城市燃气管线泄漏致灾灾害链研究*（安全）

                                王春雪，吕淑然

               （首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070）

摘要：为了研究城市燃气管线泄漏致灾灾害链，对灾害链的形成机理进行分析，建立灾害链模型，并通过计算灾害链发生概率对灾害链断链减灾方法进行研究。结果表明，城市燃气管线泄漏致灾灾害链可分为致灾环、激发环、损害环三部分；灾害链中因管道裂纹导致的中毒窒息灾害事故、管道穿孔导致的中毒窒息灾害事故及火灾等链条的发生概率较高；致灾环是灾害链断链减灾的关键环节，在城市安全管理中应落实应急预案制度并加强对城市居民的防灾减灾安全教育力度。

关键词：灾害链；城市燃气管线；泄漏致灾；断链减灾方法

中图分类号：X937 doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 05. 003

0  引言

    现阶段人类的环境保护意识逐渐加强，燃气作为一种清洁能源，已逐步取代以往的污染性能源。城市燃气消耗量不断成倍增长，燃气管线成为城市主要的公共基础设施，是城市生命线的重要组成部分。然而我国部分城市燃气管线的使用年限较长，事故率状态处于浴盆曲线后期阶段，具有一定的脆弱性。且城市现代化建设中人口过剩、市政建设频繁、生命线规划不合理、地质沉降等问题严重威胁到城市燃气管线的安全状态，极易造成燃气管线泄漏事故而产生诸如火灾、爆炸、中毒窒息等重大城市灾害，并引发一系列次生灾害而造成巨大的损失。国内外已有多位学者对城市燃气管线泄漏致灾相关内容进行研究，Ainouche对因腐蚀而导致的燃气管线泄漏事故进行分析，并构建了燃气管线泄漏灾害事故风险评价模型；Witness提出了应用于管道泄漏点检测的模型频域分析法，并对不同泄漏情况下管道的模型进行了仿真分析；王文和等利用模糊数学方法对燃气管道失效性进行分析，并建立模糊综合评价模型对燃气管道失效后果风险进行评估；李娜对燃气泄漏导致的湍流火焰结构进行分析，并对由燃气泄漏引发的火灾蔓延现象进行了数值模拟分析；庞磊等利用流体力学方法模拟了燃气泄漏扩散的流场，并分析了燃气泄漏导致爆炸灾害的时空分布特征。以往学者的研究内容主要为城市燃气管线泄漏致灾风险评价、管道泄漏检测方法以及城市燃气管线泄漏导致的火灾、爆炸等单一灾种的灾害特征分析等内容。而燃气管线泄漏致灾过程是复杂的，且各灾害事件间并不是孤立的，往往在时间、空间、成因等方面存在一定的联系关系，单纯的对单一灾种进行特性分析及风险评估并不能对城市燃气管线泄漏导致的灾害进行全面的分析。因此，笔者对城市燃气管线泄漏引发的灾害事故进行分析，构建城市燃气管线泄漏致灾灾害链模型，并对灾害链发生概率进行计算分析，并提出相关断链减灾方法。

1  灾害链

    现有研究表明，灾害是由孕灾环境、致灾因子、承灾体三者综合作用产生的产物，而灾害链是描述灾害事件不同发展阶段、不同发展过程及可能造成的次生、衍生灾害的一种链式关系。灾害链是一个包含多个灾害元素的灾害复合系统，在该复合系统内根据灾害种类可分为多个灾害子系统，且各灾害子系统间及灾害要素间存在着一系列自行连续发生的相互作用，使得链中各组灾害要素具有整体性。灾害链各灾害子系统间存在着相互影响、相互渗透的作用，各灾害要素间具有一定的关联关系，且与外界环境进行着信息、物质、能量等的交换，使得灾害链成为一个复杂的反馈系统，可以表述为：

    灾害链具有显著的阶段性特征，可根据灾害链的演化状态将灾害链分为孕灾阶段、潜伏阶段及诱发阶段，且灾害链中各灾害事件间的诱发现象具有一定的时间效应，某种灾害对另一种灾害的影响可能为瞬时性的，也可能为持续性的。灾害链内部t时刻各灾害事件间的平衡转换关系可表述为：

    综上所述，灾害链可以简化为一个内部包含多个相互联系的灾害要素Cs(n)，且受到外界环境E的影响并将不断发展最终导致灾害后果H的链式系统结构，如图1所示。

2  城市燃气管线泄漏致灾灾害链

2.1  城市燃气管线泄漏致灾灾害链形成机理

    以往学者在研究矿山灾害时引入致灾环、激发环及损害环的概念对矿山灾害链的形成机理进行了描述，灾害发生前形成的灾害启动因素为灾害链的致灾环，灾害的激发过程为激发环，而灾害链产生的致灾后果为灾害链的损害环，这些不同的环反映了灾害的形成过程，也可以反映灾害链的物质能量传递过程，如图2所示。

    矿山灾害的发生地点多位于远离生活区、周边环境设施简单的矿区，其致灾环中的灾害启动因素多为自然环境因素及技术因素，致灾后果的承灾体较为简单，多为矿山从业人员及矿业企业自身。而城市燃气管线泄漏灾害事故发生于城市中，致灾链环境中的建筑设施密集、人员密度大、社会活动复杂等因素造成承灾体的数目巨大且脆弱性较强，加之城市燃气管线自身存在的诸如管线设计不合理、材料质量瑕疵、连接部位薄弱等问题，将可能导致城市燃气管线泄漏事故引发一系列的次生灾害及衍生灾害，对人员生命安全、社会稳定、经济发展等均造成难以估量的损失。因此，城市燃气管线泄漏致灾灾害链的形成机理较为复杂，如图3所示。

    图3的灾害链形成机理中，某灾害的损害环可能为另一灾害的致灾环，如地下燃气管线泄漏导致火灾，火灾可能引发附近危险品仓库爆炸，继而造成周围建筑物倒塌等。且灾害诱发阶段中可能有多个原生灾害同时发生，各原生灾害的致灾后果又可能成为多种次生灾害

的致灾因子，将可能引发更多的衍生灾害。灾害链伴随着这一过程不断延伸成较为复杂的灾害网，直至损害环结束不再引发新的灾害产生时，灾害链方停止。

2.2  城市燃气管线泄漏致灾灾害链模型

    城市燃气管线中的燃气主要为天然气及煤气，其主要成分是甲烷、一氧化碳等，这些气体在空气中的含量超过25%时即可引起人的头晕、头痛等不适感，甚至将造成人的窒息、昏迷及死亡。燃气具有易缩胀性，在空气中的扩散能力强，蔓延速度快，一旦燃气管线出现泄漏点，有毒有害气体溢出，极易造成人员伤亡事故。燃气的最小点火能量值较低，值域约为[0. 19，0.28]MJ，燃烧后的火焰传播速度很快，产生的热辐射较大。且燃气管线中天然气的爆炸浓度为5%~ 15%，水煤气的爆炸浓度为6%～72%，泄漏的燃气和空气混合，达到爆炸浓度范围时，遇高热或明火等就将发生爆炸，爆炸将释放大量能量，不仅将产生爆炸冲击波、飞散物等，损坏建筑物和其他城市基础设施，更将可能产生热辐射及火球，加大火灾发生的可能性。依据城市燃气管线泄漏灾害特性及以往学者对城市燃气管线泄漏的事故风险分析，建立灾害链模型如图4所示。

    由图4可知，城市燃气管线泄漏致灾灾害链模型的致灾环中，由人为因素、环境因素等各类因素造成燃气管道出现连接处变形、裂纹、穿孔甚至断裂的现象，这导致城市燃气管线中的燃气泄漏，是引发后续事故的基础致灾因素。在此基础上，外界环境中的火花、易燃易爆物品等进一步对基础致灾因素进行激发，是灾害事故发生的必要条件，对灾害的发生起到重要的促进作用。在激发环作用下，灾害链进入损害环，各类灾害造成人员伤亡、生命线系统损坏等后果，对人的生命安全及城市的发展造成一定的影响。且这些损害环中产生的不良后果可能反作用于初始致灾环，加大致灾力度，引发更巨大的灾害，也可能成为另一灾害的致灾因素，继而引发多种次生灾害及衍生灾害，将城市灾害链蔓延为城市灾害网。

3城市燃气管线泄漏致灾灾害链断链减灾方法研究

3.1  灾害链概率分析

    以上对城市燃气管线泄漏致灾灾害链模型的研究均为定性研究，为了定量的分析城市燃气管线泄漏致灾灾害链断链减灾模式，通过概率分析方法对灾害链中各灾害要素间的关系进行分析。由于损害环为灾害发生后造成的后果，在此刻进行的安全活动往往是被动的，多为灾害事故救援及善后处理工作，在此环节中应重视防止灾害不良后果继续作为致灾因子引发其他次生及衍生事故。而对灾害链致灾环及激发环的概率进行分析，可以发挥人在灾害预防中的主观能动性，将灾害事故控制在孕灾期及灾害潜伏期，从而达到避免灾害发生或将灾害控制在可接受范围内的效果。因此，重点对灾害链致灾环及激发环中灾害因素间的关系进行分析。将灾害链模型中各灾害要素及关系节点进行编码，用pd _{i j}表示；将模型中各灾害要素及各节点间的联系关系用表示。根据模型致灾环、激发环、损害环间的层次关系，得到编码后的灾害链如图5所示。

    假设图5中的p d _{i j}编码表示灾害链中各灾害要素及关系节点发生的概率，编码表示灾害链中各灾害要素及各节点间的联系关系的概率条件，得到灾害链每层灾害要素及关系节点发生概率的计算公式为：

(3)计算每个链条中各灾害要素及关系节点的发生概率值，结果如表2所示。

  根据上述城市燃气管线泄漏致灾灾害链发生概率分析可知，16个链条中发生概率较高的链条为5、9、10，分别为由燃气管道裂纹导致的人员中毒窒息灾害事故、燃气管道穿孔导致的人员中毒窒息灾害事故及火灾。且发生概率较高的链条中，导致链条5成链的高概率条

3.2  灾害链断链减灾方法分析

    由于主要高概率条件均位于灾害链的致灾环中，表明致灾环是城市燃气管线泄漏致灾灾害链的关键环节，因此应采取有针对性的预防措施，将灾害链切断在此环节中。这一结果与我国安全生产方针中的“预防为主”原则相契合，即在实际城市安全管理工作中，为了避免燃气管线泄漏而导致一系列灾害的发生，应注重加强对城市燃气管线安全状态的定期检查，一旦发现燃气管道出现裂纹、穿孔等现象，及时进行维修，消除灾害隐患。

    除在致灾环进行灾害链的断链减灾外，还可以通过抑制激发环和损害环过程来切断灾害链，达到断链减灾的目的。在城市燃气泄漏致灾灾害链激发环中，燃气中的有毒有害气体和易燃易爆气体溢出，在外界环境的激发下产生灾害事故。为切断激发环，应在人员感知或探

测器监测到燃气泄漏时及时隔离各类激发源，如人员感知到室内燃气泄漏时及时开窗通风、作业环境燃气泄漏时及时关闭燃气总闸并禁止电焊等易产生火花的各类作业活动。但在实际生产生活中，城市燃气管线泄漏后想要完全隔离各类外界激发源是较为困难的，因此在灾害链激发环进行断链减灾的成功率较低。

    在灾害链损害环中，各类灾害已经发生，对人的生命安全及城市的发展等造成一定程度的损害，在此环节中的断链减灾方法主要为控制灾害影响范围，防止损害结果反作用于初始致灾环而导致灾害力度加大、防止各类次生及衍生事故发生。灾害链损害坏断链减灾方法要求在城市安全管理工作中注重落实应急预案制度，根据实际情况编写合理的应急预案，并积极组织相关单位进行预案的演练。在城市燃气管线泄漏灾害发生时及时组织应急救援行动及灾害影响范围内的居民疏散活动，消除或抑制灾害的蔓延，避免因建筑物倒塌、相邻生命线系统损毁等灾害结果引发其他次生、衍生灾害。且应加强城市居民防灾减灾安全教育力度，掌握灾害发生时的自救方法，降低城市燃气管线泄漏灾害造成的人员伤亡损失量。

4  结论

    1)城市燃气管线泄漏致灾灾害链模型分为致灾环、激发环、损害环三部分，损害环可作为致灾环引发其他次生及衍生事故，使城市燃气管线泄漏致灾灾害链蔓延为城市灾害网。

    2)城市燃气管线泄漏致灾灾害链中由燃气管道裂纹导致的人员中毒窒息灾害事故、燃气管道穿孔导致的人员中毒窒息灾害事故及火灾等链条的发生概率较高。

    3)致灾环是城市燃气管线泄漏致灾灾害链的关键环节，应采取燃气管线定期检修等措施消除灾害隐患，将灾害链切断在此环节中，避免灾害的产生。

    4)在城市安全管理工作中应落实应急预案制度，并加强城市居民防灾减灾安全教育力度，降低城市燃气管线泄漏灾害损失程度。