房志明，陳玲珠，許清風(fēng)

(上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

某工業(yè)園區(qū)液氯泄漏事故傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

房志明，陳玲珠，許清風(fēng)

(上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中的安全保障需求，提出了一種考慮泄漏危險(xiǎn)化學(xué)品傷害作用的人群疏散模型及相應(yīng)的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，以某工業(yè)園區(qū)存儲(chǔ)使用的液氯為例，通過同步模擬分析園區(qū)內(nèi)液氯泄漏擴(kuò)散過程與周邊人員疏散過程，評(píng)估了氯氣影響下的疏散人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，最終提出了一種有效降低人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)的液氯存儲(chǔ)改進(jìn)方案。

危險(xiǎn)化學(xué)品；泄漏;液氯；疏散；傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

近年來，各類危險(xiǎn)化學(xué)品(具有毒害、腐蝕、爆炸、燃燒、助燃等性質(zhì)，對(duì)人體、設(shè)施、環(huán)境具有危害的劇毒化學(xué)品和其他化學(xué)品[1]，以下簡(jiǎn)稱?；?泄漏、火災(zāi)、爆炸事故不斷增多，不但威脅到公眾安全，而且造成了惡劣的社會(huì)影響，尤其2015年天津?yàn)I海新區(qū)發(fā)生的?；穫}庫爆炸事故，造成165人遇難，震驚全球。

對(duì)于有毒?；沸孤┦鹿剩軙r(shí)間、氣象、環(huán)境等諸多因素影響，其影響區(qū)域范圍較廣且不確定性大，如2004年重慶天原化工廠氯氣泄漏事故致9人死亡，周邊15萬居民緊急疏散。目前針對(duì)?；沸孤┦鹿蕬?yīng)急疏散的研究與應(yīng)用技術(shù)主要包含兩方面：①預(yù)測(cè)受影響的應(yīng)急區(qū)域[2-3]；②應(yīng)急區(qū)域內(nèi)疏散模擬[4]。研究中較少關(guān)注泄漏有毒物質(zhì)對(duì)人群疏散的動(dòng)態(tài)影響。筆者提出一種基于?；沸孤┦鹿逝c疏散過程同步模擬分析的傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并以某工業(yè)園內(nèi)的液氯為研究對(duì)象，對(duì)液氯的泄漏擴(kuò)散過程及周邊人員的疏散過程進(jìn)行模擬計(jì)算，評(píng)價(jià)該工業(yè)園區(qū)所存儲(chǔ)液氯的危險(xiǎn)性，進(jìn)而針對(duì)該工業(yè)園區(qū)的液氯提出安全技術(shù)措施。

1 基于泄漏事故與疏散過程同步模擬分析的傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

為了系統(tǒng)地分析?；沸孤┦鹿蕚鲲L(fēng)險(xiǎn)，需要在實(shí)現(xiàn)?；沸孤┡c應(yīng)急疏散精準(zhǔn)模擬的基礎(chǔ)上，考慮泄漏?；穼?duì)疏散人員的動(dòng)態(tài)影響。筆者提出一種基于泄漏事故與疏散過程同步模擬分析的傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法主要流程如圖1所示，包含兩部分內(nèi)容：①?；沸孤┓治觯横槍?duì)評(píng)估對(duì)象，分析存在的?；贩N類，結(jié)合不同?；诽攸c(diǎn)及氣象特征，選取適用的?；沸孤┠Ｐ?，進(jìn)行泄漏擴(kuò)散過程模擬，預(yù)測(cè)?；沸孤┲滤?、致傷區(qū)域及發(fā)展情況；②疏散與傷亡風(fēng)險(xiǎn)分析：針對(duì)評(píng)估對(duì)象，結(jié)合建筑分布、人員分布及路網(wǎng)分布，建立疏散模型，引入?；沸孤┲滤馈⒅聜麉^(qū)域動(dòng)態(tài)發(fā)展數(shù)據(jù)，同步模擬分析危化品泄漏與應(yīng)急疏散過程，預(yù)測(cè)處于傷亡風(fēng)險(xiǎn)中人群數(shù)量的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，定量評(píng)估?；沸孤┦鹿曙L(fēng)險(xiǎn)。其中，?；沸孤┓治鲞^程是基礎(chǔ)，將?；沸孤┠M結(jié)果引入到疏散模型中，同步分析?；沸孤┡c疏散模擬過程是該方法的核心。

圖1 傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法流程圖

2 某工業(yè)園區(qū)液氯泄漏事故傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與優(yōu)化控制

2.1 研究對(duì)象簡(jiǎn)介

該工業(yè)園內(nèi)液氯儲(chǔ)量約為10 t，距工業(yè)園1 km范圍內(nèi)約有1 000居民，2 km范圍內(nèi)約有3 000居民，居民大都分布在工業(yè)園的北面和東北面，工業(yè)園平面布置及液氯存儲(chǔ)位置如圖2所示。

圖2 某工業(yè)園平面圖

2.2 基于高斯模型的氯氣泄漏擴(kuò)散影響分析

液氯的初始泄漏后擴(kuò)散屬于重氣擴(kuò)散，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，氯氣被空氣稀釋進(jìn)而形成中等密度云，屬于煙羽擴(kuò)散系，因此，其擴(kuò)散模型應(yīng)該是前期重氣擴(kuò)散模型并耦合后期煙羽擴(kuò)散模型。筆者關(guān)注氯氣泄漏擴(kuò)散影響下的人員疏散安全問題，為簡(jiǎn)單起見，忽略求解復(fù)雜的重氣擴(kuò)散過程，直接采用中等密度云的高斯煙羽擴(kuò)散模型。根據(jù)高斯煙羽擴(kuò)散模型的假設(shè)[5]，擴(kuò)散介質(zhì)的濃度分布計(jì)算式為[6]：

(1)

式中：Q1為等效源強(qiáng)；h為源高度；u為平均風(fēng)速；C(x,y,z)為指定位置的泄漏物濃度；x、y、z分別為下風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向距泄漏源的距離；σy、σz分別為橫風(fēng)向和豎向的擴(kuò)散系數(shù)。

2.2.1 確定泄漏量

假設(shè)液氯泄漏源為工業(yè)園區(qū)的一個(gè)V=10 m3的液氯貯罐，貯存液氯10 t，工作壓力P=1.2 MPa，環(huán)境壓力P0=0.101 MPa，并已知液氯密度ρ=1 458 kg/m3；假定由于某種非正常原因，距離地面1 m的罐壁出現(xiàn)一個(gè)面積A=1.45×10-4m2的小孔。根據(jù)伯努利方程，可以得到小孔泄漏的質(zhì)量流率為：

(2)

式中：hL表示小孔以上液面高度，筆者取為0 m；C0表示流出系數(shù)，一般取0.60～0.64。將該泄漏源看作連續(xù)泄漏的點(diǎn)源，從而等效源強(qiáng)為：Q1=Qm=5.25×106mg/s。

2.2.2 確定風(fēng)向、風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度

選取當(dāng)?shù)叵募緰|南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，平均風(fēng)速u=4 m/s，大氣穩(wěn)定度可以根據(jù)表1來選?。杭俣ㄐ孤┦鹿拾l(fā)生于晴朗白天，根據(jù)表1所示大氣穩(wěn)定度級(jí)別劃分表，選取大氣穩(wěn)定度為B級(jí)。

表1 大氣穩(wěn)定度級(jí)別劃分表[7]

2.2.3 確定擴(kuò)散系數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)σy、σz是下風(fēng)距離x的函數(shù)，可通過帕斯奎爾和吉福特提出的擴(kuò)散參數(shù)估計(jì)方法來確定，如表2所示。

表2 擴(kuò)散系數(shù)表[8]

2.2.4 求解下風(fēng)向和橫風(fēng)向具體位置的泄漏物濃度

下風(fēng)向軸線上地面(z=0)泄漏物濃度計(jì)算式為：

(4)

橫風(fēng)向地面(z=0)泄漏物濃度計(jì)算式為：

(5)

結(jié)合式(1)～式(5)，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，并對(duì)下風(fēng)向空間位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，求出泄漏物濃度分布，如圖3所示。

圖3 氯氣泄漏濃度分布示意圖

2.2.5 液氯泄漏擴(kuò)散影響分析

不同濃度的氯氣對(duì)人的傷害程度不同[9]，筆者以LC10、LC50、LC99.9及IDLH作為危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，其中，LC10為10%致死濃度，LC50為半致死濃度，LC99.9為絕對(duì)致死濃度，IDLH為達(dá)到可致命、或可永久損害健康、或可使人立即喪失逃生能力的危險(xiǎn)水平。當(dāng)液氯泄露時(shí)間為30 min時(shí)，幾種濃度標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。相應(yīng)的，為了考察氯氣擴(kuò)散對(duì)人員的傷害，筆者定義幾種傷害區(qū)域范圍，即氯氣濃度達(dá)到的LC99.9、LC50、LC10及IDLH的區(qū)域分別定義為絕對(duì)致死區(qū)域、半致死區(qū)域、10%致死區(qū)域及重傷區(qū)域。此外，根據(jù)《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ 2.1-2007)[10]，氯氣的最高容許濃度(MAC)為1 mg/m3，將達(dá)到該濃度的區(qū)域定義為影響區(qū)域。為避免氯氣對(duì)人員的傷害，一旦發(fā)生氯氣泄漏事故，需要疏散影響區(qū)域內(nèi)的人員，而絕對(duì)致死區(qū)域、半致死區(qū)域、10%致死區(qū)域及重傷區(qū)域內(nèi)的人員存在死亡或重傷風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，圖3給出了該工業(yè)園區(qū)一旦發(fā)生氯氣泄漏，其絕對(duì)致死區(qū)域、半致死區(qū)域、10%致死區(qū)域、重傷區(qū)域及影響區(qū)域的范圍。下風(fēng)向上氯氣濃度與距離的關(guān)系如圖4所示，由圖4可以得到上述幾個(gè)區(qū)域在下風(fēng)向上最遠(yuǎn)的距離范圍，如表3所示。

表3 氯氣的危害濃度標(biāo)準(zhǔn)及影響范圍[11]

圖4 下風(fēng)向軸線上氯氣的濃度與距離關(guān)系

2.3 考慮氯氣對(duì)人員傷害的疏散模擬與優(yōu)化

一旦發(fā)生氯氣泄漏，將威脅周圍大范圍內(nèi)居民的生命安全。筆者采用《突發(fā)事件下人員疏散安全評(píng)估軟件V2.0》模擬該工業(yè)園區(qū)及周邊人員的疏散過程，并引入氯氣泄漏擴(kuò)散計(jì)算結(jié)果，評(píng)估工業(yè)園區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)使用的液氯是否會(huì)危害到周邊人員的生命安全。

針對(duì)上述工業(yè)園區(qū)，構(gòu)建的疏散模型如圖5(a)所示，其中淺灰色區(qū)域?yàn)槿藛T主要分布區(qū)，共設(shè)置了550個(gè)模擬人員。氯氣泄漏影響范圍較廣，還需考慮該園區(qū)周邊居民的疏散情況，該園區(qū)周邊路網(wǎng)及村莊主要集中在東北方向，對(duì)其建模如圖5(b)所示，共設(shè)置了3 000個(gè)模擬人員。

圖5 疏散模型

考慮最極端不利場(chǎng)景，假設(shè)發(fā)生液氯泄漏時(shí)，下風(fēng)向?yàn)閳D5(b)中的-80°方向，相應(yīng)的液氯擴(kuò)散傷害影響區(qū)域(絕對(duì)致死、半致死、10%致死及重傷區(qū)域)如圖5(b)所示。簡(jiǎn)單起見，筆者假設(shè)擴(kuò)散傷害影響區(qū)域形成時(shí)間為擴(kuò)散氯氣在下風(fēng)向上傳播達(dá)到相應(yīng)影響區(qū)域的時(shí)間(見表3)。疏散過程中，傷害影響區(qū)域形成后，經(jīng)過上述傷害影響區(qū)域的疏散人員都處于傷亡危險(xiǎn)中，人數(shù)越多，氯氣泄漏事故造成人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖6給出了疏散過程中處于傷亡危險(xiǎn)的人數(shù)隨著疏散時(shí)間的變化關(guān)系(圖6中3條豎直線表示半致死區(qū)域、10%致死區(qū)域及重傷區(qū)域的形成時(shí)間，分別為57 s、92 s、252 s。一旦傷害影響區(qū)域形成，其對(duì)人員的傷害是不可逆的，因此豎直線左側(cè)的曲線表示相應(yīng)傷亡影響圈內(nèi)的人數(shù)，豎直線右側(cè)的曲線表示相應(yīng)傷亡影響圈的人數(shù)與曾經(jīng)過該傷亡影響圈的人數(shù)之和)。模擬結(jié)果表明，一旦發(fā)生氯氣泄漏，工業(yè)園內(nèi)大部分職工處于傷亡危險(xiǎn)中，其中6人處于半致死危險(xiǎn)、522人處于10%致死危險(xiǎn)，說明該工業(yè)園當(dāng)前的液氯存儲(chǔ)方案存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)橐郝葍?chǔ)罐周邊聚集了多個(gè)車間廠房，且液氯儲(chǔ)罐的位置靠近工業(yè)園出口，使得極端情況下出口主干道處于10%致死區(qū)域內(nèi)，因此，10%致死區(qū)域形成后，處于10%致死危險(xiǎn)的人員數(shù)量仍舊持續(xù)上升。

圖6 現(xiàn)有方案下的疏散模擬結(jié)果

該工業(yè)園內(nèi)的液氯存儲(chǔ)位置安排不合理，極端情況下，園區(qū)內(nèi)職工的主要疏散過程基本在氯氣擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，顯然不安全。筆者建議將液氯儲(chǔ)罐移至遠(yuǎn)離主要工作區(qū)及出口的一側(cè)，如圖5(c)所示。改進(jìn)方案下的疏散模擬結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明改進(jìn)方案下，一旦發(fā)生極端不利的氯氣泄漏場(chǎng)景(下風(fēng)向?yàn)閳D5(c)中的-23°方向)，處于傷亡危險(xiǎn)的職工人數(shù)降為178人，其中2人處于10%致死危險(xiǎn)、176人處于重傷危險(xiǎn)。表4所示為液氯儲(chǔ)存方案的優(yōu)化情況，可見改進(jìn)方案下處于傷亡危險(xiǎn)的總?cè)藬?shù)比現(xiàn)有方案減少了66%。

圖7 改進(jìn)方案下的疏散模擬結(jié)果

表4 液氯儲(chǔ)存方案的優(yōu)化情況

3 結(jié)論

筆者提出了一種考慮?；沸孤﹤ψ饔玫娜巳菏枭⒛Ｐ图跋鄳?yīng)的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法以?；沸孤┓治鲞^程為基礎(chǔ)，將危化品泄漏模擬結(jié)果引入到疏散模型中，同步分析預(yù)測(cè)?；沸孤┦鹿氏挛ｋU(xiǎn)區(qū)域與處于傷亡風(fēng)險(xiǎn)人數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況。針對(duì)某工業(yè)園區(qū)，采用該方法評(píng)估了其存儲(chǔ)使用的液氯發(fā)生泄漏事故時(shí)的傷亡風(fēng)險(xiǎn)，并提出了一種能夠有效降低傷亡風(fēng)險(xiǎn)的液氯儲(chǔ)存改進(jìn)方案。簡(jiǎn)單起見，實(shí)例分析過程中，對(duì)液氯泄漏模型及傷害影響區(qū)域的計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化。為了更加準(zhǔn)確分析?；沸孤┫碌膫鲲L(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步將選用基于時(shí)間函數(shù)的?；沸孤┠Ｐ?，與同樣基于時(shí)間函數(shù)的疏散模型相結(jié)合，直接實(shí)現(xiàn)危化品泄漏與疏散過程的同步分析。

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FANG Zhiming:Senior Engineer;Shanghai Institute of Building Research, Shanghai 200032, China.

Casualty Risk Assessment on the Liquid Chlorine Leakage Accident of One Industrial Park

FANGZhiming,CHENLingzhu,XUQingfeng

To ensure the safety for the production and operation of hazardous chemicals, an evacuation model considering the harm of leaked hazardous chemicals on human and a corresponding assessment method of casualty risk for the leakage accident are presented in this study. Taking the liquid chlorine used in one chemical industrial park as an example, the casualty risk of occupants is assessed by simulating and analyzing the spread process of leaked chlorine and evacuation process of affected area, and finally a modified storage program for the liquid chlorine which results in much lower casualty risk is presented.

hazardous chemicals； leakage; liquid chlorine; evacuation; casualty risk assessment

2095-3852(2016)06-0652-04

A

2016-07-09.

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題基金項(xiàng)目(2016YFC0802508)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFB593).

X511

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.003

收稿日期：房志明(1986-),男,山東武城人,上海市建筑科學(xué)研究院高級(jí)工程師.