集装箱码头危险品事故模拟研究

乔建哲+常华+寿幼平

摘要：指出了近年来随着安全意识的提高，危险品事故受到人们高度关注和重视，港口航运业危险品的运输方式以集装箱为主，通过对集装箱码头风险事故类型归纳总结，提出了污染物预测源强的筛选方式，对码头危险品泄露事故进行预测，给出了典型危险品泄漏事故的污染范围，以天津港东疆集装箱码头二期为例，计算结果表明：集装箱运输及装卸过程中产生的风险事故影响范围不大，在采取相应措施的前提下，其风险是可控的。

关键词：危险品；数值模拟；风险

中图分类号：U698.5 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0062-05

1 引言

由于集装箱具有较高的运输效率和便利性， 世界约76.2%的化学危险品通过海上集装箱来运输[1]。由于危险品本身的特殊潜在危险性，一旦发生非正常突发事故，对环境会造成较大影响[2]。

2015年8月12日，位于天津市滨海新区天津港的瑞海国际物流有限公司危险品仓库发生火灾爆炸事故，造成重大人员伤亡和财产损失。事故现场的危险化学品燃烧造成周边区域环境空气污染，对周边居民安全造成威胁。天津港“812”爆炸事故发生后，各地安全、环保管理部门对该问题高度重视，开展了针对危险品堆存环节的清查，并带动了对于该工艺环节风险控制的理论研究。

笔者针对集装箱码头的装卸运输环节展开研究，对事故概率较高的典型风险事故进行分析，给出污染物扩散的范围。为管理部门制定相应类型项目的应急预案及提供依据。

2 集装箱码头风险事故典型类型

2.1 风险环节分析

集装箱码头（不考虑堆存）风险事故的主要发生环节包括水上运输、装卸、陆上运输三个环节[3]。

2.1.1 水上运输

水上运输过程包括船舶航行过程、到港靠泊、锚地停泊等。水上污染事故主要分为两类，分别是油污染事故和化学品泄漏事故，多为船舶交通事故引起。根据以往事故发生的规律，船舶事故主要发生在港区码头和航道。根据多项事故类型和事故诱因的统计分析，事故多发生于港区或沿岸地区。统计归纳典型事故诱因参考表1。

2.1.2 装卸

集装箱运输本身就是比较安全的运输形式，发生在装卸环节的大规模集装箱污染事故很少发生。根据本项目危险品装卸的特点，该过程可能发生的污染事故及原因见表2。

表2 装卸过程事故类型及原因

事故类型事故原因危害

危险品泄漏操作失误、设备故障、技术缺陷导致箱体破损，引发泄漏事故泄漏危险品随雨水排口排入海洋引起水体污染

危险品爆炸操作失误、设备故障、技术缺陷导致箱体破损，在极端条件下引发危险品爆炸气态危险品扩散至大气至周围人员中毒

2.1.3 陆上运输

车辆运输事故，多数是车辆运行时，由于司机、车况、气候等原因而可能发生的相撞、追尾事故等。恶劣海况和天气状况、起火、疲劳驾驶、酒后开车等是主要原因（表3）。

危险品运输最不利影响在于所运输的是剧毒及污染性较大的物质，并洒落至地表水域，因为危险物质一旦发生泄漏进入水域，会引起局部水域水质污染，对环境的影响及破坏极大。一旦发生此类事故，有关管理部门必须给予高度重视。但这类危险品均系密封桶装运输，故出现泄漏可能性不大。工程运营期存在一定的运输事故风险，大型集装箱车辆载有危险品货物时会构成一定的环境污染风险。

2.2 危险品类型分析

危险品种类按照“国际危规”中的分类标准要求，它们分别分9大类12小类几千个品种[4]，其各自的理化性质不一，多具有易燃、易爆、有毒、腐蚀等危险特性。概括的说，针对本项目的危险品运输可能对水域产生的影响进行风险预测分析，根据货种的特性主要针对4类进行分析：

①沉淀型。d>1，且不溶于水。

②溶于水。溶于水前不易挥发，不易蒸发。可以以可溶性有毒物质如丙烯酸入水中为代表进行预测。

③不溶于水。d<1，不易挥发。可以以油品作为代表物种进行预测分析，同溢油事故相似。

④挥发型。d<1，易挥发，低闪电物质在数分钟内挥发。此类物质基本上属于液体化工品，基本上均由专门的液体化工品码头输运。因此在此不针对此种物质进行入水后扩散的环境风险预测。

3 预测货种及源强选取

3.1 泄漏入海

3.1.1 货种选取

入海化学品筛选的主要原则为：选取运量最大的货种及对海水水质影响最严重的货种进行预测。其中运量最大货种主要参考该地区同类项目从运行至今各类货种的运输比例确定，对海水水质影响最严重的货种则是根据所有运输货种中海水水质指标最为严格的货种进行确定。筛选的种类尽量选取具有相应水质标准的品种。

3.1.2 源强选取

随着集装箱码头装卸作业日趋专业化、规范化，发生集装箱整箱入海，以及箱内各个小包装单元同时发生泄漏产生一个瞬时高源强的情况的发生概率极低，对于事故狀态下的应急没有指导意义。笔者建议考虑小包装泄漏作为风险事故预测源强。

3.2 气态污染物

气态物质筛选时主要参考了以下几类参数。

（1）IDLH：立即威胁生命和健康浓度（Immediately Dangerous to Life or Health concentration）。

（2）MAC：最高容许浓度（Maximum Allowable Concentration）。

（3）PC-STEL：短时间接触容许浓度（Permissible Concentration-Short Term Exposure Limit）。

（4）PC-TWA：时间加权平均容许浓度（Permissible Concentration-Time Weighted Average）。

以上四类参数中IDLH、MAC、PC-STEL表征短时间对人体产生危害，更适用于本项目风险预测条件。通过数据对比发现IDLH以立即威胁生命为参考标准，数值偏高，笔者推荐采用化学品中MAC、PC-STEL最低值化学品作为预测因子。

4 码头危险品泄露预测分析

天津港东疆集装箱码头二期工程位于天津港东疆港区，占用岸线1441 m。根据规范计算布置4个泊位，可同时停靠3艘20万t级集装箱船，或者停靠3艘15万t级和1艘2万t级集装箱船。设计年吞吐量300万TEU。

4.1 危险品泄漏入海

4.1.1 预测模式

预测采用数值模拟法，计算域从南至北包含了南港、临港、天津港、临海新城、中心渔港所在海域，取为75 km×45 km的矩形区域，计算海域验证资料取用2012年的水文资料，通过Mike21的MT模块进行计算。

4.1.2 预测源强

该工程为含危险品的集装箱码头，运输品包括多种可溶性化学品，根据运量与毒性等特点，预测中选择海水水质标准中最严格的两种代表性货种作为代表物质进行计算，分别为硫化钠（海水水质标准，限值0.02 mg/L）和氰化钠（海水水质标准，限值0.005 mg/L），其相应的小包装单元分别为0.1 t、0.05 t，预测中以小包装单元作为瞬时源强进行计算，预测代表点选取码头前沿。

4.1.3 码头前沿泄漏预测结果

图1和图2为代表性可溶化学品在码头前沿泄漏后的预测结果。从图1中可以看出，以氰化钠为例，涨潮期发生泄漏事故时污染云团随流向西北方向漂移扩散，大于0.005 mg/L浓度的污染物6 h的漂移距离约0.8 km，扫海面积约为11.5 hm2，污染范围在港池疏浚范围内；落潮期发生泄漏事故时污染云团随流向西南方向漂移扩散，6 h的漂移距离为0.7 km，扫海面积约为11.7 hm2，预测结果表明涨落潮超0.005 mg/L浓度的污染物均不会影响周边环境敏感目标。

4.2 气态危险品泄露

针对挥发性强的危险品货种泄漏事故对陆域环境敏感目标的影响问题，通过对化学品理化性质及毒性进行筛选，最终选取氯作为气态物质预测因子。

4.2.1 源项确定

根据液氯的包装类型，根据《气瓶安全监察规定》，液氯的包装密度不能高于1.25 kg/L，其包装为400 L（500 kg）钢瓶包装，储罐内径为0.6 m，高为1.8 m。

4.2.2 预测条件

天津区域7月份平均气温27℃，一般认为，储罐液体温度高于室温2～3℃，本次计算按30℃考虑，在该温度下，液氯钢瓶的压力一般为35.6 MPa；根据《建设项目环境风险评价技术导则》中推荐的公式，液氯泄漏采用计算式为：

QLG=CdA2ρm（P-PC）

式中：

QLG为两相流泄漏速度，kg/s；

Cd为两相流泄漏系数，可取0.8；

A为裂口面积，m2；

P为操作压力或容器压力，Pa；

PC为临界压力，Pa，可取PC=0.55P；

ρm为两相混合物的平均密度，kg/m3，由下式计算得，ρm =28.23 kg/m3：

ρm=1FVρ1+1-FVρ2

式中：

ρ1为液体蒸发的蒸气密度，kg/m3，3.17 kg/m3；

ρ2为液体密度，kg/m3，为1250 kg/m3；

FV为蒸发的液体占液体总量的比例，由下式计算得到FV=0.11。

FV=Cp（TLG-TC）H

式中：

Cp为两相混合物的定压比热，J/（kg·K），0.476 kJ/（kg·K）；

TLG为两相混合物的温度，303.15K；

TC为液体在临界压力下的沸点，238.55K；

H为液体的气化热，J/kg，液氯为280kJ/kg。

一般而言，液氯钢瓶泄漏时泄漏孔的面积较小，一般情况下，仅为接口处发生裂缝，在该种情况下，泄漏孔径一般小于1cm，本计算预测按1 cm考虑，泄漏源强列于表4中。

表4 泄漏源强

事故类型泄漏速度/（g/s）持续时间/s

一般情况下小孔径泄漏（泄漏孔径1 cm）18.8926473

为了考虑最高容许浓度（MAC）和IDLH（立即威胁生命和健康浓度）对保护目标的影响，预测了0.5 h平均浓度的影响。为了考虑LC50对保护目标的影响，预测了4 h平均浓度的影响。

4.2.3 评价标准

分别采用氯的IDLH（立即威胁生命和健康浓度）为88 mg/m3；MAC（最高容许浓度）为1 mg/m3。氯的LC50值（大鼠吸入）为850 mg/m3。

4.2.4 影响预测分析

根据计算结果可知（表5、图3），在D类稳定度年均风速1 m/s气象条件下，如不采取及时有效的措施，轴线最大浓度为23.41 mg/m3。造成MAC值（1 mg/m3）最大超标面积为4.04万m2；由于该浓度低于IDLH值（88 mg/m3），因此對应该项参考指标没有超标范围。

环境保护目标处半小时最大浓度出现在东疆人工沙滩，浓度为0.0136 mg/m3，环境保护目标处国际展销中心、东疆湾宾馆，浓度值为0.0118 mg/m3，环境保护目标处瞰海轩、上东湾，浓度值为0.0105 mg/m3，环境保护目标处国际邮轮母港商贸区最大浓度值为0.0033 mg/m3，均能够满足氯的MAC值、IDLH值的要求。4 h最大浓度未超过LC50值（850 mg/m3），敏感目标处最大值出现在东疆人工沙滩，浓度为0.0092 mg/m3，低于LC50值的要求，氯泄漏对环境保护目标的影响较小。根据计算结果可知，在D类稳定度年均风速4 m/s气象条件下，如不采取及时有效的措施，轴线最大浓度为4.71 mg/m3，造成MAC值最大超标面积为7.23万m2，由于该浓度低于IDLH值，因此，对应该项参考指标没有超标范围。

環境保护目标处0.5 h最大浓度出现在瞰海轩、上东湾，浓度值为0.0682 mg/m3，环境保护目标处东疆人工沙滩，浓度为0.0385 mg/m3，环境保护目标处国际邮轮母港商贸区最大浓度值为0.0259 mg/m3，环境保护目标处国际展销中心、东疆湾宾馆，浓度值为0.0250 mg/m3，环境保护目标处浓度均能够满足氯的MAC值、IDLH值的要求，氯泄漏对环境保护目标的影响较小。

4 h最大浓度未超过LC50值（850 mg/m3），敏感目标处最大值出现在瞰海轩、上东湾，浓度为0.0455 mg/m3，低于LC50值的要求，氯泄漏对环境保护目标的影响较小。

总体而言，当发生陆域泄漏时，轴线最大浓度在小风速时较大、大风速时较小。这是由于大风速时污染物容易扩散，而对于环境保护目标的影响，由于距保护目标较远，小风速时污染物到达保护目标的时间较长，而且泄漏源是暂时的，因此，对保护目标的影响，大风速时影响反而比小风时大，但这种影响对应的污染物浓度值较低，造成的影响并不大。

综上所述，当发生陆域泄漏时，氯气泄漏对堆场内的影响较大，因此，在有毒货种作业时，作业人员应佩带个体防护用品。并且应严格控制本工程营运阶段的管理工作，杜绝此类事故的发生。

5 结论

研究针对集装箱码头在运输和装卸环节的风险事故类型进行了归纳总结，提出了污染物预测源强的筛选方式，将事故类型划分为危险品泄漏入海及气态污染物泄露两大类。针对具体项目给出了风险源筛选过程及污染物扩散的预测结果。根据预测结果可知，集装箱作业作为一种清洁的运输方式，在不考虑“违法违规经营”等主观人为因素的前提下，其造成的事故后果不大，在采取相应措施后是可控的。与散装运输相比，其运输更为安全便利。

参考文献：

[1]王剑波.某港新建集装箱码头危险品箱种类分析[J].中国水运，2015（8）：26～28.

[2]刘长兵.港口危险品集装箱运输环境风险评价方法与应用[J].交通环保，1997（2）：16～19.

[3]王 宁.危险品集装箱码头环境风险事故预防管理对策措施[J].科技资讯，2012（23）：209.

[4]交通运输部，水路危险货物运输规则[S].北京：交通运输部，1996.

Numerical Simulation on Hazardous Material Accident of Container Terminal

Qiao Jianzhe1， Chang Hua2， Shou Youping1

（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering， M.O.T， Tianjin 300456， China；

2.Tianjin Teda Water Supplying Company， Tianjin 300457， China）

Abstract： In recent years， with the improvement of safety awareness， the accidents of hazardous materialget more attention， the mode of transportation of hazardous material in the port and shipping industry is mainly based on the container.This paper summarized the types of container terminal accident， put forward amethod to select source strength of pollutants forecastand provided pollution range of typical hazardous materialaccident.Taking Tianjin Dongjiang port container terminal phase II as an example， the calculation results showed that pollution range of hazardous materialaccidentwas not wide，under the premise of taking corresponding measures， the risk was controllable.

Key words： hazardous material； numerical simulation； risk