張建文 王佳錄 叢曉明 許欣榮 趙紅燁

(1.北京化工大學(xué) 流體力學(xué)與傳熱研究室，北京 100029； 2.青海省地礦信息測(cè)繪研究院，西寧 810012；3.威梯流體設(shè)備(上海)有限公司，上海 201417)

引 言

2020年4月，全國(guó)安全生產(chǎn)電視會(huì)議中提到，企業(yè)在疫情影響下長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致安全隱患積累，為推進(jìn)疫情期間的安全生產(chǎn)工作，將針對(duì)?；贰⒐I(yè)園區(qū)等9個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)、多隱患、多事故行業(yè)領(lǐng)域在全國(guó)深入開展安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)，堅(jiān)持系統(tǒng)治理、精準(zhǔn)施策[1]。其中化工園區(qū)具有企業(yè)集中化、風(fēng)險(xiǎn)多樣化和復(fù)雜化的特點(diǎn)[2]，是此次專項(xiàng)整治行動(dòng)的重要治理對(duì)象之一。

化工園區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)性和脆弱性共同導(dǎo)致了事故的發(fā)生，傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管控著眼于風(fēng)險(xiǎn)性識(shí)別，如隱患排查等，針對(duì)脆弱性方面的工作較少，而系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)防控需要同時(shí)考慮整體的風(fēng)險(xiǎn)性和脆弱性，才能做到“系統(tǒng)治理、精準(zhǔn)施策”。在安全科學(xué)領(lǐng)域，有學(xué)者認(rèn)為脆弱性是事故的最本質(zhì)原因[3]，從事故后果承擔(dān)者的角度為相關(guān)研究提供了新方向。

目前脆弱性分析在城市天然氣管網(wǎng)[4]、電網(wǎng)[5]、化工企業(yè)[6]等方面均有應(yīng)用。以化工園區(qū)為對(duì)象的脆弱性研究主要集中在概念和分析方法的討論上：李求進(jìn)[7]從脆弱性形成角度，將化工園區(qū)的脆弱性分為脅迫型和結(jié)構(gòu)型兩類；譚朝陽(yáng)[6]結(jié)合能量意外釋放理論，對(duì)化工園區(qū)脆弱性及事故原因進(jìn)行了分析。另一些研究則針對(duì)化工園區(qū)多災(zāi)種耦合作用[8]和多米諾效應(yīng)[9]，或著眼于化工事故影響下的人群[10]、工業(yè)設(shè)備[11]等某類具體問題的脆弱性研究。在分析方法上，有基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)模型的概率風(fēng)險(xiǎn)分析方法[12]、物元擴(kuò)展模型[13]和模糊綜合評(píng)價(jià)模型[6,14]等?；谠u(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法在脆弱性分析中最為常用，而評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取基于脆弱性因素的識(shí)別。

在信息科學(xué)中脆弱性識(shí)別是脆弱性分析的基礎(chǔ)，常用的方法有問卷調(diào)查、文檔查閱等[15]。在安全領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣宰R(shí)別的探討較少，脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取通?；谥饔^推斷且缺少識(shí)別邏輯和方法。針對(duì)這一問題，本文通過對(duì)脆弱性角度下化工園區(qū)的事故機(jī)理進(jìn)行探究，建立了“干擾- 狀態(tài)- 后果”脆弱性理論模型，利用事故因果分析法對(duì)典型化工事故案例進(jìn)行推理分析，識(shí)別脆弱性因素，并以此為依據(jù)建立具有適用性的化工園區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使化工園區(qū)的脆弱性評(píng)估內(nèi)容和結(jié)果更具科學(xué)性。

1 化工園區(qū)脆弱性

1.1 脆弱性的概念

脆弱性的概念在學(xué)術(shù)上最早出現(xiàn)于地下水污染的研究中，隨后在自然災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等社會(huì)、自然科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如今，脆弱性已經(jīng)成為一個(gè)融合多學(xué)科理論的綜合概念。由于不同學(xué)科在研究對(duì)象和研究角度上的差異，對(duì)于脆弱性的定義和內(nèi)涵也有幾種不同角度的理解[16]，具體如下。

1)脆弱性是一種程度：系統(tǒng)暴露于擾動(dòng)中或受到事故災(zāi)害后可能的損失程度和負(fù)面影響程度。

2)脆弱性是一種狀態(tài)：系統(tǒng)缺乏適應(yīng)能力，容易受到干擾的影響的不穩(wěn)定狀態(tài)。

3)脆弱性是一種可能性：系統(tǒng)暴露于不利影響的可能性，系統(tǒng)受到危害時(shí)遭受損害的可能性。

4)脆弱性是一種性質(zhì)：系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)影響展現(xiàn)出的弱阻力和低韌性[7]。

系統(tǒng)脆弱性有3個(gè)構(gòu)成要素，即系統(tǒng)在干擾中的暴露性、系統(tǒng)對(duì)干擾影響的敏感性和系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的恢復(fù)能力，即適應(yīng)性[6,14]。暴露性、敏感性與脆弱性呈正相關(guān)，適應(yīng)性與之負(fù)相關(guān)。

1.2 基于脆弱性的化工園區(qū)事故機(jī)理

化工園區(qū)是一個(gè)具有固定區(qū)域的系統(tǒng)，從事故致因- 后果角度將系統(tǒng)各單元分為致災(zāi)體和承災(zāi)體，致災(zāi)體是導(dǎo)致事故的直接原因，承災(zāi)體是受到事故影響和損害的人、物或環(huán)境。

承災(zāi)體暴露于系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)中，內(nèi)部干擾可能來自易引發(fā)事故的意外事件，外部干擾可能來自環(huán)境的自然災(zāi)害等[7]。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不表現(xiàn)出脆弱性，當(dāng)致災(zāi)體敏感于擾動(dòng)作用進(jìn)而引起自身破損或失效時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，在缺少有效管控措施的情況下，系統(tǒng)的不穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)生負(fù)面影響作用于承災(zāi)體，事故發(fā)生。事故發(fā)生后，系統(tǒng)恢復(fù)力開始作用，各單元又逐漸向原狀態(tài)恢復(fù)?；诖嗳跣缘氖鹿蕶C(jī)理如圖1所示。

圖1 考慮脆弱性的化工園區(qū)事故機(jī)理Fig.1 Mechanism for estimating chemical industry park accident vulnerability

2 化工園區(qū)脆弱性識(shí)別

2.1 理論模型

自然災(zāi)害學(xué)科對(duì)脆弱性的研究起步較早，已經(jīng)提出了一些相對(duì)成熟的理論研究方法，如risk-hazards(R- H)模型、pressure and release(PAR)模型、hazards of place(HOP)模型等，分別從致災(zāi)因子與事故后果、致災(zāi)因子與人文因素以及耦合系統(tǒng)等角度探討了脆弱性產(chǎn)生的原因及機(jī)理[17]。由于各學(xué)科領(lǐng)域的差異性，上述幾個(gè)模型并不能完全適用于化工園區(qū)脆弱性的表述。

脆弱性是化工園區(qū)事故發(fā)生的必要條件，其本身不會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生，具有隱蔽性，在系統(tǒng)受到干擾的影響下，穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)才得以表現(xiàn)?；@區(qū)脆弱性體現(xiàn)在化工事故的全過程中。基于此觀點(diǎn)，結(jié)合脆弱性視角下的事故機(jī)理和R- H模型，本文建立了“干擾- 狀態(tài)- 后果”脆弱性理論模型，如圖2所示，用以分析化工園區(qū)的脆弱性因素。

圖2 “干擾- 狀態(tài)- 后果”脆弱性理論模型Fig.2 Interference- State- Effect vulnerability theoretical model

模型中“干擾”是指引起事件或事故發(fā)生的直接原因，通常是難以預(yù)料的意外事件或自然災(zāi)害等；“狀態(tài)”有兩方面的含義，一是指系統(tǒng)在事故或事件發(fā)生之前的已有狀態(tài)，這種狀態(tài)的維持或積累可能致使“干擾”事件發(fā)生，從而引起事故，或使得事故后果具有一定的嚴(yán)重程度，二是指系統(tǒng)在“干擾”影響下，自身結(jié)構(gòu)或狀態(tài)發(fā)生改變，具體體現(xiàn)在裝置受損、物料泄漏等方面；“后果”是指系統(tǒng)“狀態(tài)”向負(fù)面發(fā)展造成的最終結(jié)果，表現(xiàn)為影響范圍和影響程度等。

2.2 事故因果分析法

在地質(zhì)災(zāi)害脆弱性的研究中，區(qū)域承災(zāi)體脆弱性識(shí)別可利用災(zāi)后損失評(píng)估法[17]，參考此方法，本文將災(zāi)后損失拓展到事故全過程因果分析，如圖3所示。

1)依據(jù)“干擾- 狀態(tài)- 后果”理論對(duì)國(guó)內(nèi)外30余起典型重大事故進(jìn)行梳理分析，如表1所示。根據(jù)案例分析可以發(fā)現(xiàn)，常見的化工事故主要有物質(zhì)泄漏、火災(zāi)、爆炸、窒息和中毒幾種類型，多發(fā)生于物料反應(yīng)或設(shè)備檢/維修等風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)過程中。

2)能量意外釋放理論認(rèn)為化工事故是人、機(jī)、環(huán)、料之間的能量、物質(zhì)和信息轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的能量意外釋放[5]。而事故致因理論認(rèn)為事故原因在于人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和安全應(yīng)急管理3個(gè)方面。結(jié)合“干擾- 狀態(tài)- 后果”理論模型和事故分析結(jié)果，從人員、設(shè)備設(shè)施(包括建筑物)、物料、環(huán)境和應(yīng)急能力5個(gè)方面對(duì)典型案例的事故分析結(jié)果進(jìn)行分類歸納，總結(jié)導(dǎo)致事故發(fā)生、造成事故后果以及決定事故影響范圍的諸多因素。

3)識(shí)別并篩選以上影響因素中可以體現(xiàn)致災(zāi)體或承災(zāi)體的暴露性、敏感性和適應(yīng)性的因素，由于事故影響因素的識(shí)別是基于大量事故案例，因此可認(rèn)為此類因素即為具有廣泛適用性的化工園區(qū)脆弱性因素，如圖4所示。

圖3 事故因果分析法技術(shù)路線Fig.3 Flow diagram of accident causality analysis

表1 幾起典型化工事故分析示例Table 1 Examples of typical chemical accidents

圖4 利用事故因果分析法識(shí)別脆弱性因素Fig.4 Identification of vulnerability factors using the accident causal analysis

結(jié)合脆弱性的三要素，進(jìn)一步篩選化工園區(qū)在人員、設(shè)備設(shè)施、環(huán)境等幾個(gè)方面的脆弱性因素。

(1)暴露性因素 承災(zāi)體暴露性主要體現(xiàn)在暴露距離和暴露程度上，暴露程度具體表現(xiàn)在人員密度、設(shè)備數(shù)量、物料儲(chǔ)量和環(huán)境的面積上。

(2)敏感性因素 敏感性指對(duì)干擾的反應(yīng)力和抵抗力，主要受人員的年齡結(jié)構(gòu)、身體條件和安全教育程度，建筑的防火抗震能力以及物料的危險(xiǎn)性等影響。

(3)適應(yīng)性因素 適應(yīng)性體現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)力，具體表現(xiàn)在承災(zāi)體的重要程度及自我恢復(fù)能力上。

2.3 脆弱性指標(biāo)體系構(gòu)建

脆弱性評(píng)估基于脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建，而脆弱性識(shí)別為脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取提供了依據(jù)和方法，對(duì)于評(píng)估內(nèi)容和結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性具有重要意義。

結(jié)合指標(biāo)體系構(gòu)建原則[18]，將化工園區(qū)脆弱性指標(biāo)體系分為3個(gè)層次，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，如圖5所示。目標(biāo)層為化工園區(qū)的綜合脆弱性，準(zhǔn)則層為化工園區(qū)的5類脆弱性因素，指標(biāo)層包含19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖5 化工園區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.5 Evaluation index system of the vulnerability of chemical industry parks

3 實(shí)例應(yīng)用

以江蘇省某化工園區(qū)為例，根據(jù)第2節(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)其進(jìn)行脆弱性評(píng)估。此園區(qū)是以化工企業(yè)為主體的純工業(yè)園區(qū)，常駐人口較少，但河流、水網(wǎng)豐富，共包括68家企業(yè)，總面積約23平方公里。園區(qū)內(nèi)存有大量的危險(xiǎn)化學(xué)品，可認(rèn)定為重大危險(xiǎn)源，同時(shí)具有一定的脆弱性。園區(qū)內(nèi)主要物料包括原油、天然氣、石油氣、石腦油、液氨、苯、聚乙烯、環(huán)氧乙烷等。

園區(qū)邊界分布如圖6所示，采用等距方格劃分法并去除轄區(qū)以外的區(qū)域，最終確定15個(gè)1.5 km×1.5 km的子區(qū)域進(jìn)行脆弱性評(píng)估。

圖6 某化工園區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)區(qū)域劃分Fig.6 Vulnerability assessment area division

參考文獻(xiàn)[13]分別針對(duì)上述19個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和量化，利用熵權(quán)法計(jì)算評(píng)估指標(biāo)權(quán)重，通過模糊綜合評(píng)價(jià)法確定脆弱性分值和等級(jí)。各區(qū)域量化數(shù)據(jù)見表2。

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，熵代表信息的離散程度，離散度越大，指標(biāo)信息量越大，在評(píng)價(jià)過程中具有更高的重要程度，即權(quán)重更大。

計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集A

A=(a1,a2,…,a19)=(0.040 3,0.026 2,0.107 7,0.054 3,0.042 8,0.027 3,0.067 5,0.049 5,0.028 2,0.028 1,0.015 2,0.065 6,0.055 9,0.088 8,0.025 6,0.070 1,0.027 1,0.153 3,0.026 4)

脆弱性評(píng)估結(jié)果由模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算。模糊綜合評(píng)價(jià)法基于模糊數(shù)學(xué)產(chǎn)生，具有模型簡(jiǎn)單、系統(tǒng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，多用于具有大量模糊性指標(biāo)的評(píng)價(jià)過程，是脆弱性評(píng)價(jià)最常用的方法之一，其主要步驟如下。

1)構(gòu)建評(píng)判集G。

本文將化工園區(qū)脆弱性分為5個(gè)等級(jí)：1不脆弱(0～20)、2一般脆弱(20～40)、3脆弱(40～60)、4很脆弱(60～80)、5極其脆弱(80～100)。取各區(qū)間中值構(gòu)建評(píng)判集G=(10,30,50,70,90)。

2)結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)量化數(shù)據(jù)集X(表2)和指標(biāo)權(quán)重集A構(gòu)建隸屬度矩陣Y。

3)計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)集B。

B=A×Y

(5)

4)對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)集加權(quán)平均計(jì)算得到化工園區(qū)各區(qū)域的脆弱性結(jié)果集V。

V=B×GT

(6)

計(jì)算結(jié)果如圖7所示。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，得到此化工園區(qū)平均脆弱性分值為31.638，等級(jí)為2級(jí)，即一般脆弱。其中有14個(gè)區(qū)域脆弱性等級(jí)分布在2～3級(jí)，即一般脆弱、脆弱。區(qū)域13脆弱性最低，區(qū)域5和12脆弱性較高。結(jié)合原始數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn)區(qū)域5和12的人口、設(shè)備數(shù)量較多，物料多且危險(xiǎn)性大，這與計(jì)算結(jié)果一致。

在實(shí)際計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同評(píng)價(jià)對(duì)象的園區(qū)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)脆弱性的貢獻(xiàn)度不同，因此脆弱性控制措施應(yīng)注重權(quán)重較大的指標(biāo)內(nèi)容。參考化工企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分級(jí)監(jiān)管措施，提出針對(duì)各級(jí)脆弱性的化工園區(qū)脆弱性管理控制措施建議，具體見表3。

表2 江蘇某化工園區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化數(shù)據(jù)及權(quán)重Table 2 Quantitative analysis of the vulnerability assessment indicators for a chemical industry park in Jiangsu

圖7 化工園區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)分值及對(duì)比Fig.7 Vulnerability evaluation score and comparison ofchemical industry parks

4 結(jié)論

(1)本文從系統(tǒng)脆弱性的角度探究了事故的致因機(jī)理，提出“干擾- 狀態(tài)- 后果”脆弱性理論模型。結(jié)合此模型對(duì)典型化工事故進(jìn)行分析，利用事故因果分析法識(shí)別化工園區(qū)脆弱性因素，補(bǔ)充了化工園區(qū)脆弱性因素識(shí)別理論和方法上的缺失。

表3 化工園區(qū)脆弱性分級(jí)控制建議Table 3 Suggestions for graded control of the vulnerability ofchemical industry parks

(2)本文僅從化工事故角度出發(fā)分析了化工園區(qū)狹義上的脆弱性，沒有考慮到企業(yè)文化、經(jīng)濟(jì)條件、管理決策等因素。另外，事故原因分析法基于大量事故案例的分析，受事故數(shù)量和類型的制約，具有一定的局限性，因此今后的工作重點(diǎn)方向是廣義脆弱性的研究以及事故數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。