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城市燃气管道泄漏多因素耦合致灾机理与灾害控制研究

杨凯  
【摘要】:随着城市经济的快速发展,对燃气的需求量越来越大,城市燃气管道作为城市燃气运输的主要工具,越来越容易受到复杂城市环境的影响而发生失效泄漏,在灾害因素的共同作用下城市燃气泄漏灾害后果更加严重,灾害形势更加复杂。因此基于系统科学的城市燃气管道泄漏多因素耦合致灾机理研究,从宏观视角全面把握燃气管道泄漏灾害系统构成、多因素耦合致灾机理与灾害演化过程,为城市燃气管道泄漏灾害的防治与控制提供理论依据。本文针对城市燃气管道泄漏灾害中的一些关键问题做了以下研究:(1)定义了城市燃气管道泄漏灾害的内涵,基于灾害学与系统科学,提出了包含孕灾环境、致灾因子、承灾体、灾情的燃气管道泄漏灾害系统框架结构。对大量文献研究方法对指标进行了详细的分析,掌握了各指标对灾害系统的影响行为,提出了灾害系统备选指标,并采用事故案例统计与情景分析法确定了灾害系统的三级指标体系。事故统计还发现城市燃气管道泄漏灾害以火灾、爆炸为主,灾害间存在相互转化现象。灾害系统环境、结构和功能分析发现灾害系统功能为产生灾害,灾害环境包括城市社会环境和自然环境。对城市燃气管道泄漏过程进行分析,发现灾害过程具有时空效应以及耦合效应,从孕灾环境稳定性、致灾因子风险性、承灾体脆弱性角度,构建了致灾过程的数学模型,并描述了灾害系统的损失速率和损失度。(2)采用数学语言定义了灾害系统耦合过程,按耦合因素数量对耦合类型进行分类,并分析因素耦合效应,借助有机化学官能团概念,阐述了管道泄漏灾害系统的耦合过程。利用系统动力学构建了灾害系统不同层次的耦合因果关系模型,发现了系统因素耦合路径。构建了城市燃气管道泄漏灾害耦合度计算模型,并采用熵权法对模型进行修正,通过示例研究分析了耦合度模型的有效性,该模型可用于城市燃气管道泄漏灾害系统耦合度评价。(3)采用图论工具刻画了城市燃气管道泄漏多因素耦合条件下的动态致灾过程,即在城市长期建设发展过程中逐渐形成了复杂的孕灾环境,它受社会环境与自然环境的共同影响,城市承灾体由城市社会-经济-环境共同构成,它与孕灾环境密不可分,它们几乎同时出现,最早发生耦合作用,另外在孕灾环境中随着燃气泄漏,会逐渐形成火灾、爆炸、毒害气体等致灾因子,孕灾环境与致灾因子耦合作用,使致灾因子具有更强的破坏性,当孕灾环境-致灾因子-承灾体同时作用时,灾害正在发生,而当承灾体作用于致灾因子时就是灾害控制和救援过程。(4)基于系统动力学理论,分析灾害系统的反馈效应和延迟效应,发现正反馈促进灾害发生,负反馈使灾害趋于稳定,延迟效应影响灾害信息的传递和救援速度。明确了系统建模目的、参考模式、系统边界,框图分析表明了灾害信息在系统内的流动方向。提出火灾灾害子系统、爆炸灾害子系统、毒害气体灾害子系统的建模思路,并利用Vensim构建了城市燃气管道泄漏灾害系统动力学模型,静态分析明确了子系统边界和主要反馈环。(5)设置灾害场景对模型开展实证分析,建立系统方程并输入参数,并对模型进行调试和检验。仿真分析发现系统与参考模型吻合度较好,灾害损失度呈现“S”型增长,损失速率呈二次抛物线型增长,其中爆炸速率增长最快、火灾次之,毒害气体最慢。灾害子系统内部耦合度增加会提高灾害损失速率,子系统间耦合度增加会提高灾害损失度和加快灾害速度,救灾能力减少会降低灾害救援速率,当延迟小于0.125Hour时,对灾害救援几乎没有影响,而大于等于0.125Hour时,随着延迟时间增加,灾害损失速率加快。(6)在城市燃气管道泄漏多因素耦合致灾机理研究基础上,提出基于事故致因理论的燃气管道失效和泄漏预防措施以及基于解耦理论的灾害控制措施。


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