城市排水管網燃氣聚集燃爆風險評估框架研究

端木維可，李潤婉，朱麗榕，馬文輝，侯龍飛，2*

（1.合肥澤眾城市智能科技有限公司，安徽 合肥 230601；2.清華大學合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601）

隨著城市現代化進程的不斷加快，地下各種管網密布。因地下空間所限，作為城市市政管網工程中重要組成部分的燃氣管道和排水管道，存在普遍的交叉和并行敷設間距過小的情況[1]。由于燃氣的易燃易爆特性，燃氣管線一旦發生泄漏，極易擴散至排水管線蔓延聚集燃爆[2]。此類事故在我國已發生多起，例如2013年10月-12月，溫州燃氣管道發生泄漏，泄漏氣體擴散至2 m外排水管道聚集，沿排水管線擴散五六百米后聚集燃爆；2014年8月1日，臺灣高雄穿越排水暗渠的丙烯管道因管道腐蝕發生泄漏，泄漏氣體在排水管線聚集燃爆，影響范圍約2~3 km2，事故導致340人死傷。

根據GB/T 23694—2013《風險管理 術語》[3]，風險被定義為不確定性對目標的影響。作為有效的安全態勢評估手段，風險評估通過評估安全事件發生的可能性和后果，從而得出系統的安全風險大小，達到掌握系統安全態勢的目的。為了有效識別城市地下縱橫交錯的燃氣管道與排水管網耦合風險，本文以燃氣泄漏導致排水管線燃爆事件鏈為基礎，通過分析城市排水管網燃氣聚集燃爆事件多個環節關鍵要素，提出了一種城市排水管網燃氣聚集燃爆風險評估方法。相關結論有助于城市管理者對城市排水管網燃爆風險開展針對性的風險分析、評估、分級和管理，為控制相關風險提供支撐。

1 城市排水管網燃氣聚集燃爆事件分析

通過對城市排水管網燃氣聚集燃爆事故進行分析，城市排水管網燃氣聚集燃爆事件可表述為埋地燃氣管線因自身或者外部擾動等因素發生泄漏，泄漏氣體通過土壤擴散。當排水管線位于氣體擴散范圍內，氣體可通過排水管線連接處或破損處進入，并在自身浮力或排水管線內部水流作用下在排水管線蔓延，被煙頭、火花等點火源點燃發生燃爆。燃爆過程中超壓、破片、振動等作用于排水管線周邊人員、建筑、地下管線等導致人員傷亡、財產損毀。流程如圖1所示。

圖1 城市排水管網燃氣聚集燃爆事件發展過程

因此為構建城市排水管網燃氣聚集燃爆風險評估方法，需考慮以下因素：

（1）燃氣管線是否容易泄漏；（2）泄漏氣體能否擴散到排水管線；（3）排水管線內可燃氣體被點燃可能性；（4）排水管線的燃爆后果。

2 排水管網燃氣聚集燃爆風險評估框架

風險具有概率和損失的雙重性，風險R可用發生可能性P和損失程度C的函數來表示，即R=f（P，C）[4]。基于城市排水管網燃氣聚集燃爆事件發展過程分析，其發生可能性需要考慮燃氣管線泄漏可能性Pleak，泄漏氣體聚集可能性Pgather，點火可能性Pfire，后果包括人員傷亡Cpeople，建筑物損毀Cbuilding，地下管線損毀Cpipe，社會影響Csocietalimpact等。

2.1 可能性評估

2.1.1 燃氣管線泄漏可能性Pleak

埋地燃氣管線泄漏主要因素包括腐蝕、第三方施工破壞、自然災害影響、材料/焊接/裝備原因等方面[5]，通過標準化或打分法使各項泄漏可能性得分在[1，10]范圍內。

（1）腐蝕導致燃氣管線泄漏可能性Pco

腐蝕導致燃氣管線泄漏可能性因素主要考慮燃氣管線防腐情況CO1，燃氣管線服役年限CO2，地鐵、高壓線纜距離燃氣管線距離CO3，周邊燃氣管線腐蝕泄漏頻次CO4，基于指標狀態進行定量/定性評估獲取對應分值，即Pco=f（CO1，CO2，CO3，CO4）。需要注意的是，當燃氣管線為PE管道時，一般不考慮腐蝕。

（2）第三方施工破壞燃氣管線可能性分析Ptpc

第三方施工破壞燃氣管線影響因素主要包括第三方施工點與燃氣管線位置關系TPC1，第三方施工行為是否備案TPC2，燃氣管線資料是否齊全TPC3，燃氣管線埋深是否合理TPC4，基于指標狀態進行定量/定性評估獲取對應分值，即Ptpc=f（TPC1，TPC2，TPC3，TPC4）。

（3）自然災害影響燃氣管線泄漏可能性分析Pnd

自然災害對燃氣管線的破壞可被描述為穩定程度較差/防護措置較差的地質災害發生并對其作用范圍內燃氣管線造成影響[6]。自然災害影響燃氣管線泄漏可能性指標主要包括燃氣管線與自然災害點影響范圍位置關系ND1，自然災害穩定性ND2，極端天氣情況ND3，地質災害治理措施ND4，基于指標狀態進行定量/定性評估獲取對應分值，即Pnd=f（ND1，ND2，ND3，ND4）。

（4）材料/焊接/裝備原因導致燃氣管線泄漏可能性Ppq

材料/焊接/裝備等方面原因導致燃氣管線泄漏可能性主要考慮管線施工質量，占壓、車輛碾壓等原因導致燃氣管線失效，即考慮指標包括管線施工質量PQ1（根據浴盆曲線，對應問題將在管線服役初期出現，因此可用服役時間代替），管線占壓情況PQ2，車輛碾壓情況PQ3。基于指標狀態進行定量/定性評估獲取對應分值，即Ppq=f（PQ1，PQ2，PQ3）。

腐蝕、第三方施工破壞、自然災害破壞、材料/焊接/裝備問題其中一個發生即可導致燃氣管線泄漏。因此燃氣管線泄漏可能性表示為

2.1.2 燃氣擴散聚集可能性Pgather

相關文獻表明，一般城市中壓燃氣管網土壤擴散距離在2.5~12.5 m范圍內，因此可基于待評估的燃氣管線與對應排水管線的最短距離l來表征燃氣擴散聚集概率，即Pgather=f（D），其取值范圍在（0，1]。

2.1.3 點火可能性Pfire

燃氣擴散進入排水管線中發生聚集，此時如果被點燃，就可能發生燃爆事故。點火概率與人員活動密集程度具有強相關性，一般人員活動密集區域，點火概率相對增大，反之則減小。因此可基于待評估管道對應局部人口密度ρ來表征點火可能性Pfire=f（ρ），分值區間在[1，10]。

由于泄漏氣體擴散至排水管線聚集燃爆為鏈式發展，因此對于排水管網燃氣聚集燃爆事件發生概率P應表示為

2.2 后果評估

2.2.1 安全埋深對排水管線燃爆影響

文獻[7]指出，對于一定直徑排水管線，當其埋設較深時，即使燃爆也不會對路面上方造成影響。設置修正因子φ，當管道埋深H小于安全埋深Hsafe，φ取1，否則φ取0.01。Hsafe與排水管線管徑（或當量直徑）D相關，即

排水管線燃爆損傷主要包括超壓影響、振動影響、破片影響三類。其中超壓的作用對象為人員及建筑物，破片的作用對象為人員，振動的主要作用對象為地下管線。

2.2.2 排水管線燃爆人員傷亡后果Cpeople

排水管線燃爆超壓影響范圍與排水管道截面積及燃爆管線長度相關（表征燃爆TNT當量），即導致人員傷亡的最小超壓對應影響范圍可表示為Sspp=fspp（D，l）。排水管線破片影響范圍與排水管線截面積、燃爆管線長度及排水管線上方覆蓋介質厚度D1（表征覆蓋介質截面積）相關，即導致人員傷亡的破片影響范圍可表示為Sfp=ffp（D，D1，l）。

明顯的，在其他參數一致情況下，被評估排水管線越長導致的人員傷亡越多，為修正此影響，定義排水管線燃爆超壓影響后果如下式所示：

基于相關突發事件標準獲取單位長度待評估排水管線傷亡人數對應分值標準，使Cpeople取值在[1，10]范圍內。

2.2.3 排水管線燃爆建筑物損毀后果Cbuilding

同樣的，導致建筑物損毀的最小超壓對應影響范圍可表示為Sspb=fspb（D，l），基于影響范圍獲取其中危險源防護目標數量n1作為代表性建筑物。

基于ρbuilding在待評估城市總體分布情況，制定Cbuilding取值規則，使其取值在[1，10]范圍內。

2.2.4 排水管線燃爆振動導致地下管線損毀后果Cpipe

排水管線燃爆振動影響范圍與排水管道截面積及燃爆管線長度相關，即導致地下管網破損的最小振動對應影響范圍可表示為Svp=fvp（D，l）。基于影響范圍獲取其中地下管線數量n2。

基于ρpipe在待評估城市總體分布情況，制定Cpipe取值規則，使其取值在[1，10]范圍內。

2.2.5 排水管線燃爆社會影響Csocietalimpact

Csocietalimpact指爆炸導致的社會性恐慌，當爆炸發生在敏感時間（如兩會、重要賽事、重要展（博）覽會等期間）、敏感地點（如涉政、涉外場所、醫療機構等）、敏感人群（如老弱病殘等）時，排水管網燃爆事件后果將被放大。設置修正因子τ（τ≥1），用來表征這種風險增量。

因此爆炸后果C可表示為

當τ取1時，C取值在（0，10]。因此規定當C≥10時，取10。

城市排水管網燃氣聚集燃爆風險評估框架如圖2所示。

圖2 城市排水管網燃氣聚集燃爆風險評估框架

2.3 風險評估

當燃氣管道周邊對應多條排水管道時，與周邊所有排水管道耦合災害風險評估值為經過上述計算后得到的若干個耦合風險值中的最大值，并疊加數量修正。

R=max（Ri）×1.1i-1， （8）當R大于100時，取100。根據風險值從大至小依次劃分為重大風險、較大風險、一般風險、低風險4個等級（表1），分別用紅、橙、黃、藍4種顏色進行表示，并確定各級風險閾值。

表1 風險等級劃分標準

3 排水管網燃氣聚集燃爆風險評估的數據流轉

數據是風險評估的基礎，基于城市排水管網燃氣聚集燃爆風險評估框架運行所需數據內容，形成排水管網燃氣聚集燃爆風險評估數據流轉如圖3所示。一般排水管網燃氣聚集燃爆風險評估數據分布在燃氣行業部門及住建局、氣象局、應急局等各部門，在信息化實現時，需對相關數據及互聯網數據匯聚、分析、清洗、融合，結合城市燃氣風險治理與管控業務需求，細化分析規則和模型，來實現風險值計算與展示。

圖3 城市排水管網燃氣聚集燃爆風險數據流轉

4 結論

本文基于城市排水管網燃氣聚集燃爆事故，歸納了該類事故發生發展的一般規律，在此基礎上形成了包括事故發生可能性及后果的評估框架。其中事故發生可能性包括燃氣泄漏可能性、燃氣擴散聚集概率、點火可能性等部分，事故后果包括排水管道燃爆安全埋深后果修正因子、人員傷亡后果、建筑物損毀后果、地下管線損毀后果、社會影響修正因子等部分。對各部分評估邏輯及涉及因素進行了歸納，并分析了評估模型在信息化實現時各因素對應數據流轉邏輯。相關內容有助于相關部門對城市排水管網燃氣聚集燃爆事故進行防控，同時對地下空間燃爆風險相關研究提供有益幫助。