方曼、沈华|美国核情景构建模拟及对我国的启示

当今世界，的发生频率、影响范围和破坏力度逐步攀升。美国在遭遇“9·11”后，对安全管理的关注日益增加。为应对、自然灾害等各种可能的风险，美国政府于2003年12月17日颁布了国土安全总统8号令«国家防范指南»，确定了国家风险防范的目标和国家防灾的准备工具。2011年9月，美国FEMA根据2006年«应急管理改革法»和«国土安全总统8号令»，对外发布了«美国首都地区核关键响应计划»报告，将核安全的应急响应进行了规范化和可操作化。

在我国，、核设施、核运输带来重大威胁，另一方面，我国核电事业的发展也对核应急工作带来了巨大挑战。尤其是2011年日本福岛核事故后，我国加强了针对核事故的应急准备、应急疏散和风险沟通的研究工作。应急准备需要“目标”的引导和支持，而核事故作为重大突发风险的“实例”，可以作为应急准备的具体目标。同时，重大核事故情景库的建立和应用也为情景模拟提供了重要的参数，为演练提供了科学和客观的基础。情景构建模拟分析的方法综合考虑了地形对核事故放射性粒子扩散的影响、核事故后不同情境下应急疏散行为与路径选择等。2016年1月，我国发表了«中国的核应急»白皮书，客观评估了我国的核应急能力。与国外政策模拟实践相比，我国现有对核能事故的研究在从理论到政策制定的环节中缺少必要的研究，美国作为核安全研究和应用技术开发较为全面的国家，美国的经验值得我们借鉴和学习。

本文将以15个情景之一———美国首都地区核为例，介绍美国开展情景构建、模拟分析以及形成应急管理方案的全过程，通过分析和对比物理过程、环境因素和行为决策因素的分析，为我国开展核情景构建工作提供参考和借鉴。

«美国首都地区核关键响应计划»是在美国国土安全部(DHS)科学与技术中心、，经联邦到地方的全力协作，开展大量基础性试验、模拟分析基础上撰写的。以华盛顿地区为模拟场景，设想一枚万吨级TNT当量的核弹在华盛顿白宫北侧，。报告分析了核爆的影响与扩散范围、城市抗核爆的脆弱性、庇护场所的安全等级、响应人员的保护以及公众保护策略的建模与技术。本文依据这一背景开展相应分析。

美国首都核情景构建与模拟分析分物理过程、环境构建、行为决策三阶段逐步展开(见表１)。其中，物理过程模拟板块关注特定风险因素的形态、扩散程度及影响因素，并依此提出环境专业监测的建议；环境建构模拟板块关注建筑形式、抗核辐射能力、建筑分布等因素，形成对脆弱性与承载力的初步判断，提出管理优先序列的建议；行为决策模拟板块通过加入信息获取、避难场所选择、疏散路径选择等个体行为因素，形成对伤亡人数的预测，并提出疏散策略，提出公众保护建议。这三大板块之间存在承继的关系，是风险综合叠加情景下的动态政策建议。

通过核爆的影响形式、影响范围与破坏程度及扩散方式等因素展开对核爆过程的模拟分析。其中，核爆的影响形式包括核辐射、闪光盲、热辐射和核冲击波等。核爆的影响范围与破坏程度考虑了即时效应和延时效应，并依据即时效应划分空间位置(见表2)，依据延时效应明确区域范围和特征(见表3)。

放射性尘埃的辐射剂量会随着时间的推移而逐渐下降。以华盛顿地区卡多佐学校(Cardozo High School)为案例，研究人员模拟分析了辐射剂量与时间的关系，得到不同时间节点人遭受到的辐射剂量实时统计值。测算发现，在核爆１５分钟时辐射剂量最大达到了1444R/h，15分钟后迅速衰减到686R/h，四天后辐射剂量下降至1R/h。在考虑气候因素时，研究小组以2009年1到12月华盛顿地区每月14日的气候条件为背景，对核爆后放射性尘埃云的扩散方向与范围进行了数值模拟与图像展示。

美国首都地区核情景构建的环境因素主要考虑了城市建筑形状的几何分布、核爆位置以及建筑物的核庇护质量等。城市建筑本身及其分布对于核辐射与热辐射有较强的阻挡与抵抗作用，成为核爆伤亡预测的重要考虑因素。研究对俄克拉荷马城市爆炸点上方300英尺与1英尺高度间的热辐射影响进行了情景模拟。

第一，考虑城市建筑形状的几何分布，取美国洛杉矶、旧金山、纽约三个城市建立建筑物的分布模型，得到不同城市环境不同的建筑物分布条件下核爆云团的形态变化及其云团的热辐射分布。在叠加了建筑物的高度、城市建筑结构基础数据以及对核爆后热辐射的产生量后，发现位于不同建筑中的人员遭受热辐射影响存在差异，并按照红橙黄绿蓝的颜色分布展示了效果。

第二，考虑到核爆发生位置是影响其破坏程度的重要因素，选择了美国俄克拉荷马州爆炸案场景开展模拟实验，发现如果爆炸源在城市上空300米处爆炸，产生的热辐射将会直接辐射整个城市，造成大面积的危险辐射区和热点区；但如果爆炸源位于距地表１米的高度，热辐射效应将会因城市建筑物遮挡而大大降低。

第三，考虑建筑物自身庇护质量，从房屋建筑材料、楼层以及是否具备专门防辐射功能等方面进行评估与测算。同时，对于华盛顿核爆区域附近的建筑特点与防辐射功能依照标准进行分类分级评价。建筑物庇护效果用防护系数PF(protection factor)表示，分为简陋、简易、一般与专业四个级别(表4)。

以华盛顿地区的卡多佐(Cardoza)典型街区为例(坐落在爆炸点1.3—1.5英里处)，位于轻度破坏区且靠近危险辐射区，其建筑特征为2—3层连成片的砖式结构房屋，并配有英式地下室。基于对建筑物庇护效果的分级，首先对该地区所有建筑的庇护效果进行等级评定并将核爆的影响纳入评估结果中叠加考量，模拟过程如下:(1)核爆发生后，公众在24小时内完全暴露于室外，受到10R辐射剂量的辐射，划定危险区域；(2)划定庇护场所的区域与庇护等级；(3)对危险区域与庇护效果进行双重的模拟考量，划定最终的危险区域。

分析发现，所有人员在“一般”与“专业级别”的庇护所中躲藏的情景下，核爆伤亡人数会大大减少。值得注意的是，案例假设排除了重度、中度破坏区中由于建筑倒塌等物理性因素导致的伤亡，仅仅考虑由辐射造成的伤亡，是一种最为乐观的假设。

基于最极端情况的研究发现，华盛顿地区核爆后所有人都持续4天暴露在户外的情况下，遇难人员将达到13万之众，包括因放射性物质导致8.2万人死亡与4.8万人受伤。这一悲观预测为决策者提供了可供参考的重要临界值，用于评价公众行动建议的有效性。

首先，考虑信息发布及时有效性对公众避难行为的重要影响。核爆模拟的华盛顿地区设置了信息公告模板，通过多渠道通知尽可能多的公众，指导公众以自救的形式寻找最优避难路线。

其次，以卡多佐学校为例，基于外界辐射剂量值的不同，模拟假设三条疏散路线，即最短路线(路线1，图1左侧路线)、致命路线(路线2，图1中间路线)以及理想路线(路线3，图1右侧路线)。通过测算各路线可能遭受的累积辐射剂量与辐射剂量随时间的变化情况，分析三条路线的可行性。其中，区块颜色深浅代表辐射剂量强度(见图１)。

测算发现，路线1是直线疏散距离最短的，但通过对辐射剂量的测试，发现它并不是最优的疏散路线。路线3虽然是危险辐射区范围内最长的线路，但分析结果显示是最理想的疏散线路。研究同时分析了爆炸发生后2小时之内的每15分钟，3条疏散路线8种可能的疏散时间，发现最早疏散会导致更大程度地暴露。不同路线选择产生的总暴露量会有显著不同，但12小时之后差异会显著变小。对于合适的避难所，最佳的疏散时间是24小时之后。

最终，综合分析华盛顿地区建筑的庇护效果、疏散时间与路径选择，按照庇护效果与疏散因素的叠加模拟发现，庇护效果(生命挽救率)从高到低的排序依次是:专业庇护所原地不动、华盛顿特区设置的庇护所原地不动、一般庇护所原地不动、简易庇护所并无指导性疏散、简陋庇护所原地不动、简易庇护所并有指导性疏散、由简陋庇护所转至一般庇护所、简陋庇护所并无指导性疏散、简陋庇护所原地不动(见图2)。

(一)基于城市脆弱性的灾害情景构建

相比于美国对核威胁的情景构建，我国城市情景构建主要是基于城市脆弱性的分析框架，通常包括城市资源脆弱性、生态环境脆弱性、经济发展脆弱性和社会发展脆弱性。也有学者从气候变化的视角研究城市脆弱性建模，包括暴露度、敏感性以及适应能力三个维度，和环境扰动、社会压力、自然环境、社会经济、水资源、调适/回应等六个类别，通过变量间因果互动关系组合建立系统动力模型。对比本文提及的美国对核威胁的情景构建，我国在情景构建方面，情景预设往往文字描述居多，常与定量模型(如城市脆弱性模型)的分析分离开来，联结不够紧密，情景构建的科学性与真实性的结合有待加强。

此外，我国城市针对性的致灾因子主要是以自然灾害为主，对于核等非自然因素的模拟并不多见。从物理过程的视角来看，模拟仿真的实际数据结果具有一定的共性。环境因素的构建和行为决策的影响因素则有较大差异。其中，对于环境因素的建模，主要是考虑对于不同脆弱性构成要素图层间的叠合以及不同扰动的脆弱性图层间的叠合，主要采用了GIS的空间方法。在我国，建筑物的等级主要从建筑结构安全的视角，根据破坏后果的严重性进行了划分，破坏后果很严重的为重要建筑物，安全等级为一级；破坏后果严重为一般建筑物，安全等级为二级；破坏后果不严重为次要建筑物，安全等级为三级。这样的划分主要针对了地震、洪水等常规灾害，但对于核威胁，没有从庇护的视角进行安全划分。

(二)基于情景构建模拟分析的危机应对

美国首都核的情景构建与模拟，按照发生发展的物理过程、与环境因素互动、行为策略(如公众行为选择、庇护效果)三阶段前后相继、逐步展开分析，其不同于变量间因果互动的复杂模型，更能为不同的决策部门提供有针对性的应急管理决策依据与公众安全指南，但同时也对信息在不同部门间传递的及时性、连续性提出更高的要求———物理过程模拟板块对环境监测有着相应要求；环境建构模拟板块有助于对脆弱性与承载力进行初步判断，以便提出管理优先序列的建议；行为决策模拟板块在前两个板块基础上提出有效的疏散策略，确保公众接收信息的途径、内容及时有效，尽可能减少人员伤亡。三大板块之间前后承继，各职能部门分工相对明确，在风险综合叠加情景下能为危机应对提供动态的政策建议。

为保障三大板块之间的紧密衔接，确保不同部门间信息传递的准确、连续，行动上统一目标、相互配合，区域协调机制则水到渠成地建立起来。建立区域监测评估中心，搜集相关辐射剂量的信息，协调中心应对接其他数据资源，帮助确定区域内行动的优先次序，识别区域内专业响应者，确定集结地位置，制定应急策略，选择最佳避难场所和疏散路线，为民众提供指导性措施等。

科学开展疏散工作方面，根据模拟分析结果(见图2)，得到理性的行动指导策略:比如美国案例分析结果显示，在专业庇护场所原地不动是对自身最好的保护。在一般庇护场所，原地不动优于无指导性的盲目疏散；对于简陋的庇护场所，由于建筑物本身的防护效果差，自我有意识疏散比原地不动的生还率高得多。综上，结合模拟情景与区域关键基础设施的运行现状及规律(例如，建筑的庇护效果，城市生命线的多米诺效应等)，能有效提供指导性疏散信息，帮助公众理性选择逃生或庇护策略，大大提高生存率。伤员医疗响应方面，按照赫蒂娜提出的“医疗分类—先期处置—转运”(Triage-Treatment-Transport,RTR)的医疗响应模式，在事前就对各疏散备用场所进行分类，即潜在的RTR站点，能为人员集散、医疗护理与疏散做好充足准备，增进信息沟通与交通效率，加强地方协调快速获知医疗资源信息、患者人数、设施破坏程度，有效降低核爆的影响后果。美国首都地区的模拟情景显示，无论是否受伤，该地区(大约1百万人口)75％的人员均会寻求医疗救护；弗吉利亚与马里兰区(人口分别为50万、200万)约25％人员会寻求医疗救护。

美国首都地区核模拟分析对我国应急管理工作的启示是多元化的，从科学研究、行政管理、公众参与等多方面都具有重要的参考价值。

(一)科学研究的启示

应对巨灾的基础数据积累与基础性研究是建立以情景构建为核心的应急准备中最为关键的一环，必须充分体现情景构建的真实性与科学性。美国已形成了集事故监测、评价与事故信息通报于一体的核应急技术支持体系，建立了适合于核、生、化等事故后果预测和评价的大气扩散模型。我国国家自然科学基金委从2010年启动了非常规突发应急管理重大计划项目，然而对于如何形成常态化的数据采集机制还需深入研究。

首先，完善巨灾应对研究的整体布局与顶层设计，对社会、经济、城市运行数据开展动态采集与积累，尤其是针对城市脆弱性的数据采集与评估。国家级重点实验室与政府所属研究机构应重视积累基础数据，为重大突发的应急管理储备人口分布、居住与交通流量数据，建筑物抗逆力数据以及资源数据等，为开展巨灾研究做好数据准备；其次，为数据采集设定指导性的数据结构标准，以实现巨灾情景下信息数据的互联互通；与此同时，应用型研究机构应着眼于现实需求，开展多因素极端情况下的模拟仿真测试，为决策参考提供临界值数据，辅助支撑应急管理决策。

(二)应急管理的启示

巨灾情景下对公众的指导不仅仅只有“疏散”这一选择。美国首都地区核模拟分析给公众提供了行动选择方案集，值得借鉴。一旦发生核或者类似的环境类突发，政府最重要的职能是环境监测与信息发布。早期应急监测的目的是确定事故释放的放射性物质类型、数量及影响范围，以提高早期防护的置信度。一方面，调配专业的监测队伍，对城市各个点位的放射性或其他污染物进行实时监测；另一方面，调动一切可能的信息发布渠道，为城市中各个角落的居民通报各地的环境污染监测数据。居民根据政府提供的信息确定自己所在的点位是否受到污染，是否需要疏散，疏散的路径如何选择等。模拟实验与事实均证明，整齐划一的疏散行政命令可能会导致更大的伤亡。

(三)公众沟通的启示

提高居民对风险情景的认知水平与行动能力是近年来应急管理与风险认知领域研究者与实践者的普遍共识。公众的理性程度是应对危机的重要基础，然而公众认知受到多种因素的影响而可能导致偏差。风险认知水平偏低是导致突发情景下公众产生“普遍恐慌”或者“普遍乐观”观念的根本原因，由于对各类的发生发展信息缺乏，“普遍乐观”也极容易在某个节点向“普遍恐慌”发生突变。我国人员教育素质参差不齐，更需要对相关的知识进行普及性教育。

首先，我国应急教育的方式应该从知识普及逐渐向参与性学习演变，同时需要对于公众的参与性学习进行分门别类的精细化设计与培训。事实证明，在应急知识转化为科学合理的应急行为中间还有一定距离，主要包括公众采取应急行为的能力和心理素质。只有公众能够临危不乱，同时能够在突发情景下分辨特征、做出合理的危机决策并顺利采取了正确的应对行为，才能实现对自身的生命保全。再者，对中国公众的应急教育宣传应逐渐从灌输式向启发式演变，启发式的教育方式在于训练公众在面临突发时自身的思维方式与决策能力，让公众个体逐渐为保护自己生命承担起应有的责任，更加积极主动、因时因地的采取对自己最有利应对策略，这样才是最高效的应对突发的根本。每个公众都以最快的速度在合适的地方采取对自身情况最为适宜的庇护策略也是应急管理应追求的最高目标。