基于GIS的城市燃气管网风险评价

式中， D ——梯度的宽度（ D 是严重度评价 精度的决定条件之一，取值越小，精度越高，但计算 量增大） ；i——梯度级数，取值 1，2，3，4……。 3.4 承灾体易损性评价 （1）对于静止类承灾体，利用数据预处理得到的 图层数据和相应的抗热辐射性、 抗超压性， 根据易损性 评价模型，计算各承灾体的易损性并添加到属性表中。 （2）对于非静止类承灾体，根据易损性评价模 型确定个体的平均易损性， 并将其作为该类承灾体的 易损性添加到属性表中。 （3） 以易损性评价数据为基础进行易损性分级， 得到承灾体的易损性等级分布图。 3.5 承灾体风险评价
3.2 数据预处理 （1）为便于分析，根据承灾体自身特点将其划 分为两类：①静止类：建筑物，道路，土壤，植被， 电缆，自来水管道等；②非静止类：人员，车辆等。 （2）以研究区域地形图为基础图层，结合燃气 管网系统布置图和遥感影像，在 ArcGIS 中经配准、 矢量化等操作，分别提取建筑物、道路、土壤、植被、 电缆、自来水管道的分布图层。 （3）根据研究区域地形图建立人员图层，将研 究区域划分成（ d h ）的地理单元格，并根据 遥感影像和统计数据确定各单元格的人口密度， 得到 人口密度分布图。 根据该方法再建立车辆等非静止类 承灾体的密度分布图层（ d 、 h 分别为地理单元 格的长和宽，可根据评价精度要求适当取值，一般划 分成边长合适的正方形单元格）。 （4）根据统计的承灾体材料、结构、建设时间 等属性数据，确定各承灾体的抗热辐射性、抗超压性 及经济价值，并添加到属性表中。 （5）通过链接当地气象网站，获取研究区域实 时气象数据，主要包括气温、气压、风向等。 3.3 事故严重度评价 （1）根据上步得到基础数据，应用专家评分法 确定管道失效模式及失效概率； 再结合实时气象数据 确定危害模式及发生概率。 （2）根据管道内压、管径、内外温度等管道参 数计算管道泄漏速率、泄漏量及热通量和 TNT 当量， 再以 D i 为距离计算热辐射强度和冲击波超压值，根 据事故严重度评价模型得到严重度关于距离 D i 的梯 度关系，并利用 ArcGIS 软件的缓冲区分析功能得到 严重度分布图。其中， D i 的值如（13）式。
V (K I I K P P ) 1
（11）
式中，V——易损性；K I ——承灾体的抗热辐射 性，0~1； I ——抗热辐射性权重； K P ——承灾体 的抗超压性，0~1； P ——抗超压性权重。 2.4 风险可接受度分析 对于城市燃气管道而言， 承灾体始终处于其可能 影响的范围内，故风险也是必然存在的，但相关部门 和企业关注的主要是超出承灾体所能承受的风险， 称 之为超出可接受度的风险， 可根据承灾体所能承受的 严重度计算风险可接受度[19-20]。 通过资料分析确定承灾体可承受的热辐射严重 度和冲击波超压严重度，结合相应的易损性，即可求 得承灾体风险可接受度，如式（12） 。
4.3 承灾体易损性评价结果 根据选定的抗超压性、 抗热辐射性指标得到承载 体易损性评价结果，并根据“自然间断点分级法” 进 行易损性分级显示，结果如图 4 所示。比较分析表明 易损性评价结果符合实际情况。
4
试验及分析
4.1 试验数据 图 2 所示为研究区域主管道布设网图。 已知管道 直径为 DN80，材质为钢管，管道压力级制为中压，管 内压力为 0.4MPa， 并且已知该区域管道建设时间及其 运营情况，以及该区域环境活动情况。根据经验确定 泄漏、穿孔和破裂三种失效模式的概率分别为 54%、 [22] 29%、17% ，以及燃气持续性泄漏发生喷射火、火球 [23-24] ， 或闪火、爆炸的概率分别为 0.1、0.08、0.06 进行环境综合风险评价。
Risk Assessment of City Gas Pipeline Based on GIS
OU Guo-min WANG Ze-gen XI Ming-jun
1
引言
价，进而得出环境综合风险及其空间分布特征，辅助 相关部门和企业更科学地管理城市。
近年来， 相关学者针对城市燃气管道提出了许多 风险评价方法 [1-2] ，传统的管道风险评价可以识别管 道是否存在风险，以及风险水平或等级，但不能准确 告知用户和决策人员管道事故的承灾体及其空间分 布和风险水平。 随着燃气管道的增多和城市建设的加 快， 这样的评价方法已不能满足相关人员对管道安全 和城市安全管理的需要， 故我们将 GIS 的空间数据管 理能力和空间分析功能应用到管道的安全管理中， 实 现对管道及管道周边各类承灾体风险的准确科学评
S
fj sj j
1
m
S 2.513 I
（2）
表2 I1 I2 10.5 模拟 I 值数据 I3 19.0 I4 29.5 I5 40.0
（7）
Sj
p jk s jk k
1
n
（3）
0
式中，fj——失效模式 j 的失效概率；Sj——失 效模式 j 的危害严重度； Pjk——危害模式 k 的发生概 率；Sjk——危害模式 k 的危害严重度。 管道的失效模式包括泄漏、穿孔和破裂，危害模 其中， 喷射火、 式包括喷射火、 闪火、 火球和爆炸[5-6]。 闪火、火球对周围环境的影响方式主要是热辐射[7]， 爆炸对承灾体的伤害主要是冲击波超压[8]。 2.2.2 热辐射危害严重度 （1）喷射火热辐射强度计算[9-10]如（4）式。
S k Pk k
1
5
I
QTc 4 d 2
（5）
式中，Q——燃烧时热辐射通量；Tc——导热系 数；d——点热源到目标的距离。 （3）热辐射危害严重度是关于热辐射强度的单 值函数[11-12] ，两者的相对关系见表 1，利用线性拟合 可得到严重度与热辐射强度的关系满足式（6） 。
表3 伤害严重度 S 超压 P（kPa）
64
测绘第 38 卷第 2 期 2015 年 4 月
（1）根据风险评价模型，利用以上分析得到的 事故严重度分布图和承灾体易损性等级分布图进行 叠加分析，得到每个承灾体的风险并显示。 （2）利用分析得到的承灾体可接受风险阀值， 进 行比较分析， 可得到超过阀值的承载体及其空间分布。 3.6 环境风险评价 根据环境风险评价模型，以货币作为风险当量 值，利用上步分析得到的各个承灾体的风险值，经叠 加分析可得到环境的综合风险评价结果， 经重分类生 成风险分级分布图。
S c p e
式中 c、e 满足如下关系：
5 5 2 c P e Pk k k 1 k 1 5 c P 5e 250 k k 1
（9）
式中，I——热辐射强度；q——点热源的辐射通 量；d——点热源到目标的距离；R——发射率，取决 于燃烧物质的性质。 （2）火球或闪火热辐射强度计算如（5）式。
2
风险评价体系
管道周边环境的综合风险是指管道周边环境中 受到威胁的各类承灾体的风险叠加， 这些承灾体主要 包括人员、车辆、建筑物、土壤、植被、水系及其他 设施设备。在 GIS 平台上，利用管道数据库定量分析 事故严重度和承灾体的易损性， 通过 GIS 的空间分析 工具得到环境的定量风险并实时可视化。 管道周边环 境风险评价体系如图 1 所示。
式中 a、b 满足如下关系：
5 5 2 a I b Ik k k 1 k 1 5 a I 5b 250 k k 1
S kI k k
1
5
R
i
1 1
SViC i
（1）
表1
严重度与热辐射强度的关系 0 I1 25 I2 50 I3 75 I4 100 I5
2.2.3 超压危害严重度 ： （1）冲击波超压计算[13]如式（8）
d P 0.71106 3 M TNT

2.09
（8）
I
5qR 4 d 2
（4）
式中，P——冲击波超压；MTNT——爆炸的 TNT 当 量质量；d——蒸气云爆炸中心到目标的距离。 （2）爆炸危害严重度是关于冲击波超压的单值 函数[14-16] ，两者的相对关系见表 3，利用线性拟合可 得到严重度与超压的关系如（9）式。
图4
易损性等级分布图
4.4 环境风险评价结果 利用建立的风险评价方法， 通过将事故严重度和 承灾体易损性进行叠加分析， 最后得到环境的综合风 险，并将结果可视化显示如图 5 所示。
图5
环境综合风险分布图
图2
研究区域及管网分布图
4.2 事故严重度评价结果 事故严重度评价结果如图 3 所示。根据管道属性确 定的一、二、三级伤害严重度的半径，在 ArcGIS 中通过 缓冲区分析即可得到图中所示的伤害严重度分布图，图 中深色覆盖区域严重度为一级，随着与管道的直线距离 逐渐增大，伤害严重度也逐渐降低，分别为二级、三级。
式中， R——环境风险值当量； S——事故严重度； Vi——第 i 类承灾体的易损性；Ci——第 i 类承灾体 的货币价值。 2.2 严重度分析 2.2.1 事故严重度评估模型 。 事故严重度评估模型[4]如式（2）
伤害严重度 S 热辐射强度 I( kw m 2 )
通过模拟得到 I1—I5 的值如表 2 所示，从而得到 严重度关于热辐射强度的函数如式（7）。
图1
管道周边环境风险评价体系
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测绘第 38 卷第 2 期 2015 年 4 月
2.1 环境风险评价模型 为便于不同承灾体之间的风险比较分析，通过货 币化风险定量评价，可以进行不同承灾体之间的风险 比较与分析、综合风险分析与统计和复杂环境下风险 （1） 。 分析与评价、 决策。 确定环境风险评价模型[3]如式
பைடு நூலகம்
R S VC
（12）
式中： R ——可接受风险值当量； S ——承灾 体可承受严重度；V——承灾体易损性；C——承灾体 自身经济价值。
Di D(i )
1 2
（13）
3
风险评价步骤