《International Journal of Disaster Risk Reduction》：STATE-OF-THE-ART REVIEW OF NATECH RISK ASSESSMENT OF INDUSTRIAL FACILITIES EXPOSED TO HYDRO-METEOROLOGICAL HAZARDS
编辑推荐：
本文系统评述了工业设施面对洪水、风暴/风暴潮和海啸等水文气象灾害时的NaTech风险评估方法。作者深入剖析了现有评估框架在危险性、脆弱性和暴露性三大要素中的关键问题与局限，并探讨了多灾害耦合分析的复杂性。综述指出，目前该领域存在脆弱性模型匮乏、后果分析不系统、以及缺乏统一的损失-泄漏关联模型等核心挑战。文中整合了多种概率论方法、场景构建与结构力学模型，旨在为研究人员和管理者提供一个全面的、前瞻性的知识框架，以应对气候变化背景下日益严峻的工业安全风险。
随着气候变化效应日益显著，洪水、飓风、龙卷风等极端水文气象事件对重大危险工业设施造成的灾难性影响正引发越来越多的关注。这些事件导致了严重的多灾种情景，即由自然灾害触发技术事故，亦被称为NaTech事件。历史上的2011年东日本大地震和2005年飓风卡特里娜等灾害，清晰揭示了工业装置在自然与技术风险面前的极端脆弱性，并对社会造成了直接和间接的巨大损失。然而，关于工业化地区极端水文气象现象所相关的危险性、脆弱性及暴露性，目前仍缺乏能提供统一图景、系统分析问题与前景、并确定恰当方法的研究贡献。有鉴于此，本文旨在为受水文气象事件影响的工业设施NaTech风险评估提供一个深入的综述。
引言：背景、动机与研究范围
工业设施是现代社会经济基础设施的关键组成部分，提供能源、化工生产、制造等重要服务。然而，它们极易受到洪水、地震、海啸、风暴/风增水、雷击等自然灾害的威胁。当这些灾害影响到储存石油、天然气或有毒化学品等危险物质的设施时，便可能引发被称为“自然灾害触发技术事故”的破坏性事件，其特点是自然灾害极端性与技术失效的耦合。NaTech情景尤为关键，因为它们可迅速升级，触发危险物质的失控释放，导致环境退化、经济破坏、公共健康威胁以及关键基础设施的连锁故障。
然而，与已明确建立框架的NaTech地震风险评估方法不同，在水文气象灾害领域，需要付出额外的努力来制定可靠的方法，并通过相关案例研究进行验证。尽管已有大量关于洪水灾害及其对区域影响的研究，尤其是在气候变化效应的背景下，但关于洪水对工业设施影响最关键的方面之一——资产的脆弱性分析——却鲜有研究。此外，因洪水效应导致物质泄漏的后果分析也尚未得到广泛探讨，通常仅局限于储罐等少数设备类型。工业设施在海啸情景下的风险分析也面临同样的关键问题。位于沿海地震区的工业设施越来越多地暴露于地震-海啸序列中，这能够引发连锁效应，触发包括火灾、爆炸和危险物质大规模泄漏在内的重大技术事故。捕捉这些复杂的相互作用，需要开发反映连锁效应、结构条件演变和损伤进展时间依赖性的特定易损性模型和风险指标。
上述图景最终因自然与技术灾害的并发效应而变得复杂，这构成了在管理NaTech事件时定义通用方法的重要障碍，其根本原因在于缺乏一个将损伤与物质内容释放相关联的通用模型。在主要源于地震工程的“基于性能的分析”框架下，工业设施的NaTech风险分析需要清晰识别危险性、脆弱性、暴露性等多个要素。然而，PBA在NaTech风险评估中的应用仍然不足。
本文的工作范围旨在针对暴露于自然水文气象灾害的工业设施，对当前的NaTech风险评估方法进行全面分析。目标是为危险性、脆弱性、暴露性等不同方面及相关评估方法提供一个有机的整体图景，识别问题与前景，以帮助读者更好地理解这个较为分散的主题。
水文气象灾害在NaTech情景中的角色
统计数据显示，NaTech事件呈上升趋势。根据欧盟委员会事故数据的MARS数据库报告，欧盟国家约7000起工业事故中，有约3%被归类为由洪水、地震、滑坡、强风和雷击引发的NaTech事故。在NaTech术语中，当自然灾害的物理作用损坏工业组件和安全系统时，即演变为技术灾害，导致物质泄漏和包括火灾、爆炸、有毒物质释放、环境污染和长时间运行中断在内的连锁后果。
洪水是NaTech事故的重要触发因素。洪水可能由河流泛滥、山洪暴发和季节性水道引发，可施加静水、动水和侵蚀力，在工业设施中产生广泛的损坏模式。主要损坏机制涉及浮力、上浮、壳体屈曲或破裂、滑动、位移、倾覆、地基冲刷、电气故障和化学反应。例如，在墨菲石油炼油厂事故中，储罐浮力导致4000 m3的石油泄漏覆盖2.6 km2的区域。
风暴潮和风增水由热带气旋和温带风暴驱动，可导致海平面快速上升、沿海洪水和防波堤漫顶，严重影响工业场地。这些现象通过风压、碎片冲击、风暴潮洪水、波浪荷载以及水侵入引发的电气或化学故障造成损害。风损会因风速、持续时间和结构类型而异，大气储罐由于其表面积大和重量体积比低而特别脆弱。强风还可能使管道移位、掀开屋顶板并推倒工艺塔，而飞散的碎片会放大局部冲击力。这些效应在飓风哈维、卡特里娜和丽塔期间被广泛报道。风暴潮和波浪荷载可导致浮力、滑动和冲刷，与河流洪水类似，但具有更大的动力。海上和沿海设施中的系泊失效和设备位移很常见，当水动力拖曳力超过约束能力时，会发生管道破裂和泄漏事件。此外，飓风和降雨可导致电气短路、控制系统故障和化学反应，类似于洪水侵入接触危险物质时的情况。
与洪水不同，海啸通过脉冲式水动力、静水上浮力、碎片冲击和地基冲刷的组合作用，可严重损坏工业设施并引发连锁NaTech事件。观察到的主要损坏包括浮力和上浮、滑动和位移、壳体屈曲和塌陷、设施地基侵蚀以及管道破裂。快速移动的海啸涌潮和回流施加的水动力拖曳和冲击载荷可移位或倾覆大型设备、撕裂管道连接并变形薄壁储罐。静水上浮和浮力经常导致未锚固或部分填充的储罐上浮和滑动。在静水压力和循环水动压力的联合作用下会发生壳体屈曲和壁破裂，而地基冲刷和侵蚀会破坏底板和锚栓，增加倾斜或倒塌的可能性。管道失效源于过度的拖曳力或地面位移，中断输送系统并产生危险泄漏。海啸还可能损坏电气系统并因海水侵入导致化学反应。这在2011年东日本大地震和海啸以及福岛第一核电站事故中清晰可见，当时发生了溢油火灾。分析表明，大气设备，如储罐和工艺罐，是最脆弱的，其次是压力容器和管道系统，其失效可导致LOC、有毒物质释放和着火。
工业设施的概率水文气象灾害分析
在PBA框架中，风险分析的主要组成部分之一是推导灾害曲线和选择合适的强度指标。这需要应用土木工程中常用的模型。在工业设施和NaTech事件的情况下，这方面仍不清楚。现有概率方法可用于触发内陆和沿海洪水的文气象事件，以支持对重大危险工业设施的风险分析。为便于读者理解，文中总结了针对洪水、风暴/风增水和海啸的IM、常用方法、工具和主要输出参数。
洪水
洪水在工业设施中引发的主要问题是淹没深度和水流速度。因此，灾害分析结果应聚焦于这些IM及其相关的灾害曲线。为此，可采用基于情景的方法和全概率洪水灾害分析。基于情景的方法通常用于量化所选IM的发生概率及其后果。基本思路是预测可能的洪水事件，并为给定的年超越平均频率或重现期量化区域或场地尺度的灾害强度。全概率洪水灾害评估则旨在量化工业场地上与洪水相关的IM在广泛MAF范围内的超越频率，支持工业设施的风险知情决策。每种情景都是水文-水力学建模链的输出，需要多个输入参数。这些参数在HEC-HMS等水文模型和HEC-RAS等水动力模型中实现，用于洪水传播和生成灾害图。分析输出包括淹没深度和流速图，用于推导这些IM在分析区域内的分布。这些图允许描绘危险区域并在本地量化IM。值得注意的是，基于水文-水力建模链的IM估计受到认知不确定性的影响，这在PFHA过程中应予以考虑。
风暴和风增水
风暴潮和极端沿海风暴期间产生的风生浪对位于海岸线或河口附近的工业设施构成关键灾害。在NaTech背景下，最相关的IM包括增水高度、水流速度、波浪周期、风速和风压。同样，可采用基于情景和全概率的灾害分析方法。针对工业设施风暴和高风的场地特定灾害表征，是在高风和外部洪水框架内开发的。全概率方法使量化年超越概率低的事件成为可能，这些事件可能损害关键设备和安全系统的结构完整性。这些方法应用极值统计，并明确处理与每种风生成现象相关的不确定性，从而可以一致地推导用于场地特定风险分析的灾害IM。对于暴露于沿海灾害的工业设施，通常采用两种互补的方法来表征风暴潮强度。第一种是可能最大飓风驱动的模拟，其中变化前进速度、最大风半径和路径方向等参数以包络可能最大风暴潮。第二种是联合概率法，它在明确考虑建模、气候和潮汐不确定性的同时，推导基于频率的PMSS值。SLOSH或ADCIRC-SWAN等数值工具和模型用于概率风暴潮和风灾害分析。这些模拟提供了静水位、波高和淹没深度，并表示为灾害图，显示灾害强度在工业场地的变化及其年超越概率。
海啸
海啸由于其高波速和大淹没区域而对工业设施构成极端风险。常见的灾害IM包括近海海啸振幅、淹没深度、水流速度和动量通量。灾害曲线从地震引发的海啸情景的数值模拟中获得，这些模拟计算工业场地的淹没水平。基于情景的海啸灾害表征通过海啸生成、传播和淹没的数值建模来开发。根据分析目标，它可能采用可能最大海啸方法或概率海啸灾害评估方法来推导风险一致的灾害指标。PTHA提供了一个风险一致的框架，用于量化与工业设施NaTech风险相关的海啸强度。它将海啸生成源的随机建模与数值模拟相结合，以推导场地特定的灾害曲线和空间超越图。在此框架中，随机地震破裂模型与非线形浅水模拟相结合，生成上述海啸IM图和灾害曲线。该方法产生了淹没深度、深度平均流速和动量通量的空间解析超越概率。经验证的长波数值模型是工业设施海啸灾害分析的计算基础。广泛使用的工具之一是海啸分裂法模型。最近，Tsunami-HySEA模型已在沿海工业设施的PTHA中采用，使用嵌套网格结构和震源表示来生成淹没情景集合、灾害曲线和上述IM的条件灾害分布。
工业设备受水文气象作用下的结构易损性与易损性分析
工业设备的结构易损性和易损性评估是NaTech风险分析的一个重要方面，因为它提供了灾害IM与以IM为条件的设备损伤概率之间的联系。因此，了解这些组件在自然事件引起的外部载荷条件下的响应方式，对于估计结构失效和随后的LOC的可能性至关重要。存在四种主要方法来开发易损性和脆弱性模型，如判断性、经验性、分析性和混合性。下文将重点介绍分析性和混合性方法，并在主要危险工业设施受水文气象灾害影响的NaTech情景背景下进行描述和批判性分析。
洪水
在洪水引发的NaTech情景中，储罐和管道等关键设备的机械稳定性是最常见的事件。通常采用力学模型来推导洪水易损性模型。在这种方法中，外部载荷与内部阻力之间的物理平衡通过载荷-抗力方程表示。确定性方法提出了使用临界填充水平作为失效条件的表达式。然而，通过结合水力参数和结构特性的变异性，可以推导失效函数，为常见的失效模式定义概率极限状态方程。特别是，使用蒙特卡洛或解析传播，可以构建易损性曲线，描述失效概率作为洪水强度的函数。该领域的进展涉及应用逻辑回归和概率模拟技术来参数化易损性模型。这些方法将失效概率视为洪水强度指标的函数，同时考虑几何和操作参数的影响。逻辑回归和蒙特卡洛模拟通常结合使用，以捕捉灾害和结构参数的随机变异性，产生可用于风险分析的易损性曲线。高级框架使用贝叶斯和混合概率模型将上述相关失效模式在统一系统中联系起来。这意味着这些模型将失效视为在共享水动力载荷下的相互依赖，并允许在新数据出现时更新条件概率。因此，这在数据稀缺的情况下减少了认知不确定性。在PBA的背景下，两种互补的概率框架可用于评估工业设施的洪水易损性。在第一种框架中，LSE与蒙特卡洛或拉丁超立方抽样、逻辑回归和贝叶斯网络相结合，在统一的概率模型中推导数据驱动的易损性函数。在第二种框架中，载荷-抗力公式与蒙特卡洛-贝叶斯网络结构相结合，使得能够在灾害、抗力和失效变量之间进行联合推断。后者提供了一个更详细和自适应的模型，可以捕捉相互依赖性，并在新数据出现时更新失效概率。
风暴和风增水
风暴和风增水现象代表了多灾种条件，其中并发的风、增水和波浪载荷对工业设备施加强大的空气动力学和水动力学压力。这些联合效应可导致壳体屈曲、上浮、倾覆或地基失效，从而引发危险泄漏和连锁NaTech事件。储罐是工业组件中最易受碎片冲击和在极端风暴条件下结构失效影响的设备之一。风暴和风增水情景的结构易损性和易损性模型通常基于量化外部风暴作用与结构能力之间的载荷-抗力相互作用。总体目标是建立风或增水强度与特定失效模式可能性之间的概率关系。分析方法使用LSE，表示作用于储罐壳体、锚固或基础摩擦力的载荷与抗力之间的平衡。在并发的空气动力学和水动力学力作用下评估稳定性，需要对风致压力分布以及水动力上浮力和拖曳力进行建模。这些关系构成了参数化易损性模型的基础，该模型将失效概率表示为风速、增水高度或联合载荷参数的函数。蒙特卡洛模拟通常用于传播载荷和抗力变量中的不确定性。它生成概率易损性曲线，描述在可变风暴强度下结构或安全壳失效的可能性。先进的概率模型将增水、波浪和风载荷集成到使用逻辑回归和LHS的统一易损性公式中，以将失效概率与多个联合IM相关联。这些方法捕捉了例如储罐上组合水动力和空气动力学效应的影响，并通过耦合有限元和随机分析扩展到包括碎片冲击。这些发展有助于将经典的载荷-抗力框架扩展到涵盖连续和脉冲式多灾害作用。它们还提供了在复合风暴条件下结构易损性的综合表征。在NaTech背景下，风暴和增水易损性分析集成了力学建模、数值模拟和概率工具，以量化工业设备的失效概率。
海啸
分析方法通常使用LSE定义海啸引起的力与设备机械抗力之间的平衡。水动力拖曳力、静水压力、浮力和上浮力是考虑的主要外部载荷，而内部抗力则由例如储罐自重、锚固能力和壳体刚度表示。LSE与灾害强度和结构能力的随机表示相结合，产生概率易损性函数。该方法的改进版本引入了多参数易损性公式，其中海啸强度表示为水动力变量的组合。例如，动量通量和速度的联合概率密度函数用于定义条件灾害关系，从而允许推导能更好捕捉海啸载荷变异性的易损性。贝叶斯概率框架用于解决易损性建模中的认知不确定性。对数正态或逻辑回归模型通过贝叶斯框架和马尔可夫链蒙特卡洛抽样进行校准。它们能够校准模型参数并从灾害输入数据传播不确定性。半分析方法通过将简化的水动力学公式与力学响应模型耦合来补充这些方法，以估计导致临界应力、屈曲或倾覆的海啸高度。使用对数正态概率模型推导的储罐海啸易损性曲线示例如图7所示。
暴露性与后果分析
在NaTech风险中，暴露性代表了在给定强度、频率和空间范围的灾害影响下，对工业设施影响的直接和间接经济后果的程度。在水文气象灾害条件下，暴露性通常通过对灾害强度场及其与工业场地物理布局和资产的空间表征来量化。然而，在NaTech风险评估中，自然灾害与工业场地的空间重叠并不完全定义暴露性。NaTech暴露性必须与LOC后可能产生的后果联系起来理解。换句话说，暴露性可以是识别哪些元素可能受到泄漏影响。一旦泄漏被触发，由此产生的泄漏情景定义了影响区域，在该区域内人员、设备和环境元素暴露于危险效应。水文气象灾害本质上是空间广泛的；因此，暴露性通常涉及对同一设施内多个组件的同步影响。暴露性不仅涉及单个设备，还涉及可能在相同强度下同时经历灾害的设备组合。这种视角对于建模连锁NaTech事件很重要，在连锁事件中，同一洪水或海啸下的多个设备失效可能引发火灾、爆炸或有毒物质释放。
后果建模量化了由水文气象灾害引发的LOC之后产生的物理、人力和环境影响。该过程将泄漏后事件序列与物理效应模拟和风险指标联系起来，形成了设备失效与整体NaTech影响之间的重要桥梁。在后果建模中，LOC代表了关键初始事件，从中可以系统地分析火灾、爆炸或有毒物质释放等危险结果序列。它表示由于自然灾害引起的机械、功能或反应性失效，危险物质从其主安全壳的任何意外释放。LOC可能源于直接结构损坏、系统故障或洪水与反应性物质之间的化学反应。根据释放速率和持续时间，它们通常被分类为瞬时完全破裂、连续完全释放或部分泄漏。在地震工程中，首次尝试将损伤与LOC关联起来。据作者所知，在水文气象NaTech风险方面，尚未提出类似的方法。因此，这无疑代表了一个未决问题。后果建模框架通常使用事件树或蝴蝶结图来实现，这些图根据物质类型、释放状态和点火条件定义潜在结果。对于每个已识别的关键设备，损伤的严重程度和由此产生的泄漏类别与自然灾害强度相关联，以构建可能事故结果的条件序列。标准化树区分易燃和有毒物质，导致诸如池火或闪火、蒸汽云爆炸、有毒气体扩散或水污染等终端事件。
