基于事故案例的Natech事件演化模式及风险分析*

郄子君,唐佳宁

(1.大连理工大学 人文与社会科学学部，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 经济管理学院，辽宁 大连 116024)

0 引言

Natech(Technological accidents triggered by natural hazards)即“自然灾害引发事故灾难”，是1种跨事件类型、多灾种耦合的特殊灾害链集合。Showalter等[1]系统阐述了自然灾害与事故灾难协同作用，并提出“Natech”定义。随工业化进程加快，由自然灾害诱发的次生安全事故不断涌现。Natech事件给社会带来重大损失与威胁，其防范与治理引起各界关注，并成为风险评估领域新的研究热点之一。

目前，国内外有关Natech事件研究聚焦于重大自然灾害引发事故灾难的典型案例分析，如汶川地震以及日本东京大地震引发的化工设施损毁和危化品事故[2-4]，以化工园区为中心的重化工业的Natech风险评估和损失预测等[5-7]，具有致灾强度大、次生衍生现象显著、破坏性强等特征，发生频率较低但往往极具典型性。巨灾型Natech研究为Natech现象的发现、特征认识和形成机理剖析奠定基础。然而，Natech现象并非只存在于巨灾事件中，根据对2000—2020年各级事故调查报告的不完全统计，具备Natech特征的事故在我国均有发生，引发至少7起特别重大事故，40余起重大事故以及若干起较大事故和一般事故，部分事故引起巨大社会反响：如“7·23”甬温线特别重大铁路交通事故、“东方之星”号客轮翻沉事件等。

近年来，因自然灾害引发的灾难事故及事故危害受到各级应急管理部门关注。国家应急管理部的设立改变以往多个部门管理多个灾种的局面，将自然灾害与事故灾难统筹管理[8]。虽然煤矿、危化品等行业陆续出台预防自然灾害引发事故灾难应急预案，但仍缺乏系统化操作指南。此外，部分企业经营过程中存在诸多Natech隐患，暴露我国Natech应急管理薄弱环节，地区Natech应急管理能力建设速度与经济发展速度不匹配的状况时有发生，Natech防控水平亟需提升。

因此，本文通过对2000—2020年符合Natech特征的非巨灾案例进行梳理，以灾害链相关理论、公共安全三角形理论为基础，解析Natech形成机理，旨在建立非巨灾Natech风险分析概念框架，并利用网络分析方法探究Natech关联网络重要节点与演化路径特征，为非巨灾Natech风险防控提供决策支持。

1 中国Natech事件特征分析

本文以中国各级应急管理部门事故通报、中国安全生产年鉴(2000—2017)、中国化学品安全协会事故案例和EM-DAT为数据来源，收集到164个具有Natech事件特征的灾害案例。参考《自然灾害分类与代码》(GB/T 28921—2012)、《突发事件分类与编码》(GB/T 35561—2017)和EM-DAT数据库灾害分类标准等，选择16种典型自然灾害事件和17种典型事故灾难进行梳理。

鉴于Natech事件特殊性，本文基于3种链式灾害相关理论进行案例分析。

1)自然灾害链(Natural Cascading Disasters)。灾害链是一系列灾害相继发生的现象[9]，自然灾害链体现自然灾害事件间的链式关系，即单一(或多种)首发自然灾害发生引发单一(或多种)次生灾害现象。

2)事故多米诺效应(Domino Effect)。事故多米诺效应是1种特殊的事故灾难链，同时具备首发事故灾难发生、首发事故引发一系列次生事故、首发事故引发一系列次生事故导致总损失大于仅发生首发事故导致损失3种特征。多米诺效应一般发生在化工和工矿领域，其核心为“首发事故-传播途径-目标设备(单元)”[10]。

3)并行灾害/事故(Concurrent Disasters/Accidents)。并行灾害/事故指成因不相关联的灾害/事故同时发生相互作用，并造成不同于单独作用时灾情的遭遇状况，导致致灾强度改变(增强或削弱),使承灾载体更加脆弱[11]。

自然灾害和事故灾难间致灾关联一直是Natech研究重点。在巨灾Natech中，自然致灾因子强度大，人为异动影响能力较弱，一般被忽略。基于《生产安全事故报告和调查处理条例》，非巨灾Natech事件形成过程中，人为异动影响作用显著，不能被忽略。各级Natech事件成灾因素中人为异动统计见表1。

表1 各级Natech事件成灾因素中人为异动统计Table 1 Statistics on anthropogenic anomalies in disaster factors of Natech events at each level

根据表1，将人为异动界定为导致Natech事件链形成、由人类活动产生的1类致灾因子。Natech视角下的人为异动，或是1种无意识行为构成的Natech隐患，或与自然灾害并行发生，2者成因不相关，但能造成不同于自然灾害单独作用时的后果，不包括可以独立引发事故灾难的人为活动。

基于16种自然灾害和17种事故灾难，构造33×33的邻接矩阵，描述非巨灾Natech中主体事件间相互作用关系。

1)空白表示2个灾害/事故间暂时没有发现相互作用关系。

2)1表示2个灾害/事故间存在引发、诱发关系，如矩阵(31，1)处标记为1，表示洪涝灾害可在一定条件下引发水污染事故。

3)2表示2个灾害/事故间存在并行关系。如矩阵(4，3)和(3，4)处标记为2，表示暴雨灾害和大风灾害可在一定条件下并行发生，引发事故灾难。

4)3表示在某种自然灾害引发某种事故灾难过程中，可能存在人为异动影响。如矩阵(25，1)处标记为3，表示在洪涝灾害引发建筑施工事故过程中，可能存在冒险作业、临危决策不当、监测能力不足等人为异动影响。

基于164份Natech事件案例数据，得到中国2000—2020年非巨灾Natech事件关联矩阵，如图1所示。

注：自然灾害:FL(flood):洪涝灾害；TY(typhoon):台风灾害；HP(heavy precipitation):暴雨灾害；SW(strong wind):大风灾害；HA(hail):冰雹灾害；LI(lightning):雷电灾害；LT(low temperature):低温灾害；IS(ice and snow):冰雪灾害；HT(high temperature):高温灾害；FO(fog):大雾灾害；EQ(earthquake)地震；CO(collapse hazards):崩塌灾害；LS(landslide):滑坡；MS(mudslide):泥石流；GC(ground collapse):地面塌陷；OW(ocean wave):海浪灾害 事故灾难:RO(road accident):公路事故；RA(rail accident):铁路事故；SH(ship accident):水运事故；AV(aviation accident):航空事故；MI(mine accident):矿难；HC(hazardous chemical accident):危化品事故；FI(fire):火灾；EX(explosion):爆炸；CA(construction accident):建筑施工事故；EF(electricity network failure):电力事故；CS(communication system accident):通信事故；WA(water conservancy accident):水利事故；BC(building collapse accident):建筑垮塌事故；SE(special equipment accident):特种设备事故；WC(water contamination):水污染；AC(air contamination):大气污染；SC(soil contamination):土壤污染。图1 中国2000—2020年非巨灾Natech事件关联矩阵Fig.1 Correlation matrix of non-catastrophe Natech events:based on Natech event cases in China from 2000 to 2020

2 非巨灾Natech事件演化模式

基于3种链式理论，对Natech事件各种演化路径进行梳理。

“首发自然灾害⟹首发事故灾难”是Natech事件链基础结构。除一般灾害链特征外，Natech链中必须同时存在首发自然灾害和首发事故灾难且2者在时序上为先后关系，缺少其中1个特征则不属于Natech范畴。将“首发自然灾害⟹首发事故灾难”称为“基础Natech链”。考虑并行自然灾害、人为异动等其他因素的耦合影响，对基础链进行扩展得到“复杂Natech链”，复杂Natech链可以归纳为以下6类，其中“”表示自然灾害，“”表示事故灾难，“”表示人为异动因素。

1)首发自然灾害[+并行自然灾害] ⟹首发事故灾难[+并行事故]→次生事故灾难(多米诺效应)，典型演化路径如图2(a)所示[12]。

2)首发自然灾害[+并行自然灾害]+人为异动⟹首发事故灾难[+并行事故]→次生事故灾难(多米诺效应)，典型演化路径如图2(b)所示[13]。

3)首发自然灾害[+并行自然灾害]→次生自然灾害(自然灾害链)⟹首发事故灾难[+并行事故]→次生事故灾难(多米诺效应)，典型演化路径如图2(c)所示[14]。

4)首发自然灾害[+并行自然灾害]+人为异动→次生自然灾害(自然灾害链)⟹首发事故灾难[+并行事故]→次生事故灾难(多米诺效应)，典型演化路径如图2(d)所示[15]。

5)首发自然灾害[+并行自然灾害]→次生自然灾害(自然灾害链)+人为异动⟹首发事故灾难[+并行事故]→次生事故灾难(多米诺效应)，典型演化路径如图2(e)所示[16]。

6)首发自然灾害[+并行自然灾害] ⟹首发事故灾难[+并行事故]+人为异动→次生事故灾难(多米诺效应)，典型演化路径如图2(f)所示[17]。

基于6种典型演化路径，结合多灾种相互作用机理[18]，构建非巨灾Natech事件形成过程和演化模式分析框架，如图3所示。

图3 非巨灾型Natech事件形成路径及演化模式分析框架Fig.3 Analytical framework on formation paths and evolution modes of non-catastrophe Natech events

3 基于事件关联矩阵的非巨灾Natech事件风险分析

3.1 非巨灾Natech关联网络中关键事件节点辨识

非巨灾Natech事件是以自然灾害和事故灾难为节点，以自然灾害内部联系、事故灾难内部联系和自然灾害与事故灾难间联系为边的有向网络。非巨灾Natech事件关联网络如图4所示，关联网络共包含33个节点，121条边。

图4 非巨灾Natech事件关联网络Fig.4 Correlation network of non-catastrophe Natech events

利用网络测度指标挖掘分析网络重要节点，有助于认识非巨灾Natech形成关键，有效控制事件演化过程。本文以点度中心性和介数中心性为基本测度指标，其中入度和出度刻画某事件受其它灾害或事故影响程度以及引发其他灾害或事故的能力；介数中心性刻画某事件对网络全局控制力和影响力，介数中心性较高表示有较多的Natech链演化历经该事件节点。此外，为探求自然灾害事件和事故灾难间密切程度，选取链接分析中HITs算法的Hub值和Authority值为参考，Authority值代表Natech中某类事故灾难与自然致灾因素直接关联程度，Hub值表示某类自然灾害与事故灾难直接关联程度。中国非巨灾Natech网络测度指标见表2(每项测度指标均只取前6位)。

由表2可知，暴雨灾害(HP)的度、出度、介数中心性和Hub值相对最大，表明暴雨是中国非巨灾Natech网络中对全局影响能力最强的节点。多米诺效应引发次生自然灾害及诱发事故灾难的能力很强，60%以上的潜在路径包含暴雨灾害，且与人为异动协同作用最显著，上述特点使暴雨灾害整体风险难以预测，而在巨灾Natech中，暴雨灾害影响力一般小于地震灾害。

注：图中用实线单箭头标识一般诱发关系，虚线箭头标识并发关系，实线双箭头标识过程中存在人为异动影响。图2 典型Natech事件演化路径分析Fig.2 Analysis on evolution paths of typical Natech events

表2 中国非巨灾Natech网络测度指标Table 2 Measurement indexes of non-catastrophe Natech network in China

所有事故灾难类型中，电力事故(EF)点度中心性和介数中心性相对最大，即在中国非巨灾Natech网络中，电力事故是需要关注的核心事故灾难类型，预防电力事故发生是非巨灾Natech断链减灾关键之一。台风、大风、暴雨、洪涝、雷电、低温和冰雪灾害均能引发电力事故，而作为首发事故的电力事故还可引发铁路、火灾/爆炸、建筑施工和特种设备等事故。此外，以电力事故为“中介”的Natech链路径较长，次生事故比电力事故本身后果更严重。非巨灾Natech中电力事故主要包括电网事故和局部电力事故2类：电网事故会造成巨大经济损失，2005年湖北黄州电网风灾事故造成110 V以上杆塔损坏22基，输电塔倒塌18基[19]；局部电力事故容易造成人员伤亡，如“7·23”甬温线动车事故诱发原因之一为雷击导致电路设备故障后应急处置不力，并最终造成40人死亡[20]。

水污染(WC)是自然灾害引发突发环境污染事故的主体，且近年来呈增加趋势。水污染不仅容易被自然灾害或首发事故触发，而且事后影响力较强[21]。如暴雨、洪涝和雷电等自然灾害，矿难、火灾/爆炸和电力事故等事故灾难均能直接或间接引发水污染，水污染事故还可能进一步引发群众恐慌、居民生活用水受限、饮水中毒或疾病流行等问题，人为异动会加剧事故危害程度。据事故调查报告显示，工厂选址失误、矿区过度开采、冒险作业、施工设计缺陷、灾害监测失误和安全管理混乱等人为异动均可加剧水污染事故，而人为异动的控制效果很大程度需要依赖生产安全知识的普及，相关法律体系的完善以及监督执法力度的增强。

基于社团划分方法[22]，对网络节点进行聚类分析，将所有事件节点分为3组：从自然诱因角度，其中2组为气象类自然灾害及其相关联事故灾难，C1主要包括暴雨(HP)、台风(TY)、大雾(FO)、大风(SW)、海浪(OW)等与风雨雾相关的自然灾害，与水运事故(SH)、公路事故(RO)、航空事故(AV)等各类交通事故和建筑施工事故(CA)的发生密切相关；C2包括雷电(LI)、低温(LT)、高温(HT)、冰雪(IS)、冰雹(HA)等自然灾害，及其直接引发的事故灾难和因多米诺效应而产生的事故灾难包括爆炸(EX)、特种设备事故(SE)、火灾(FI)、危化品事故(HC)、电力事故(EF)、水污染(WC)、大气污染(AC)、土壤污染(SC)；C3以地质灾害及其相关联的事故灾难为主，包括地震(EQ)、洪涝(FL)、滑坡(LS)、泥石流(MS)、崩塌(CO)、地面塌陷(GC)；聚集性的事故灾难包括建筑物垮塌(BC)、水利事故(WA)、通信事故(CS)、矿难(MI)、铁路事故(RA)。

相同聚类组别中自然灾害和事故灾难间的引发、诱发关系更加紧密。因此，在Natech风险防控过程中，当出现某类自然致灾因子时，需关注与其同组中的次生自然灾害和事故灾难发生的可能，提前做好风险排查应急准备。

3.2 非巨灾Natech事件潜在演化路径发现

因案例样本有限，不能涵盖所有非巨灾Natech事件链条，但可通过非巨灾Natech关联网络尽可能发现理论上存在发生风险的潜在演化路径，为Natech事件断链减灾提供参考。基于非巨灾Natech事件关联网络，利用Matlab计算初始节点为任意自然灾害，并经过至少1个事故灾难节点的所有路径，得到路径大于2的潜在Natech链2 875条，路径长度分布如图5所示。

图5 Natech事件链路径长度统计分布Fig.5 Statistical distribution for path length of Natech event chains

案例中直接抽取获得的Natech链长度多集中在1或2，即涉及2～3种事件类型。由图5可知，超过80%的潜在路径长度可以达到4，出现频次最高的路径长度为5。Natech事件链最长潜在路径为9，涉及10种事件。其中，自然诱因以气象致灾因子为主，可能造成的事故灾难包括火灾、爆炸、矿难、建筑事故等。事件链越长，人为异动在成链过程中的影响越显著，且在同一Natech链中，事件之间路径越长，事件演化路径隐蔽性越高，事件之间关联关系越容易被忽略。如台风和火灾似乎不相关联，但却存在于同一Natech事件链中，台风暴雨过后出现高温，可能引发火灾，台风导致电路受损，如未及时排查修复，恢复通电之后也可能导致火灾。

4 结论

1)通过对2000—2020年中国Natech案例进行系统梳理发现，除自然致灾因子直接或间接导致事故灾难发生外，许多非巨灾Natech形成过程中，人为异动是非巨灾Natech风险防控重要着力点之一。

2)暴雨灾害是中国非巨灾Natech网络中对全局影响能力最强的节点，60%以上潜在Natech事件演化路径均包含暴雨灾害，与人为异动协同作用相对显著；以电力事故为“中介”的Natech链路径较长，次生事故比电力事故本身后果更严重，是需要重点关注的核心事故灾难类型；水污染事故作为自然灾害引发突发环境污染事故的主体，近年呈增加趋势，是较容易被自然灾害或首发事故触发的事件，而且具有较强的事后影响力。

3)基于社团划分方法对事件进行聚类分析，中国Natech事件大体呈3组聚集趋势，从自然诱因角度，其中2组为气象类自然灾害及其相关联的事故灾难，另外1组以地质灾害及其相关联的事故灾难为主。

4)通过对符合Natech事件特征的所有潜在Natech链条统计分析发现，Natech事件链越长，人为异动在成链过程中影响越显著，且在同一Natech链中，路径越长事件演化路径隐蔽性越高，事件之间关联关系越容易被忽略。

5)后续研究将以Natech关联网络为基础，设计典型触发场景，利用情景仿真模拟，探讨不同条件下Natech风险防范措施,以期为采取针对性应急响应，防范Natech事件发生,控制Natech事件演化升级提供决策参考。