城市天然气网络地震风险评估方法研究

推荐 本研究针对地震对城市天然气网络造成的破坏问题，开展了物理模型驱动的评估研究。研究人员通过开发基于Python的Pandapipes模拟工具，量化了地震引发的地表运动和土壤变形对燃气管道的影响，识别出网络中的脆弱节点和断裂风险区域。研究结果表明，地震导致的管道破裂和泄漏将使15%的家庭用户和8%的商业用户失去燃气供应，这一发现为城市基础设施抗震加固提供了科学依据，对提升社区韧性具有重要意义。

　　

论文解读
地震作为最具破坏性的自然灾害之一，对现代城市基础设施构成严重威胁。城市天然气网络作为关键的能源供应系统，在地震发生后若遭受破坏，不仅会影响居民日常生活，还可能引发火灾或爆炸等次生灾害，对社区恢复力造成重大影响。然而，目前针对大规模天然气网络的地震脆弱性评估仍存在诸多挑战，特别是如何准确模拟地震引发的地表运动和土壤变形对管道的影响，以及如何量化这些影响导致的供应中断风险。

为解决这些问题，来自意大利的研究团队开展了系统性的研究工作。他们开发了一种基于物理模型的评估方法，利用Python编写的Pandapipes工具对城市天然气网络进行建模和分析。研究选取了一个虚拟的中型欧洲城市"Ideal City"作为案例，该城市面积约120平方公里，拥有90万人口和复杂的天然气网络结构。通过模拟1994年北岭地震的情景，研究人员能够量化地震对网络的影响，并识别出最脆弱的节点和区域。

研究结果表明，在模拟地震情景下，约15%的家庭用户和8%的商业用户将失去天然气供应。具体而言，地震导致的管道破裂主要集中在城市西北部地区，而泄漏问题则在靠近震中的南部区域更为严重。研究还发现，建筑物损坏对网络组件的影响显著，特别是那些位于完全损毁建筑物内的计量/减压（M/R）站和减压组（RG）组件，这些组件的失效将进一步加剧供应中断的风险。

研究采用了多项关键技术方法。首先，利用HAZUS模型评估永久地面变形（PGD）对管道的影响，该模型基于土壤液化等地质灾害数据计算PGD值。其次，采用Campbell和Bozorgnia地面运动模型估算峰值地面速度（PGV），这是评估地震动强度的重要参数。最后，通过Pandapipes工具实现网络建模和仿真，该工具能够模拟管道中的流体动力学特性，并计算压力变化和流量分布。

在结果分析部分，研究团队首先评估了地震对管道的直接影响。通过比较PGV和PGD值与预先建立的脆弱性函数，确定了可能发生破裂和泄漏的管道段。然后，将这些结果输入Pandapipes模型，更新网络状态并计算压力损失。结果显示，部分MP4级管道在破裂后导致下游网络压力下降，甚至影响到MP6级管道的正常运行。此外，建筑物损坏导致约86%的住宅建筑完全损毁，这些区域内的网络组件被标记为失效。

研究还引入了天然气网络风险指数（R_NG），定义为仍能获得天然气供应的用户数与总用户数的比值。计算结果显示，地震后家庭用户的R_NG值为0.85，商业用户为0.92，表明大部分用户仍能获得供应，但仍有相当比例的用户面临供应中断的风险。这一指数为决策者提供了量化评估工具，有助于优先考虑加固最脆弱的网络组件。

这项研究的重要意义在于，它提供了一种系统的方法来评估地震对城市天然气网络的影响，并识别出关键的脆弱点。通过量化供应中断风险，研究结果可为城市基础设施的抗震加固提供科学依据。此外，研究中开发的Pandapipes模型和R_NG指数具有广泛的应用潜力，可推广至其他城市和基础设施系统的风险评估中。

研究还强调了考虑建筑物损坏对网络组件影响的重要性。由于许多网络组件位于建筑物内部，这些建筑物的损毁将直接导致相关组件的失效。因此，在未来的抗震设计中，应特别关注这些关键组件的抗震保护，或将它们安装在抗震性能更好的建筑物内。

最后，研究指出，通过实施大规模地震情景模拟，可以识别出网络中最脆弱的元素，为有针对性的加固策略提供指导。例如，可以考虑更换管道材料、分段管道或安装抗震装置等措施来提高网络的抗震能力。此外，研究结果还表明，在新设计中应优先考虑将网络组件安装在抗震性能更好的建筑物内，或为这些组件配备专门的抗震设备。

总体而言，这项研究为城市天然气网络的地震风险评估提供了一种创新的方法，并揭示了地震对城市能源供应系统的潜在影响。通过量化供应中断风险和识别关键脆弱点，研究结果为决策者提供了科学依据，有助于制定更有效的抗震加固策略，从而提高城市社区的韧性。