化工园区脆弱性评价指标体系的研究*

彭子涵张建文丛晓明

1.北京化工大学机电工程学院 2.北京化工大学流体力学与传热研究室 3.青海省地址矿产测绘院

化工园区脆弱性评价指标体系的研究*

彭子涵1张建文2丛晓明3

1.北京化工大学机电工程学院 2.北京化工大学流体力学与传热研究室 3.青海省地址矿产测绘院

在阐述脆弱性概念和分析方法的基础上，将其引入化工园区的安全研究。通过对化工园区常见事故类型的分析，从承载体的暴露性和易损性角度分析影响化工园区脆弱性的主要因素，建立了包括人员脆弱性、设施脆弱性、环境脆弱性3个方面共11项指标的评价指标体系。以层次分析法为基础，应用MATLAB编制函数程序计算得到各项指标权重，确定了各项指标对化工园区脆弱性的影响程度，进而明确了安全管理的主要方向。

安全；化工园区；脆弱性；层次分析法；指标权重

近期全球化工产业越来越趋向大型化，由化工企业集中布置而成的化工园区已经发展成为国内外化工行业的主流，据统计截止到2012年我国省级以上化工园区数量较2006年增长了近20倍［1］。因此如何对化工园区进行科学的安全分析，确保园区内部及周边的安全，已成为社会各界需要解决的核心问题。

化工事故的发生原因各不相同，发生时间与事故后果更是难以预料，旧的安全刚被排除，新的安全隐患又会产生，但事故的发生不一定就要造成严重的破坏和损失。准备不充分的区域在一场事故中可能损失巨大，而有充分预防和准备的区域则可能遭受很少的损失，这是因为受到区域自身脆弱性因素的影响［2］。事故的破坏性不完全取决于致灾因子的强度，还取决于人类社会自身应对灾害表现出的准备能力和脆弱性［3］。当外界的作用能力超过承灾体的承载力阈值时，承灾体的不利影响就会发生，承灾体的脆弱性越大，事故后果越严重［4］。

目前对系统的安全性研究主要从致灾因子角度评价系统安全状况，而非从如何完善系统脆弱性方面加以考虑，因此得到的结论存在不足。笔者以脆弱性概念为基础，从化工园区承载体的暴露性和易损性角度出发，构建了化工园区的脆弱性评价指标体系并利用层次分析法求得各指标权重，确定了化工园区安全治理主要方向。

1 脆弱性的概念

1974年Gilbert F White 首次提出了脆弱性的概念［5］，随着脆弱性研究对象和应用领域的不断扩展，脆弱性的概念逐渐从地质学领域延伸到经济学、生态学、灾害学等多个领域的各个层面。

在化工园区的脆弱性研究中，脆弱性是指系统对内外扰动的敏感性，以及系统因缺乏应对能力而使结构和功能发生改变的一种属性，其构成要素包括暴露性和易损性［6］。化工园区脆弱性的构成，如图1。

图1 化工园区脆弱性构成

承灾体是致灾因子的作用对象，也是承受事故后果的载体。承灾体的种类和结构直接决定了它对外界作用力的承受能力，化工园区通常由三部分构成，即从事生产活动的劳动人员和周边的居民，机器装备、厂房、住宅楼等设施，以及园区内部及周边的农田、绿地等环境。因此本文依据化工园区系统的构成特点，将承灾体类型分为人员、设施和环境三部分。

2 化工园区的事故作用特点

依据国家安全生产监督管理总局网站提供的案例数据库，对2001～2013年我国危险化学品企业发生的重大事故次数进行统计分析［7］，统计结果，如图2。

图2 事故类型分布图

根据对重大事故发生次数的统计结果可知：火灾爆炸事故的发生次数最多，占全部事故的55%。由此可知，化工行业的主要事故类型为火灾、爆炸和中毒事故，事故发生次数占80%，死亡人数占86.4%。因此本文将对火灾、爆炸、有毒物质泄漏作为承灾体事故类型的主要研究对象。

2.1 火灾事故作用特点

化工园区存在许多易燃易爆的化学危险品，且厂区的作业环境多为高温高压，一旦具有易燃易爆特性的危险化学品发生泄漏并接触到明火或静电，就极有可能引发火灾。根据火灾燃烧方式的不同，火灾可以分为池火、球火、喷射火和闪火［8］。火灾主要通过热辐射的形式对周边人员、设备设施及环境造成伤害。对于人员，火灾产生的热辐射和浓烟容易造成身体烧伤或呼吸困难；对于设备设施，火灾产生的热辐射会引燃其中的易燃物质，造成事故范围的扩大；对于环境，火灾燃烧产生的污染物、烟尘颗粒、有毒有害气体将对园区周边的生态环境造成一定的伤害。

2.2 爆炸事故作用特点

爆炸是一种剧烈的物理、化学变化，并伴随巨大能量的快速释放。化工园区发生的爆炸事故一般包括蒸气云爆炸（UVCE）、沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）、物理爆炸三种。爆炸事故危害形式为冲击波超压。爆炸产生的冲击波会对周边的人员、建筑的环境造成不同程度伤害，对于人员，爆炸产生的冲击波将造成器官的严重损伤；对于建筑设备，爆炸产生的冲击波将造成房屋损坏、建筑物塌陷等；对于环境，冲击波将造成生态环境的功能紊乱［9］。

2.3 有毒物质泄漏作用特点

工作人员的违章操作，劳动组织不合理及设备失效等都可能引起有毒有害物质的泄漏，有毒物质发生泄漏后若处理不及时，将形成有毒蒸气云，在大气中飘逸、扩散，直接危害企业内外部人员的身体健康，造成严重的人员伤亡和环境污染［10］。

3 化工园区脆弱性评价指标体系的构建

指标体系是实现脆弱性评估的关键环节，指标体系的正确与否直接决定了脆弱性评估的可靠性。

3.1 指标体系的设计原则

（1）科学性原则，即本着严谨的科学态度，依据科学的方法与程序进行数据收集和指标选择，得到全面、准确的科学结论。

（2）针对性原则，脆弱性指标体系的构建应该从研究目的出发，即从化工园区的脆弱性特点和承载体构成等方面入手构建指标体系。

（3）完备性原则，化工园区脆弱性评价体系涉及范围较广，影响因素众多，选取评价指标时，应尽量选择具有代表性的，能够全面反映化工园区脆弱性的指标，且各指标之间既要相互补充，又要避免内容的重叠［11］。

（4）可操作性原则，选取脆弱性评估指标时，需要考虑获得相关数据、资料的难易程度、人力和物力的现实条件等。

（5）可追踪性原则，化工园区建设与生产是动态变化的过程，因此脆弱性指标应该具有可追踪性，以便于对实时跟踪评价，真正做到防患于未然。

3.2 化工园区脆弱性评价指标体系

本文按照化工园区承灾体的种类将脆弱性分成人员脆弱性、设施脆弱性、环境脆弱性三部分，并从暴露性和易损性两方面入手，分别对人员、设施、环境的脆弱性影响因素进行了全面分析，构建的化工园区脆弱性评价指标体系，如图3。

图3 化工园区脆弱性评价指标体系

4 层次分析法基本原理

层次分析法是将主观判断进行整理和综合的客观方法，是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，特别适于难以用定量分析法解决的复杂问题［12］。层次分析法的基本步骤如下：

（1）构造判断矩阵。邀请专家对隶属同一准则层指标进行两两比较，确定判断矩阵。笔者为了提高结果准确性，邀请了10位相关领域的专家构成评价小组，采用9级标度法打分［13］，并将其打分结果进行加权平均。

（2）层次单排序及一致性检验。构造好判断矩阵后，通过对每一个判断矩阵求解最大特征根λmax及对应特征向量W可得针对某一准则层各元素的相对权重。判断矩阵A的特征向量及特征向量的计算公式为：

层次分析法一般选用和积法、方根法、幂积法求得最大特征值及特征向量，但求解过程复杂，步骤繁琐，本文用MATLAB软件建立模型进行求解，并进行一致性检验，提高传统计算方法的效率和精确度。

式中：

CI—一致性指标；

CR—一致性比例；

RI—随机一致性指标，见表1。当CR＜0.1时，说明判断矩阵合理，否则需要对判断矩阵进行调整，重新计算直到满足一致性要求为止［14］。

表1 随机一致性指标RI值

（3）层次总排序及一致性检验。假设上一层次A 有m个因素，各因素的总排序权重为a1，a2，…，am。下一层次B包含n个因素，各因素对于总目标A的权重为b1j，b2j，…，bnj。B层次对总目标的权重为c1，c2，…，cn，具体计算公式为：

层次总排序一致性检验的计算公式为：

如果CR＜0.10，则认为层次总排序结果满足一致性要求，否则就必须调整每一个判断矩阵直到满足CR＜0.10为止。

5 层次分析法确定指标权重

根据专家调查结果，构造判断矩阵，并通过层次分析法的计算程序，求得化工园区脆弱性评价指标体系的各层指标权重并进行一致性检验，计算结果，见表2-6。

表2 A-B判断矩阵

表3 B1-C判断矩阵

表4 B2-C判断矩阵

表5 B3-C判断矩阵

表6 化工园区脆弱性评价指标权重

6 结论

（1）基于脆弱性概念和化工园区多发事故的作用特点，从人员、环境、设施的暴露性和易损性角度出发，构建了一套包括人员脆弱性、设施脆弱性、环境脆弱性3个方面共11项指标的评价指标体系。

（2）以某化工园区为例，运用层次分析法确定各项指标的权重。根据各项指标的综合权重可知，人口暴露位置所占比权重最高，其次为人口暴露密度、环境重要程度和人口年龄结构等，因此在对为化工园区进行安全规划、应急救援方案的制定和改进时，应将上述指标作为重点考虑的对象，从而达到降低化工园区脆弱性的目的。

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国家科技支撑计划（2015BAK39B02），中央高校基本科研业务费项目（ZD1507）支持