Short cut methodologies for assessing earthquake and flood related NaTech risk

Natural disasters may be powerful and prominent mechanisms of direct or indirect release of hazardous material (hazmat) (Young, Balluz et al. 2004). If industrial sites are located in naturally hazard-prone areas, technological accidents may be triggered by natural events, generating the so-called NaTech (Natural and Technological) events and may modify as well as increase the impact and overall damage in surrounding areas (Galderisi, Ceudech et al. 2008). There is a wide range of literature on natural disasters and hazardous material accidents, but it is only in recent years that they have been treated as related events. Thus, NaTech events have begun to receive a significant amount of attention. Nevertheless, there is scarce information available on the interactions between natural disasters and simultaneous technological accidents and studies in this field have not been carried out extensively yet. Many reviews on NaTech events spanning over 30 years have been written by several researchers (Showalter and Myers 1994; Rasmussen 1995; Chang and Lin 2006; Cruz, Steinberg et al. 2006; Renni, Krausmann et al. 2009; Cozzani 2010; Krausmann, Cozzani et al. 2011; Krausmann, Renni et al. 2011). Additionally, natural disasters have increased both in frequency and economic losses around the world (Young, Balluz et al. 2004); therefore, there is increasing public awareness and interest from the scientific community. Recent examples of NaTech events are reported in the literature (Hudec and Luks 2004; Cruz and Okada 2008; Cruz and Krausmann 2009; Picou 2009; Cozzani, Campedel et al. 2010; Koseki, Li et al. 2012), but only a few papers discuss approaches and methodologies necessary to face the problems they cause (Salzano, Iervolino et al. 2003; Cozzani, Bandini et al. 2006; Cruz and Okada 2008; Fendler 2008; Galderisi, Ceudech et al. 2008; Krausmann and Mushtaq 2008; Salzano, Agreda et al. 2009). The most powerful tool to evaluate the impact that a natural event may have on industrial facilities is an extension of the classical Quantitative Risk Analysis (QRA) approach to situations wherein an accident is triggered by a natural event (Fabbrocino, Iervolino et al. 2005; Antonioni, Spadoni et al. 2007; Campedel, Cozzani et al. 2008; Antonioni, Bonvicini et al. 2009). A limitation of QRA is that it requires a lot of resources in terms both of time and expertise. A simple model that is easy to handle and capable of taking into account the most important phenomena that occur in a NaTech event, as well as describing them in terms of easily accessible data, should be useful for screening purposes (i.e., for deciding when it is worthwhile to conduct a QRA). In this work, firstly a short-cut methodology for the assessment of industrial risks induced by earthquakes was developed and validated by a comparison with available results from more detailed QRA applied on plants located in Milazzo, Roma and Livorno (Busini, Marzo et al. 2011). The methodology is easy to apply and require a small amount of resources and information; it summarize, through a suitable Key Hazard Indicator (KHIeq), the NaTech hazard level associated with a given situation (i.e., a process plant located at a given position). The aim of the methodology is to answer a simple question: “Is the NaTech hazard level associated with process plant A (or to item A) larger than the hazard level associated with process plant B (or to item B)”? Variables A and B can be two different plants or items located in two different positions or the same plant or item with different mitigation measures implemented. Answer to this question required simultaneous comparisons between a large number of different parameters, ranging from the types of hazardous substances present in the plant to the intensity of the external natural force, each of which have different units of measurement. Therefore, the need for specific methods to compare various risks, necessary to evaluate different risk levels corresponding to different individual risks using similar units, emerged. Among the various approaches available, the Analytical Hierarchy Process, AHP (Saaty 2000), a method that can support decision making by establishing alternatives within a framework of multi-weighted criteria, has been chosen. This method allows for choosing among various alternatives through binary comparison, that is, considering only two elements at a time. The idea of using the AHP in the context of NaTech risk analysis has been recently proposed (Rota, Caragliano et al. 2008). The use of the AHP requires the identification of all the main elements that can determine the main characteristics of the plant; such elements, while covering all the relevant aspects, should be few and easy to evaluate. Here it suffices to mention that binary comparisons between elements must be established, and they must be arranged in suitable hierarchies structured with the goal on top (e.g., the KHI), with different branches. At the bottom of the hierarchy there are the alternatives, which characterize the given territory. Through simple mathematical manipulations (Saaty 2000), from the normalized values assigned to the alternatives, it is possible to compute the KHI value on a 0-1 scale. Afterwards, the methodology was revised in order to be able to asses industrial risk induced by floods; it mainly differs from the previous one for what concern the way the natural event acts on the plant (Marzo, Busini et al. 2012). Also in this case the methodology summarizes, through a suitable Key Hazard Indicator (KHIfl), the NaTech hazard level associated with a given situation and the comparisons between the large number of different parameters rising due to the complexity of the interaction between natural and technologic aspects is performed thanks to the AHP. The case-studies used for validating the simplified methodology for assessing flood-related NaTech Hazard refers to industrial plants for which results from a detailed QRA considering also NaTech events are available in the literature (Campedel, Antonioni et al. 2008; Antonioni, Bonvicini et al. 2009). Then, considering the fair agreement between the results of the short-cut methodology and the QRA results, a third case study was performed applying the methodology on a well-known real case: flood at SPOLANA a.s., Neratovice, Czech Republic in August 2002. Moreover, both the methodologies were applied to a much more complex realistic case study derived considering a realistic complex industrial facility located in the area of Ferrara (Italy). Finally, in order to take into account also the presence of different number of people and vulnerable centers in the surrounding of the plant, a short-cut methodology summarizing through a suitable Key Vulnerability Index (KVI) the level of vulnerability associated to a given territory around a process plant, and capable of weighing the value of the Key Hazard Indicator resulting by the application of the methodologies introduced above, was developed. Also this last methodology was validated by a comparison with the available results from the QRA (Campedel, Cozzani et al. 2008) and on a new realistic case study in Lombardia (Italy). The indicators resulting from the application of these methodologies, KHI and KVI, suitably condensed, give therefore rise to a measure of the NaTech risk (through a suitable KRI) in function of the type of hazard posed by the plant present on a given territory potentially subject to one or more natural forcings of different intensity and with a greater or lesser degree of human settlement.

Le catastrofi naturali possono essere causa diretta o indiretta del rilascio di sostanze pericolose (Hazmat) (Young, Balluz et al. 2004). Nel caso in cui un impianto industriale venga a trovarsi in zona soggetta a rischi naturali può accadere che gli incidenti industriali siano innescati dagli eventi naturali, generando i cosiddetti eventi NaTech (naturali e tecnologici), i quali possono procurare nelle aree interessate danni complessivi maggiori di quelli che potrebbero produrre i singoli eventi (Galderisi, Ceudech et al. 2008). Vi è molta letteratura circa i disastri naturali e gli incidenti che coinvolgano il rilascio di sostanze pericolose, ma è solo negli ultimi anni che si è cominciato a trattarli anche come eventi correlati; per questo motivo vi è relativa scarsità d’informazioni disponibili sull’interazione tra disastri naturali e incidenti tecnologici. Molte recensioni concernenti eventi NaTech lungo un periodo di più di 30 anni sono state scritte da diversi ricercatori (Showalter e Myers 1994; Rasmussen 1995; Chang e Lin 2006; Cruz, Steinberg et al 2006; Renni, Krausmann et al 2009; Cozzani 2010; Krausmann, Cozzani et al 2011; Krausmann, Renni et al 2011). Inoltre si registra a livello mondiale un aumento dei disastri naturali sia in termini di frequenza sia di perdite economiche (Young, Balluz et al 2004); vi è quindi un crescente interesse dell’opinione pubblica e della comunità scientifica in materia. Esempi recenti di eventi NaTech sono riportati in letteratura (Hudec e Luks 2004; Cruz e Okada 2008; Cruz e Krausmann 2009; Picou 2009; Cozzani, Campedel et al 2010; Koseki, Li et al 2012), ma solo pochi di questi discutono approcci e metodologie in grado di affrontare i problemi da essi causati (Salzano, Iervolino et al 2003; Cozzani, Bandini et al 2006; Cruz e Okada 2008; Fendler 2008; Galderisi, Ceudech et al 2008; Krausmann e Mushtaq 2008; Salzano, Agreda et al. 2009). Lo strumento più potente per valutare l'impatto che un evento naturale può avere su impianti industriali è un'estensione del classico metodo di analisi quantitativa del rischio (QRA) a quelle situazioni in cui un incidente industriale possa venire iniziato da un evento naturale (Fabbrocino, Iervolino et al 2005; Antonioni, Spadoni et al 2007; Campedel, Cozzani et al 2008; Antonioni, Bonvicini et al 2009). Una limitazione della QRA è però il fatto che richieda un’enorme quantità di risorse sia in termini di tempo sia di competenze. Un modello semplificato che potesse essere facile da utilizzare essendo comunque in grado di tener conto dei fenomeni più importanti che occorrono in un evento NaTech descrivendoli in termini di dati facilmente accessibili, sarebbe perciò utile per motivi di screening preliminare (ad esempio per decidere se valga veramente la pena di condurre una QRA). In questo lavoro in primo luogo è stata definita una metodologia speditiva per la valutazione dei rischi industriali indotti dai terremoti, convalidata per mezzo di un confronto con i risultati ottenuti da QRA (Busini, Marzo et al. 2011). La metodologia è facile da applicare, richiede una modesta quantità d’informazioni preliminari facilmente reperibili ed è in grado di riassumere, attraverso un indicatore di hazard (KHIeq), il livello di pericolo NaTech associato a una determinata situazione. L'obiettivo della metodologia è di rispondere a una semplice domanda: "Il livello di pericolo NaTech associato all’impianto di processo A è maggiore del livello di pericolo associato all’impianto di processo B"? Dove le variabili A e B possono essere due impianti o due apparecchiature diverse situate in posizioni diverse nonché lo stesso impianto o apparecchiatura con l’implementazione di differenti misure di mitigazione. Rispondere a questa domanda ha richiesto il confronto simultaneo tra un gran numero di variabili diverse, dal tipo di sostanze pericolose presenti nell'impianto all'intensità della forzante naturale, ciascuna delle quali con la propria unità di misura; è emersa quindi la necessità di trovare un metodo specifico per poter mettere a confronto entità di natura diversa, tra i vari approcci disponibili è stato scelto l’Analytical Hierarchy Process, AHP (Saaty 2000), metodo in grado di supportare il processo decisionale attraverso la definizione di alternative in un contesto di multi-criteri ponderati. Questo metodo permette di scegliere tra diverse alternative mediante un confronto binario, ovvero considerando solo due elementi alla volta. L'idea di utilizzare l’AHP nel contesto dell'analisi del rischio NaTech è stato recentemente proposto in letteratura (Rota, Caragliano et al. 2008). L’AHP richiede l'individuazione degli elementi che maggiormente contribuiscono alla definizione della situazione; tali elementi, oltre a coprire tutti gli aspetti rilevanti, dovrebbero essere pochi e facili da valutare. Successivamente si procederà ad un confronto binario tra gli elementi individuati, i quali verranno poi, secondo il loro peso relativo, disposti in gerarchie strutturate in diversi rami con il goal in cima (ad esempio, il KHI). Nella parte inferiore della gerarchia si troveranno invece le alternative caratterizzanti il territorio; attraverso semplici operazioni matematiche (Saaty 2000), dai valori normalizzati assegnati alle alternative, sarà poi possibile calcolare il valore del KHI in un range tra 0 e 1. La metodologia è stata in seguito rivista in modo da essere in grado di valutare il pericolo industriale indotto dalle inondazioni; essenzialmente differisce dalla precedente per quanto concerne la descrizione del modo in cui l’evento naturale impatta sull’impianto (Marzo, Busini et al 2012). Anche in questo caso la metodologia riassume, per mezzo di un indicatore di hazard (KHIfl), il grado di pericolo NaTech associato a una data situazione. I casi studio utilizzati per convalidare la metodologia semplificata per la valutazione del pericolo NaTech dovuto ad alluvioni si riferiscono a situazioni per le quali erano disponibili i risultati di una QRA (Campedel, Antonioni et al 2008; Antonioni, Bonvicini et al. 2009). Vista poi la convergenza dei risultati, un terzo caso studio è stato realizzato applicando la metodologia a un caso reale: alluvione allo stabilimento SPOLANA a.s., Neratovice, Repubblica Ceca, agosto 2002. Inoltre, entrambe le metodologie sono state applicate a un caso studio molto complesso derivato considerando dati realistici dell’area industriale vicino a Ferrara (Italia). In ultimo, al fine di tenere conto anche della più o meno importante presenza di persone e centri vulnerabili nei pressi dell’impianto, è stata sviluppata una terza metodologia speditiva in grado di riassumere mediante un indice, il livello di vulnerabilità (KVI) associato al territorio circostante un determinato impianto di processo e in grado quindi di pesare in base a queste informazioni il valore dell'indicatore di hazard risultante dall'applicazione delle metodologie introdotte sopra. Anche quest’ultima metodologia è stato convalidata mediante un confronto con risultati di QRA disponibili in letteratura (Campedel, Cozzani et al. 2008) nonché su un nuovo caso studio realizzato considerando dati realistici di un area industriale in Lombardia (Italia). Gli indicatori risultanti dall’applicazione di queste metodologie, KHI e KVI, opportunamente condensati, danno perciò luogo a una misura del rischio NaTech (mediante un opportuno KRI) in funzione del tipo di pericolo determinato dall'impianto presente su un determinato territorio soggetto a una o più specifiche forzanti naturali di diversa intensità e con un grado più o meno marcato di antropizzazione.