化工园区应急避难点选址评估模型应用研究*

陈国华，夏 浩，高子文

(1. 华南理工大学 安全科学与工程研究所，广东 广州 510640；2. 惠州大亚湾应急管理有限公司，广东 惠州 516081)

0 引言

近年来，随着我国化学工业和石油规模总量不断扩大，现已建成了一批以天津、上海、惠州为代表的化工园区[1]。化工园区内危险源高度聚集，易发生火灾、爆炸、毒气泄漏等突发性灾害事故，园区总体安全形势不容乐观，如：2015年4月6日，福建漳州古雷化工区发生严重的泄漏事故，该事故紧急疏散一万多人[2]。当化工园区发生重大突发事件后，很难把所有居民都疏散到园区以外的安全地域，而科学合理地设置园区应急避难点，能够有效地减少人员的伤亡和财产的损失[3]。应急避难点是化工园区发生重大突发事件后，避免人员伤亡和减少财产损失的一项重要举措。目前，针对化工园区安全应急规划的工作，主要集中在园区消防布局规划、应急救援体系建设、应急能力评价和风险评估等方面[4]，针对化工园区应急避难点选址优化的研究并不多。祝恺[4]以化工园区内，各化工企业区域分布、避难人数需求、事故影响范围和发生概率等因素，构建了后悔值模型；周晓猛等[5]综合考虑距离、容量、配套设施、安全性和疏散道路5个方面的影响因素，提出了网络优化模型；Anhorn等[6]以可达性分析为定量标准、适宜性和管理为定性标准，综合考虑环境和基础设施影响下，对地震后城市候选避难所进行了适宜性评价。综合现有研究成果，现阶段针对城市应急避难点的选址和优化研究较多，但对化工园区进行应急避难点选址评估的研究较少。因此，文本以广东省某化工园区的调研工作为基础，根据园区的工艺特点、空间布局、人口分布等因素，结合行业专家的意见，参考现有的标准和设计规范，构建化工园区应急避难点选址指标体系，给出定量化评估分级基准；为使化工园区应急避难点选址指标权重更加客观、准确，运用博弈论的思想，对主、客观权重进行组合赋权，计算出各指标贡献率，从而建立有效的化工园区应急避难点选址评估模型。

1 化工园区应急避难点选址指标体系构建

化工园区重特大事故发生后，为避免二次避难，受灾人员需集中进行疏散和避难生活。科学合理地设置避难点选址，能够极大限度地减少伤亡、降低灾害带来的社会影响。生活和医疗设施齐全、一定容量、疏散车辆易出入等特点是完善的应急避难点必备要求。参考GB 21734-2008《地震应急避难场所场址及配套设施》[7]、GB 51143-2015《防灾避难场所设计规范》[8]、GB50016-2014《建筑设计防火规范》[9]等设计规范，综合各项规范中的规定和要求，结合化工园区工艺特色、空间布局规划等因素，从安全性、可达性、适宜性3个原则出发，建立化工园区应急避难点选址评估模型指标体系，如表1所示。

表1 化工园区应急避难点选址评估模型指标体系

2 化工园区应急避难点选址指标分级

根据对化工园区应急避难点选址指标体系的构建以及各指标不同安全等级，将各指标划分为：理想、较理想、一般、较差4个不同安全等级，各等级的分值区间如表2所示。对照应急避难点选址的设计规划及相关文献，通过整理可以得到化工园区应急避难点“安全性”、“可达性”和“适宜性”各指标的分级，如表3、表4和表5所示。

表2 化工园区应急避难点影响指标分级准则

3 化工园区应急避难点选址贡献率计算模型研究

3.1 指标权重获取

根据实际情况，确定因素集的权重值大小，是化工园区应急避难点选址评估研究的核心。客观赋权和主观赋权是确定指标体系中各指标权重的常用方法[10]。客观赋权过于依赖数据样本，主观赋权容易受专家个人偏好的影响[11]。为提高赋权的科学性，使权重既能够反映专家意见又能够兼顾客观数据，采用AHP获得主观权重和信息熵方法来获得客观权重，借鉴博弈论的思想进行组合赋权优化指标权重。通过组合赋权的方式，比仅将主、客观权重进行简单加权平均的方法更加科学、合理[12]。

3.1.1 基于AHP的主观赋权法

层次分析法(AHP)是综合人们不同主观判断，并将其量化为定量分析结果的一种方法。以两两相互比较的方式，判断目标层、准则层、方案层中各指标的相对重要程度，然后确定各指标在决策过程中所占的权重，从而为选择最优方案提供依据[13-14]。

3.1.2 基于熵值法的客观赋权法

熵值法是以信息熵理论为指导，通过指标的相对变化程度对系统整体的影响来确定指标权重，熵值法是客观赋权中的一种重要方法和手段[15]。因此，化工园区应急避难场所选址指标体系的权重修正可采用熵值法获得。根据信息熵的概念，将第j项指标的熵值定义为ej。

(1)

表4 化工园区应急避难场所“可达性”分级框架

表5 化工园区应急避难场所“适宜性”分级框架

(2)

式中：gj为第j项指标的变异系数；n为指标的个数。

3.1.3 基于博弈论的组合赋权计算

为提高评估指标赋值权重的科学性和合理性，在AHP方法和熵值法的基础上，采用博弈论结构模型，形成一种组合赋权新方法进行组合权重确定。

博弈论组合赋权的基本思想是使得综合权重与各个基本权重之间离差最小化，寻找不同方法下得到的权重之间的均衡[16]。该方法能够有效避免决策者的意愿偏好，反映出方案集中客观数据对决策的贡献度，有利于提高评估结论的可靠性。假设指标权重计算中，使用了L种方法，权重向量记为wk，线性组合系数记为αk，则权重向量的任意线性组合可以表示为：

(3)

通过优化对策模型中的线性组合系数αk，使w与每个wk的离差极小化。

(4)

根据矩阵的微分性质可知，为获得w与每个wk的离差极小化，需采用式(4)的最优化一阶导数条件如下：

(5)

通过式(5)，可求得(α1,α2,…αL)，然后由式(6)对其进行归一化处理，即得到综合权重向量w*：

(6)

(7)

3.2 贡献率计算模型

化工园区应急避难点贡献率是指“安全性”、“可达性”、“适宜性”等对园区应急避难点选址的影响程度。规定：当应急避难点影响因素对化工园区应急避难点选址的贡献率为100/100=1时，则准则层所有因素均处于理想状态，准则层及其对应的下级指标达到最高分100分。影响因素贡献率要根据变量层因素的赋值确定，然后采取博弈论得到的权重，对各准则层对应变量层指标的分值。变量层最终分值依据式(8)确定。

(8)

式中：fki为变量层第k个因素第i个专家的赋值；fk为变量层第k个因素的分值；dki为变量层第k个因素对应赋分值的隶属度。

准则层各因素加权分值见式(9)。

(9)

则园区应急避难点的安全性、可达性和适宜性的贡献率为[17]：

(10)

4 实例应用

实例选取广东省某化工园区，该园区总体面积约20 km2。园区北部以炼油、乙烯项目为中心，为工业用地区域，主要布置了石化产业生产装置；南部为石化物流及港口发展区，往东为精细化工园区，往西为石化深加工区；园区地处亚热带，属南亚热带季风性气候，主导风向为东南风，园区及其园区周围交通发达；地形总体上是呈“北-南”走向，地势北高南低，园区居民主要集中在园区东侧和西侧，园区整体分布如图1所示。

图1 广东省某化工园区分布Fig.1 Distribution map of a chemical industry park in Guangdong

应用上述评估模型，对该化工园区的应急避难点选址进行分级，根据相关专家对化工园区各变量层的指标赋分值，通过式(8)求出化工园区应急避难点选址各个变量的分值，如表6所示。以“可达性”相关下层指标的权重计算过程为例，通过基于AHP法的主观赋权法得到的权重向量为：w1=(0.329，0.175，0.496)，以基于熵值法的客观赋权得到权重向量为：w2=(0.381，0.304，0.315)；由基本权重集w={w1,w2}，并由式(3)～式(5)得到组合赋权方程组，如式(11)所示。

(11)

通过式(9)和式(10)计算得到基于博弈论的组合权重为w=(0.331，0.181，0.488)；以计算“平均通行时间”分值为例，调研时总共咨询了5位专家，赋分值分别为：85,68,76,81,75，每位专家赋分值对应的隶属度为0.2，那么“平均通行时间”分值为：85×0.2+68×0.2+76×0.2+81×0.2+75×0.2=77。

由表6中结果可知，指标贡献率为：“可达性>适宜性>安全性”。因此，对于该园区的应急避难点选址，最关键因素是人员到达避难点的“可达性”，其次是“适宜性”和“安全性”。因此，该园区选择避难点时，可以：

1)以“比邻而居”为原则，应将避难点设置在该园区东侧，靠近居民的位置，以方便居民的安全疏散，选址的位置应尽量毗邻医院，方便受伤人员的治疗。

2)园区不应仅适用于特定的某类灾种或某1类突发公共事件，应以多灾种均可使用为原则，设置避难点；避难点位置应设置在沿东南方向的上风向处，减少对避难点造成的二次灾害。

3)根据GB50489-2009《化工企业总图运输设计规范》、GB50187-2012《工业企业总平面设计规范》等设计规范和标准要求，化工园区应急避难点选址，应尽量靠近交通便利的位置，方便园区发生事故后，人员的安全疏散与应急救援。

表6 广东省某化工园区应急避难点影响指标及分值

5 结论

1)综合考虑化工园区自身的工艺特点、空间分布等因素，构建化工园区应急避难点选址指标体系，运用博弈论对指标的主客观权重加以组合，计算出指标贡献率，使得选址评估结果更具合理性和适用性。

2)选取广东省某化工园区作为选址评估对象，从评估结果可知，“可达性”对化工园区应急避难点的选址影响最大，应作为选址首要考虑因素。

3)从“安全性”、“可达性”、“适宜性”的角度进行研究还比较单一，并未考虑实际的避难点容量和服务范围，这也是未来进一步深入研究的方向。

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