某工业园区液氯泄漏事故伤亡风险评估

房志明，陈玲珠，许清风

(上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

某工业园区液氯泄漏事故伤亡风险评估

房志明，陈玲珠，许清风

(上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

针对危险化学品生产经营活动中的安全保障需求，提出了一种考虑泄漏危险化学品伤害作用的人群疏散模型及相应的人员伤亡风险评估方法，以某工业园区存储使用的液氯为例，通过同步模拟分析园区内液氯泄漏扩散过程与周边人员疏散过程，评估了氯气影响下的疏散人员伤亡风险，最终提出了一种有效降低人员伤亡风险的液氯存储改进方案。

危险化学品；泄漏;液氯；疏散；伤亡风险评估

近年来，各类危险化学品(具有毒害、腐蚀、爆炸、燃烧、助燃等性质，对人体、设施、环境具有危害的剧毒化学品和其他化学品[1]，以下简称危化品)泄漏、火灾、爆炸事故不断增多，不但威胁到公众安全，而且造成了恶劣的社会影响，尤其2015年天津滨海新区发生的危化品仓库爆炸事故，造成165人遇难，震惊全球。

对于有毒危化品泄漏事故，受时间、气象、环境等诸多因素影响，其影响区域范围较广且不确定性大，如2004年重庆天原化工厂氯气泄漏事故致9人死亡，周边15万居民紧急疏散。目前针对危化品泄漏事故应急疏散的研究与应用技术主要包含两方面：①预测受影响的应急区域[2-3]；②应急区域内疏散模拟[4]。研究中较少关注泄漏有毒物质对人群疏散的动态影响。笔者提出一种基于危化品泄漏事故与疏散过程同步模拟分析的伤亡风险评估方法，并以某工业园内的液氯为研究对象，对液氯的泄漏扩散过程及周边人员的疏散过程进行模拟计算，评价该工业园区所存储液氯的危险性，进而针对该工业园区的液氯提出安全技术措施。

1 基于泄漏事故与疏散过程同步模拟分析的伤亡风险评估方法

为了系统地分析危化品泄漏事故伤亡风险，需要在实现危化品泄漏与应急疏散精准模拟的基础上，考虑泄漏危化品对疏散人员的动态影响。笔者提出一种基于泄漏事故与疏散过程同步模拟分析的伤亡风险评估方法，该方法主要流程如图1所示，包含两部分内容：①危化品泄漏分析：针对评估对象，分析存在的危化品种类，结合不同危化品特点及气象特征，选取适用的危化品泄漏模型，进行泄漏扩散过程模拟，预测危化品泄漏致死、致伤区域及发展情况；②疏散与伤亡风险分析：针对评估对象，结合建筑分布、人员分布及路网分布，建立疏散模型，引入危化品泄漏致死、致伤区域动态发展数据，同步模拟分析危化品泄漏与应急疏散过程，预测处于伤亡风险中人群数量的动态发展过程，定量评估危化品泄漏事故风险。其中，危化品泄漏分析过程是基础，将危化品泄漏模拟结果引入到疏散模型中，同步分析危化品泄漏与疏散模拟过程是该方法的核心。

图1 伤亡风险评估方法流程图

2 某工业园区液氯泄漏事故伤亡风险评估与优化控制

2.1 研究对象简介

该工业园内液氯储量约为10 t，距工业园1 km范围内约有1 000居民，2 km范围内约有3 000居民，居民大都分布在工业园的北面和东北面，工业园平面布置及液氯存储位置如图2所示。

图2 某工业园平面图

2.2 基于高斯模型的氯气泄漏扩散影响分析

液氯的初始泄漏后扩散属于重气扩散，随着扩散的进行，氯气被空气稀释进而形成中等密度云，属于烟羽扩散系，因此，其扩散模型应该是前期重气扩散模型并耦合后期烟羽扩散模型。笔者关注氯气泄漏扩散影响下的人员疏散安全问题，为简单起见，忽略求解复杂的重气扩散过程，直接采用中等密度云的高斯烟羽扩散模型。根据高斯烟羽扩散模型的假设[5]，扩散介质的浓度分布计算式为[6]：

(1)

式中：Q1为等效源强；h为源高度；u为平均风速；C(x,y,z)为指定位置的泄漏物浓度；x、y、z分别为下风向、横风向及竖向距泄漏源的距离；σy、σz分别为横风向和竖向的扩散系数。

2.2.1 确定泄漏量

假设液氯泄漏源为工业园区的一个V=10 m3的液氯贮罐，贮存液氯10 t，工作压力P=1.2 MPa，环境压力P0=0.101 MPa，并已知液氯密度ρ=1 458 kg/m3；假定由于某种非正常原因，距离地面1 m的罐壁出现一个面积A=1.45×10-4m2的小孔。根据伯努利方程，可以得到小孔泄漏的质量流率为：

(2)

式中：hL表示小孔以上液面高度，笔者取为0 m；C0表示流出系数，一般取0.60～0.64。将该泄漏源看作连续泄漏的点源，从而等效源强为：Q1=Qm=5.25×106mg/s。

2.2.2 确定风向、风速及大气稳定度

选取当地夏季东南风为主导风向，平均风速u=4 m/s，大气稳定度可以根据表1来选取：假定泄漏事故发生于晴朗白天，根据表1所示大气稳定度级别划分表，选取大气稳定度为B级。

表1 大气稳定度级别划分表[7]

2.2.3 确定扩散系数

扩散系数σy、σz是下风距离x的函数，可通过帕斯奎尔和吉福特提出的扩散参数估计方法来确定，如表2所示。

表2 扩散系数表[8]

2.2.4 求解下风向和横风向具体位置的泄漏物浓度

下风向轴线上地面(z=0)泄漏物浓度计算式为：

(4)

横风向地面(z=0)泄漏物浓度计算式为：

(5)

结合式(1)～式(5)，对模型进行数值求解，并对下风向空间位置进行网格划分，求出泄漏物浓度分布，如图3所示。

图3 氯气泄漏浓度分布示意图

2.2.5 液氯泄漏扩散影响分析

不同浓度的氯气对人的伤害程度不同[9]，笔者以LC10、LC50、LC99.9及IDLH作为危险评价的标准，其中，LC10为10%致死浓度，LC50为半致死浓度，LC99.9为绝对致死浓度，IDLH为达到可致命、或可永久损害健康、或可使人立即丧失逃生能力的危险水平。当液氯泄露时间为30 min时，几种浓度标准如表3所示。相应的，为了考察氯气扩散对人员的伤害，笔者定义几种伤害区域范围，即氯气浓度达到的LC99.9、LC50、LC10及IDLH的区域分别定义为绝对致死区域、半致死区域、10%致死区域及重伤区域。此外，根据《工作场所有害因素职业接触限值》(GBZ 2.1-2007)[10]，氯气的最高容许浓度(MAC)为1 mg/m3，将达到该浓度的区域定义为影响区域。为避免氯气对人员的伤害，一旦发生氯气泄漏事故，需要疏散影响区域内的人员，而绝对致死区域、半致死区域、10%致死区域及重伤区域内的人员存在死亡或重伤风险。

根据数值计算结果，图3给出了该工业园区一旦发生氯气泄漏，其绝对致死区域、半致死区域、10%致死区域、重伤区域及影响区域的范围。下风向上氯气浓度与距离的关系如图4所示，由图4可以得到上述几个区域在下风向上最远的距离范围，如表3所示。

表3 氯气的危害浓度标准及影响范围[11]

图4 下风向轴线上氯气的浓度与距离关系

2.3 考虑氯气对人员伤害的疏散模拟与优化

一旦发生氯气泄漏，将威胁周围大范围内居民的生命安全。笔者采用《突发事件下人员疏散安全评估软件V2.0》模拟该工业园区及周边人员的疏散过程，并引入氯气泄漏扩散计算结果，评估工业园区内存储使用的液氯是否会危害到周边人员的生命安全。

针对上述工业园区，构建的疏散模型如图5(a)所示，其中浅灰色区域为人员主要分布区，共设置了550个模拟人员。氯气泄漏影响范围较广，还需考虑该园区周边居民的疏散情况，该园区周边路网及村庄主要集中在东北方向，对其建模如图5(b)所示，共设置了3 000个模拟人员。

图5 疏散模型

考虑最极端不利场景，假设发生液氯泄漏时，下风向为图5(b)中的-80°方向，相应的液氯扩散伤害影响区域(绝对致死、半致死、10%致死及重伤区域)如图5(b)所示。简单起见，笔者假设扩散伤害影响区域形成时间为扩散氯气在下风向上传播达到相应影响区域的时间(见表3)。疏散过程中，伤害影响区域形成后，经过上述伤害影响区域的疏散人员都处于伤亡危险中，人数越多，氯气泄漏事故造成人员伤亡的风险越大。

图6给出了疏散过程中处于伤亡危险的人数随着疏散时间的变化关系(图6中3条竖直线表示半致死区域、10%致死区域及重伤区域的形成时间，分别为57 s、92 s、252 s。一旦伤害影响区域形成，其对人员的伤害是不可逆的，因此竖直线左侧的曲线表示相应伤亡影响圈内的人数，竖直线右侧的曲线表示相应伤亡影响圈的人数与曾经过该伤亡影响圈的人数之和)。模拟结果表明，一旦发生氯气泄漏，工业园内大部分职工处于伤亡危险中，其中6人处于半致死危险、522人处于10%致死危险，说明该工业园当前的液氯存储方案存在较大的安全风险。这是因为液氯储罐周边聚集了多个车间厂房，且液氯储罐的位置靠近工业园出口，使得极端情况下出口主干道处于10%致死区域内，因此，10%致死区域形成后，处于10%致死危险的人员数量仍旧持续上升。

图6 现有方案下的疏散模拟结果

该工业园内的液氯存储位置安排不合理，极端情况下，园区内职工的主要疏散过程基本在氯气扩散区域内进行，显然不安全。笔者建议将液氯储罐移至远离主要工作区及出口的一侧，如图5(c)所示。改进方案下的疏散模拟结果如图7所示，结果表明改进方案下，一旦发生极端不利的氯气泄漏场景(下风向为图5(c)中的-23°方向)，处于伤亡危险的职工人数降为178人，其中2人处于10%致死危险、176人处于重伤危险。表4所示为液氯储存方案的优化情况，可见改进方案下处于伤亡危险的总人数比现有方案减少了66%。

图7 改进方案下的疏散模拟结果

表4 液氯储存方案的优化情况

3 结论

笔者提出了一种考虑危化品泄漏伤害作用的人群疏散模型及相应的人员伤亡风险评估方法，该方法以危化品泄漏分析过程为基础，将危化品泄漏模拟结果引入到疏散模型中，同步分析预测危化品泄漏事故下危险区域与处于伤亡风险人数的动态变化情况。针对某工业园区，采用该方法评估了其存储使用的液氯发生泄漏事故时的伤亡风险，并提出了一种能够有效降低伤亡风险的液氯储存改进方案。简单起见，实例分析过程中，对液氯泄漏模型及伤害影响区域的计算进行了简化。为了更加准确分析危化品泄漏下的伤亡风险，进一步将选用基于时间函数的危化品泄漏模型，与同样基于时间函数的疏散模型相结合，直接实现危化品泄漏与疏散过程的同步分析。

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[10] 中华人民共和国卫生部.GBZ 2.1-2007工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素[S/OL].(2007-04-12)[2016-07-09].http://www.zywsw.com/wsfg/standard-m02.htm.

[11] 崔萍.液氯泄露环境风险评价[J].环境科学与管理，2012,37(8):158-162.

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”国家重点研发计划课题基金项目(2016YFC0802508)；湖北省自然科学基金项目(2015CFB593).

X511

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.003

收稿日期：房志明(1986-),男,山东武城人,上海市建筑科学研究院高级工程师.