基于多元回歸的乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍預測模型

邱嵐伊，李潤求，2，3*，高建淑，劉 勇，2，3，崔 燕，2，3

（1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 應急管理部南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201）

隨著我國社會的持續進步與發展，人們對化學工業品的需求越來越多，而其中大部分是危化品。但由于我國危化品產銷分布不均勻，有95%以上的危化品需要異地運輸，其中道路運輸是危化品主要運輸方式。而在危化品的道路運輸過程中，一旦發生泄漏事故，很可能造成火災爆炸、人員傷亡與經濟財產損失等不良后果[1-2]，不利于維護國家安定、促進社會發展與實現人民幸福。例如：2020年6月13日，浙江溫嶺沈海高速發生液化石油氣運輸槽罐車爆炸事故，造成20人死亡，直接經濟損失約9 477萬元。因此，預測危化品道路運輸泄漏事故傷害范圍與分析其事故后果對制定危化品道路運輸事故應急預案有重大意義。

針對危化品泄漏擴散已有許多研究，如：程方明等[3]研究了環境風速及泄漏時間對罐區高壓天然氣非恒定速率泄漏擴散的影響；王大慶等[4]結合實際泄漏過程中壓力容器內狀態參數的動態變化規律，構建了氣體非穩態泄漏模型；鄢曙光等[5]基于計算流體力學方法研究了高校實驗室甲烷擴散規律并分析風速與通風條件對甲烷擴散的影響。乙醇廣泛應用于工農業、食品醫療等各個領域，其在道路運輸中一旦發生泄漏事故則后果嚴重。由于危化品種類繁多，泄漏擴散規律復雜，不同泄漏方式下各因素對傷害范圍影響不同，特別地對乙醇泄漏擴散的研究較少。因此，本文通過單因素變量法[6]模擬乙醇罐車泄漏事故，研究瞬時泄漏下各個因素對不同傷害范圍的影響規律，得出各個因素的重要度，并基于多元回歸分析方法[7]建立乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍預測模型，為實際預測乙醇泄漏擴散傷害范圍提供理論參考。

1 乙醇罐車泄漏擴散模型

乙醇俗稱酒精，在常溫常壓下是一種無色透明、帶有香味且易揮發的液體，并具有低毒性、易燃性與易爆性。乙醇的應用領域非常廣泛，不僅可作為制取溶劑等的原料，制造醋酸等產品，還可用于清潔消毒與預防褥瘡等。

乙醇罐車發生泄漏，如遇明火則引起池火災，進而對周圍環境造成熱輻射傷害。此外，揮發的乙醇蒸氣與空氣預混并擴散，若未遇到點火源，則發生中毒事故；若延遲點火且不發生爆炸，則發生閃火事故；若延遲點火且上空開闊發生爆炸，則發生蒸氣云爆炸。

由于研究背景是乙醇罐車在道路運輸中發生貨車碰撞導致乙醇瞬間大量泄漏，因此僅分析有毒蒸氣云、可燃蒸氣云、爆炸蒸氣云及池火熱輻射4種傷害方式。乙醇罐車泄漏傷害方式與等級見表1。乙醇蒸氣的密度比空氣大，其泄漏擴散會受到重力的影響，表現為重氣擴散[8]。因此，乙醇蒸氣擴散選用重氣擴散模型進行分析。

表1 乙醇罐車泄漏傷害方式與等級

傷害范圍最大半徑是指危化品達到能夠造成相應傷害方式與等級下傷害后果的最低濃度所形成的最大范圍。科學合理地確定傷害范圍最大半徑能夠有效指導事故應急救援。若傷害范圍最大半徑偏小，則會造成人員疏散范圍偏小，處于傷害范圍內的人群將會受到傷害；若傷害范圍最大半徑偏大，則會浪費人力物力資源進行不必要的疏散。因此，準確確定傷害范圍最大半徑對制定應急預案與有效進行安全疏散有重要的現實意義。

2 傷害范圍影響因素分析

乙醇罐車在道路運輸中發生貨車碰撞導致乙醇瞬間大量泄漏，且乙醇具有揮發性，易與空氣混合形成混合氣體，因此乙醇泄漏擴散傷害范圍與泄漏源、大氣環境等因素有關，即受環境風速、泄漏量、溫度、濕度與云量等因素的影響[9]。單因素變量法是指在研究受多個因素影響的事物時，通過每次僅改變其中1個因素，而其余因素保持不變，從而研究這個因素對事物的影響，按照此方法依次研究全部因素，最后再綜合解決的科學研究方法。單因素變量法能把多因素的問題轉化為多個單因素的問題，廣泛應用于實驗研究和科學探索之中。因此，為研究各個因素對乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍的影響，通過調查湖南省乙醇罐車道路運輸情況，采用單因素變量法并運用ALOHA軟件，分別對環境風速1～15 m/s，泄漏量4～44 t，溫度0～35℃，濕度0～100%，云量0～100%等條件下進行乙醇泄漏擴散模擬。

2.1 環境風速

基于湖南省全年風速變化情況，風速從1 m/s逐漸遞增至15 m/s，對乙醇罐車瞬時泄漏進行模擬，發現有毒蒸氣云、可燃蒸氣云及爆炸蒸氣云傷害范圍隨風速的增加而減小，而池火熱輻射傷害范圍隨風速的增加而先增加后減小。以池火熱輻射為例，其傷害范圍如圖1所示。由于風的作用，有毒蒸氣云、可燃蒸氣云及爆炸蒸氣云不斷與周圍空氣擴散混合，乙醇蒸氣體積分數不斷降低，因此其傷害范圍越小。風速較小時，池火在風的作用下加速燃燒，其熱輻射傷害范圍越大；風速較大時，隨著風速的不斷增加，池火燃燒變弱，其熱輻射傷害范圍變小。

圖1 不同風速對乙醇罐車瞬時泄漏池火熱輻射傷害范圍的影響

2.2 泄漏量

根據罐車道路運輸實際情況，泄漏量從4 t逐漸遞增至44 t，對乙醇罐車瞬時泄漏進行模擬，發現4種傷害方式下的傷害范圍隨泄漏量的增加而增加。以有毒蒸氣云為例，其傷害范圍如圖2所示。泄漏量越大，乙醇濃度越高，風險性越高，故而傷害范圍越大。

圖2 不同泄漏量對乙醇罐車瞬時泄漏有毒蒸氣云傷害范圍的影響

2.3 溫度、濕度、云量

通過調查湖南省全年溫度、濕度與云量等的變化情況，對溫度從0℃遞增至35℃、濕度從0%遞增至100%、云量從0%遞增至100%，分別對乙醇罐車瞬時泄漏進行模擬，發現其傷害范圍基本不變，說明溫度、濕度與云量對乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍基本沒有影響。

3 多元回歸模型建立

精確預測乙醇罐車泄漏傷害范圍，可以精細制定應急預案，精準控制事故后果。

3.1 建模方法

多元回歸分析法是基于樣本數據研究多變量間關系的統計分析方法。通過單因素變量法分析乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍的影響因素，不難發現環境風速與泄漏量對泄漏傷害范圍的影響較大，而溫度、濕度與云量等因素對泄漏傷害范圍幾乎沒有影響。因此，根據多元回歸分析理論，設傷害范圍最大半徑L為因變量，環境風速V與泄漏量M分別為自變量，建立因變量與自變量之間的二元二次函數關系式f（V，M），即

式中：α1，α2，α3，α4，α5，α6為回歸參數。

3.2 模型建立

根據乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍最大半徑的建模方法，通過對模擬工況數據進行多元回歸，建立了乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍最大半徑的二元二次回歸預測模型組，見表2。由其擬合度可知，該預測模型組的擬合度普遍較高，且趨近于1，說明二次回歸預測模型組的擬合效果好，對模擬工況數據的擬合程度高。

表2 多元二次回歸預測模型組與其擬合度

為了比較分析，同時對傷害范圍最大半徑與風速、泄漏量進行了二元一次和二元三次回歸建模。一次回歸預測模型較為簡單，其預測精度不高。三次回歸預測模型復雜，處理數據繁雜，不便于實際應用，且其預測精度較二次回歸預測模型提高不大。因此，二次回歸預測模型不僅對傷害范圍有較高的預測精度，且便于在實際應用。

3.3 模型檢驗

為了檢驗所建立的二元二次回歸預測模型組的預測效果，對模擬工況數據進行分析計算，發現其相對誤差均較小，預測精度較高。以池火熱輻射的傷害范圍為例，其預測模型的相對誤差如圖3所示。

圖3 池火熱輻射的多元二次回歸預測模型相對誤差

由圖3可知，輕度、中度與重度傷害范圍的相對誤差基本在5%以下，其平均相對誤差分別為2.34%，2.33%與3.27%，有較好的預測精度。由此可見，在一定的誤差范圍內，利用二元二次回歸預測模型能夠有效預測乙醇罐車瞬時泄漏下不同傷害方式和傷害等級的傷害范圍。

4 結論

（1）在乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍的影響因素中，風速與泄漏量是關鍵影響因素，有毒蒸氣云、可燃蒸氣云與爆炸蒸氣云的傷害范圍隨風速的增加而減小，池火熱輻射的傷害范圍隨風速的增加而先增加后減小；4種傷害方式下的傷害范圍隨泄漏量的增加而增加。溫度、濕度與云量對傷害范圍基本無影響。

（2）基于多元回歸分析方法，建立了以傷害范圍最大半徑為因變量、環境風速與泄漏量為自變量的不同傷害方式和傷害等級下由12個多元回歸方程組成的二次預測模型組，結果表明：二次回歸預測模型對乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍有較好的預測精度。

（3）建立乙醇罐車瞬時泄漏傷害范圍預測模型，不僅能為預測乙醇泄漏擴散傷害范圍提供理論參考，而且對制定危化品道路運輸事故應急預案、確保人員安全疏散及控制泄漏事故損失等有較好的指導意義。