台风诱发多灾害下滨海工业集群事故灾变机制与风险量化

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在全球气候变暖和海平面上升的背景下,台风及其诱发的多灾害正逐步演变成为沿海基础设施、能源设施、生命线系统等的重要威胁。特别对于沿海的工业区域,台风诱发的洪水、强风、强降雨会进一步触发工业事故,非线性地放大事故的后果,进而给生命财产和自然环境带来空前的灾难。目前国内外对台风触发技术灾难(属Natech事件范畴)的研究尚处起步阶段,原生灾害与次生衍生的多灾害之间耦合机理尚不清晰,多灾害触发工业设备灾变的机制尚不明确,灾害链效应难以量化,亦缺乏系统性的风险评估框架来囊括各类灾害之间的相互转化。基于此,本论文针对台风灾害体系触发的Natech事件,开发台风诱发多灾害场景的数值合成模型来揭示洪水、强风之间的耦合模式。在合成数据的基础上,进一步探究多灾害触发工业事故灾变的临界条件,构造基于网络的模型来系统阐述各类灾害之间的相互转化机制。最后,本论文依据自然灾害耦合成灾的规律、自然灾害触发技术灾难的机制、技术灾难的升级与演进模式、Natech事件灾害链效应等理论基础,开发台风触发Natech事件的定量风险评估方法。论文的研究内容与成果如下:(1)合成台风诱发的多灾害场景并揭示多灾害系统的耦合成灾模式。通过耦合统计动力台风模型和ADICRC风暴潮模型,开发了全球尺度热带气旋及其诱发多灾害的数值合成技术。该技术整合了台风发生、次生衍生灾害预测两个环节,为台风诱发的Natech事件研究提供具有高度统计一致性的数据;对合成灾害场景的统计分析发现,台风诱发的多灾害之间存在高度的非线性相关性,并且两两灾害之间的依赖性呈现全局变化特征。Vine copula函数能够准确捕捉和建模多灾害系统的依赖性和联合分布,为台风诱发多灾害的频率与强度计算提供理论支撑。(2)量化工业设备的多灾害风险并设计台风诱发的多灾害事件。通过推导风洪复合载荷作用下工业设备的力学平衡与极限平衡状态控制方程、揭示了多灾害触发工业设施灾变的临界条件;同时考虑多灾害的联合分布与工业设备的多灾害脆性,开发了台风触发工业设备失效的概率风险模型,为Natech事件的风险量化提供了概率基础;搭建了风险驱动的多灾害事件设计框架,为沿海工业区的防灾减灾设计提供可靠的多灾害联合重现强度参考指标。(3)构建台风触发工业事故的演进与升级模型。在传统Natech事件评估框架的前端扩展了自然灾害场景模块,系统阐述了台风触发工业级联事故(多米诺效应)各环节灾害之间的相互转化与能量传递;建立了 Natech相关的多米诺事故网络模型,并利用网络学习技术,揭示了工业集群内部初始事故的演化路径与升级模式;另外,基于网络的安全分析为切断事故传播与升级提供有力支撑。(4)评估台风衍生的滑坡——工业事故灾害链效应。将台风衍生滑坡触发工业事故的链式风险分解为边坡失稳、滑坡触发工业事故和主动安全措施三个子模块,利用混合贝叶斯网络连接各环节中的风险因子,实现了 Natech灾害链风险的逐级传播。通过贝叶斯网络模型的概率推理发现降雨量、浅层土壤深度、坡度和园区的安全距离是影响灾害链风险的关键因素。此外,基于贝叶斯的逆向推理优化了工业集群外围边坡排水系统的设计参数。
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