基于风险评价的核应急分区疏散规划*

谢秉磊，毛明珠，2，赵金秋

(1.哈尔滨工业大学(深圳) 建筑学院，广东 深圳 518000；2.常熟市交通运输应急指挥中心，江苏 常熟 215500)

0 引言

我国能源需求量巨大，传统能源已经无法满足日益增长的需求和愈发严格的环保要求，发展核电成为必然趋势。在核电设施快速发展同时，核事故灾难预防和应对，成为人们普遍关注的问题。1979年美国“三里岛核事故”、1986年“切尔诺贝利核事故”以及2011年发生的“日本福岛核事故”[1-3]，给人们生命财产安全造成的损失不可估量。我国始终将核安全放在核事业发展首要位置[4]，强调核应急是确保核安全的最后屏障。

核事故应急疏散是最常见的应急措施之一，按启动模式可分为整体疏散和分区疏散。整体疏散是指同时向应急计划区发布疏散命令，疏散需求呈多点迸发式加载；分区疏散，也称分阶段疏散，是事先将疏散人员按区域分组，按照紧急或危险程度安排各分区按顺序启动疏散的组织策略。我国核电站大部分建于沿海地区，在沿海经济发展和核电站区域经济促进的双重作用下，核应急计划区内人口持续增长。大规模人员的整体疏散会导致道路拥堵，使核心区域人员滞留在高辐射风险区域，缺乏时效性和安全性，储备物资和应急人员数量无法在短时间内满足需求。同时，核事故风险在一定条件下具有可传递性，发生核泄漏或核爆炸事故时，高风险人员由于吸入过量辐射物质或衣物沾染核物质，导致其成为类辐射源，混合运输高、低风险人员，可能会导致辐射二次传播。分区疏散可有效缓解疏散拥堵问题，提高疏散效率，保证高风险区域人员的优先疏散，避免高、低辐射人员间的辐射传播。

目前，针对分区疏散的研究体系尚不成熟：Liu[5]基于元胞传输模型对分阶段疏散过程展开研究，确定各疏散阶段最佳启动时间;Chen等[6]采用基于Agent的仿真方法，研究同时疏散和分阶段疏散策略的有效性，并使用Paramics微观模拟系统，对不同人口密度下的3种路网结构进行模拟；Li等[7]建立双层随机规划模型，评估应急疏散流量相关潜在规划风险，以确定最佳分阶段紧急疏散计划;华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室[8]提出1种创新方法，用以制定分阶段应急疏散计划,利用算法调度每个疏散组的启动时间。现有研究以理论模型为主，旨在建立时间窗口完成分阶段疏散工作，忽略空间维度划分在提高疏散效率和保障疏散安全方面的积极作用。疏散区域划分方法较少，且缺乏结合事故特征的定量化分区方法，对制定实际疏散方案的指导十分有限。

《核电厂应急计划与准备准则 第1部分：应急计划区的划分》(GB/T 17680.1—2008)[9]将核反应堆10 km范围内区域定义为核事故烟羽应急计划区，本文将基于该区域开展。相较于核电站场内疏散，场外人员规模相对较大，不确定性较强，疏散组织难度更大，因此，本文将其作为主要研究对象。

1 基于风险评价的分区方法

1.1 风险评价

核事故应急场景下的主要风险因素为核辐射暴露风险[10]，表示人在无防护措施情况下，暴露在核辐射环境期间所承受的辐射伤害风险。本文将核辐射浓度作为暴露风险的空间量化指标，体现应急计划区内各集中点和不同路段的风险差异，并结合疏散时间，对暴露风险进行时空量化，最终得到核应急疏散总暴露风险。

典型的核辐射扩散模型有高斯烟羽模型、拉格朗日模型、三维模型和烟团模型等[11-12]。本文研究事故源点10 km范围区域，属于中小尺度扩散问题，因此采用高斯烟羽模型对核物质扩散情况进行分析。考虑在未知事故数据和场景数据情况下，评价不同位置核辐射风险参考高斯公式法[13]，计算场外应急计划区内各点核辐射相对浓度和风险值，如式(1)～(2)所示：

(1)

fvi=kdC(R,t)

(2)

式中：C(R,t)指t时刻与事故点距离R的评价点vi的核辐射浓度，m-3；Kr，Kz分别为径向扩散系数和垂直扩散系数，分别取值3.6×108，1.8×104m2/h；zc为计算浓度点的高度，m；fvi是评价点vi的风险值，m-3；kd表示决策系数，取决于决策者态度，保守的决策者往往会选择更大的决策系数，以充分考虑核辐射风险，激进型决策者会弱化风险，做出以时间效益为主要导向的决策。

在路段风险评价方面，取路段两端点作为路段风险评价点，以端点平均风险值作为路段时空暴露风险值，用于指导疏散路径规划，追求最小化疏散风险。

风险评价目的是确定疏散路网中各点或路段的相对风险程度，指导公众选择风险较低的路径进行疏散。为更好地评价各点间相对风险，对风险值进行归一化处理，将绝对风险转换为相对风险，映射为[Δf，1+Δf]范围内的无量纲值，如式(3)所示：

(3)

式中：fmin，fmax是评价点中的风险最小值和最大值；Δf为归一化修正系数，用以保证在路段风险值差距较小的情况下，模型能选择风险较低的路段疏散，提高模型优化效率。

1.2 分区方法与疏散优先级

文献[14-15]设置5 km范围内区域作为核事故应急疏散区，并同时组织整个区域的公众撤离。现有核应急疏散分区方法比较粗糙，未结合实际事故场景，参考其他事故疏散分区方案，核应急疏散分区不应局限于传统方法：Hasan等[16]将疏散分区定义为来自同一居住区的疏散人员，并分配单一路线疏散；黄静等[17]应用GIS技术分析应急疏散需求分布、疏散空间可达性以及疏散优化归属等疏散特征，最后以社区为基础，划分居民避震疏散区。

疏散策略的可操作性是比较重要的评价因素之一[18]，应急状态下的疏散组织比较困难。作为城市行政单元，行政区是疏散规划中可操作性较强的区划单元[19]。因此，本文将行政区划法和风险评价结果相结合。首先，使用行政区划法对疏散区域进行初次划分，以便于政府组织公众疏散，降低疏散混乱程度。考虑到各行政区疏散需求量和集中点数量过多，为保证分区疏散效果，减少辐射二次传播风险，对行政区进行二次划分。完整的分区包括以下3个流程：

1)参考核应急管理体系中政府组织管理的行政区划，或规划与自然资源局给出的行政区划，对核应急计划区场外部分进行划分，并随机编号为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，…。

2)根据风险评价方法，计算集中点相对风险指数，针对各分区集中点按照风险值进行排序，据此对行政分区进行二次划分。例如，以分区Ⅰ中风险排序50%作为分隔位，将分区Ⅰ划分为2个新分区。考虑到分区数量过多不利于疏散组织，一般不直接以单个集中点作为最终分区结果。

3)获得最终疏散分区方案，分区风险取分区内集中点风险的平均值，并将分区z(z=1,2,3,…)按风险排序进行编号。风险排序越靠前，疏散优先级越高。

2 分区疏散路径规划

元胞传输模型(Cell Transmission Model,CTM)可以模拟动态交通流，再现真实路网时空状态。本文将充分考虑疏散路网和核事故疏散时间限制，以动态网络流为基础，构建基于元胞传输理论的分区疏散路径规划模型。

2.1 疏散总暴露风险

在突发事件应急情景下，疏散路径规划主要目的是减少疏散时间。分区疏散中的疏散时间由行驶时间和等待时间组成[20]，如式(4)所示：

(4)

本文以路段疏散行驶时间与路段辐射暴露风险值的乘积表示暴露风险，并将其作为疏散效率评价指标，指导路径规划。分区z总暴露风险如式(5)所示：

(5)

2.2 模型假设

核应急疏散是较为复杂的应急响应行为，疏散前期、中期和后期均涉及组织优化。为突出本文研究重点，将基于以下2种假设条件构建模型：不考虑疏散车辆的前期调配工作；场外疏散需求数量及分布已知。

2.3 基于CTM的分区疏散路径规划模型

为确定各集中点人员的最优疏散路径方案，本文以系统最优为原则，最小化总疏散效用为目标，构建基于CTM的分区疏散路径规划模型。目标函数如式(6)所示：

(6)

终点元胞表示1个虚拟的安全点，到达该点的人员可视为已完成疏散，在计算总疏散效用时不考虑终点元胞的疏散效用值。模型约束条件如式(7)～(19)所示：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式(7)～(9)依次为疏散路网中普通元胞、终点元胞以及源元胞的流量守恒约束条件，以保证t时刻路段车辆数为t-1时刻车辆数与流入元胞车辆数之和再减去t时刻流出元胞的车辆数；式(10)～(11)是对流入、流出车辆数的限制；式(12)是对连接器通行能力的约束，限制其不能大于连接器上游元胞的可发送能力，且不大于下游元胞的最大接受能力；式(13)表示t时刻疏散路网中全部车辆数等于截止t-1时刻加载到源元胞中的疏散需求；式(14)～(15)是对路网元胞和连接器的非负约束；式(16)～(17)为初始化约束；式(18)表示设置源元胞的流入车辆限制等于疏散需求加载值；式(19)表示源元胞和终点元胞的可容纳车辆数为无穷大，集中点和终点无容量限制。

路径规划模型求解实质属于整数线性规划问题，规模是决定求解难度的主要因素。核事故的突发性和灾难性对应急响应速度要求较高，模型求解速度也是考量其优劣性的重要评价指标。因此，在满足求解规模和速度前提下，本文采用Python语言搭建疏散路网及基本框架，使用Gurobi求解器进行优化求解，获得疏散路径规划方案。

3 案例分析

3.1 疏散场景描述

案例共32个集中疏散点，隶属于5个行政区。核辐射物质扩散与风向、风速等气候条件密切相关，昼夜疏散需求差异较大[21]。因此，本文做出以下假设：核事故达到场外应急等级且发生在旅游旺季昼间；疏散人员严格遵守分区疏散规划，不存在非计划疏散。

3.2 分区疏散方案设计

本文采用“政府组织疏散+私家车自行疏散”的组合疏散模式，疏散交通工具由自行疏散的小汽车和政府组织疏散的公交车或大巴车组成。参考现有研究中最佳比例[22]，本文将小汽车和大巴车的数量比例设置为6∶4。

本文采用综合分区法，首先按行政区划法对场外疏散区域进行初步划分，得到行政分区Ⅰ～Ⅴ，如图1所示。本文事故风向为正南方向，按照风向对研究区域进行风险等级划分，由图1可知，不规则区域为行政分区Ⅰ～Ⅴ；区域1-1～1-3为核辐射风险最高的下风向区域，扇形区块风险向两侧递减；区域2-1～2-7风险等级次之，属于烟羽内区；3-1～3-7为第3风险等级区域，属于烟羽外区。考虑到疏散需求和集中点数量较多，基于风险评价结果，对行政区Ⅱ～Ⅴ进行二次划分，假设在各行政区风险排序50%处进行划分。由于同一集中点人员不能属于多个分区，Ⅱ区取排序前3的集中点构成分区8，最终得到9个疏散分区。

注：不规则区域为行政分区Ⅰ～Ⅴ；1-1～1-3区域为风险1级，2-1～2-7区域为风险2级，3-1～3-7为风险3级图1 核电站场外疏散区行政区划Fig.1 Administrative division of off-site evacuation zone of nuclear power plant

本文将采用上文所述风险评价方法，参考疏散起始时间的核辐射浓度，计算辐射风险值和相对风险指数。其中，风险决策系数kd取1×1012，归一化修正系数Δf取0.1。具体分区结果和集中点相对风险指数见表1。

表1 疏散分区及需求分布Table 1 Evacuation zones and demand distribution

3.3 仿真与模型求解

表2 分区疏散模型求解结果Table 2 Solving results of zoning evacuation model

最后对比2种方案的疏散效果，2种方案下疏散时间指标见表3，方案具体评价内容见疏散方案评价章节。表3中疏散时间包括疏散行驶时间和等待时间，而分区和整体疏散时间则对应分区内集中点疏散时间最大值。对比表3中数据可以发现，分区疏散策略显著缩短疏散时间，最大优化比例达82.91%，虽然疏散等待时间的叠加，导致部分风险较低的分区疏散时间增加，但应急计划区总疏散时间始终呈下降趋势。

表3 整体与分区疏散时间Table 3 Entire and zoning evacuation time

4 疏散方案评价

1)疏散时间与总暴露风险

整体与分区疏散交通状况如图2所示。由图2 可知，整体疏散最大疏散时间达到62.82 min，分区疏散最长时间为38.00 min，较整体疏散下降39.51%。风险排序前3个分区疏散时间明显缩短，分区1疏散时间下降30.20%。部分分区疏散时间较整体疏散方案有所增加，这是由于疏散等待时间的叠加，导致部分分区疏散时间增加。但分区疏散总疏散时间更短，尤其大幅度缩短高风险区域人员疏散时间，保障疏散安全。基于风险评价结果和疏散时间，计算整体疏散和分区疏散总暴露风险分别为2.694×109，2.325×109(辆·min)。结果显示，分区疏散较整体疏散的总暴露风险降低13.7%。总的来说，分区疏散在疏散时间和疏散总暴露风险方面，均优于整体疏散。

图2 整体与分区疏散交通状况Fig.2 Traffic conditions of entire and zoning evacuation

2)疏散交通状况分析

为更直观地对比整体疏散和分区疏散方案下的疏散交通状况，利用TransCAD对2种方案进行仿真模拟，得到2点结论：整体疏散模式下，主要疏散路段拥堵严重，饱和度高达2.18，交通几乎处于瘫痪状态；部分人员被阻塞在高风险区，增大公众的疏散风险。

相较于整体疏散，分区疏散时路网更加通畅，交通拥堵现象局部短暂出现，主要疏散道路饱和度峰值下降到1.38。分区疏散使得需求分阶段加载，缓解道路拥堵问题，同时解决高风险区域人员滞留问题，最大程度地保障公众安全。

5 结论

1)相较于整体疏散，分区疏散优化疏散需求加载过程，特别是我国人口基数较大，疏散效果显著。当核事故较为严重，核心区域人员对疏散时间要求较高，分区疏散能优化资源分配，在保证疏散区最低疏散时间下，尽量将资源优先提供给疏散优先级更高区域的人员，并针对不同分区特征，设计配套疏散组织与管理方案。

2)提出的基于风险评价的综合分区方法和分区疏散路径规划模型，有效缩短应急计划区总疏散时间和降低总暴露风险，大幅度减少高风险级别分区疏散时间，对于我国核事故应急体系建设具有一定指导意义。