一種新型的區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型及應(yīng)用*

譚欽文，段正肖，董　勇，劉倩男，杜　姍

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010)

0　引言

化工園區(qū)的產(chǎn)業(yè)“集聚”效應(yīng)是化學(xué)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也對(duì)當(dāng)?shù)匕l(fā)展有著巨大推動(dòng)作用[1]。一些危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)，由于城市的快速發(fā)展，逐步被企業(yè)、居民住宅、學(xué)校、醫(yī)院等包圍，存在著嚴(yán)重的事故隱患，一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想[2]。為了避免造成重大人員傷亡，需要對(duì)危險(xiǎn)設(shè)施進(jìn)行區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以輔助風(fēng)險(xiǎn)決策從而制定相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵在于評(píng)估方法的選取及風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的制定。其中，風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)近年來已在大壩[3]、公共場(chǎng)所[4]、石化[5]、建筑工程[6]、滑坡[7]、基礎(chǔ)理論研究[8]等領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但絕大部分均是對(duì)死亡風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的研究，鮮有對(duì)受傷風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用進(jìn)行研究。這將使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)無法對(duì)危險(xiǎn)設(shè)施的受傷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，而受傷是事故后果的重要組成，也是生命風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。此外，化工生產(chǎn)的特殊性導(dǎo)致其易于引發(fā)群死群傷事故，一直以來備受公眾關(guān)注。尤其是在網(wǎng)絡(luò)社會(huì)快速發(fā)展的當(dāng)前，各級(jí)政府對(duì)突發(fā)性公共事件更是極為敏感。防范因事故造成的突發(fā)性公共事件成為政府和群眾關(guān)注的焦點(diǎn)[9]。為此，旨在通過死亡及受傷風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的制定及風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型的建立，從死亡風(fēng)險(xiǎn)及受傷風(fēng)險(xiǎn)2方面對(duì)危險(xiǎn)設(shè)施的區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行研究。深度挖掘潛在風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地減少群死群傷事故的發(fā)生。

1　“雙標(biāo)準(zhǔn)”及其綜合評(píng)估模型

1.1　死亡及受傷風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)

可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)可通過標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)值乘以相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制系數(shù)來制定。筆者在前期研究中[10]，基于可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)理論，通過搜集、分析及估算化工行業(yè)最近10 a的基礎(chǔ)事故數(shù)據(jù)，采用平均個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值法(AIR值)和事故累計(jì)概率-死亡人數(shù)曲線(FN曲線)法的運(yùn)算思想，確定了化工行業(yè)死亡、受傷風(fēng)險(xiǎn)的個(gè)人及社會(huì)可接受標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)值。此處選取其中的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)通用值(死亡風(fēng)險(xiǎn)為4.18×10-4/a；受傷風(fēng)險(xiǎn)為1.25×10-3/a)作為基準(zhǔn)值，通過乘以相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制系數(shù)得到了風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。在其基礎(chǔ)上運(yùn)用FN模型理論得到了社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)(見圖1～ 2)。

其中，風(fēng)險(xiǎn)控制系數(shù)借鑒丹麥等國(guó)的做法并結(jié)合其在《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的運(yùn)用，針對(duì)不同設(shè)施的敏感性、重要性及設(shè)施性狀，分別選取10%，3%，1%及0.1%應(yīng)用于防護(hù)目標(biāo)，最終得到了可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

表1　個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)

圖1　社會(huì)死亡風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)Fig.1　Acceptable criteria for social risk of death

圖2　社會(huì)受傷風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)Fig.2　Acceptable criteria for social injury risk

1.2　“雙標(biāo)準(zhǔn)”綜合評(píng)估模型

為了深入挖掘及評(píng)估危險(xiǎn)設(shè)施的潛在風(fēng)險(xiǎn)，基于可接受風(fēng)險(xiǎn)理論初步提出如圖3所示的“雙標(biāo)準(zhǔn)”綜合評(píng)估模型。該模型由3個(gè)死亡指標(biāo)和3個(gè)受傷指標(biāo)共6個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，只有6指標(biāo)均滿足對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)方能被接受。下文將對(duì)“雙標(biāo)準(zhǔn)”綜合評(píng)估模型在區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的具體運(yùn)用進(jìn)行詳細(xì)論述。

圖3　“雙標(biāo)準(zhǔn)”綜合評(píng)估模型Fig.3　Comprehensive evaluation model of "double standards"

2　事故影響評(píng)估

2.1　算例選取

眾多事故案例表明，油品泄漏將引發(fā)池火事故，是油罐火災(zāi)中發(fā)生最頻繁、后果最嚴(yán)重的火災(zāi)類型，相關(guān)研究也一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)[11]。為此，選取柴油儲(chǔ)罐池火災(zāi)事故為失效場(chǎng)景，對(duì)“雙標(biāo)準(zhǔn)”在區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的綜合運(yùn)用進(jìn)行研究。具體算例參數(shù)見表2。

表2　算例參數(shù)

2.2　池火熱輻射影響分析

2.2.1基本熱輻射參數(shù)

池火災(zāi)屬于穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，可選用熱通量準(zhǔn)則對(duì)其基本熱輻射參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[12]。

1)確定池直徑

(1)

式中：D為液池直徑，m；S為液池面積，m2。經(jīng)計(jì)算，D=29.13m。

2)確定火焰高度

(2)

式中：L為火焰高度，m；g為重力加速度，m·s-2；ρ0為空氣密度，kg/m3；

3)總熱輻射通量

(3)

式中：q0為總熱通量，W/m2；ΔHC為燃燒熱，kJ/kg。經(jīng)計(jì)算，q0=106 464.43 kW/m2。

4)目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度

(4)

式中：q(r)為目標(biāo)熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；r為目標(biāo)距離池中心的距離，m；tC為熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無相對(duì)理想的數(shù)據(jù)時(shí)，可取值為1。經(jīng)計(jì)算：

(5)

2.2.2基于較大閾值的熱輻射影響分析

熱輻射閾值的選取直接關(guān)乎熱輻射影響程度的計(jì)算，進(jìn)而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

1)熱輻射傷害閥值

對(duì)于死亡、受傷的熱輻射閥值選取，目前形成了幾種不同的方案[13-16]。其中，死亡閥值選取的最大值為25 kW/m2，最小值為6.5 kW/m2。受傷閥值選取的最大值為12.5 kW/m2，最小值為4.3 kW/m2。閥值越小，對(duì)周邊區(qū)域的要求越嚴(yán)格，其將導(dǎo)致設(shè)施周邊大量土地難以有效利用?？紤]到既能提供充分的安全保障，又能有效利用稀缺土地資源，最終分別選取25，12.5 kW/m2作為死亡、受傷閥值。

2)傷亡半徑

將傷亡閥值帶入式5中即可運(yùn)算得到傷亡半徑。令q(r)分別為25，12.5 kW/m2，即可得死亡半徑r1=18.41 m，受傷半徑r2=26.3 m。

3)傷亡概率值

文獻(xiàn)[17]用式(6)～(8)的比率方程來確定熱輻射對(duì)人員的傷害概率。

死亡幾率值：

Pr=-37.23+2.56ln(tq4/3)

(6)

受傷(一度燒傷)幾率值：

Pr=-39.83+3.0188ln(tq4/3)

(7)

式中：Pr為熱輻射暴露下的死亡概率值；q為熱輻射強(qiáng)度，W/m2；t為暴露時(shí)間，最大值為20 s。

4)傷亡概率

(8)

式中：Pd為目標(biāo)處在熱輻射暴露下的傷亡概率，可通過Pr與Pd的關(guān)系表進(jìn)行查詢。結(jié)合上文閾值即可運(yùn)算得到傷亡概率，見表3。

表3　區(qū)域概率計(jì)算結(jié)果

5)傷亡人數(shù)

基于事故人員傷亡假設(shè)原則[17]，并結(jié)合上文概率計(jì)算結(jié)果可得：以池火災(zāi)中心為原點(diǎn)至死亡半徑(包括該半徑外徑)的圓形區(qū)域可定義為死亡區(qū)，該區(qū)內(nèi)的人員死亡概率為50%，其人員受傷概率為100%；從死亡半徑外徑至受傷半徑(包括該半徑外徑)的圓環(huán)區(qū)域可定義為受傷區(qū)，該區(qū)的人員死亡概率為1%，其人員受傷概率為99%。若此時(shí)，通過調(diào)查已知該油罐周邊死亡區(qū)域的人口平均密度ρ為0.003人/m2，受傷區(qū)域的人口平均密度ρ為0.05人/m2，即可計(jì)算得到區(qū)域傷亡人數(shù)，見表4。

表4　區(qū)域人口數(shù)及傷亡人數(shù)

此處在計(jì)算死亡區(qū)人口時(shí)，與概率計(jì)算不同的是，受傷概率選取了50%對(duì)死亡區(qū)受傷人口進(jìn)行計(jì)算。即認(rèn)為死亡區(qū)的人口非死即傷。

3　事故傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1　儲(chǔ)油罐池火個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)分析

IR(x，y)=f·v(x，y)

(9)

式中：IR(x，y)為危險(xiǎn)源在位置(x，y)處產(chǎn)生的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，f為事故發(fā)生的概率，v(x，y)為在位置(x，y)處引起的個(gè)體傷亡的概率。

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)與人員所處位置有關(guān)。v(x，y)可通過建立事故危險(xiǎn)劑量與人員傷亡概率函數(shù)關(guān)系獲得，即上文的傷亡概率；f的獲得可基于事故數(shù)據(jù)通過信息擴(kuò)散[16]、事故樹[18]、工業(yè)失效數(shù)據(jù)庫(kù)[1]及故障樹[19]等方式獲得?？紤]到以上成果的普適性及作者條件，本文采用文獻(xiàn)[18]中通過歷史事故統(tǒng)計(jì)資料及油罐池火災(zāi)事故樹進(jìn)行研究得出的數(shù)據(jù)2.8×10-6(保守取3×10-6)作為本文事故基礎(chǔ)概率。該研究已將泄漏及點(diǎn)火影響一并進(jìn)行了考慮，故可將3×10-6作為儲(chǔ)罐池火災(zāi)事故基礎(chǔ)概率，無需再次進(jìn)行點(diǎn)火概率的計(jì)算。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，10-6量級(jí)通常作為國(guó)內(nèi)外風(fēng)險(xiǎn)可接受的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”[20]。3×10-6可作為該裝置在理想情況下的池火事故基礎(chǔ)概率，直接將其作為事故概率則過低。故實(shí)際運(yùn)用時(shí)還需通過企業(yè)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查與評(píng)估對(duì)其進(jìn)行修正。修正時(shí)，需考慮裝置實(shí)際工藝技術(shù)(β1)、防護(hù)措施(β2)、安全裝置(β3)、運(yùn)行環(huán)境(β4)、日常管理(β5)及其他方面(β6)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)，并以此修正基礎(chǔ)概率。

f′=f·β

(10)

β=β1·β2·β3·β4·β5·β6

(11)

式中：f′為修正后的事故發(fā)生概率；f為事故發(fā)生的基礎(chǔ)概率，此處為3×10-6；β為概率修正系數(shù)(即風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值)，β1～β6分別表示工藝技術(shù)、防護(hù)措施、安全裝置、運(yùn)行環(huán)境、日常管理及其他風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值。其可用預(yù)先設(shè)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)集進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用模糊數(shù)學(xué)算法進(jìn)行計(jì)算[21]。若此時(shí)，通過對(duì)β1～β6進(jìn)行實(shí)際調(diào)查和分析計(jì)算后，綜合選取了β=β1·β2·β3·β4·β5·β6≈30的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值對(duì)基礎(chǔ)概率進(jìn)行修正，則f′=9×10-5。通過式(12)即可計(jì)算出各區(qū)域的個(gè)人死亡風(fēng)險(xiǎn)(IIR)及個(gè)人受傷風(fēng)險(xiǎn)(IFR)。計(jì)算結(jié)果見表5，示意圖見圖4。

IR(x，y)=f′·v(r)　(12)

圖4　區(qū)域AIR示意Fig.4　Schematic diagram of area AIR

3.2　儲(chǔ)油罐池火社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)分析

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)主要與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)人口密度有關(guān)。可由以下模型進(jìn)行計(jì)算：

SR:F=∑PN

(13)

式中：F為事故傷亡累計(jì)概率；PN表示傷亡人數(shù)為N的事故發(fā)生概率。通過計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)區(qū)傷亡人數(shù)和對(duì)應(yīng)累計(jì)頻率即可得到危險(xiǎn)設(shè)施的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果見表6～8，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線見圖5～6。

表6　傷亡風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

圖5　柴油罐SIR曲線Fig.5　SIR curve of diesel tank

表7　社會(huì)死亡風(fēng)險(xiǎn)(SIR)累積頻率

表8　社會(huì)受傷風(fēng)險(xiǎn)(SFR)累積頻率

圖6　柴油罐SFRFig.6　SFR curve of diesel tank

3.3　儲(chǔ)油罐池火風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估結(jié)果

若調(diào)查得知該在役儲(chǔ)罐r(nóng)1，r2區(qū)內(nèi)的防護(hù)目標(biāo)均為一般防護(hù)目標(biāo)中的3類防護(hù)目標(biāo)，則對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)(如表1)及圖4可知：

1)IIR(r1)>4×10-5>IIR(r2)；

2)1×10-4>IFR(r1)>IFR(r2)。

該設(shè)施在r1區(qū)內(nèi)的個(gè)人死亡風(fēng)險(xiǎn)不可接受，個(gè)人受傷風(fēng)險(xiǎn)可接受；在r2區(qū)內(nèi)的個(gè)人死亡風(fēng)險(xiǎn)及個(gè)人受傷風(fēng)險(xiǎn)均可接受。

據(jù)圖5～6可知，該設(shè)施的SIR落在了ALARP區(qū)，故其在采取合理可行的控制措施降低風(fēng)險(xiǎn)后可認(rèn)為其社會(huì)死亡風(fēng)險(xiǎn)可接受；但其SFR涉及了不可接受區(qū)，故其社會(huì)受傷風(fēng)險(xiǎn)不可接受。綜合6指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(見表9)后認(rèn)為，該設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)不可接受。

表9　區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

4　結(jié)論

1)研究得到了化工行業(yè)死亡風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)和受傷風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)。其中，個(gè)人死亡、受傷標(biāo)準(zhǔn)最高分別為4×10-7/a，1×10-6/a，最低分別為4×10-5/a，1×10-4/a；社會(huì)死亡、受傷標(biāo)準(zhǔn)中，可接受線截距分別為1×10-5，4×10-5，可忍受線截距分別為1×10-4，4×10-4，曲線斜率均為-2。

2)提出了一種基于“雙標(biāo)準(zhǔn)”綜合評(píng)估的新型區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。相比于傳統(tǒng)的單標(biāo)準(zhǔn)(死亡風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn))定量評(píng)估模式來說,該模型能深度挖掘潛在風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)管理，最大限度地減少群死群傷事故的發(fā)生。但由于定量評(píng)估過程普遍存在的運(yùn)算過程復(fù)雜、工作量大等特點(diǎn)。后期將考慮運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)開發(fā)評(píng)估軟件，提高定量評(píng)估效率。

3)以1 000 m3柴油罐池火災(zāi)事故為例，對(duì)“雙標(biāo)準(zhǔn)”綜合評(píng)估模型在區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)行研究。結(jié)果表明該模型具有可行性和參考價(jià)值。

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