能源类工业目标灾害链式演变分析

桑杨阳，朱万红，但兵兵，姜玉龙

(解放军理工大学 野战工程学院，南京 210007)

自然灾害发生后，借助自然生态系统之间相互依存、相互制约的关系，产生连锁效应，由一种灾害引发出一系列灾害，从一个地域空间扩散到另一个更广阔的地域空间，这种呈链式有序结构的灾害传承效应称为灾害链［1］。灾害链符合自然界中各种事物相互联系的普遍规律［2］，主要反映特定的一系列灾害事件在灾害系统中链式演变关系。灾害事件相互联系、相互作用形成的整体即为灾害系统。

灾害链在灾害系统中不同于“灾害”和“灾害群”，体现的是不同类型灾变演化的涵义，具有不可逆的动态变化过程即生长发育路径，体现了大自然的“隐秩序”，即自组织性、协同性、整体统一性和复杂性［3］. 大自然表现出的各种系统特征说明，“社会一生态系统”(SES)［4］及其包含的内部小系统都有可能产生和存在包括灾害链在内的各类灾害关系。同时也就说明了灾害链及其演变理论同样适用于人类发明、构建和维护的系统及其内部的灾害研究，比如社区、现代工业、物流网络等。

分析2005 年10 月2 日登陆我国福建省的“龙王”台风灾害，可以得到灾害系统的简要构成和灾害链的演变路径(图1)。台风是一种发生在热带或副热带海洋上的气旋性涡旋，是一种?破坏性很强的天气系统［5］，但台灾对我国东南沿海各省的严重威胁主要还是来自于台风链性发展的特性。从“龙王”台风灾害系统图中可以发现，“龙王”台风灾害致灾机制内孕灾环境和致灾因子间相互作用同时又相互制约，具有典型的系统特征。原发灾害台风出现时，引发大风、暴雨、风暴潮(致灾因子)等一系列灾害，灾害链演变发育衔接复杂紧密。而引发后续灾害的条件(孕灾环境)一旦具备，即使原发灾害台风已经结束，但新的衍生、次生灾害也会产生并造成很大危害，并且远远超过原发灾害能够带来的危害。由此可总结出灾害链的下述特殊性:一是有害的链式演变;二是增多、增强、放大作用(破坏作用及其时空域、各种损失)，并使次生灾害发生的概率增加;三是更多样复杂，难预报，难防治;四是规模大、危害更重。

图1 福建“龙王”台风灾害系统

1 能源类工业目标灾害链形成过程分析

1.1 能源类工业目标的概念

能源是国民经济和社会活动赖以存在于发展的必备物质条件。随着经济的快速发展，能源动力类产业(系统)逐渐成为国家经济命脉的重要组成，尤其是大型的能源类产业(系统)即能源类工业目标［6］逐渐成为经济持续发展的关键。能源类工业目标是涵盖领域很广的与能源相关的多类系统的总称［7］，属于六大类重要经济目标之一，主要包括关系到国计民生的能源相关的大型国有工业、企业、物流网络、战备转运中心等，以及其他对国家政治、经济、军事领域起联系和支撑作用的相关经济目标［8］，比如各类石化企业、电厂、矿山、能源输送干线等。这类经济目标自身资本密度高，建设周期长，对整个国民经济体系以及国家的安全稳定发挥着很强的牵引和保障作用［9］。一旦受灾失效，无异于关闭了社会经济发展的“发动机”，必将造成巨大的经济损失和综合国力的迅速下降。

1.2 能源类工业目标的受灾特点

能源类工业目标往往包含大量特殊的构筑物和工业设备，如各种管道、线路(输送设备)、油罐、气柜(存储设备)和各类发生器和反应塔类(生产设备)等。这些多样的结构型式［11］在物理荷载或化学反应的作用下，一方面表现为的防灾抗毁能力彼此差异很大(灾害可通过薄弱的节点进入系统)，另一方面表现为较大的转变为孕灾环境/条件的可能性(比如密闭的构件能够为化学反应爆炸创造条件)。另外，能源类工业目标大多是综合运用现代科学技术成果而建成的庞大系统，在实现某一项产业功能的同时使各系统之间具备了较强的关联性［10］。考虑到相关产业材料和产品的“毒、燃、爆、腐”的特性，这种系统中的关联性很容易转化为灾害关系中的致灾因子同孕灾环境/条件之间的互动关系。系统中较为薄弱的结构、构件或结构单元以及产业特点决定的复杂的系统组成，造成了能源类工业目标整体防灾抗打击性能的相对脆弱性［12］。一旦灾害通过薄弱处或漏洞进入系统内部，很可能以灾害链的形式进行演变发育。

1.3 “8·14 东京大停电”灾害系统和灾害链式演变实例

2006 年8 月14 日早上，一场大停电突袭了东京，使东京、千叶和神奈川两县(省)的139.1 万用户蒙受停电之苦，数以百计的交通信号灯“失明”，东京市繁如蛛网的地铁和电车停运，公共交通系统瘫痪。虽然东京电力公司当天上午10时即恢复了供电，但停电事故还是造成了巨大的经济损失。调查得知，大停电事故是一家建筑公司的起重船引起。该船的起重机吊臂在作业过程中挂到了东电的一道跨河输电干线，从而引发了大停电事故［13］。分析其中的灾害关系，很容易依据灾害情况的发展绘制出灾害链的生长演变路径以及观察到灾害效果不断放大的现象(图2)。

2 能源类工业目标灾害链式演变分析研究

2.1 能源类工业目标灾害链的载体信息流和阶段划分

灾害链式演变是以物质、能量和信息为载体来实现的［14］，而灾变阶段的演化即灾害破坏的每一次传递放大也必须通过载体信息特征来体现。所以，载体信息转化特征是灾变链式阶段特性的重要表征之一。为简化分析，可将载体信息反映概略地分为物质耦合、能量聚交及信息释放等。可以对东京大停电中始发于源头的“工程船违规作业——变电所停止供电”这个简单灾害链式演变进行相应的阶段划分，如图3 所示。

图2 “东京大停电”灾害系统

图3 灾害链的形成演变和阶段划分

自然灾害断链减灾实践说明防范灾害首先考虑灾变发生的早期阶段，争取把灾害从源头上治理［15］。但要想从源头遏制灾难是困难的。虽然借助于一定的工具和手段，通过灾害历史和灾害关系已有的研究，事后可以准确地绘制出灾变路径，但由于自然和生态系统的复杂性和灾害演变程度难于定量分析的特点(典型的如气象变化)，预报灾害或灾害演变形式的灾害链预警较难于实现。

2.2 能源类工业目标灾害链式演变预测分析的可行性

作为“人类—环境复合系统”的一部分［16］，能源类工业目标这类工业和科技系统很容易接受和反馈外界系统的能量流等载体信息(比如高温，霜降等气候因素)，但灾害的演变和发育主要还是在其系统内部或是产业的上下游系统之间。这一部分基本上都是“人造系统”，其中的联系制约关系我们都非常熟悉，灾变的一部分路径是可以定性定量预测的。这是与自然、生态的大系统最大的不同。我们可以通过依据各种灾害之间的因果、同源、互斥和偶排等关系［11］，分析灾害链中前一个灾害提供的后继灾害发生的关键信息进行管理和技术上的准确定位。

2.3 福岛核电站一号机组核泄漏事故灾害链式演变分析

2.3.1 福岛核电站一号机组核泄漏事故灾害链发育过程图

北京时间2011 年3 月11 日13:46 分，日本本州岛附近海域发生9.0 级强烈地震，强震导致福岛第一核电站发生爆炸并引发了严重的核泄漏事故。本次能源类工业目标(日本福岛第一核电站)的事故灾难链较为简单，便于进行原理上的分析说明。

选取其中有代表性的一号机组的情况进行分析绘图。福岛核电站“一号机组核泄漏事故灾害链发育过程”图的制图依据为:

1)3 月15 日，日本原子能协会发布的《福岛第一核电站和第二核电站的事故概要和过程》公告;

2)4 月《核安全》杂志发表的《日本福岛第一核电站核事故最新进展》;

3)5 月《核安全》杂志发表的《日本福岛第一核电站核事故最新进展》。

图4 中，对灾害链跃变的层级进行了简单的划分。其中的重点，即灾害链在核电站系统内的演变过程和企业层面的技术处理和管理行为，进行了如实详细的分析。主要的灾害链路径进行了加粗标示。其中，三、四层级内包含更多的灾害链路径，比如对国民经济的影响(核电股票投资、旅游、食品出口等)、对全球生态环境的破坏等，有可能引发更为丰富的灾害关系出现。对这方面的预测具体可参考相关领域专家学者的文章(比如蔡建明所作《福岛核电站事故对人体健康影响及医学防护》，李自强、韩桂军等人所作《福岛核污染对我国海洋环境影响的初步分析》)，这里就不在图上一一体现。

2.3.2 福岛核电站一号机组核泄漏事故灾害链预测分析

从图5 中我们可以看到福岛核电站一号机组清晰的灾变过程，显现出的灾害链的所有特征，同时还表现出能源类工业目标系统内的灾害链演变路径和系统关联性紧密结合的特点。比如，当能源类工业目标复杂的功能体系中某一种功能失效(如:配电盘进水失效—应急柴油发电机损坏)时，波及到了其他系统的功能(应急电源丧失—外部余热导出系统失效);一种灾害现象(地震—架线铁塔倒塌)发生时，诱发了一系列灾害事件，最终在另一个更广阔的地域空间内产生更为严重的灾害现象(安全容器放射性物质泄漏—海洋生态灾难)。

其中，福岛核电站的设计着重考虑了抗震的因素，而忽视了海啸的影响，致使一号机组在9 级地震的地震摇摆中顺利停堆，尔后却未能抵挡14 m 的海啸巨浪(抵御5 m 海啸高度的设计)，最终导致作为核电站附属设备的应急柴油发电机进水损坏，使反应堆停堆后缺乏强制散热手段，成为核事故的起源(在5、6 号机组中，因为应急柴油发电机的动作，反应堆和乏燃料水池的得以冷却)。如图4 所示。

2.3.3 福岛核电站核泄漏事故的教训和对策

5 月，日本院子能学会、核安全调查专业委员会、技术分析分会联合发布了《福岛第一核电站事故的教训与建议》［17］。对地震摇摆、海啸、所有电源丧失、全部冷却系统丧失、事故管理、氢爆炸、乏燃料贮存水池、推进安全研究、安全管理与安全设计、组织和危机管理、信息公开、紧急时的安全管理的12 个方面进行了详细评述。最后，报告总结上诉12个方面的“重要教训”和“重要对策”，可以作为灾害链预测分析的验证参考。

福岛第一核电站事故的“重要教训”:

1)抗震设计中考虑的海啸规模不充分。

2)海水浸入使重要的安全机械设备停止运行，导致所有的交流电源和所有冷却系统丧失、未能阻止事态扩大。

3)所有电源长时间丧失、应急冷却系统运行不充分，未能阻止事态发展。

4)由于电源丧失、难以掌握反应堆内的状况。

5)与海啸相比，海水冷却存在脆弱性，丧失降温功能。6)全部电源丧失的AM 考虑存在不充分的可能性。

7)未考虑到安全壳外的氢爆炸。

8)厂房破损后留下密闭乏燃料的课题。

9)安全设计上对外部事件的考虑不充分。

10)日本的安全管理机构不完善。

11)信息发布存在较多问题。

12)AM 对策使事故大幅恶化得到控制。

13)推测出过去关于地震摇摆的措施可能大致有效。

福岛第一核电站事故的“重要对策”:

1)作为预防海啸的对策，需采取加强物理水密性的措施。

2)需事先配备多样电源。

3)需研究配备多样冷却系统，不能只依靠海水冷却。

4)假设会发生严重事故，对AM 对错加以充分地研究。作为AM 对策，应配备必要的多条电源线路的硬件，并开展AM 的训练与教育。

5)针对防止氢爆炸的AM 对策和乏燃料贮存水池的AM 对策开展研究，并做好充分的准备。

6)开展事故的研究，同时注重人才的培养。

7)对现有的安全管理状态，要从根本上加以改进，包括法律的修订、组织机构的重组。

8)确立定量的风险分析评价，将风险全面纳入管理。

9)对紧急时的信息公开和信息共享进行再评价。

10)以发生事故为前提条件，开展防灾演练。

11)针对今后的地震与海啸等事故，开展抗震设计、布置设计、AM 对策、电厂响应等纤细研究。并加以改进。

3 结束语

通过对福建“龙王”台风灾害的灾害系统和灾害链的演变过程分析，揭示了在一定的孕灾环境/条件下，致灾因子与承灾体相互作用的关系。分析了能源类工业目标灾害链的形成过程，对“8·14 东京大停电”和福岛核泄漏事故灾害链的发育路径进行了绘图分析，表明了使用灾害链及其演变理论方法研究能源系统的灾害问题，具有灾害链式演变预警的可行性，且研究过程简单明了，便于采取有效的措施来预防和减轻能源类工业目标灾害危险的发生和放大，为综合减灾提供了新的思路和方法。

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