李天祺，趙振東，余世舟

(1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150080)

爆炸是一種危害性極大的災(zāi)害形式，其產(chǎn)生的沖擊波和熱輻射會(huì)造成人員傷亡和建筑物的破壞［1］。特別是象加油站、石油液化氣儲配站等位于城市中的易燃易爆危險(xiǎn)源［2］，處于人員和建筑設(shè)施相對集中密集的區(qū)域，一旦發(fā)生爆炸，會(huì)造成慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失［3］。這就需要我們加強(qiáng)危險(xiǎn)源的日常管理，同時(shí)還應(yīng)對爆炸可能造成的危害進(jìn)行評估，來指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)工作的進(jìn)行。其中的每一過程和環(huán)節(jié)都與空間的地理要素密切相關(guān)，如災(zāi)害造成破壞區(qū)域的范圍、災(zāi)害發(fā)生地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性及抗災(zāi)能力、人員分布、災(zāi)害評估、災(zāi)害應(yīng)急救助措施及預(yù)案等。因而以地理信息系統(tǒng)為平臺進(jìn)行相應(yīng)研究，已成為綜合防災(zāi)的重要工具和手段，建立在具有強(qiáng)大空間分析功能的地理信息系統(tǒng)上的減災(zāi)系統(tǒng)，將在防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮快速、準(zhǔn)確的輔助決策作用［4］。

地理信息系統(tǒng)是建立在統(tǒng)一地理坐標(biāo)基礎(chǔ)上的空間信息系統(tǒng)，它利用地學(xué)模型來進(jìn)行管理［5］?；贕IS的爆炸災(zāi)害數(shù)值模擬可以直觀地給出災(zāi)害危害區(qū)域的范圍，在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出相應(yīng)的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失情況，有助于對災(zāi)害危險(xiǎn)源的日常管理并可在災(zāi)時(shí)提供應(yīng)急救災(zāi)決策的依據(jù)。

1 分析模型

1.1 基本理論

爆炸可以產(chǎn)生多種破壞效應(yīng)，如輻射、一次破片作用等。沖擊波是最危險(xiǎn)、破壞力最強(qiáng)、破壞區(qū)域最大的破壞效應(yīng)。影響沖擊波破壞效應(yīng)的主要因素有:①?zèng)_擊波的性質(zhì)，如超壓、持續(xù)時(shí)間、沖量等;②目標(biāo)物特征，如人的年齡、性別、體重、身體素質(zhì)，建筑物的高度、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料等;③沖擊波與目標(biāo)物的相互作用方式。常見的沖擊波傷害-破壞準(zhǔn)則有:超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、壓力-沖量準(zhǔn)則［6］。本文采用超壓準(zhǔn)則。

表1和表2分別給出了建筑物破壞和人員傷亡的超壓準(zhǔn)則。

表1 建筑物破壞的超壓準(zhǔn)則

表2 人員傷亡的超壓準(zhǔn)則

1.2 人員傷亡區(qū)域模型

人員的傷害分區(qū)有3個(gè)等級:死亡區(qū)的外徑為圓周處因沖擊波作用導(dǎo)致肺出血而死亡的概率為0.5的半徑;重傷區(qū)外徑為圓周處因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.5的半徑;輕傷區(qū)的外徑為圓周處因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.01的半徑。

死亡區(qū):

式中:R0.5為死亡區(qū)半徑(m);E為爆源總能量(kJ)。

重傷區(qū):

式中:R3為重傷區(qū)半徑(m);P0=5 000 Pa;ΔP=44 000 Pa。

輕傷區(qū):數(shù)學(xué)模型同重傷區(qū)模型，其中ΔP=17 000 Pa。

1.3 建筑物破壞區(qū)域模型

把建筑物的破壞分為5個(gè)等級，各區(qū)域外徑由下式?jīng)Q定:

式中:Ri為不同破壞等級區(qū)域半徑(m);Ki為破壞常數(shù)，由表3確定;WTNT為爆源處TNT當(dāng)量(kg)。

表3 建筑物破壞等級劃分

2 應(yīng)急損失評估

2.1 基本假定

在損失評估中應(yīng)用了以下假定:

(1)事故的傷害或破壞效用是各向同性的，傷害和破壞區(qū)域是以單元中心為圓心，以傷害或破壞半徑為半徑的圓形區(qū)域。在傷害和破壞區(qū)域內(nèi)無障礙物。

(2)在傷害區(qū)內(nèi)人員全部被傷害;在傷害區(qū)外人員均不被傷害。

(3)在破壞區(qū)內(nèi)財(cái)產(chǎn)全部損失，區(qū)外財(cái)產(chǎn)毫無損失。

(4)事故發(fā)生使正常生產(chǎn)、生活和經(jīng)營受到影響，由此而引起的間接損失不予考慮。

(5)不考慮各種預(yù)防措施對計(jì)算模型的影響。

2.2 傷亡人數(shù)評估

(1)死亡人數(shù)計(jì)算:

式中:ρ1為死亡區(qū)平均人員密度(人/m2);R0.5為死亡區(qū)半徑(m)。

(2)重傷人數(shù)計(jì)算:

式中:ρ2為重傷區(qū)平均人員密度(人/m2);Rd0.5為重傷區(qū)外徑(m)。

(3)輕傷人數(shù)計(jì)算:

式中:ρ3為輕傷區(qū)平均人員密度(人/m2);Rd0.01為重傷區(qū)外徑(m)。

2.3 財(cái)產(chǎn)損失評估

(1)財(cái)產(chǎn)損失計(jì)算

事故直接財(cái)產(chǎn)損失C(萬元)計(jì)算如下:式中:ρ4為破壞區(qū)平均財(cái)產(chǎn)密度(萬元/m2)。

(2)損失工作日數(shù)的計(jì)算

由于人員傷亡而損失的工作日數(shù)N(d)為:

式中:6 000、3 000、105分別為死亡、重傷和輕傷一人折合成的損失工作日數(shù)。

(3)事故總后果的計(jì)算

如果把人員傷亡換算成財(cái)產(chǎn)損失，則可用總財(cái)產(chǎn)損失S(萬元)來表示事故的嚴(yán)重度。

式中:b為死亡一人損失的價(jià)值，建議取值20萬元。

3 GIS下的應(yīng)用

3.1 程序流程

本文中的數(shù)值模擬是在ArcView8.1平臺上進(jìn)行的。GIS具有很強(qiáng)的對復(fù)雜的地理系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和過程動(dòng)態(tài)分析能力，但數(shù)值計(jì)算能力相對較差［7］。這里通過用VC++編寫的DLL動(dòng)態(tài)擴(kuò)展程序，對數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，返回的數(shù)據(jù)再在GIS下完成圖形數(shù)據(jù)的分析和顯示，從而提高了程序的整體運(yùn)行速度。在數(shù)值模擬的圖形顯示中，把數(shù)值模擬圖形以新的圖層給出，設(shè)置成半透明狀態(tài)，從而更容易確定模擬圖形的相對位置，對新生成圖層中的不同圖形用顏色加以區(qū)分。程序流程如圖1所示。

圖1 爆炸模擬程序流程圖

3.2 參數(shù)輸入

進(jìn)行爆炸模擬時(shí)，首先需要確定兩個(gè)參數(shù)，分別為爆源能量和環(huán)境壓力。環(huán)境壓力是指爆源周圍的大氣壓，一般為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;爆源能量是指爆源的總能量，這里要求的單位為噸(TNT)。TNT爆熱與爆源能量的換算關(guān)系為:1(kg)TNT爆熱相當(dāng)于4 520 kJ爆源能量。

3.3 結(jié)果顯示

圖2、圖3分別顯示爆源為60tTNT爆炸對建筑物的破壞分區(qū)和對人員的傷害分區(qū)。破壞分區(qū)共有5個(gè)等級;人員的傷害分區(qū)有3個(gè)等級。在圖中，人員的傷害區(qū)域和建筑物的破壞區(qū)域均以半透明的方式顯示，可以清楚地了解到各區(qū)域覆蓋的建筑和設(shè)備。

圖2 建筑物破壞區(qū)域范圍

圖3 人員傷亡區(qū)域范圍

在人員的傷害區(qū)域和建筑物的破壞區(qū)域顯示完成后，將給出計(jì)算結(jié)果的顯示窗口，如圖4所示。圖中給出了各區(qū)域的覆蓋面積、圖形半徑、人員傷亡人數(shù)、財(cái)產(chǎn)損失值和事故嚴(yán)重度的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算過程前需要調(diào)查確定區(qū)域內(nèi)人員和財(cái)產(chǎn)的分布數(shù)值，這里假定人員分布密度為0.01人/m2，財(cái)產(chǎn)分布密度為0.1萬元/m2。

圖4 損失計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于GIS，對爆炸造成的人員傷亡和建筑物破壞區(qū)域進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對災(zāi)害造成的后果進(jìn)行了應(yīng)急評估。利用GIS的空間分析功能，能夠直觀的給出災(zāi)害造成危害的區(qū)域范圍，有助于加強(qiáng)對于危險(xiǎn)源的日常管理，也為決策者提供了應(yīng)急救災(zāi)輔助決策的科學(xué)依據(jù)［8］。

災(zāi)害模擬中使用的數(shù)學(xué)模型都有一些假定的條件，多為理想狀態(tài)，模擬的結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有一定的差距，但作為參考依據(jù)，總體上把握災(zāi)情的結(jié)果和變化是具有一定應(yīng)用價(jià)值的。

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［2］崔輝，徐志勝，宋文華，等.有毒氣體危害區(qū)域劃分之臨界濃度研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2008，23(3):80－84.

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［4］余世舟，趙振東，鐘江榮.基于GIS的地震次生災(zāi)害數(shù)值模擬［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2003，12(4):100－105.

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