了數(shù)值模擬，可以直觀的給出地震次生災(zāi)害的危害范圍；之后，余世舟等[3]利用災(zāi)害鏈理論分析破壞性地震引發(fā)化工次生災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理，并構(gòu)建定量的概率分析模型，找出災(zāi)害鏈中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，采取斷鏈措施，減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失；Salzano等[4]利用歷史上地震災(zāi)害的事故調(diào)查結(jié)果，采用Probit模型，定義儲(chǔ)罐不同損傷狀態(tài)，定量的描述了地震加速度(PGA)和儲(chǔ)罐損壞程度之間的關(guān)系；Fabbrocino等[5]和Antonioni等[6]在此基礎(chǔ)上，利用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(QRA)的方法，評(píng)估地震造成的化工事故后果，得到個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，從而為震前預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)；Krausmann E等[7]基于Natech事件評(píng)估方法對(duì)地震、洪水等自然災(zāi)害造成的化工設(shè)備失效事故進(jìn)行了研究分析，其主要是研究自然災(zāi)害對(duì)化工裝置造成的初步事故，而未考慮由其引發(fā)的多米諾事件。上述文中均未深層次描述事故的演化過(guò)程，而在量化研究耦合演化過(guò)程的問(wèn)題上，貝葉斯[8-10]具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可依靠條件概率表達(dá)各風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)之間的相互作用關(guān)系。因此，本文通過(guò)構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，研究地震災(zāi)害化工事故演化過(guò)程，為探索地震災(zāi)害對(duì)園區(qū)影響提供新的思路。

本文通過(guò)災(zāi)害鏈理論對(duì)地震災(zāi)害化工事故災(zāi)害機(jī)理進(jìn)行分析，并將其轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建化工園區(qū)地震災(zāi)害的演化機(jī)理模型，再確定各節(jié)點(diǎn)變量及各自的取值范圍，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)及專家經(jīng)驗(yàn)判斷分析，獲得貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的條件概率值；最后，本文將對(duì)比不同地震烈度下，各化工事故發(fā)生的后驗(yàn)概率，并探討應(yīng)急救援及遏制化工事故發(fā)生的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)地震次生災(zāi)害的影響程度。

1　地震災(zāi)害事故鏈反應(yīng)機(jī)理分析

由一種災(zāi)害引發(fā)另一種災(zāi)害或其他一系列災(zāi)害的現(xiàn)象稱為災(zāi)害鏈，自然災(zāi)害屬于典型的災(zāi)害鏈[11-12]。根據(jù)該理論，由地震引發(fā)的化工事故是一種典型的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，是一種以地震災(zāi)害為外因，從而誘發(fā)化工裝置破壞及失效等內(nèi)因的鏈?zhǔn)竭^(guò)程。根據(jù)地震災(zāi)害事故的特點(diǎn)，將地震災(zāi)害的誘發(fā)外因及其致災(zāi)的過(guò)程稱為災(zāi)害鏈的啟動(dòng)環(huán)，把因地震災(zāi)害造成化工裝置損壞或者泄漏等事故類型稱為激發(fā)環(huán)，泄漏事故及點(diǎn)火源相互作用造成火災(zāi)、爆炸等化工事故稱為演化環(huán)，該災(zāi)害造成的事故后果及損失稱為損害環(huán)。地震災(zāi)害誘發(fā)化工事故的形成與演化過(guò)程作為一種典型的災(zāi)害鏈類型，其危險(xiǎn)性、災(zāi)害性都十分巨大，且一災(zāi)多鏈、連鎖反應(yīng)，造成的事故后果嚴(yán)重。地震災(zāi)害誘發(fā)化工事故的災(zāi)害鏈反應(yīng)特征總結(jié)如圖1。

圖1　地震誘發(fā)化工事故的災(zāi)害鏈Fig.1　Earthquake-induced chemical accident disaster chain

2　事故鏈轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用有向無(wú)環(huán)圖的形式表達(dá)隨機(jī)變量間的關(guān)聯(lián)特性，用條件概率分布的形式表示關(guān)聯(lián)強(qiáng)度[13]。因此，基于貝葉斯模型在處理不確定性方面的優(yōu)勢(shì)，可將上述的事故鏈模型轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)地震災(zāi)害化工事故演化過(guò)程進(jìn)行定量分析。

2.1　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量及結(jié)構(gòu)

地震次生化工事故演化過(guò)程可分為園區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐、管道、化工設(shè)備及建筑物受地震作用破壞，火災(zāi)、中毒及爆炸等化工事故，地震發(fā)生后的應(yīng)急救援，人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失等4個(gè)層次，將其分別對(duì)應(yīng)上述事故鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建地震化工事故演化過(guò)程的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和有向的弧線組成，是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖，如圖2所示。

本文主要探討地震強(qiáng)度對(duì)化工園區(qū)的影響，著重分析地震烈度的影響程度，因此將地震烈度作為主要的證據(jù)變量。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，儲(chǔ)罐、管道、化工設(shè)備及建筑物會(huì)遭受不同程度的破壞，上述各個(gè)裝備均要考慮。設(shè)備破壞后，可能會(huì)造成有毒或易燃易爆原料及產(chǎn)品的泄漏，從而引發(fā)中毒、火災(zāi)及爆炸等化工事故。除了泄漏后遇點(diǎn)火源發(fā)生火災(zāi)爆炸外，生產(chǎn)設(shè)備由于輔助設(shè)施失效等原因，造成內(nèi)部壓力過(guò)大，也會(huì)發(fā)生物理爆炸。事故發(fā)生后，若交通阻斷或者應(yīng)急物資等因素，造成應(yīng)急救援不及時(shí)，會(huì)造成更為人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，該模型中，主要考慮化工事故造成人員傷亡的后果類型。

2.2　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量取值及條件概率設(shè)置

圖2　化工園區(qū)地震災(zāi)害演化機(jī)理Fig.2　Evolution mechanism of earthquake disaster in chemical industry park

若假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)父節(jié)點(diǎn)變量為連續(xù)性概率分布，則其對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)變量也為連續(xù)分布，這會(huì)造成后驗(yàn)概率參數(shù)估計(jì)的復(fù)雜性，且目前已有研究中所給出的參數(shù)估計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，均對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)變量進(jìn)行離散化處理， 因此本文也將各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行離散化處理。由于本文主要探討地震強(qiáng)度對(duì)化工園區(qū)的影響程度，主要將地震烈度分為7，8，9，10共4組，其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量均為{是，否}2個(gè)狀態(tài)值。部分節(jié)點(diǎn)變量狀態(tài)分布見(jiàn)表1。

表1　貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量離散化分布

在上述節(jié)點(diǎn)變量離散化的基礎(chǔ)上，需確定每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率值。節(jié)點(diǎn)條件概率分布表給出了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率值，即人們事先對(duì)該事件發(fā)生可能性大小的參數(shù)估計(jì)。由于目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不能給出所建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型所需要的數(shù)據(jù)，因此本文參考了相關(guān)文獻(xiàn)[3,9,14]數(shù)據(jù)，并結(jié)合專家意見(jiàn)，給出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率經(jīng)驗(yàn)判斷值。以化學(xué)性火災(zāi)爆炸為例，其條件概率表如表2所示。

表2　“化學(xué)火災(zāi)爆炸”節(jié)點(diǎn)的條件概率表

從上表可看出：當(dāng)存在易燃易爆原料或產(chǎn)品的條件下，遇點(diǎn)火源后會(huì)發(fā)生化學(xué)性火災(zāi)爆炸事故；或者由于物理爆炸引發(fā)化學(xué)性火災(zāi)爆炸事故，其概率為0.821。

3　模型應(yīng)用

采用上述構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)某種特定場(chǎng)景下地震災(zāi)害的演化過(guò)程進(jìn)行推理計(jì)算分析。若某化工園區(qū)內(nèi)的廠房或者中控室等建筑物抗震能力強(qiáng)，且建筑物分布比較稀少，可認(rèn)為建筑物密度低；化工園區(qū)內(nèi)都設(shè)有消防隊(duì)及消防物資，以保障園區(qū)發(fā)生化工事故后，可盡快到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)；地震發(fā)生在白天，園區(qū)內(nèi)的工作人員都在正常上班，可認(rèn)為人員密度較高。根據(jù)以上的條件，對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)節(jié)點(diǎn)變量的先驗(yàn)概率進(jìn)行設(shè)定，其他未涉及的節(jié)點(diǎn)均采用上一節(jié)中所給出的先驗(yàn)概率值，并通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率值。輸入Netica軟件得到化工園區(qū)地震災(zāi)害化工事故演化過(guò)程的貝葉斯模型圖，如圖3所示。

破壞性地震可能會(huì)造成園區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐、生產(chǎn)設(shè)備及管道發(fā)生破裂，致使內(nèi)部危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生泄漏，造成中毒、物理爆炸、化學(xué)性火災(zāi)爆炸等化工事故，使得人員傷亡。由圖3可知：假設(shè)該地區(qū)發(fā)生9級(jí)烈度地震時(shí)，園區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐的破裂概率為0.405，同時(shí)由于地震災(zāi)害及建筑物倒塌造成生產(chǎn)設(shè)備破裂的概率為0.147，管道的破裂概率為0.32，從這三者的概率值可以看出，儲(chǔ)罐的破裂概率要高于其余兩項(xiàng)，主要原因?yàn)閳@區(qū)內(nèi)的主要原料或產(chǎn)品存放在儲(chǔ)罐中，造成其數(shù)量較多，且儲(chǔ)罐內(nèi)化學(xué)品受到其地震作用，發(fā)生晃動(dòng)等，致使儲(chǔ)罐破裂的概率高于其余設(shè)備。當(dāng)設(shè)備發(fā)生破裂后，會(huì)造成不同程度的泄漏，本文僅對(duì)泄漏的化學(xué)品作了簡(jiǎn)單的劃分，未對(duì)泄漏的程度進(jìn)行分級(jí)；由于受到原料或產(chǎn)品泄漏節(jié)點(diǎn)的約束，且園區(qū)內(nèi)有毒可擴(kuò)散物質(zhì)種類相比于易燃易爆化學(xué)品較少，導(dǎo)致有毒原料或產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)概率為0.052 6，易燃易爆化學(xué)品節(jié)點(diǎn)概率為0.206，之后，造成的中毒、化學(xué)性火災(zāi)爆炸及物理爆炸節(jié)點(diǎn)概率分別為0.042，0.115及0.026 4，當(dāng)?shù)玫缴鲜龈怕屎?，由于園區(qū)內(nèi)應(yīng)急救援和人員密度等節(jié)點(diǎn)的影響，造成人員傷亡不可接受的概率變?yōu)?.021。

圖3　化工園區(qū)地震災(zāi)害貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3　Bayesian network structure of earthquake disaster in chemical industry park

變量名稱取值7級(jí)后驗(yàn)概率值8級(jí)后驗(yàn)概率值9級(jí)后驗(yàn)概率值10級(jí)后驗(yàn)概率值地震烈度7/8/9/10(1，0，0，0)(0，1，0，0)(0，0，1，0)(0，0，0，1)儲(chǔ)罐破裂是/否(0．063，0．937)(0．18，0．82)(0．405，0．595)(0．648，0．352)生產(chǎn)設(shè)備破裂是/否(0．0225，0．9775)(0．644，0．9356)(0．147，0．853)(0．227，0．773)管道破裂是/否(0．0498，0．9502)(0．142，0．858)(0．32，0．68)(0．513，0．487)有毒原料或產(chǎn)品泄漏是/否(0．0081，0．9919)(0．023，0．977)(0．0526，0．9474)(0．084，0．916)易燃易爆原料或產(chǎn)品泄漏是/否(0．0316，0．9684)(0．0903，0．9097)(0．206，0．794)(0．33，0．67)中毒是/否(0．0064，0．9936)(0．0184，0．9816)(0．042，0．958)(0．0672，0．9328)化學(xué)性火災(zāi)爆炸是/否(0．0177，0．9823)(0．506，0．9494)(0．115，0．885)(0．183，0．817)物理爆炸是/否(0．004，0．996)(0．0115，0．9885)(0．0264，0．976)(0．0407，0．9593)人員傷亡不可接受/可接受(0．0035，0．9965)(0．0098，0．9902)(0．021，0．979)(0．0383，0．9617)

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果：隨著地震烈度的增大，其化工設(shè)備的破裂概率值明顯升高，以儲(chǔ)罐為例，7，8，9，10級(jí)烈度值下其后驗(yàn)概率值分別為0.063，0.18，0.405，0.648，將其值與文獻(xiàn)[5]中的概率值(0.07，0.2，0.45，0.72)對(duì)比，可知其后驗(yàn)概率值符合其變化趨勢(shì)，但是當(dāng)烈度值較大時(shí)，其概率值小于文獻(xiàn)中的概率值，原因可能為以貝葉斯方法模擬時(shí)，該方法對(duì)先驗(yàn)概率值有一定的修正，不僅僅考慮了歷史數(shù)據(jù)，還加入了相關(guān)專家意見(jiàn)的先驗(yàn)概率值，從而造成該值小于文獻(xiàn)中的值。

隨著地震烈度的增大，其事故后果概率值也有一定程度的增大，但是其中毒、化學(xué)性火災(zāi)爆炸及物理爆炸概率的增長(zhǎng)幅度相比于化工設(shè)備增長(zhǎng)幅度相比有所降低，分別為0.006 4～0.067 2，0.017 7～0.183，0.004～0.040 7。可見(jiàn)，地震烈度對(duì)化工設(shè)備直接破壞的概率影響較大，但是由于存在中間多個(gè)節(jié)點(diǎn)變量的約束，其對(duì)事故后果的影響相對(duì)較弱。

隨著地震烈度的增大，其人員傷亡概率也有所提高，統(tǒng)計(jì)2008—2014年全國(guó)化工和危險(xiǎn)化學(xué)品典型事故案例時(shí)，在非自然災(zāi)害化工事故中，人員傷亡不可接受的概率為0.003，可見(jiàn)當(dāng)發(fā)生9～10級(jí)烈度地震時(shí)，人員傷亡概率值會(huì)增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，該結(jié)論與文獻(xiàn)[15]中的結(jié)論一致，文獻(xiàn)中描述的是大型地震會(huì)造成PLL值會(huì)增大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

同理，以9級(jí)烈度的地震為例，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，若化工事故及人員傷亡成為事實(shí)，在建筑物屬性等因素不可控的情況下，若采用適當(dāng)科學(xué)的救災(zāi)措施，使應(yīng)急救援能夠及時(shí)，化工園區(qū)內(nèi)部的人員密度降低，可使人員傷亡概率的損失達(dá)到最小，按照上述的思路，將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)急救援及人員密度改變不同的參數(shù)值。

表4　應(yīng)急救援對(duì)人員傷亡的后驗(yàn)概率值影響程度

由表4計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)應(yīng)急救援及人員密度處于同一狀態(tài)時(shí)，從危險(xiǎn)性的角度考慮，應(yīng)急救援的危險(xiǎn)性較大，這是由于化工事故可能不會(huì)造成人員當(dāng)場(chǎng)死亡，更多的是救援不及時(shí)，致使人員搶救無(wú)效死亡，因此應(yīng)著重加強(qiáng)救援工作，如當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，應(yīng)及時(shí)回復(fù)交通、電力系統(tǒng)，使節(jié)點(diǎn)回復(fù)正常，而當(dāng)人員密度均為大時(shí)，由于救援不及時(shí)，會(huì)造成人員的傷亡不可接受概率值從0.019 8增加為0.024 5。

4　結(jié)論

1)將地震災(zāi)害化工事故演化過(guò)程分為園區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐、管道、化工設(shè)備及建筑物受地震作用破壞，火災(zāi)、中毒及爆炸等化工事故，地震發(fā)生后的應(yīng)急救援，人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失4個(gè)層次，每個(gè)層次分別對(duì)應(yīng)事故鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，完成由事故鏈轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖的過(guò)程。

2)根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率值，選定特定場(chǎng)景進(jìn)行貝葉斯推理分析，對(duì)比不同地震烈度下的化工事故后果及人員傷亡情況，并探討應(yīng)急救援的及時(shí)及有效性對(duì)地震次生災(zāi)害發(fā)生概率的影響程度。

3)概率評(píng)估方法需要實(shí)際的次生災(zāi)害評(píng)估結(jié)果作為計(jì)算參數(shù)，但是現(xiàn)有的評(píng)估方法不統(tǒng)一，而且基于地震的事故信息不完整，其現(xiàn)有的概率數(shù)據(jù)只能基于少量的數(shù)據(jù)及專家意見(jiàn)來(lái)確定，造成其適用范圍，應(yīng)用條件有限，該方面應(yīng)進(jìn)一步研究。

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