基于数值模拟的洪水引发Natech情景高级分析方法

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：An Advanced Numerical-Simulation-based Analysis Methodology for Flood-induced Natech Scenarios

　　

摘要：尽管欧盟塞维索III指令等若干法规明确规定了须考虑自然灾害引发的技术事故（Natech）风险，但洪水导致储罐失效的机制及其后续化学品扩散过程仍缺乏深入理解。为弥补这一空白，本文提出了一种基于数值模拟的方法学，用于模拟和分析储罐区在洪水引发的Natech情景下的事故过程。该方法学将三种失效模式——浮起、滑移和屈曲——与泄漏液体的扩散过程进行定量关联。一种基于力触发的用户自定义函数（UDF）依据储罐失效判据激活破损口，并根据液位、破损尺寸和破损方位更新泄漏源项。该UDF利用if-else逻辑动态更新包容丧失状态。随后，可评估不同失效模式组合下危险化学品初始泄漏速度和质量流量。进一步刻画了洪水驱动下泄漏危险化学品的扩散过程。与分别评估储罐失效和泄漏后输送的方法不同，所提出的框架将破损激活、泄漏和洪水驱动的扩散过程集成在单一瞬态计算中。案例研究表明，所开发的方法学能够捕捉二次溢油风险的动态演化过程，并实现对受洪水影响化工厂灾害影响的全面分析。总体而言，这些发现为识别和减轻洪水引发的Natech风险提供了有价值的见解。

引言 塞维索设施是指生产、加工、处理、使用或储存危险物质的工业设施，如化工厂、炼油厂和大型燃料库。此类设施发生火灾、爆炸或危险物质释放可能导致严重后果，因此风险分析和事故预防对于塞维索场所至关重要（Nakhal Akel等，2025；Paltrinieri和Reniers，2017）。传统的工艺安全评估通常聚焦于内部事故引发因素和工艺偏差，如设备故障、操作失误、工艺参数偏差和安全屏障失效（Dunjó等，2010；Myers，2013；Pitblado等，2016）。然而，尽管塞维索III指令明确要求在重大事故预防中考虑自然灾害，但许多基于安全屏障的方法对气候变化对外部危险条件潜在影响的考虑仍不充分。Natech事件，即由自然灾害引发的技术灾难（Suarez-Paba等，2019；Krausmann等，2019），已成为工艺安全领域的主要研究焦点。当前的安全评估方法和工程实践在定量表征多灾种交互、设备脆弱性、事故升级以及资源受限条件下的应急响应方面仍显不足。这一空白对化工厂构成重大安全挑战，特别是当自然灾害与工业系统相互作用并导致级联失效和后果升级时（Reniers等，2018；Paolacci等，2026）。因此，研究人员已意识到Natech事件的风险，并开展了大量研究以增强化工设施的韧性。

洪水是Natech事故中最常见且具有破坏性的灾害之一。具体而言，洪水并非普通的气象灾害，它能够损坏工艺设备并削弱安全屏障。IPCC第六次评估报告指出，全球变暖已增加了许多地区极端降水的强度和频率及相关的洪涝灾害（IPCC，2023；Tabari，2020）。联合国减少灾害风险署的灾害风险报告进一步显示，自2000年以来，有记录的洪水灾害数量比前二十年增加了134%（UNDRR，2025）。基于卫星的证据进一步表明，全球暴露于洪水风险的人口大幅增加，2000年至2015年间，居住在观察到 inundation区域的额外人口达5800万至8600万（Tellman等，2021）。洪水引发的Natech事故造成了许多严重的工业和环境后果（Cozzani等，2010）。例如，2011年东日本大地震和海啸期间，仙台风浦损坏的燃料罐中泄漏的船用柴油在海上燃烧，形成了大面积溢油火灾（Nishino和Imazu，2018）。2017年，德州Arkema化工厂被飓风Harvey淹没，冷却系统失效导致有机过氧化物分解、释放并点燃（Misuri等，2019；Qin等，2020）。2023年，地中海风暴Daniel导致利比亚德尔纳盆地大坝失效和严重城市内涝，造成重大人员伤亡和基础设施损毁（Armon等，2025）。洪水引发的Natech事故可通过设备损坏和危险物质泄漏造成严重后果。在不同类型的工艺单元中，储罐尤其脆弱，频繁卷入洪水引发的工业事故。一旦储罐损坏，危险物质可能泄漏并被洪水携带，进一步扩大影响范围并增加事故演化复杂性。因此，储罐已成为洪水引发的Natech风险评估的关键关注点。

过去三十年来，洪水引发的Natech风险研究已从事故案例分析、定性风险识别逐步发展为基于数据库的评估、设备脆弱性建模、定量易损性分析和后果评估（Brignone等，2025；Castro Rodriguez等，2025；Hu等，2026；Jiang等，2026；Kad?o?lu，2026）。常压储罐在洪水荷载下可能通过浮起、滑移、倾覆、屈曲、接管断裂或壳体破裂等方式失效（Landucci等，2012；Khakzad和Van Gelder，2018）。Antonioni等（2015）将洪水引发的设备损坏和危险物质释放纳入定量风险评估框架，为厂区规模的Natech风险分析提供了重要基础。近期的综述总结了水文气象Natech风险管理、事故数据库以及定性和定量评估方法的发展（Mao等，2024；Brignone等，2025；Paolacci等，2026）。同时，近期洪水引发的工业事故经验教训表明，Natech评估应除考虑主要工艺设备失效外，还应考虑应急设施和响应资源（Sun等，2025）。

近期研究在不确定性分析、特定灾害设备评估和结构缓解措施方面也取得了进展。Dehghanisanij等（2024）结合证据理论和贝叶斯网络，评估了不精确概率条件下油储罐的洪水浮起风险。Santamato和Busini（2025）开发了评估龙卷风对储罐相关风险的方法学。对于洪水引发的Natech情景，Ghimire和Kameshwar（2025）研究了受限上浮作为地上储罐的结构缓解措施，而Mia和Kameshwar（2025）开发了储罐连接管道在浮起和滑移条件下的脆弱性模型。Amaducci等（2026a）开发了暴露于洪水中的立式工艺设备的脆弱性模型，而Amaducci等（2026b）进一步将不确定性纳入概率脆弱性框架。Viana等（2026）将水文Natech灾害和脆弱性分析扩展至天然气管道。在海啸和地震-海啸荷载下的相关研究中考察了液位对储罐脆弱性的影响（Vitale等，2026；Men和Chen，2026）。Baltzopoulos等（2026）进一步将储罐脆弱性与事故后果评估相联系。在厂区规模上，Zeng等（2021）将设备脆弱性、多设备失效、升级概率和布局相关的流动干扰整合到洪水引发多米诺效应的定量评估中。这些研究推进了设备脆弱性评估、结构缓解措施和厂区规模风险分析。然而，洪水条件下受损储罐泄漏危险液体的扩散、输送和积聚过程仍未得到充分刻画。

为表征这一泄漏后输送过程，海洋溢油模拟已形成一套成熟的数值方法。拉格朗日油粒子模型将连续的溢油膜离散化为大量赋予物理属性的粒子，并追踪其轨迹，以模拟风、流、浪和湍流扩散的综合作用。MEDSLIK-II、OpenOil和GNOME/OpenDrift等模型已被广泛应用于开阔水域溢油模拟，能够表征大规模水动力条件下油膜的漂移、扩散、蒸发、乳化及沿岸滞留（Keramea等，2023；Keramea等，2021；P?rt等，2023；Vasconcelos等，2025）。近期研究开始探讨洪水条件下的油品扩散和控制措施。例如，Sun等（2026）研究了安全屏障如何影响洪水中的原油扩散，并表明围堵和封堵措施可显著改变洪水流中油的扩散范围和浓度分布。这些研究为洪水期间危险物质控制提供了有用的见解，但对于高危险化工厂的储罐系统仍存在重要局限性。现有方法未能充分表征受洪水影响的化工厂中储罐失效后的油品输送过程。储罐脆弱性研究通常止步于失效评估，而海洋溢油模型通常预设泄漏源，且主要针对开阔水域环境设计。因此，它们无法充分捕捉动态破损激活过程以及储罐、围堰、管廊和其他场地障碍物引起的流动再分配。因此，经典事故后果模型仍不足以精细评估化工厂储罐失效导致的溢油风险。洪水引发储罐失效与后续泄漏和扩散过程之间的关联需要进一步研究。

为解决上述空白，本文提出了一种基于数值模拟的分析方法学，用于研究洪水引发的Natech情景下储罐泄漏和油品扩散。该方法学的主要贡献是一个集成的瞬态框架，该框架：（i）利用储罐上的水动力荷载评估特定模式的失效判据；（ii）仅在相关失效条件达成时通过UDF激活泄漏边界；（iii）从内外压差计算源项，包括破损方位相对于洪水的影响；（iv）在储罐区几何中利用三相VOF模型解析后续的空气-水-柴油输送。这种耦合避免了为物理不同的失效情景预设相同的源历史，并实现了液位、破损尺寸、破损方位和失效模式在统一基准上的比较。

本文其余部分组织如下：第2节建立洪水引发的储罐失效和泄漏源项模型。第3节介绍所开发方法学的基本过程及其CFD实现。随后，第4节通过案例研究展示所开发的方法学。最后，第5节总结全文。整体研究框架如图1所示。

各节片段

洪水冲击下泄漏情景概述

当储罐暴露于洪水冲击时，破损口相对于来流洪水的位置既改变了开口处的压力平衡，也影响了初始柴油射流的方向。全文区分两种情况：情形A，储罐下游侧的破损口背向来流（图2a）；情形B，上游侧面向来流的破损口（图2b）。在情形A中，柴油射流进入……

基本过程

提出了一种包含七个步骤的方法学，用于定量评估化工厂中洪水引发的储罐泄漏和油品扩散，如图3所示。所提出的方法学与第2节引入的泄漏情景分类、源项方程、储罐失效判据和VOF输送模型直接关联。本节仅介绍总体建模过程，而具体的计算域、网格策略……

模拟储罐区描述

所开发的方法学使用一个具有代表性的工业储罐区进行验证，该储罐区由六个相同的立式圆柱形储罐组成。储罐按照GB 50160-2008的间距要求排列成两行三列，如图4所示。每个储罐直径D为8米，高度为15米。相邻储罐之间的净间距在顺流方向和横向方向均为4米。

洪水水从左方（图4）进入储罐区……

储罐阵列引起的流动阻挡

如图6所示的流速分布云图所示，当洪水以5 m/s的速度沿x方向流动时，储罐阵列对水流的阻挡作用表现出显著的空间非均匀性。上游储罐周围加速区的最大局部流速达到18.6 m/s，为入口值的3.72倍。在相邻储罐之间的主要通道中，流速为3.71-7.42 m/s，对应入口值的0.74-1.48倍。

结论

本文提出了一种基于数值模拟的分析方法学，用于表征洪水引发的Natech情景下储罐泄漏和后续油品扩散的循序演化过程。

其核心特征是利用力触发用户自定义函数（UDF）将储罐失效判据与针对泄漏口特性的泄漏源项相关联，并随后进行流体体积法（VOF）多相流模拟。该研究基于现有的孔口泄漏模型和储罐极限状态方程。

CRediT作者贡献声明
- Ruixin Li（李瑞馨）：原稿撰写、方法论、调查研究、数据管理、概念构思
- Changjun Chen（陈昌军）：方法论、调查研究
- Tao Zeng（曾涛）：审稿与编辑、指导、方法论、基金获取、概念构思
- Jiaji Cheng（程佳佳）：审稿与编辑、指导、概念构思
- Sining Chen（陈思宁）：审稿与编辑、调查研究、数据管理

未引用参考文献
Hirt and Nichols, 1981.

利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的可能对本研究产生影响的经济利益冲突或个人关系。

致谢
本研究得到国家自然科学基金委员会（52504256）、中国安全生产科学研究院基本科研业务费专项资金项目（2026JBKY26）及国家自然科学基金委员会（72442008）的支持。

作者及单位
Ruixin Li（李瑞馨） | Tao Zeng（曾涛） | Changjun Chen（陈昌军） | Sining Chen（陈思宁） | Jiaji Cheng（程佳佳）
中国安全生产科学研究院，北京，100012，中国