趙江平，王 敏，楊 震，張翌曼

(西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

地震災(zāi)害是因為地球突然釋放其內(nèi)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(zāi)害?；@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(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施和化工設(shè)備，易造成級聯(lián)事故，產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。為了了解化工園區(qū)地震級聯(lián)災(zāi)害的演化路徑及級聯(lián)效應(yīng)的擴展機理，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。Strinberg[1]分析了土耳其科賈埃利地震導(dǎo)致的Na-tech事故。賈培宏等[2]探討了油罐次生災(zāi)害與地震的相關(guān)性，建立了油罐地震災(zāi)害的預(yù)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(zāi)，建立了儲油罐地震次生火災(zāi)故障樹評估模型。余世舟等[4]引入災(zāi)害鏈理論分析石化系統(tǒng)的地震致災(zāi)機理，用概率評估災(zāi)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(zāi)害動態(tài)GERT網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測地震災(zāi)害的演化過程。謝紅梅等[6]分析了典型化工設(shè)備地震破壞形式和破壞原因，從不同角度提出了風險預(yù)防及控制措施。余世舟等[7]對毒氣、火災(zāi)、爆炸等3種地震級聯(lián)災(zāi)害進行GIS模擬，預(yù)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(zāi)能力進行了評價。顏峻等[9]通過構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)研究建筑物內(nèi)部遭受地震時燃氣管道泄漏引發(fā)次生火災(zāi)的演化路徑。Salzano，F(xiàn)abbrocino和Campedel[10-12]分析了洪水、地震等自然災(zāi)害可能造成的次生災(zāi)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(yīng)，對比分析LNG儲罐地震響應(yīng)的差異性。在現(xiàn)有研究中大多是對自然災(zāi)害和技術(shù)災(zāi)害進行單方面分析，忽略了致災(zāi)因子之間的災(zāi)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(nèi)部地震級聯(lián)災(zāi)害事故系統(tǒng)性的分析，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在描述系統(tǒng)中各災(zāi)害風險間關(guān)聯(lián)強度和災(zāi)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(chǔ)上，改進網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(zāi)害演化過程提供新的思路。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過案例收集和文獻分析并結(jié)合化工領(lǐng)域?qū)＜抑R分析化工園區(qū)地震級聯(lián)災(zāi)害情景演化過程，構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景演化結(jié)構(gòu)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(jié)合的改進貝葉斯網(wǎng)絡(luò)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(zāi)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(luò)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(zāi)害預(yù)防與應(yīng)急工作提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 化工園區(qū)地震致災(zāi)機理分析

地震災(zāi)害因為突發(fā)性強、危害性大、不能及時準確預(yù)報等原因成為影響化工園區(qū)安全運行的典型自然災(zāi)害之一。由于化工園區(qū)內(nèi)存有大量危險化學(xué)品，易受地震波及，引發(fā)爆炸、火災(zāi)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(yīng)條件為高溫高壓，極易發(fā)生燃燒和爆炸。地震的發(fā)生導(dǎo)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(dǎo)致攪拌停止，壓力和溫度突然升高，當其超過反應(yīng)容器的耐溫耐壓極限時，便會發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故[14]。例如，在1976年唐山地震時，天津一化工廠內(nèi)的氯乙烯單體罐發(fā)生爆炸引起火災(zāi)。從以往震例資料分析可知，化工園區(qū)地震災(zāi)害的致災(zāi)機理主要對園區(qū)內(nèi)建筑物、化工設(shè)備及供水、供電、供氣等生命線工程產(chǎn)生破壞，造成?；沸孤T發(fā)化工園區(qū)火災(zāi)、爆炸以及中毒等Na-tech事件[15]。

本文主要從自然災(zāi)害、致災(zāi)方式、災(zāi)害演化和事故損害角度分析地震災(zāi)害對化工園區(qū)的影響程度。如圖1所示，地震災(zāi)害直接作用于化工設(shè)備或損壞生命線工程和建筑物，導(dǎo)致化工設(shè)備內(nèi)有毒有害?；?、易燃易爆?；凡煌潭鹊男孤M而引發(fā)化工園區(qū)中毒、火災(zāi)、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(zāi)機理圖Fig.1 Mechanism diagram of earthquake disaster in chemical industrial park

2 貝葉斯模型構(gòu)建

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個數(shù)學(xué)模型，其本質(zhì)是運用概率方法進行推理，將有向無環(huán)圖的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和概率方法巧妙地結(jié)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(luò)節(jié)點變量

在案例收集和文獻分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合化工園區(qū)地震致災(zāi)機理圖分析化工園區(qū)地震災(zāi)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(yīng)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(zāi)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(yīng)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(zāi)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(yīng)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(fù)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(yīng)的量化分值為0-0.3、0.3-0.7、0.7-1.0。

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

(3)事故輸出層狀態(tài)取值范圍

人員傷亡：根據(jù)國務(wù)院出臺的《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》相關(guān)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(zāi)害情景網(wǎng)絡(luò)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(zāi)害情景網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點關(guān)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(jié)論。因此學(xué)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(quán)進行合理分配，改進了證據(jù)合成公式：

(2)

本文為了保證結(jié)果科學(xué)合理，選取2種公式的加權(quán)平均結(jié)果表示各節(jié)點變量之間的直接因果關(guān)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(guān)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(guān)系成立。

根據(jù)前文分析確定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變量即表1，對化工行業(yè)專家進行調(diào)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(guān)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(guān)D-S證據(jù)理論應(yīng)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(luò)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(guān)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(guān)系成立，反之則不成立。

表2 節(jié)點之間因果關(guān)系專家打分結(jié)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(guān)系成立，其它的因果關(guān)系不成立。

根據(jù)上述的因果關(guān)系分析，確定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的順序，獲得的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

3 情景應(yīng)用

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定之后，需要獲得結(jié)構(gòu)中各節(jié)點變量的條件概率或者先驗概率值。由于該領(lǐng)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(xué)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(zāi)害情景網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)或構(gòu)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(jié)果及計算結(jié)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(nèi)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(dǎo)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(zāi)害不僅會損壞化工園區(qū)內(nèi)設(shè)備設(shè)施，還會造成設(shè)備閥門的松動和連接管線的破壞，從而引起內(nèi)部危險化學(xué)品泄漏，造成中毒、火災(zāi)、爆炸等一系列級聯(lián)災(zāi)害事故的發(fā)生，最終導(dǎo)致人員傷亡、環(huán)境污染和財產(chǎn)損失。在判斷設(shè)備結(jié)構(gòu)或構(gòu)件是否破壞的前提下，根據(jù)化工設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(nèi)儲罐的數(shù)量較多且分布密集，導(dǎo)致其受地震災(zāi)害的影響程度高于其他化工設(shè)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(jié)果表明，在工程結(jié)構(gòu)破壞程度方面，伴隨著地震烈度的增長，導(dǎo)致園區(qū)內(nèi)建筑及化工設(shè)備的破壞越嚴重，事故擴展效應(yīng)越大，最終后果越嚴重。與已有的專家[20]研究結(jié)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(zāi)害網(wǎng)絡(luò)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(shè)備破壞以及生命線損壞等事故，發(fā)生爆炸、火災(zāi)、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(nèi)化工設(shè)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(dǎo)致其對事故損害的影響程度變小。

假設(shè)該化工園區(qū)發(fā)生地震災(zāi)害，地震烈度為9度，對比單一化工設(shè)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(shè)備的影響下，發(fā)生火災(zāi)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(zāi)、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(shè)備的管理，結(jié)合政府出臺的相關(guān)文件，科學(xué)管控危險化學(xué)品，做好化工設(shè)備的安全防護，防止事故進一步擴展。

圖3 不同化工設(shè)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(zāi)害的特征不僅表現(xiàn)為連鎖效應(yīng)，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(yīng)。盡管地震災(zāi)害的發(fā)生無法避免，化工園區(qū)地震級聯(lián)災(zāi)害情景模型可以模擬災(zāi)害的演化過程，預(yù)測各級聯(lián)災(zāi)害的發(fā)生情況，以便采取相應(yīng)措施減少災(zāi)害損失。地震災(zāi)害情景演化研究為化工園區(qū)的防震減災(zāi)工作提供了一種新思路，有利于化工園區(qū)震前預(yù)防、震時應(yīng)急管理。

4 結(jié)論

本文收集歷史震例資料和文獻的基礎(chǔ)上，將D-S證據(jù)理論和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合構(gòu)建化工園區(qū)地震級聯(lián)災(zāi)害情景貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖，通過情景演化方法分析得出結(jié)論，為化工園區(qū)防震減災(zāi)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

(1)由于地震災(zāi)害是一種“低概率，高風險”的非常規(guī)突發(fā)事件，其導(dǎo)致的化工園區(qū)災(zāi)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(zāi)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(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的同時，將專家知識進行保存，便于知識的學(xué)習(xí)。

(2)根據(jù)特定的情景對所構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進行推理，從不同角度對化工園區(qū)地震級聯(lián)災(zāi)害事件進行對比分析，結(jié)果表明：地震造成化工設(shè)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(shè)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(shè)備造成的火災(zāi)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(zāi)事故時是級聯(lián)災(zāi)害中導(dǎo)致災(zāi)害擴大的主要影響因素，為化工園區(qū)提供科學(xué)的地震級聯(lián)災(zāi)害預(yù)測方法，以及震前預(yù)防、震時應(yīng)急的側(cè)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(nèi)化工設(shè)備分布十分密集，導(dǎo)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(zāi)可分為池火災(zāi)、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(dǎo)致模型的適用范圍有限，需要進行進一步研究。