集成PHAST-Visual Studio的岩溶区燃气管道灾害后果定量分析及应用

李乔楚, 陈军华

(西南石油大学经济管理学院, 成都 610500)

随着“碳达峰”“碳中和”目标进一步提出,天然气由于清洁、高效、稳定、灵活、经济等优点逐渐成为国民经济社会发展的主体能源。由于埋地管道与岩土直接接触,因而不可避免地受到岩土活动的影响[1]。中国的岩溶塌陷主要集中在以贵州为中心的川、黔、滇以及与之毗邻的湘、桂、鄂等碳酸岩成片分布地区。与此同时,西南地区天然气资源蕴藏丰富,输气管网系统发达,管道沿线地质环境复杂多变,部分管段不可避免地穿过岩溶区域,在诸多自然、人为因素影响下若诱发岩溶塌陷则极易导致管道灾害,对燃气管道的安全平稳运行和沿线人民的生命财产造成极大的影响。因此,有必要科学准确地评估岩溶区燃气管道灾害后果的影响范围与程度,为防灾减灾工作的有效开展提供理论指导。

工艺危险源分析软件工具(process hazard analysis software tool,PHAST)是挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)开发的火灾爆炸定量分析软件,该软件可以快速得到不同灾害后果的各类数据,通过查看结果报告和相关曲线,确定灾害影响范围和程度,因此在输气管道灾害后果评估领域得到了国内外学者的广泛应用。Witlox等[2]选用PHAST软件风险分析包Safeti中的最新后果模型,探讨了天然气等易燃物泄漏后引发的喷射火和蒸气云爆炸危害,并依据实验结果验证了PHAST软件仿真结果的有效性。Farahani等[3]以阿萨鲁耶地区输气管网系统为研究对象,基于故障树方法和PHAST软件分析了地震荷载危害下钢制燃气管道断裂泄漏引发的火灾热辐射传播规律,并结合危害准则确定了波及区域内的人员伤亡数量及概率数值。中国学者对于PHAST软件的应用相对稍晚,2009年,秦琴等[4]首次将PHAST软件用于钢制输气管道热辐射危害距离研究中,通过与Brzustowski-Sommer计算方法进行对比验证,得出基于PHAST软件的仿真结果更加贴合客观实际。陈磊等[5]以准噶尔盆地储气库钢制注采管道为研究对象,基于PHAST软件仿真分析运行压力、管输介质对输气管道爆炸冲击波超压的影响规律,并着重探讨了气体云团的扩散范围和爆炸超压的危害半径。王小完等[6]结合高斯烟羽大孔泄漏模型和PHAST软件建立了广西壮族自治区钢制天然气管道灾害事故后果的仿真分析模型,并着重探讨了不同泄漏孔径、风速、大气稳定度下火灾热辐射和爆炸冲击波的最大危害强度及其影响范围。李云涛等[7]基于PHAST软件分析了813 mm天然气钢制管道全管径断裂后引发的火灾危害后果,并结合临界热辐射剂量准则确定了临界安全距离。至此,PHAST软件对于输气管道灾害后果模拟的适用性和准确性得到了学界的普遍认可。

上述研究为输气管道灾害后果的风险评估提供了有效的参考借鉴,但在以下方面仍有一定局限:①现有研究主要针对火灾热辐射和爆炸冲击波的危害强度开展仿真模拟,虽然部分研究涉及影响半径、伤亡数量等分析,但缺乏结合危害准则的差异化损伤情况判定及针对性风险管控措施设计,与此同时,针对经济损失、环境破坏等后果的评估有待进一步完善;②现有研究主要集中于钢制管道,采用聚乙烯等非金属材料的燃气管道在岩溶塌陷作用下更容易发生失效,且燃气管道通常位于人口财产密集区,其致灾可能性与后果严重性更为显著;③大多研究主要使用单一模型开展输气管道灾害后果的仿真评估,难以避免固有的局限性。

鉴于此,提出一种岩溶区燃气管道灾害后果PHAST-Visual Studio集成分析方法,该方法基于Visual Studio开发系统编制“岩溶区燃气管道灾害后果分析软件”,结合管道失效特征确定喷射火和蒸气云爆炸两种典型后果模式,研判适用于岩溶区燃气管道灾害的危害判定准则,从危害面积、伤亡人数、经济损失和环境破坏4个维度提出灾害后果严重程度的评估体系。结合实际案例基于PHAST仿真模拟分析灾害后果的影响范围,对区内人员、物体提出针对性风险管控措施,兼顾经济社会发展、岩溶自然地质以及燃气管道工程特征量化灾害后果,以期为岩溶区燃气管道灾害后果的智能、准确、全面评估提供科学研究范式。

1 PHAST-Visual Studio集成灾害后果评估方法

1.1 灾害后果模式分析

在岩溶塌陷作用下埋地管道发生失效破坏后将引发燃气泄漏,根据气体是否(延迟)点燃、空间是否受限等条件,灾害后果被分成火球、蒸气云爆炸、闪火和喷射火4种模式。不同条件下燃气管道灾害后果的演化过程如图1所示。

图1 燃气管道灾害后果演化过程Fig.1 The evolution of consequences of gas pipeline disaster

考虑到管道流量特征以及泄漏特征的实际情况,岩溶区埋地燃气管道发生失效后呈现连续泄漏特征,在受限空间下其对应的灾害后果模式主要包括喷射火和蒸气云爆炸。考虑到燃气的主要成分为甲烷,参照美国石油协会(American Petroleum Institute,API)研究结果并结合大量灾害事故统计数据[8],其对应的喷射火发生概率经验数值为0.1,蒸气云爆炸发生概率经验数值为0.04。

1.2 灾害危害判定准则

(1)火灾危害准则。喷射火等引发的火灾主要通过热辐射形式影响周围人员、建构筑物和环境。当火灾热辐射到达一定强度时,会引起物体的燃烧或者变形,甚至会危害人员的生命财产安全。因此,人员伤亡和物体破坏程度与热辐射的强度和作用时间密切相关。基于此,选用热通量危害准则[9-10]开展火灾后果判定(表1)。

表1 热通量危害准则Table 1 Hazard criteria of heat flux

(2)爆炸危害准则。当燃气管道发生泄漏并诱发爆炸时,爆破能量在向外释放过程中表现为冲击波、碎片和容器残余变形能量等形式,其中空气冲击波破坏力最强、影响范围最广。由于冲击波破坏通常是由超压引起的,因此选用冲击波超压危害准则[11-15]开展爆炸后果判定(表2和表3)。

表2 物体冲击波超压危害准则Table 2 Hazard criterion of shock wave overpressure for objects

表3 人员冲击波超压危害准则Table 3 Hazard criterion of shock wave overpressure for humans

1.3 灾害后果评估体系

1.3.1 综合人员危害面积计算

岩溶区燃气管道灾害后果主要包括喷射火和蒸气云爆炸两种模式,通过对两种后果模式的影响范围进行概率加权求和即可得到综合危害面积数据。设定喷射火和蒸气云爆炸对应的人员危害半径分别为rpi,jf和rpi,vce,则其对应的危害面积Api,jf和Api,vce可分别表示为

(1)

(2)

基于此,岩溶区燃气管道灾害综合人员危害面积Acpi可表示为

Acpi=upi,jfApi,jf+upi,vceApi,vce

(3)

式(3)中:upi,jf和upi,vce分别为岩溶区燃气管道失效泄漏后发生喷射火和蒸气云爆炸的概率。

1.3.2 伤亡人数计算

设定喷射火和蒸气云爆炸对应的人员死亡半径分别为rpd,jf和rpd,vce,人员死亡面积的计算过程与人员危害面积类似,计算得到综合人员死亡面积Acpd。基于此,岩溶区燃气管道灾害导致的死亡人数Mcpd可表示为

Mcpd=ρpAcpd

(4)

式(4)中:ρp为灾害发生区域的人口密度,人/m2。

岩溶区燃气管道灾害导致的受伤人数Mcpi可表示为

Mcpi=ρp(Acpi-Acpd)

(5)

1.3.3 经济损失计算

设定喷射火和蒸气云爆炸对应的物体破坏半径分别为rod,jf和rod,vce,物体破坏面积的计算过程与人员危害面积类似,计算得到综合物体破坏面积Acod。

燃气泄漏造成的直接经济损失Egl可表示为

(6)

式(6)中:mgl为泄漏燃气的总质量,kg;eg为单位体积燃气价格,元/m3;ρg为燃气密度,kg/m3。

营业中断造成的间接经济损失Ebi可表示为

Ebi=tbiebp

(7)

式(7)中:tbi为停业时间,d;ebp为燃气公司日营业收入,万元/d。

依据《中华人民共和国民法典》《最高人民法院关于修改<最高人民法院关于审理人身损害赔偿案件适用法律若干问题的解释>的决定》规定的获赔偿款项,燃气管道火灾、爆炸案件的伤亡人员主要获得医药费、误工费、死亡赔偿金、丧葬费等赔偿。

人员受伤赔偿造成的间接经济损失Ecpi的计算公式为

(8)

式(8)中:Mcpi,n为岩溶区燃气管道灾害导致的第n类程度的受伤人数,人;emc,n为第n类程度受伤的人均医药费赔偿额度,万元/人;eclwt,n为第n类程度受伤的人均误工费赔偿额度,万元/人。

人员死亡赔偿造成的间接经济损失Ecpd可表示为

Ecpd=Mcpd(edc+efe)

(9)

式(9)中:edc为死亡赔偿金额度,万元/人;efe为丧葬费额度,万元/人。

1.3.4 环境破坏计算

(1)绿化植被破坏。岩溶区燃气管道火灾、爆炸等灾害将对区域内的绿化植被造成毁坏,毁坏程度取决于区域内的植被覆盖率以及灾害导致的植被破坏面积。设定喷射火和蒸气云爆炸对应的植被破坏半径分别为rvd,jf和rvd,vce,植被破坏面积的计算过程与人员危害面积类似,计算得到综合植被破坏面积Acvd。

岩溶区燃气管道灾害导致的植被破坏量Nvd可表示为

Nvd=CvAcvd

(10)

式(10)中:Cv为灾害发生区域的植被覆盖率,%。

(2)温室气体排放。“生态安全”理念逐步被引入油气安全与战略管理的研究领域。化石燃料燃烧是全球气候变暖的重要诱因,在岩溶区燃气管道火灾、爆炸等灾害事故中将导致CO2、CH4、N2O等温室气体排放,岩溶区燃气管道灾害过程中的温室气体排放总量的计算公式为

(11)

式(11)中:Ggc为岩溶区燃气管道灾害过程中的温室气体排放总量,万t;mgc为燃烧燃气的总质量,kg;Vg为燃气净发热值,kJ/m3;Fcd、Fme、Fno分别为CO2、CH4、N2O排放因子,kg/TJ。

1.4 岩溶区燃气管道灾害后果分析软件编制

基于所建立的灾害后果评估体系,结合Visual Studio集成开发系统开展“岩溶区燃气管道灾害后果分析软件”的编制,从而实现灾害后果影响程度分析的智能化和高效化,简化计算过程并提升量化评估效率。

1.4.1 软件功能

软件旨在实现以下功能:选择开展后果评估的单元类型(危害面积子单元、伤亡人数子单元、经济损失子单元和环境破坏子单元),通过实地调研和PHAST软件仿真得到核算所需的基础数据,输入软件后将自行计算得出灾害综合人员危害面积,灾害导致的受伤人数和死亡人数,燃气泄漏、营业中断、人员伤亡赔偿等造成的经济损失,以及绿化植被破坏量和温室气体排放量。与此同时,借助Microsoft Access数据库以实现不同核算数据的储存及归档,在研究后期便可通过数据调用功能,针对岩溶区燃气管道灾害后果的影响程度开展整体量化分析,为灾害风险等级的确定提供数据支撑。

1.4.2 软件编制思路

为实现以上功能,软件的编制思路为用户首先确定灾害后果评估单元,然后依次输入研究区域的基础活动数据,软件计算量化火灾、爆炸灾害造成的危害面积、伤亡人数、经济损失和环境破坏情况,并通过Microsoft Access数据库实现分析数据的储存、归档及调用。软件总体编制思路和界面演示如图2和图3所示。

图2 总体编制思路Fig.2 Overall compilation idea

图3 软件界面演示Fig.3 Software interface demonstration

2 案例分析

贵州省毕节市织金县位于黔中经济核心区,属高中山及中山山地地貌,区内可溶性碳酸盐岩分布较为广泛,在长期溶蚀作用下地层裂隙和地下溶洞不断发育并相互贯通。近年来,在矿山无序开采、城镇化建设、持续强降雨、地震活动等多重因素影响下,每年发生明显地面塌陷超过40次,并愈发呈现增强趋势。县域管道工程隶属毕节市天然气管道“县县通”项目,是“一干两支”中金沙-纳雍天然气支线项目的重要组成部分,选择项目内分输燃气管段作为研究案例,基于PHAST-Visual Studio集成灾害后果评估方法开展案例分析。

2.1 灾害后果影响范围分析

结合织金县常年环境特征的实际情况,模型基本参数设置如表4所示。对于不同季节,区域内温度、风速等环境参数差异显著,且环境参数对模拟结果影响很大。因此,分别针对年平均值、夏季和冬季3种不同环境条件开展模拟分析。

表4 模型基本参数设置Table 4 Model basic parameter settings

2.1.1 火灾危害范围分析

燃气管道通常在一定输送压力下运行,在岩溶塌陷作用下管道发生失效泄漏时会形成倾斜射流[16],如果在泄漏口处被点燃,即会诱发喷射火等火灾危害。当火灾产生的热辐射强度足够大时,将引发周围物体燃烧或变形,强烈的热辐射可能造成设备烧毁甚至人员伤亡。燃气管道火灾的危害性主要通过火焰范围和热辐射引起的伤害半径来表征。基于PHAST软件对燃气管道的火灾危害开展仿真模拟,具体结果如表5所示。

表5 燃气管道火灾危害情况Table 5 Fire hazard of gas pipeline

由表5可知,不同环境条件下研究区域燃气管道火灾的影响规律如下。

(1)火灾热辐射强度沿下风距离总体呈抛物线形状的变化趋势。在3种不同的环境条件下,火焰最大长度排序为:夏季(36.12 m)>年平均(32.54 m)>冬季(30.74 m);最大危害距离排序为:夏季(27.41 m)>年平均(27.24 m)>冬季(27.16 m),即岩溶区燃气管道火灾风险管控的重点季节为夏季。

(2)在距离泄漏点0.30～27.24 m范围内(年平均值)、1.22～27.41 m范围内(夏季)以及12.38～27.16 m范围内(冬季),火灾导致的热辐射强度超过4 kW/m2,在该强度下建筑、设备等物体不会发生显著破坏(仅当辐射时间超过30分钟时,造成玻璃结构破裂),但会造成人员轻伤(辐射时间达20 s时可能导致二度烧伤),因此火灾发生后应及时对上述范围内的人员开展烧伤救护处置,同时确保在区内活动的抢修、救援人员穿着专业防护服。

(3)在距离泄漏点12.38 m范围内(冬季),火灾导致的热辐射强度超过12.5 kW/m2,在上述范围内应着重关注木质、塑料结构以及合成材料设备的损伤情况,避免物体发生燃烧或融化;同时火灾发生后应有效控制上述范围内人员承受的热辐射时间,尽可能将辐射时间控制在10 s内以避免人员一度烧伤,同时严格将辐射时间控制在60 s内以避免出现人员死亡。

2.1.2 爆炸危害范围分析

管道破裂后可燃气体与空气混合形成蒸汽云扩散。在扩散过程中达到一定浓度范围时,遇到火源则极易导致爆炸,爆炸的危害程度主要与冲击波超压有关。基于PHAST软件对燃气管道的爆炸危害开展仿真模拟,具体结果如表6所示。

表6 燃气管道爆炸危害情况Table 6 Explosion hazard of gas pipeline

由表6可知,不同环境条件下研究区域燃气管道爆炸的影响规律如下。

(1)爆炸超压沿峰值点向两侧呈抛物线形状的递减趋势。在3种不同的环境条件下,爆炸最远影响距离排序为:夏季(49.22 m)>年平均(47.21 m)>冬季(45.72 m),最大危害半径排序为:夏季(6.01 m)>年平均(5.71 m)>冬季(5.50 m),即岩溶区燃气管道爆炸风险管控的重点季节也为夏季。

(2)在爆炸峰值点3.30～5.71 m半径范围内(年平均值)、3.68～6.01 m半径范围内(夏季)以及3.12～5.50 m半径范围内(冬季),爆炸导致的冲击波超压大于20 kPa,在该强度下建筑物墙面开始出现裂缝,人员受到轻中度伤害。因此,应注重上述范围内建筑物墙面的安全防护;爆炸发生后应关注上述范围内人员的听器损伤、内脏轻度出血水肿、脑震荡以及软组织损伤等情况,并及时开展救护。

(3)在爆炸峰值点2.51～3.30 m半径范围内(年平均值)、2.67～3.68 m半径范围内(夏季)以及2.31～3.12 m半径范围内(冬季),爆炸导致的冲击波超压大于50 kPa,在该强度下木质建筑的房架出现松动,墙体由于大裂缝濒临倒塌,钢制结构开始损坏,人员由中度伤害逐步发育至重度伤害,致死率达到10%。因此,在上述范围内应尽可能避免木质建筑,注重提升钢骨架和轻型钢混建筑物的安全水平;爆炸发生后应关注上述范围内人员的内脏严重损伤、大面积出血等情况,并及时开展救护。

(4)在爆炸峰值点2.51 m半径范围内(年平均值)、2.67 m半径范围内(夏季)以及2.31 m半径范围内(冬季),爆炸导致的冲击波超压大于100 kPa,在该强度下即使是较为坚固的钢混建筑物也已出现损坏,人员受到严重伤害,致死率高达70%～100%。因此,上述区域为岩溶区燃气管道爆炸灾害风险管控最为重点的区域,灾害发生后应第一时间针对该范围内的人员生命和物质财产开展救援。

2.2 灾害后果影响程度计算

立足于织金县经济社会发展、岩溶自然地质和燃气管道工程特征,结合PHAST软件的仿真模拟结果以及编制的“岩溶区燃气管道灾害后果分析软件”,基于年平均环境条件评估燃气管道灾害导致的后果影响程度,评估过程中的基础参数来源如表7所示。

表7 基础参数来源Table 7 Source of basic parameters

2.2.1 综合人员危害面积计算

针对火灾危害,依据热通量危害准则,选取最小热辐射危害强度为4 kW/m2,其对应的火灾危害区域呈椭圆形状,侧风方向的危害半径为16.76 m,下风方向的危害半径为13.47 m,结合区域形状进一步将式(1)由以正圆为基准修改为以椭圆为基准的数学模型,通过计算得到岩溶区燃气管道火灾的危害面积为709.27 m2。针对爆炸危害,依据人员冲击波超压危害准则,选取最小冲击波超压危害强度为20 kPa,其对应的爆炸危害区域呈正圆形状,侧风和下风方向的危害半径均为5.71 m,通过计算得到岩溶区燃气管道爆炸的危害面积为102.43 m2。基于此,进一步结合喷射火、蒸气云爆炸的经验概率与式(3),最终得到岩溶区燃气管道灾害的综合人员危害面积为75.02 m2。

2.2.2 伤亡人数计算

基于热通量危害准则和人员冲击波超压危害准则,选取导致人员死亡的最小热辐射强度为37.5 kW/m2,最小冲击波超压强度为98 kPa。基于此,研究区域燃气管道失效泄漏导致的火灾将不会造成人员死亡,而爆炸造成的人员死亡半径为3.3 m,人员死亡面积的计算过程与人员危害面积类似,最终得到综合人员死亡面积为1.37 m2。考虑到县域燃气管道沿线大多为人口稠密的农村居民区,同时结合管道周边人口的实际分布情况,基于向上取整原则计算得到岩溶区燃气管道灾害可能导致的死亡人数为1人。通过剔除综合人员死亡面积,结合式(5)并基于向上取整原则计算得到灾害可能导致的受伤人数为8人(其中,重度伤害1人,轻中度伤害7人)。

2.2.3 经济损失计算

(1)燃气泄漏造成的直接经济损失。考虑到研究管段主要为县域农村居民区供气,参照区域燃气价格标准(一般生活用气),单位体积燃气价格取为2.61元/m3,结合仿真结果和燃气管道灾害事故历史维抢修水平,燃气泄漏速率取为1.49 kg/s,泄漏时间取为1.5 h,结合式(6)计算得到岩溶区燃气管道失效泄漏造成的直接经济损失为3万元。

(2)营业中断造成的间接经济损失。依据燃气管道的历史事故统计,管道失效泄漏后的平均停气时间为10 h,结合研究管段所属燃气公司的最新年度报告,公司日营业收入约为1.1万元,结合式(7)计算得到岩溶区燃气管道失效泄漏导致营业中断造成的间接经济损失为0.46万元。

(3)人员伤亡赔偿造成的间接经济损失。依据《最高人民法院关于审理人身损害赔偿案件适用法律若干问题的解释》《工伤保险条例》等,轻伤误工费一般赔偿3～7 d,重伤停工留薪期一般不超过12个月,出院后需要适度休息的一般按照实际情况赔偿2～3个月,致残时一次性伤残补助金至少发放7个月,受害人有固定收入的,误工费按照实际减少的收入计算,受害人无固定收入的,按照其最近三年的平均收入计算。考虑到研究区域燃气管道火灾、爆炸导致的人员轻伤主要包括二度烧伤、听器损伤、内脏轻度出血水肿、脑震荡以及软组织损伤等,而重伤则主要包括一级烧伤、内脏严重损伤、大面积出血等,因此轻中伤误工费赔偿2个月,重伤误工费赔偿12个月,同时由于研究管段位于农村地区,因此实际收入标准参照《织金县2022年国民经济和社会发展统计公报》中给出的农村常住居民年人均可支配收入(13 222元/年),即轻中伤误工费为0.22万元/人,重伤误工费为1.32万元/人,轻中伤医药费赔偿额度为1万元/人,重伤医药费赔偿额度为20万元/人。由于研究区域燃气管道灾害导致的可能受伤人数为8人(其中,重度伤害1人,轻中度伤害7人),结合式(8)计算得到岩溶区燃气管道灾害人员受伤赔偿造成的间接经济损失为29.86万元。

针对灾害事故的死亡赔偿,2022年最高人民法院审判委员会讨论通过的《最高人民法院关于修改<最高人民法院关于审理人身损害赔偿案件适用法律若干问题的解释>的决定》提出“改革人身损害赔偿制度,统一城乡居民赔偿标准”。基于此,参照《织金县2022年国民经济和社会发展统计公报》,城镇居民年人均可支配收入为37 645元,按20年计算,即死亡赔偿金为75.29万元/人;城镇居民年人均工资性收入16 005元,以6个月总额计算,即丧葬费为0.80万元/人。由于研究区域燃气管道灾害导致的可能死亡人数为1人,结合式(9)计算得到岩溶区燃气管道灾害人员死亡赔偿造成的间接经济损失为76.09万元。

2.2.4 环境破坏计算

(1)绿化植被破坏。基于热通量危害准则和冲击波超压危害准则,选取造成绿化植被破坏的最小热辐射强度为4 kW/m2,最小冲击波超压为20 kPa,植被破坏面积的计算过程与人员危害面积类似,计算得到综合植被破坏面积为75.02 m2。由于岩溶区燃气管道灾害对绿化植被的毁坏程度受到区域内植被覆盖率的显著影响,结合国民经济和社会发展统计公报,近年来区域内深入实施“森林扩面提质增效三年行动计划和十大生态修复工程”,2022年区域森林覆盖率达到63.02%,结合式(10)计算得到岩溶区燃气管道灾害导致的植被破坏量为47.28 m2。

(2)温室气体排放。结合近年燃气管道泄漏事故统计数据。例如,2016年2月20日遂宁市燃气管道爆炸起火事故,15:19遂宁市消防119指挥中心接到群众报警后奔赴现场,15:48成功关闭燃气总阀门;2020年9月4日巴中市水宁寺板门娅燃气管道泄漏火灾事故,09:38巴中市清江专职队接警后奔赴现场,10:07现场明火已基本熄灭并成功关闭燃气阀门;2021年9月3日毕节市七星关区碧阳大道燃气泄漏爆炸事故,14:26泄漏燃气在遇到挖掘机尾气管产生的火花后引发爆燃,15:00完成主管道关阀断料,经过十余分钟的扑救,15:14火势得以完全扑灭。基于此,针对燃气管道失效泄漏诱发的火灾爆炸事故,消防部门及燃气公司关阀堵漏作业的响应时间通常为30 min。基于《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》[17]确定燃气燃烧过程中的温室气体排放因子。结合仿真得到的燃气泄漏速率1.49 kg/s,将燃烧质量取为由事故发生至关阀堵漏作业完成期间泄漏的燃气总量,即为2 682 kg。结合式(11),同时依据《中华人民共和国气候变化第四次国家信息通报》中采用的全球增温潜势[18],将CH4及N2O统一转化为CO2排放当量CO2e,最终计算得到岩溶区燃气管道灾害过程中CO2排放量为8 367.95 kg,CH4排放量为0.15 kg,N2O排放量为0.01 kg,合计CO2排放当量为8 375.71 kg。

3 结论

将PHAST仿真方法和Visual Studio集成开发平台相结合对岩溶区燃气管道的灾害后果开展分析,通过将模型仿真数据和勘探实地数据同时嵌入后果评估体系,弥补以往研究的评估主观性问题;通过参考政府、行业、企业等颁布的标准条例,将社会科学思想带入工程风险评价研究;通过计算机软件编程提高灾害后果分析效率;结合灾害危害准则研判差异化建筑伤情(玻璃结构、木制结构、塑料结构、合成材料、钢制结构等)和人员伤情(烧伤、听器损伤、脑震荡、软组织损伤、内脏损伤出血等),并提出针对性风险管控措施;立足危害面积、伤亡人数、经济损失和环境破坏4个维度,兼顾经济社会发展特征、岩溶自然地质特征和燃气管道工程特征量化灾害后果,从而有助于显著控制岩溶区燃气管道的灾害风险水平。得出如下结论。

(1)火灾热辐射强度沿下风距离总体呈抛物线形状的变化趋势。在3种不同的环境条件下,最大危害距离排序为:夏季(27.41 m)>年平均(27.24 m)>冬季(27.16 m),即岩溶区燃气管道火灾风险管控的重点季节为夏季。在距离泄漏点0.30～27.24 m范围内(年平均值)、1.22～27.41 m范围内(夏季)以及12.38～27.16 m范围内(冬季),火灾导致的热辐射强度超过4 kW/m2;在距离泄漏点12.38 m范围内(冬季),火灾导致的热辐射强度超过12.5 kW/m2。

(2)爆炸超压沿峰值点向两侧呈抛物线形状的递减趋势。在3种不同的环境条件下,爆炸最大危害半径排序为:夏季(6.01 m)>年平均(5.71 m)>冬季(5.5 m),即岩溶区燃气管道爆炸风险管控的重点季节也为夏季。在爆炸峰值点3.30～5.71 m半径范围内(年平均值)、3.68～6.01 m半径范围内(夏季)以及3.12～5.50 m半径范围内(冬季),爆炸导致的冲击波超压大于20 kPa;在爆炸峰值点2.51～3.30 m半径范围内(年平均值)、2.67～3.68 m半径范围内(夏季)以及2.31～3.12 m半径范围内(冬季),爆炸导致的冲击波超压大于50 kPa;在爆炸峰值点2.51 m半径范围内(年平均值)、2.67 m半径范围内(夏季)以及2.31 m半径范围内(冬季),爆炸导致的冲击波超压大于100 kPa。

(3)当研究区域发生燃气管道灾害时,其造成的综合人员危害面积为75.02 m2;灾害导致的可能死亡人数为1人,受伤人数为8人(其中,重度伤害1人,轻中度伤害7人);燃气泄漏造成的直接经济损失为3万元,营业中断造成的间接经济损失为0.46万元,人员受伤赔偿造成的间接经济损失为29.86万元,人员死亡赔偿造成的间接经济损失为76.09万元;灾害导致的植被破坏量为47.28 m2;灾害过程中合计CO2排放当量为8 375.71 kg。