化工园区土地利用安全规划优化方法

󰀁CIESC󰀁Journal󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol󰀁62󰀁No󰀁1

󰀁󰀁January󰀁2011

研究论文

化工园区土地利用安全规划优化方法

吴宗之1,许󰀁铭2

(1中全生产科学研究院,北京100012;2中国地质大学(北京)工程技术学院,北京100083)

摘要:应用多目标决策理论,以潜在死亡人数最小化、经济收益最大化为优化目标,建立了化工园区土地利用安全规划双目标优化模型,提出了化工园区土地利用安全规划程序。实例应用表明,该方法能够提供完备的备选方案集,优化出的规划方案符合风险控制原则,可实现经济收益最大化。提出的化工园区土地利用安全规划优化方法对促进化工园区和城镇规划的科学化和规范化具有指导意义。

关键词:化工园区;安全规划;多目标优化;风险分析;安全管理中图分类号:X937󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A文章编号:0438-1157(2011)01-0125-07

Optimizationmethodofland󰀂usesafetyplanningforchemicalindustrypark

WUZongzhi1,XUMing2

(1ChinaAcademyofSafetyScienceandTechnology,Beijing100012,China;

2

SchoolofEngineering&Technology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China)

Abstract:Abi󰀂objective(minimumpotentiallossoflife(PLL)andthemaximizationeconomicbenefit)modelofland󰀂usesafetyplanningforchemicalindustryparkwasestablishedbyapplyingthetheoryofmulti󰀂objectivedecision󰀂making󰀁Aprocedureofland󰀂usesafetyplanningforchemicalindustryparkwasproposed󰀁Acasestudyshowedthatcompletealternativescouldbeprovidedbyusingthemethodproposed󰀁Theoptimalalternativesaccordedwithprinciplesofriskcontrolandensuredmaximumeconomicbenefit󰀁Themethodofland󰀂usesafetyplanningforchemicalindustryparkinthispaperhadguidingsignificanceforpromotingscientificandstandardizedland󰀂usesafetyplanningforchemicalindustryparkandtownshipdevelopmentaswell󰀁

Keywords:chemicalindustrypark;safetyplanning;multi󰀂objectiveoptimization;riskanalysis;safetymanagement󰀁

化工石化建设项目,显示81%布设在江河水域、人口密集区等环境敏感区域,45%为重大风险源[2]。化工企业搬迁,既需要大量资金,又影响公共安全,对实现节约发展、安全发展的发展战略极其不利。避免类似情况重复发生的根本措施是进行科学合理的土地利用安全规划,从源头上预防重大事故发生、减轻事故后果[3]。

󰀁󰀁Receiveddate:2010-03-15󰀁

Correspondingauthor:WUZongzhi,wuzongzhi@vip󰀁sina󰀁com󰀁

Foundationitem:supportedbytheNationalHighTechnologyR&DProgramofChina(2006BAK01B02).

󰀁

引󰀁言

我国化工园区正处于快速发展时期。化工园区内危险物质和能量高度集中,潜在事故风险大。由于我国化工园区建设一直缺乏土地利用安全规划的科学方法,致使已建及在建化工园区潜在事故风险巨大[1]。2006年7月国家环保总局排查了7555个

󰀁󰀁2010-03-15收到初稿,2010-05-06收到修改稿。

联系人及第一作者:吴宗之(1963󰀂),男,博士,研究员。基金项目:国家科技支撑计划项目(2006BAK01B02)。󰀁󰀁

󰀁

∋126∋

化󰀁工󰀁学󰀁报󰀁󰀁第62卷󰀁

工业发达国家于20世纪90年代中期开始了重大危险设施周边土地利用安全规划的研究,颁布了有关的法律法规、导则规范。如欧盟的 塞维索法令!∀[5󰀂6],国际劳工组织(ILO)的 预防重大工业事故公约∀,经济合作与发展组织(OECD) 化学事故预防、准备及响应的指导原则∀

[7]

[4]

优化问题方面显示出了很大的优势,其中Deb等[20󰀂21]提出的非劣排序遗传算法󰀂!(NSGA󰀂!)鲁棒性好,处理约束条件的能力强,本文将应用该算法处理化工园区土地利用安全规划的多目标优化问题。

,英国

[8]

的 重大事故危害控制规划∀(CMAHR1999),美国的 清净空气法修正案∀和风险管理计划,法国的 2003󰀂699法令∀[9]等。我国土地利用安全规划的研究起步于#十五∃科技攻关计划,中全生产科学研究院提出了基于区域定量风险评价技术的土地利用安全规划方法,但该方法仅以降低事故风险为目的,没有考虑经济收益等其他目标。许铭等进行了土地利用安全规划无约束多目标优化方法的研究。社会经济的发展要求必须统筹兼顾,一方面使潜在事故风险降到最低,同时要最大限度地实现经济收益等目标。研究土地利用安全规划多目标优化方法具有重要理论和实用意义。

土地利用安全规划问题属于规划选址类问题,是典型的NP困难(nondeterministicallypolynom󰀂inalhard)问题[13],此类问题的猜想解可以在多项式时间内验证,但不能在多项式时间内求解。NP困难问题的研究,就是要寻找一个有效的算法

[13]

[10]

[11󰀂12]

[10]

1󰀁化工园区土地利用安全规划优化目

标及优化模型

1󰀁1󰀁优化目标及约束条件

土地利用安全规划涉及经济收益、事故风险、环境保护、就业等众多目标,本文仅探讨经济收益目标和事故风险目标的优化方法。双目标优化问题解决后,就可将优化目标扩展到更多目标。用工业总产值表征经济收益目标,寻找使化工园区经济收益(用BE表示)最大化的规划方案。定量风险评价方法(QRA)用个人风险(IR)和社会风险(SR)表征事故风险,但这两个指标不便于直接比较,因此用一个规划方案总的潜在死亡人数PLL(potentiallossoflife)[14]来表征化工园区的事故风险,优化目标为PLL最小化。PLL最小化会迫使个人风险高的区域人数最少,而人口密集的区域个人风险最小,这正是作者要寻找的规划方案。化工园区土地利用安全规划存在多种约束条件,包括国家法律法规的规定、全国及区域化工产业整体布局规划、当地的经济、社会自然条件、化工园区总体规划等,这些约束条件表现为化工园区中某些地块只能用于某种土地利用类型(landdevelopmenttypes,LDTs)或不能用于某些土地利用类型。1󰀁2󰀁建立优化模型

大多数化工园区划分为矩形地块,因此本文以矩形地块为对象建立化工园区土地利用安全规划的优化模型。首先用定量风险评价方法计算出单个地块第q种土地利用类型的个人风险,以它作为优化计算时风险的输入值,整个化工园区的PLL用每个地块的PLLi累加计算。每个地块的PLL由两部分构成:自身个人风险产生的PLL;其他地块个人风险施加的PLL。

在规划期,很难准确描述化工设施的具体位置和数量,最大化考虑风险的影响是合理的想法。为此,提出3个计算风险的假设:%一个地块内部按该地块土地利用类型产生的最大个人风险计算。&计算一个地块对其他地块施加的个人风险时,从[22]

。

欧盟1996~1999年开展的#土地利用规划和化工厂选址∃(LUPACS)项目研究了化工厂周边土地利用安全规划的多目标优化方法[14],但在公开发表的有关该项目的文章中,仅介绍了他们解决问题的思路、过程及结果,没有透露具体优化模型以及使用何种算法来求解模型。化工园区不同于化工厂,在规划前期难以准确描述具体的化工项目及其工艺和设施,这给土地利用安全规划造成困难。一些土地利用规划的多目标优选方法值得借鉴。Uday等[15]按照联合国粮农组织(FAO)的土地利用规划指南制定的程序,采用线性规划优选农业用地的规划方案。Raizada等[16]采用权重和方法将4个简单线性规划转变为单目标妥协规划,进行流域土地利用规划方案的优选。Jayanath等

[17]

用AHP

(层次分析法)进行多属性偏好模拟以比较方案的优劣。董品杰等[18]采用小生境遗传算法进行柑橘用地的优选。Marchamalo等[19]用AHP方法研究了哥斯达黎加水电厂选址问题,以协调水电厂与下游农业发展的关系。多目标进化算法在处理多目标󰀁第1期󰀁󰀁吴宗之等:化工园区土地利用安全规划优化方法

∋127∋

两个数值的较小者时,等风险的面积近似等于以公共边Lij为直径的半个圆周为长边、宽为󰀁l的矩形的面积;当lij∗Lj时,只计算最后一次,认为剩下的面积(用j地块的面积减去前面lij已经计算过的面积)风险相等,为了保证面积为正,该值取绝对值。这样在最后一次计算PLLij时会稍微增大风险的估值,仍然符合最大化考虑风险的原则。同理可以计算对角型地块的风险影响。当一个地块的风险衰减超过相邻地块施加到下一个相邻地块

图1󰀁地块之间风险影响的计算方法Fig󰀁1󰀁Calculationmethodofriskeffect

betweenblocks

*

(相邻型地块)时,首先计算衰减到下一个相邻

地块边界中点的风险,然后以该点的风险为起点,按照相同的风险衰减率计算施加到该地块的PLL,计算等风险的面积方法完全和相邻型的计算方法一样。用同样的方法计算施加到下一个对角型地块的风险。

通过以上分析,建立化工园区土地利用安全规划优化模型。两个优化目标为潜在死亡人数PLL最小化、经济收益BE最大化,双目标优化模型见式(1)~式(5)。式(1)为一个规划方案潜在死亡人数最小化;式(2)为一个规划方案经济收益最大化;式(3)为约束条件,表示一个规划方案中第q种土地利用类型的数目不少于期望数目;式(4)计算当地块i和j是相邻型地块时,第j个地块中距第i个地块lij至(lij+󰀁l)之间等风险的面积Slij;式(5)计算当地块i和j是对角型地块时,第j个地块中距第i个地块lij至(lij+󰀁l)之间等风险的面积Slij。该模型适用于划分为矩形地块的化工园区,其他形状地块细分为矩形网格后可使用该模型。

T

距离最近的1个危险源开始计算;如果是有公共边的相邻地块,规定危险源位于公共边的中点上;如果是对角位置的相邻地块,规定危险源位于对角的顶点上(如图1所示,i和j是相邻型地块,i和k是对角型地块)。(危险源个人风险衰减过程中,距危险源相等距离的点的个人风险相等,在距离危险源一定远处一个微小距离增量范围内个人风险相等。假设%隐含了在地块中可能会有多个类似的危险源;假设&既为了简化对其他地块施加风险的计算过程,也为了最大化考虑风险的相互影响;假设(是为了计算风险衰减过程中施加到其他地块的个人风险。

在计算地块i对地块j(相邻型地块)的风险影响时,分3种情况计算(如图1所示):当距i地块的距离lij)Lij/2时,等风险的面积等于宽为󰀁l的半圆环的面积;当lij∗Lij/2且小于j地块的另一个边长Lj和第i个地块风险衰减的最大距离

minPLL=

*

j=1

+(max(

N

IRj(x,y)|IRj(x,y)=

Ti

Wi

tj=1wj=1kj=1

+++F

Ki

oti

j

W

j

K

j

otj

FEjFMjPwjPkjVtj(x,y))DjSj+

(1)(2)(3)

lij)Lij/2

i=1,i,jlij=0

+

N

lmaxi

+max(

IRi(x,y)|IRi(x,y)=

ti=1wi=1ki=1

N

+++F

j=1

FEiFMiPwiPkiVti(x,y))ci(lij)DjSlij)

maxBE=

+BS

j

j

s󰀁t󰀁󰀁󰀁Nq∗NEq

󰀂(2lij󰀁l+󰀁l2)/2

Slij=

󰀂Lij󰀁l/2

*

|Sj-󰀂L2ij/8-󰀂Lij/2(Lj-Lij/2)|

(Lij/2)lij∗L*j󰀁(相邻型)

lij)Ljd

(Ljd)lij∗Ljc󰀁(对角型)

(4)

󰀂(2lij󰀁l+󰀁l2)/4

Slij=

󰀂Ljd󰀁l/2

|Sj-󰀂L2Ljd/2(Ljc-Ljd)|jd/4-󰀂

(5)

∋128∋

化󰀁工󰀁学󰀁报󰀁󰀁第62卷󰀁

2󰀁化工园区土地利用安全规划程序

化工园区土地利用安全规划程序包括前期准备、确定土地利用类型、定量风险评价及经济收益分析、确定优化目标和约束条件、建立优化模型、求解优化模型、输出和选择方案等步骤,如图2所示。

(1)前期准备。其任务是收集整理所有与化工园区土地利用安全规划有关的基础资料。

(2)确定土地利用类型。如主要生产用地、辅助生产用地、公用工程用地、仓储用地、交通运输

及交通枢纽用地、固体废物堆场、环境及卫生防护带以及居住区用地等。应依据国家产业、行业及区域发展规划、相关法律法规、标准规范和当地实际情况确定土地利用类型。

(3)定量风险评价及经济收益分析。主要计算每种土地利用类型的事故风险和经济收益。经济收益可以用工业总产值来表征,也可以用税收、利润、物资的吞吐量等来表征。

(4)确定优化目标和约束条件。确定优化目标及约束条件时应确保表达它们的属性是可理解的、可度量的。

(5)建立优化模型。将问题表达为数学优化模型。

(6)求解优化模型。对优化模型分3个步骤实施优化求解。%进行无约束优化求解;&进行有约束优化求解,将有约束最优解集和无约束最优解集进行比较,找出使潜在风险增加的因素,采取措施改进约束条件减小这些因素的影响;(改进约束条件后再进行有约束优化求解。返回步骤&直到满意为止。

(7)输出并选择规划方案。优化计算结束,输出备选方案集。规划者可以依据期望值选择满意的规划方案(landusepatterns,LUPs)。

3󰀁示󰀁例

用本文提出的方法对深圳某化工园区进行土地利用安全规划。化工园区规划面积2󰀁438km2,分为10个地块,南侧临江,北侧靠山,两山之间有村庄A(11号地块),现有村民1817人,该园区是一个外围为海洋的半岛(如图3所示)。确定每个地块的土地利用类型有7种:%甲类易燃液体存储用地;&乙类易燃液体存储用地;(易燃气体存储用地;−易燃气体生产、使用用地;.有毒气体生产、使用用地;/其他工业用地;0居住区用

图2󰀁化工园区土地利用安全规划程序Fig󰀁2󰀁Procedureofland󰀂usesafetyplanning

forchemicalindustrypark

图3󰀁化工园区平面图

Fig󰀁3󰀁Planargraphofchemicalindustrypark

󰀁第1期󰀁󰀁吴宗之等:化工园区土地利用安全规划优化方法

∋129∋

地。约束条件为1个规划方案中7种土地利用类型每一种至少有1个,要求找出使潜在死亡人数最小化、经济收益最大化的所有规划方案。数据取自文献[23]及现场调研资料,选取6种工业土地利用类型典型物质(依次为:汽油、柴油、LPG(液相)、LPG(气相)、氯气、乙二醇甲醚)常见储罐和管道数据,用CASST󰀂QRA(v1󰀁0)软件计算个人风险,用NSGA󰀂!算法进行优化计算,分别进行了无约束优化、有约束优化、改进约束优化3次优化计算,改进后的约束条件为:搬迁村庄、不布置有毒气体生产使用用地和居住区用地,其他5种土地利用类型每一种至少有1个地块。依据题意,总的规划方案有7个,约为2󰀁82亿个。无约束优化共得到256个最优解,有约束优化共得到69个最优解,改进约束后共得到160个最优解。三次优化结果如图4所示。有约束优化最优解集的PLL比无约束优化最优解集的PLL大1个数量级以上,改进约束后最优解集的PLL比有约束优化最优解集的PLL减小了约1个数量级,同时收益明显提高。改进约束后得到的160个最优解可以分为6种类别,图5绘制了这6种类别的部分规划方案。每种类别包含的土地利用类型和相应的地块数量相同,其中,图5(a)、(c)、(e)、(g)、(i)、(k)为该类别风险最小、收益最小的规划方案,图5(b)、(d)、(f)、(h)、(j)、(l)为该类别风险最大、收益最大的规划方案。根据3次优化结果,可看出化工园区应优先布置甲类、乙类易燃液体存储企业,其他类型的企业至多布置1个;不布置有毒气体生产、使用企业,不在园区内建居住区,能大幅度降低整个园区的潜在风险。规划者可以结合图4和图5,选择最接近期望值的规划方案。例如需要布置甲类易燃液体存储地块3个、乙类易燃液体存储地块4个、其他类型各1个,该情形属于图5的第三种类别,在备选方案中符合该条件的方案共有35个,图5中(e)是其中风险和收益都最小的解,(f)是其中风险和收益最大的解。如果要求经济收益最大化,则选择(f)布局方案;如果要求风险最小化,则选择(e)的布局方案。如不能确定引进企业的类型和数量,则可以根据预期的收益和可承受风险的水平,直接查看每个解的函数值,选择最接近的解对应的规划方案。

示例表明本文提出的优化方法能够提供完备的备选方案集,规划者可以按照期望的收益水平或可10

∋130∋

化󰀁工󰀁学󰀁报󰀁

N󰀂󰀂󰀂化工园区地块的数目

󰀁第62卷󰀁

承受的风险水平从这些备选方案中选择最接近的作为最终方案。这些规划方案符合约束条件,符合风险控制原则,可实现经济收益最大化。

Nq,NEq󰀂󰀂󰀂一个规划方案中第q种土地利用类

型的数目、期望数目

Pki,Pkj󰀂󰀂󰀂分别为第i、j个地块中土地利用类

型的第k个点火源的点火概率

Pwi,Pwj󰀂󰀂󰀂分别为第i、j个地块中土地利用类

型的气象条件概率

PLL󰀂󰀂󰀂一个规划方案的潜在死亡人数Sj󰀂󰀂󰀂第j个地块的面积

Slij󰀂󰀂󰀂第j个地块中距第i种地块lij至

lij+󰀁l之间等风险的面积

Ti,Tj󰀂󰀂󰀂分别为第i、j个地块中土地利用类

型的容器设备泄漏事件的个数

Vti(x,y),Vtj(x,y)󰀂󰀂󰀂分别为第i、j个地块中土地利用类

型的第t个事故情景在位置(x,y)处引起个体死亡的概率

Wi,Wj󰀂󰀂󰀂分别为第i、j个地块中土地利用类

型的气象条件的个数

4󰀁结󰀁论

(1)科学合理的化工园区土地利用安全规划是预防重大工业事故发生、减轻事故后果的重要措

施,工业发达国家和国际组织都在进行土地利用安全规划方法研究和应用。

(2)本文以矩形地块为对象,应用多目标决策理论,以潜在死亡人数最小化、经济收益最大化为优化目标,建立了化工园区土地利用安全规划双目标优化模型,提出了化工园区土地利用安全规划程序。

(3)应用本文提出的方法对某化工园区进行了土地利用安全规划,表明该方法能够提供完备的备选方案集,这些方案符合风险控制原则,可实现经济收益最大化。本文提出的优化方法对促进化工园区和城镇规划的科学化和规范化具有指导意义。

符󰀁号󰀁说󰀁明

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁BE󰀂󰀂󰀂一个规划方案的经济收益

Bj󰀂󰀂󰀂第j个地块的经济收益函数ci(lij)󰀂󰀂󰀂第i种地块中土地利用类型的风险

衰减率,是lij的函数

Dj󰀂󰀂󰀂第j个地块的人口密度

FEi,FMi󰀂󰀂󰀂分别为第i个地块中土地利用类型

的设备修正系数、安全管理及人员修正系数

FEj,FMj󰀂󰀂󰀂分别为第j个地块中土地利用类型

的设备修正系数、安全管理及人员修正系数

o

Foti,Ftj󰀂󰀂󰀂分别为第i、j个地块中土地利用类

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型在(x,y)处的个人风险

Ki,Kj󰀂󰀂󰀂分别为第i、j个地块中土地利用类

型的点火源的个数

Lij󰀂󰀂󰀂相邻型地块i和j的公共边L*j󰀂󰀂󰀂相邻型地块j的另一个边

Ljc,Ljd󰀂󰀂󰀂分别为对角型地块j的长边、短边lmaxi󰀂󰀂󰀂第i个地块中土地利用类型的风险

衰减的最大距离

󰀁l󰀂󰀂󰀂微小距离增量󰀁第1期󰀁󰀁吴宗之等:化工园区土地利用安全规划优化方法

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