本發(fā)明涉及燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)風險評價領域，尤其涉及一種城市燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)風險的三維評價方法。

背景技術(shù)：

城市燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)是城市基礎設施的重要組成部分，它的安全運行關系著人民生命財產(chǎn)安全，關系著社會穩(wěn)定大局。隨著我國城市化的不斷推進，城市居民生活水平也在不斷提高，城市燃氣的應用也越來越廣泛。城市燃氣管網(wǎng)猶如人體的血管，在給人們生產(chǎn)生活帶來方便的同時，由于其易燃、易爆和有毒性，極易引發(fā)安全事故。近幾年來，因燃氣管網(wǎng)超齡服役、維護不當、第三方破壞、土壤腐蝕等原因，導致城市燃氣在使用過程中產(chǎn)生的泄漏爆炸事故層出不窮。據(jù)統(tǒng)計，2013年全國共發(fā)生燃氣爆炸事故220余起，事故造成死傷1000余人，經(jīng)濟損失達8.5億元。2014年中國臺灣高雄“8.1”地下燃氣管道泄漏爆炸事故，造成30人死亡，310人受傷。2015年不完全的統(tǒng)計顯示，我國共發(fā)生燃氣爆炸事故658次，造成1000余人受傷，116人死亡。

燃氣爆炸是一種破壞性極強的事故，一旦發(fā)生，在滿足一定的條件下，可能引發(fā)事故的多米諾效應，使得事故風險進一步擴大。城市人口密集、高樓林立、各種管網(wǎng)錯綜復雜，造成事故的危險源往往不是單一的。城市燃氣管網(wǎng)泄漏爆炸事故形成的風險，可以應用多種定量風險評價方法進行評價，包括模糊綜合評判、灰色理論、粗糙集理論等，已有成熟的爆炸事故理論模型，能夠計算出爆炸事故的個人風險和社會風險。當考慮事故多米諾效應時，能夠計算出二次以上事故風險。上述評價方法能夠計算單一危險源存在時燃氣管網(wǎng)泄漏爆炸事故風險，但尚未考慮多個危險源存在時形成的事故風險。即在計算燃氣泄漏爆炸事故風險時，需要考慮不同危險源形成風險的疊加效應和風險的傳播規(guī)律，由此制定的控制措施才可能達到預防和控制事故發(fā)生的目的。

燃氣泄漏擴散導致的爆炸事故形成的風險區(qū)域可以用“場”來描述。經(jīng)典場論中關于“場”的定義為：如果區(qū)域內(nèi)的每一點，都對應著一個作用或效應，就說在這區(qū)域內(nèi)存在一個場，而疊加原理和傳播規(guī)律是場的基本規(guī)律。場的應用很普遍，既有引力場、電磁場等物理經(jīng)典場，也有溫度場、濃度場以及工程項目風險場等廣義場。危險源的周圍存在著風險，并且具有一定分布，可以稱為風險場。若利用經(jīng)典物理場的基本理論，結(jié)合泄漏氣體爆炸事故機理，解決多個危險源共同作用時風險疊加原理和傳播規(guī)律，不僅可以拓展風險評價理論的研究范圍，豐富定量風險評價技術(shù)與方法，還可以為科學制定事故救援方案、預案提供合理化建議，達到減少人員傷亡，降低經(jīng)濟財產(chǎn)損失的目的。

對于燃氣管網(wǎng)泄漏爆炸形成的風險場的研究，國外學者把它視為區(qū)域風險定量評價的一種描述。自20世紀70年代以來，歐美等國家先后將定量風險評價方法應用于石油化工領域的整體風險評估與安全規(guī)劃中。目前歐盟、美國、加拿大、澳大利亞等國家主要采用“基于后果”和“基于風險”的兩種評價方法進行風險評價?！盎诤蠊狈ㄊ腔趯俣ㄊ鹿屎蠊脑u估，以事故后果的物理量的閾值作為安全規(guī)劃依據(jù)，而不考慮事故發(fā)生的可能性?！盎陲L險”法綜合評估潛在事故后果的嚴重度和可能性，以個人和社會風險作為規(guī)劃依據(jù)，在風險分析方面更全面。

在國內(nèi)，早在2000年，有關學者即提出災場(風險場)的概念，指出災場是超越災區(qū)時空的災害輻射及影響區(qū)域。其后一些學者對風險場進行了研究，例如黃沿波博士提出基于三維風險場的評價理論研究，進一步明確了風險場的概念，并對風險場的疊加原理進行了初步的探討。周愛霞博士對堤防保護區(qū)洪災風險分布進行了討論，并制作了洪災風險空間分布圖。王妤甜等對城市風險場進行了有益的探索，指出矢量分析與場論相互結(jié)合，不但可以描述風險的三維分布，而且可以量化風險的疊加效應，是建立公共場所三維風險場的可行且有效的方法。成均偉對建筑施工區(qū)域風險進行了研究，并構(gòu)建了單體建筑風險分析模型，確定了單體建筑的風險影響梯度，提出了建筑施工區(qū)域總風險的計算方法。

目前在城市燃氣管網(wǎng)泄漏爆炸事故風險場方面，國內(nèi)外學者均表現(xiàn)出對風險場研究的重視，但對它的研究還處于萌芽階段，遠未能形成風險場理論，主要存在以下問題：(1)借鑒電場、磁場等物理場的概念和理論，通過類比分析直接應用于風險場，而未對其科學性進行研究。在城市燃氣管網(wǎng)泄漏爆炸事故中引入風險場是一種嘗試和創(chuàng)新，要形成完整的風險場理論，首先需要明確風險場的基本特征，即風險場的場強、場力和場勢跟哪些因素有關系，有什么關系；在這個方面，可以借鑒非常成熟的經(jīng)典物理場理論，但目前對于個人風險和社會風險相關屬性的研究尚未明朗，不能簡單運用矢量或標量合成的辦法進行風險疊加。同時，利用實驗研究驗證風險場的科學性，需要進行復雜的爆炸試驗，難度較大。(2)沒有對風險場的疊加原理和傳播規(guī)律進行研究。實際生產(chǎn)生活中，風險往往來源于多個危險源，在已知每個危險源的風險場分布的情況下，怎樣快速計算出多個危險源在每個位置形成的風險顯得特別重要，需要考慮風險場的疊加原理和傳播行為。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種城市燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)風險的三維評價方法，能夠?qū)Χ鄠€風險源進行疊加，得到多個風險源作用下的個人風險值。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種城市燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)風險的三維評價方法，包括：

確定城市燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)中的基本參數(shù)指標；

根據(jù)基本參數(shù)指標，計算發(fā)生泄漏事故時，泄漏孔的失效概率，以及中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率；

根據(jù)泄漏孔的失效概率，以及中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率來計算相應的個體風險值；

根據(jù)計算到的個體風險值，繪制埋地管道個體風險三維場等值面。

計算泄漏孔的失效概率包括：

根據(jù)基本參數(shù)指標確定泄漏孔的三種形式：小孔洞、中孔洞和大孔洞；其中，泄漏孔孔徑＜5％D，即為小孔洞；泄漏孔孔徑為5％D～20％D，即為中孔洞；泄漏孔孔徑＞20％D，即為中孔洞；式中，D為管徑；

則這三種泄漏孔形式對應的失效概率經(jīng)過修正后的公式分別為：

小孔洞：λ_s,EI,d＝0.001e^{-4.18D-2.18562}；

中孔洞：λ_m,EI,d＝0.001e^{-4.12D-2.02841}；

大孔洞：λ_g,EI,d＝0.001e^{-4.05D-2.13441}。

中毒導致的個體死亡率P_r計算公式為：

P_r＝a+b ln(cⁿt_l)；

式中，c表示根據(jù)泄漏孔形式確定的有毒物質(zhì)的濃度；t_l表示接觸時間；a、b與n均與毒物種類有關的常數(shù)；

點燃爆炸導致的個體死亡率P_rr計算公式為：

P_rr＝-14.9+2.56ln(Q^4/3×10^-4×t_p)；

式中，Q表示根據(jù)泄漏孔形式確定的輻射劑量，t_p為輻射場中的暴露時間；

其中，t_p采用下述公式計算：

式中，t_r表示個人反應時間，x₀表示個人距火焰中心的距離，v表示個人的逃生速度，x_s表示火焰中心距離熱輻射通量為1KW/m²處的距離。

所述根據(jù)泄漏孔的失效概率，以及中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率來計算相應的個體風險值的公式為：

上式中的，λ_i為泄漏孔失效概率，P_i為相應的中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率；K表示環(huán)境對泄漏產(chǎn)生的風險源的修正系數(shù)，s為環(huán)境影響因素總個數(shù)。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，利用等值線的概念，給出了三維風險場的三維等值面的形狀；風險場的個人風險等值面更能夠清楚地表達空間場的風險大小分布，具有直觀、清晰、全面的特點，從而可以指導發(fā)生事故后的救援工作。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種城市燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)風險的三維評價方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的三維風險場的個人風險空間分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種城市燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)風險的三維評價方法流程圖。如圖1所示，其主要包括如下步驟：

步驟11、確定城市燃氣埋地管網(wǎng)系統(tǒng)中的基本參數(shù)指標。

本領域技術(shù)人員可以理解，基本參數(shù)指標可以利用常規(guī)方式測量得到，包括：管道管徑，管道位置，泄漏孔孔徑大小，有毒物質(zhì)的濃度，與有毒物質(zhì)接觸時間，熱輻射劑量等。

其中，可以根據(jù)泄漏孔孔徑大小分為小孔洞、中孔洞和大孔洞這三種形式，區(qū)分方式如下：泄漏孔孔徑＜5％D，即為小孔洞；泄漏孔孔徑為5％D～20％D，即為中孔洞；泄漏孔孔徑＞20％D，即為中孔洞；式中，D為管徑。

步驟12、根據(jù)基本參數(shù)指標，計算發(fā)生泄漏事故時，泄漏孔的失效概率，以及中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率。

本發(fā)明實施例中，需要考慮泄漏孔的形式，以及不同形式的泄漏孔對應的失效概率、中毒與點燃爆炸導致的個體死亡率；具體如下：

1、失效概率。

對于城市燃氣埋地管道而言，其發(fā)生事故的特征符合浴盆曲線，也就是建設初期和運行后期因為處于磨合和接近服役壽命而不斷地發(fā)生各種事故或故障，在中間穩(wěn)定期內(nèi)事故發(fā)生概率低，事故時間間隔服從參數(shù)為K的指數(shù)分布：不發(fā)生失效的概率(x＝0)為：P_λ(x＝0；λT)＝e^-λT根據(jù)事件發(fā)生概率性質(zhì)，可得到發(fā)生事故的概率為：P′_λ＝1-P_x(x＝0；λT)＝1-e^-λT。

然而，上式在實際的計算過程中，沒有充分考慮各種突發(fā)的情況，僅僅只是考慮了管道的主體。但是城市燃氣埋地管道系統(tǒng)包括泵站、閥門、設備等的很多方面，根據(jù)實踐中對事故的統(tǒng)計，主體原因引起失效占整個失效事故的46％，由裝置、機械結(jié)合點及焊縫等原因占20％，34％歸因于系統(tǒng)的附屬設備。所以失效概率評估要綜合考慮各個方面的影響，即可以用材料、裝配、覆蓋層厚度、陰極保護等因素相關參變量的函數(shù)來表示。但是失效概率不是一個常數(shù)，與失效模式、本身性質(zhì)和周圍的環(huán)境相關，因此要通過某些修正因子對失效概率計算進行修正。由事故統(tǒng)計可知，外力破壞是引起失效事故的主要因素，由此引起的失效概率可計算為：

λ'_p,EI,d＝λ_P,EI,d×Q_E×F×K_DC×K_WT×K_PD×K_PM

其中，λ_p,EI,d表示因外力破壞引起的隨管徑變化的失效概率，Q_E表示與焊接相關的修正系數(shù)，F(xiàn)表示與管齡相關的修正系數(shù)，K_DC表示覆蓋層厚度的修正系數(shù)，K_WT表示管壁厚度的修正系數(shù)，K_PD表示所在地人口密度修正系數(shù)，K_PM表示管理預防措施修正系數(shù)；

焊接修正系數(shù)Q_E的表達式為：Q_E＝A'×N×1.75，式中，A'表示焊接脆弱系數(shù)(，意思是焊縫相對于本體而言更易失效，可以取值50)，N表示系統(tǒng)的焊接數(shù)量。

示例性的，覆蓋層厚度、管壁厚度、人口密度以及預防措施修正系數(shù)可以采用下表1所示的數(shù)值。

表1 各參數(shù)修正系數(shù)的數(shù)值

表1中的dc為覆蓋層厚度，t為管壁厚度；t_min為最小管壁厚度，D與t_min的可以采用下表2所示的數(shù)值。

表2 D與t_min的數(shù)值

本領域技術(shù)人員可以理解，上述表1～表2中各個參數(shù)的取值僅為舉例，并非構(gòu)成限制；在實際應用中，用戶可根據(jù)需求或者經(jīng)驗來設置相關參數(shù)的具體數(shù)值。

失效概率經(jīng)過修正后的公式：

小孔洞：λ_s,EI,d＝0.001e^{-4.18D-2.18562}；

中孔洞：λ_m,EI,d＝0.001e^{-4.12D-2.02841}；

大孔洞：λ_g,EI,d＝0.001e^{-4.05D-2.13441}。

2、中毒導致的個體死亡率

中毒導致的個體死亡率P_r計算公式為：

P_r＝a+b ln(cⁿt_l)；

式中，c表示根據(jù)泄漏孔形式確定的有毒物質(zhì)的濃度(具體數(shù)值可以根據(jù)實際情況確定，例如，在不考慮其他因素的情況下，小孔洞泄漏量相對較少則濃度較低，大孔洞泄漏量相對較多則濃度較高，中孔洞泄漏量與濃度介于二者之間)；t_l表示接觸時間；a、b與n均與毒物種類有關的常數(shù)；示例性的，針對人工煤氣，可以設定a＝0.54，b＝1.01，n＝0.5。

3、點燃爆炸導致的個體死亡率。

點燃爆炸導致的個體死亡率P_rr計算公式為：

P_rr＝-14.9+2.56ln(Q^4/3×10^-4×t_p)；

式中，Q表示根據(jù)泄漏孔形式確定的輻射劑量(單位W/m²具體數(shù)值可以根據(jù)實際情況確定，例如，在不考慮其他因素的情況下，小孔洞泄漏量相對較少則輻射劑量較低，大孔洞泄漏量相對較多則輻射劑量較高，中孔洞泄漏量與輻射劑量介于二者之間)，t_p為輻射場中的暴露時間；

其中，t_p采用下述公式計算：

式中，t_r表示個人反應時間(可取值5s)，x₀表示個人距火焰中心的距離(單位，m)，v表示個人的逃生速度(可取值4m/s)，x_s表示火焰中心距離熱輻射通量為1KW/m²處的距離(單位，m)。

步驟13、根據(jù)泄漏孔的失效概率，以及中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率來計算相應的個體風險值。

個體風險值可以采用工程數(shù)學的方式進行計算(具體在后文進行介紹)，本發(fā)明實施例在計算個體風險值時，需要根據(jù)實際情況確定泄漏孔的形式，例如，由管道斷裂導致的泄漏事故，泄漏孔孔徑為100％(也即＞20％D)。

本領域技術(shù)人員可以理解，在泄漏事故發(fā)生之后會產(chǎn)生一些風險源，而這些風險源產(chǎn)生的風險與泄漏孔的形式有關，所以可以根據(jù)泄漏孔的形式來計算相應的泄漏孔失效概率，以及中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率，進而計算這些風險源共同作用下(即疊加后)個體風險值RI。

基于前文介紹，個體風險值的計算公式為：

上式中的，λ_i為泄漏孔失效概率(根據(jù)實際情況選擇前文的相應的公式)，P_i為相應的中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率；K表示環(huán)境對風險源的修正系數(shù)，環(huán)境影響因素主要有溫度、壓強、風向、地面粗糙程度、地形分布等，此值根據(jù)不同的事故，取不同的值。環(huán)境影響因素往往是多個因素共同作用的結(jié)果，故它們的關系用乘法表示，s為環(huán)境影響因素總個數(shù)。

步驟14、根據(jù)計算得到的個體風險值，繪制埋地管道個體風險三維場等值面。

本領域技術(shù)人員可以理解，三維場等值面可以利用常規(guī)方式來繪制。

另一方面，還可以運用工程數(shù)學中場論理論，推導空間點個人風險疊加值，然后根據(jù)計算出的個體風險值，繪制埋地管道個體風險三維場等值面。下面主要介紹個人風險值的計算過程：

假設存在兩個風險源A(0,0,0)和B(x₁,y₁,z₁)，以AB連線為X軸，Y軸定義為過A點垂直于X軸的直線，計算在空間一點P(x，y，z)的風險強度，點P與A、B的連線為和將A、B產(chǎn)生的風險強度矢量在各個坐標軸上進行投影，然后疊加；用符號表示某一點的個人風險，于是可得在A、B相對于點P的個人風險值為：

上式中，i、j、k分別為x、y、z在空間中的方向向量；K表示環(huán)境風險源的修正系數(shù)，環(huán)境影響因素主要有溫度、壓強、風向、地面粗糙程度、地形分布等，此值根據(jù)不同的事故，取不同的值。環(huán)境影響因素往往是多個因素共同作用的結(jié)果，故它們的關系用乘法表示，s為環(huán)境影響因素總個數(shù)。

則風險源疊加A、B后P的個體風險值為：

本領域技術(shù)人員可以理解，根據(jù)上述風險源A、B的坐標可知，風險源A是源生場，而風險源B是由源生場衍生出來的派生場。

為了便于理解，下面結(jié)合一具體示例對本發(fā)明上述方案做詳細說明。

步驟一：確定燃氣管道基本情況各參數(shù)指標，包括管道管徑，管道位置，泄漏孔孔徑大小，有毒物質(zhì)的濃度，與有毒物質(zhì)接觸時間，熱輻射劑量等。

管道管徑為600mm，管道位置分為三種情況：埋地的燃氣管道、裸露在外且周圍無障礙物的管道、裸露在外且周圍有障礙物的管道。該段管道由于服役時間較長，故經(jīng)常出現(xiàn)泄漏失效事故，泄漏失效有三種類型分別是小孔泄漏，等效孔徑為20mm；中孔泄漏，等效孔徑為100mm；大孔泄漏，等效孔徑為400mm。有毒物質(zhì)的濃度待測，與有毒物質(zhì)接觸時間待測，熱輻射劑量可以用泄漏燃氣質(zhì)量的90％作為參與燃燒的部分所釋放出來的熱量表示。Q＝m₁H_c＝0.9mH_c，其中H_c可以用甲烷的燃燒熱表示，H_c＝5.56×10⁷J/kg。

步驟二：根據(jù)步驟一中測定的參數(shù)，求出發(fā)生泄漏事故的管道失效概率以及中毒或者點燃爆炸導致的個體死亡率，見下表3。

步驟三：根據(jù)步驟二的結(jié)果計算個體風險值；見下表3。

表3 管道失效概率、中毒、點燃爆炸導致的個體死亡率以及相應的個體風險值

步驟四：以埋地管道為例，根據(jù)各個體風險值，畫出埋地管道個體風險三維場等值。如附圖2所示。從圖可以得到，空間某點的風險分布是半橢球形的?？v向高度表示空間某點風險大小。通過風險等值面圖，可以很清楚地了解到離泄漏源不同距離的風險大小，從而為安全管理和應急救援提供重要的指導依據(jù)。

通過以上的實施方式的描述，本領域的技術(shù)人員可以清楚地了解到上述實施例可以通過軟件實現(xiàn)，也可以借助軟件加必要的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)?；谶@樣的理解，上述實施例的技術(shù)方案可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該軟件產(chǎn)品可以存儲在一個非易失性存儲介質(zhì)(可以是CD-ROM，U盤，移動硬盤等)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述的方法。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。