某工業(yè)園區(qū)液氯泄漏事故傷亡風險評估

房志明，陳玲珠，許清風

(上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032)

某工業(yè)園區(qū)液氯泄漏事故傷亡風險評估

房志明，陳玲珠，許清風

(上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032)

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

危險化學(xué)品；泄漏;液氯；疏散；傷亡風險評估

近年來，各類危險化學(xué)品(具有毒害、腐蝕、爆炸、燃燒、助燃等性質(zhì)，對人體、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]，以下簡稱危化品)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影響，尤其2015年天津濱海新區(qū)發(fā)生的?；穫}庫爆炸事故，造成165人遇難，震驚全球。

對于有毒危化品泄漏事故，受時間、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?；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)對人群疏散的動態(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險評估方法，并以某工業(yè)園內(nèi)的液氯為研究對象，對液氯的泄漏擴散過程及周邊人員的疏散過程進行模擬計算，評價該工業(yè)園區(qū)所存儲液氯的危險性，進而針對該工業(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險評估方法

為了系統(tǒng)地分析危化品泄漏事故傷亡風險，需要在實現(xiàn)危化品泄漏與應(yīng)急疏散精準模擬的基礎(chǔ)上，考慮泄漏危化品對疏散人員的動態(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險評估方法，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υu估對象，分析存在的?；贩N類，結(jié)合不同?；诽攸c及氣象特征，選取適用的?；沸孤┠Ｐ?，進行泄漏擴散過程模擬，預(yù)測?；沸孤┲滤馈⒅聜麉^(qū)域及發(fā)展情況；②疏散與傷亡風險分析：針對評估對象，結(jié)合建筑分布、人員分布及路網(wǎng)分布，建立疏散模型，引入危化品泄漏致死、致傷區(qū)域動態(tài)發(fā)展數(shù)據(jù)，同步模擬分析?；沸孤┡c應(yīng)急疏散過程，預(yù)測處于傷亡風險中人群數(shù)量的動態(tài)發(fā)展過程，定量評估?；沸孤┦鹿曙L險。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 傷亡風險評估方法流程圖

2 某工業(yè)園區(qū)液氯泄漏事故傷亡風險評估與優(yōu)化控制

2.1 研究對象簡介

該工業(yè)園內(nèi)液氯儲量約為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散影響分析

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

(1)

式中：Q1為等效源強；h為源高度；u為平均風速；C(x,y,z)為指定位置的泄漏物濃度；x、y、z分別為下風向、橫風向及豎向距泄漏源的距離；σy、σz分別為橫風向和豎向的擴散系數(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)泄漏的點源，從而等效源強為：Q1=Qm=5.25×106mg/s。

2.2.2 確定風向、風速及大氣穩(wěn)定度

選取當?shù)叵募緰|南風為主導(dǎo)風向，平均風速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)定度級別劃分表，選取大氣穩(wěn)定度為B級。

表1 大氣穩(wěn)定度級別劃分表[7]

2.2.3 確定擴散系數(shù)

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

表2 擴散系數(shù)表[8]

2.2.4 求解下風向和橫風向具體位置的泄漏物濃度

下風向軸線上地面(z=0)泄漏物濃度計算式為：

(4)

橫風向地面(z=0)泄漏物濃度計算式為：

(5)

結(jié)合式(1)～式(5)，對模型進行數(shù)值求解，并對下風向空間位置進行網(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 液氯泄漏擴散影響分析

不同濃度的氯氣對人的傷害程度不同[9]，筆者以LC10、LC50、LC99.9及IDLH作為危險評價的標準，其中，LC10為10%致死濃度，LC50為半致死濃度，LC99.9為絕對致死濃度，IDLH為達到可致命、或可永久損害健康、或可使人立即喪失逃生能力的危險水平。當液氯泄露時間為30 min時，幾種濃度標準如表3所示。相應(yīng)的，為了考察氯氣擴散對人員的傷害，筆者定義幾種傷害區(qū)域范圍，即氯氣濃度達到的LC99.9、LC50、LC10及IDLH的區(qū)域分別定義為絕對致死區(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，將達到該濃度的區(qū)域定義為影響區(qū)域。為避免氯氣對人員的傷害，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險。

根據(jù)數(shù)值計算結(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可以得到上述幾個區(qū)域在下風向上最遠的距離范圍，如表3所示。

表3 氯氣的危害濃度標準及影響范圍[11]

圖4 下風向軸線上氯氣的濃度與距離關(guān)系

2.3 考慮氯氣對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，并引入氯氣泄漏擴散計算結(jié)果，評估工業(yè)園區(qū)內(nèi)存儲使用的液氯是否會危害到周邊人員的生命安全。

針對上述工業(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)域為人員主要分布區(qū)，共設(shè)置了550個模擬人員。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，對其建模如圖5(b)所示，共設(shè)置了3 000個模擬人員。

圖5 疏散模型

考慮最極端不利場景，假設(shè)發(fā)生液氯泄漏時，下風向為圖5(b)中的-80°方向，相應(yīng)的液氯擴散傷害影響區(qū)域(絕對致死、半致死、10%致死及重傷區(qū)域)如圖5(b)所示。簡單起見，筆者假設(shè)擴散傷害影響區(qū)域形成時間為擴散氯氣在下風向上傳播達到相應(yīng)影響區(qū)域的時間(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中，人數(shù)越多，氯氣泄漏事故造成人員傷亡的風險越大。

圖6給出了疏散過程中處于傷亡危險的人數(shù)隨著疏散時間的變化關(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)域的形成時間，分別為57 s、92 s、252 s。一旦傷害影響區(qū)域形成，其對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中，其中6人處于半致死危險、522人處于10%致死危險，說明該工業(yè)園當前的液氯存儲方案存在較大的安全風險。這是因為液氯儲罐周邊聚集了多個車間廠房，且液氯儲罐的位置靠近工業(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散區(qū)域內(nèi)進行，顯然不安全。筆者建議將液氯儲罐移至遠離主要工作區(qū)及出口的一側(cè)，如圖5(c)所示。改進方案下的疏散模擬結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明改進方案下，一旦發(fā)生極端不利的氯氣泄漏場景(下風向為圖5(c)中的-23°方向)，處于傷亡危險的職工人數(shù)降為178人，其中2人處于10%致死危險、176人處于重傷危險。表4所示為液氯儲存方案的優(yōu)化情況，可見改進方案下處于傷亡危險的總?cè)藬?shù)比現(xiàn)有方案減少了66%。

圖7 改進方案下的疏散模擬結(jié)果

表4 液氯儲存方案的優(yōu)化情況

3 結(jié)論

筆者提出了一種考慮危化品泄漏傷害作用的人群疏散模型及相應(yīng)的人員傷亡風險評估方法，該方法以危化品泄漏分析過程為基礎(chǔ)，將?；沸孤┠M結(jié)果引入到疏散模型中，同步分析預(yù)測危化品泄漏事故下危險區(qū)域與處于傷亡風險人數(shù)的動態(tài)變化情況。針對某工業(yè)園區(qū)，采用該方法評估了其存儲使用的液氯發(fā)生泄漏事故時的傷亡風險，并提出了一種能夠有效降低傷亡風險的液氯儲存改進方案。簡單起見，實例分析過程中，對液氯泄漏模型及傷害影響區(qū)域的計算進行了簡化。為了更加準確分析危化品泄漏下的傷亡風險，進一步將選用基于時間函數(shù)的?；沸孤┠Ｐ?，與同樣基于時間函數(shù)的疏散模型相結(jié)合，直接實現(xiàn)?；沸孤┡c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”國家重點研發(fā)計劃課題基金項目(2016YFC0802508)；湖北省自然科學(xué)基金項目(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)研究院高級工程師.