多米諾事故情景下的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評價

張 立,錢 瑜,蔡 云 (南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇 南京 210046)

在風(fēng)險事故情景下,一個風(fēng)險源發(fā)生事故可能會引發(fā)其他風(fēng)險源相繼發(fā)生事故,從而形成多米諾效應(yīng).在很多重大事故中,多米諾效應(yīng)是造成多人傷亡、巨額財產(chǎn)損失和環(huán)境惡化的關(guān)鍵因素.對以往事故的統(tǒng)計分析表明,38.6%的風(fēng)險事故可能引發(fā)多米諾事故[1],且多米諾事故發(fā)生概率正逐年增加,平均每次事故造成的傷亡人口數(shù)量也呈現(xiàn)增長的趨勢[2].究其原因可能有以下幾點(diǎn).首先,隨著人口的持續(xù)增長和由此引發(fā)的土地利用壓力,越來越多的工業(yè)企業(yè)投產(chǎn)于工業(yè)集中區(qū),尤其是在發(fā)展中國家,不少地區(qū)存在重大風(fēng)險源過于集中的現(xiàn)象.其次,由于缺乏合理的規(guī)劃布局以及工業(yè)園自身發(fā)展的需要,一些企業(yè)周圍逐漸形成居民區(qū)和商業(yè)中心.另外,易燃易爆及有毒有害物質(zhì)在生產(chǎn)過程中普遍使用也是導(dǎo)致多米諾事故的一個重要原因.因此在環(huán)境風(fēng)險管理中,辨識并減少導(dǎo)致多米諾事故的路徑是十分必要的.

然而,現(xiàn)有的多米諾風(fēng)險研究只是針對安全風(fēng)險,在環(huán)境風(fēng)險部分還是一片空白,沒有比較成熟的多米諾環(huán)境風(fēng)險評價方法.另一方面,盡管研究人員已經(jīng)普遍意識到多米諾風(fēng)險事故的危害,但在對工業(yè)設(shè)施進(jìn)行定量風(fēng)險評價的實(shí)際操作過程中,多米諾現(xiàn)象不是被完全忽略,就是評價過程不夠規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)[3],由此制定的應(yīng)急措施和環(huán)境影響評價往往低估了事故發(fā)生后的危害,缺乏科學(xué)性和實(shí)用性.因此,本文嘗試提出一套定量評價多米諾環(huán)境風(fēng)險的方法,并通過比較普通情景下和多米諾情景下的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險大小,希望為進(jìn)一步制定更合理、更具操作性的環(huán)境風(fēng)險決策方案提供理論依據(jù).

1 多米諾效應(yīng)研究

最早的關(guān)于多米諾效應(yīng)的研究是英國衛(wèi)生與安全管理局1978年在對Canvey島和Thurrock地區(qū)的工業(yè)設(shè)施進(jìn)行危險性評價時,在故障樹分析中加入了外部事故的多米諾機(jī)制[4],但“多米諾效應(yīng)”一詞沒有出現(xiàn)在報告中.Bagster等[5]利用Canvey報告的數(shù)據(jù),在概率計算方面提出了一種新方法,不僅可以計算二次事故的概率,還能夠計算三次甚至更高次多米諾事故的概率,但是這種方法只能簡單計算一個事故單元引起另一個單元破壞的可能性,不能處理在復(fù)雜場景下通常出現(xiàn)的一個初始事故引發(fā)其他多個事故組合的情況.此后,Khan等[6]在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一套多米諾效應(yīng)分析的框架,并用于多個工業(yè)項目的多米諾風(fēng)險評價中[7-10].美國化學(xué)安全中心在2000年發(fā)布的導(dǎo)則中提出多米諾效應(yīng)的概念,并認(rèn)為可以納入風(fēng)險評價體系中,但沒有進(jìn)行詳細(xì)的闡述[11].近年來,Cozzani等[12]在多米諾效應(yīng)研究上又有新的見解,建立了系統(tǒng)評價多米諾風(fēng)險事故的程序,包括識別多米諾事故的方法以及計算擴(kuò)展概率的公式,并且將GIS技術(shù)應(yīng)用于多米諾事故場景的后果評價和脆弱性分析中[13].但是該方法忽略了三次和三次以上的事故,只對二次事故的評價有效.Reniers等[14]將博弈論方法用于研究不同工業(yè)企業(yè)在多米諾風(fēng)險防范中的投資行為.Abdolhamidzadeh等[15]在多米諾事故概率計算中考慮了概率與時間的關(guān)系,并且采用計算機(jī)模擬技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)了諸如工業(yè)園等復(fù)雜情形的計算分析.

借鑒現(xiàn)有的研究成果,本文假設(shè)多米諾事故涉及二次事故和三次事故,通過多米諾事故鏈的識別、多米諾環(huán)境風(fēng)險概率的計算、事故后果的分析,最終得到研究區(qū)域的環(huán)境風(fēng)險水平,并以某化工園為研究對象,對不同事故場景下的環(huán)境風(fēng)險水平加以比較.

本研究選取的化學(xué)工業(yè)園位于長江沿岸,四周散落居民區(qū).園區(qū)以石油化工為主要產(chǎn)業(yè),生產(chǎn)過程中涉及的原輔材料和中間產(chǎn)品大部分是易燃易爆有毒有害的危險化學(xué)品,且眾多臨近的大型儲罐間沒有有效的隔離和防護(hù)措施,一旦發(fā)生風(fēng)險事故,極有可能對附近設(shè)備造成破壞,使事故危害不斷擴(kuò)大.而現(xiàn)有區(qū)內(nèi)企業(yè)的環(huán)境風(fēng)險評價和園區(qū)的區(qū)域風(fēng)險評價均只是針對單個風(fēng)險源,并未考慮多米諾效應(yīng),其環(huán)境風(fēng)險防范和應(yīng)急決策難免會出現(xiàn)失誤,從而導(dǎo)致重大的環(huán)境危害.

2 多米諾事故鏈識別

由圖1可知,首先,識別研究區(qū)域內(nèi)的所有風(fēng)險源,從中篩選出能夠引發(fā)多米諾效應(yīng)的初始事故.初始事故的類型有火災(zāi)、爆炸,以及火災(zāi)和爆炸同時發(fā)生的情況.雖然有毒有害物質(zhì)的泄漏會間接給應(yīng)急和救援工作帶來不便,但它不能直接導(dǎo)致其他設(shè)備失控或損壞并引發(fā)二次事故[16],因此在分析多米諾事故時沒有考慮這個因素.圖 2標(biāo)示出了園區(qū)主要的風(fēng)險源,共計 197個,其中148個風(fēng)險源是多米諾事故風(fēng)險源,涉及污染物質(zhì) 50種.不難看出,研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)險源密布,且靠近河流、濱臨居民區(qū),一旦發(fā)生多米諾事故影響范圍迅速擴(kuò)大,很可能造成非常嚴(yán)重的后果.

圖1 識別二次風(fēng)險事故Fig.1 Definition of secondary accidents

其次,分析每個初始事故的擴(kuò)展向量,并根據(jù)臨界值標(biāo)準(zhǔn)初步選擇可能的二次事故.二次事故及其臨界值見表1[17]和表2[12].

圖2 多米諾事故風(fēng)險源Fig.2 Risk source of domino accidents

表1 初始事故的擴(kuò)展向量及可能導(dǎo)致的二次事故Table 1 Escalation vectors and expected secondary accidents for the different primary accidents

最后,采用擴(kuò)展概率模型計算初始事故對二次目標(biāo)的擴(kuò)展概率,具體見表 3[12].本文所研究的風(fēng)險源中,爆炸及其產(chǎn)生的沖擊波超壓是主要的破壞形式,火災(zāi)事故中只有池火能引發(fā)極少數(shù)的二次事故,且擴(kuò)展概率較低.二者均能導(dǎo)致物質(zhì)泄漏,提高環(huán)境風(fēng)險.

三次事故的識別方法與二次事故的識別類似,只是把二次事故看作初始事故,用上述方法辨識二次事故引發(fā)的多米諾事故.初始事故及其二次事故和三次事故構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu),即形成多米諾事故鏈.

表2 各類擴(kuò)展向量的多米諾效應(yīng)臨界值Table 2 Threshold values for escalation considered in domino effect

本研究假設(shè)園區(qū)的爆炸事故中 10%的危險物質(zhì)參與爆炸,物質(zhì)泄漏事故的源強(qiáng)按照10mm孔徑連續(xù)泄漏10min計算.初始事故概率及物質(zhì)泄漏概率分別參考《Guidelines for Quantitative Risk Assessment (Purple Book)》[18]中對于火災(zāi)爆炸概率及10mm孔徑連續(xù)泄漏概率的描述.

表3 擴(kuò)展概率模型Table 3 Models for escalation probability

計算結(jié)果表明,園區(qū)內(nèi)約 67.5%的風(fēng)險源會引發(fā)二次事故,平均每個初始事故引發(fā)9.58次二次事故、17.21次三次事故,其中30.3%的初始事故和二次事故組合的擴(kuò)展概率達(dá)到 100%.多米諾事故發(fā)生的概率如此之高,可見在評價化工園等高危場所的區(qū)域風(fēng)險時,忽略多米諾現(xiàn)象是極不合理的.

3 多米諾事故概率計算

在計算多米諾事故概率時,要先考查兩種概率.一是在事故鏈中扮演發(fā)起者角色的初始事故的概率,即爆炸或火災(zāi)的概率,它可以通過事故樹分析或者由經(jīng)驗值獲得;二是每個事故在下級多米諾目標(biāo)處的擴(kuò)展概率,它可以根據(jù)損失擴(kuò)展模型算得.有些學(xué)者試圖從數(shù)理統(tǒng)計的角度來解決多米諾概率問題,但所使用的概率方程大都比較復(fù)雜,特別是當(dāng)涉及的事故數(shù)量比較多時,計算過程十分繁瑣且耗時.另一方面,即使能開發(fā)出較簡便的數(shù)學(xué)模型用于復(fù)雜場景的計算,但由于計算過程涉及的數(shù)值非常小,產(chǎn)生的舍入誤差可能會很大,使得計算結(jié)果不夠精確.因此,本文采用蒙特卡洛隨機(jī)抽樣的方法,通過構(gòu)造事故間的作用關(guān)系,并在足夠多的事故場景下對各事故反復(fù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣,模擬以上兩種概率類型綜合作用的結(jié)果,進(jìn)而生成事故的概率分布.二次事故情景下的事故概率計算流程如圖 3所示.計算三次事故情景下的概率是在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析二次事故的擴(kuò)展效應(yīng).模擬次數(shù)N= 109.對模型結(jié)果進(jìn)行T檢驗發(fā)現(xiàn),顯著性為 0.01,表明該模型有顯著差異,適用于解決所研究的問題.

通過蒙特卡洛模擬輸出的概率是考慮多米諾事故后的綜合事故概率,它與初始火災(zāi)爆炸事故概率的差即是由多米諾效應(yīng)引發(fā)的風(fēng)險事故的概率,再將此多米諾事故的概率與相應(yīng)風(fēng)險源的原始物質(zhì)泄漏概率相加,得到多米諾情景下的綜合環(huán)境風(fēng)險概率.相較于普通事故場景,在二次事故及三次事故場景下,環(huán)境風(fēng)險事故概率的增幅分別達(dá)到3.72倍和7.09倍.

4 環(huán)境風(fēng)險事故后果

本研究涉及的環(huán)境風(fēng)險事故是有毒有害物質(zhì)泄漏,包括排放到大氣的有害物質(zhì),如氯氣、環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷、甲苯、丙烯、硝酸、甲醛等,和進(jìn)入受納水體的污染物,如苯酚、甲醇、硝基苯等.

4.1 大氣污染模擬

對于大氣污染,采用SLAB大氣模型對污染物的擴(kuò)散情況進(jìn)行分析[19],并參照 ERPGs及AEGLs毒性標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)事故對人體健康的危害程度將影響范圍劃分為死亡、嚴(yán)重受傷和輕微受傷三個區(qū)域.相關(guān)研究指出,在美國如果一名人口死亡的損失是220萬美元,那么重度受傷和輕度受傷的損失分別是5000美元和200美元[20].據(jù)此,按照生命損失的相對大小,可以認(rèn)為重度受傷的損害是 2.27×10-3個體死亡,輕度受傷的損害是 9.09×10-5個體死亡.需要注意的是,個別多米諾事故場景下會出現(xiàn)2種或3種泄漏物質(zhì)各自產(chǎn)生的死亡區(qū)域互相重合的情況,因此需要對這些事故場景進(jìn)一步具體分析,扣除重復(fù)計算的死亡人數(shù).

圖3 蒙特卡洛分析法計算多米諾情景下的事故概率Fig.3 Probabilities of accidents under domino scenarios use Monte Carlo analysis

4.2 水體污染模擬

在水體污染預(yù)測方面,采用 USEPA推薦的EFDC-水動力和WASP-水質(zhì)模擬的耦合模型[21].由于人群不是水污染事故的直接風(fēng)險受體,選用濃度-價值損失率法,即某種污染物引起的水體價值損失與水體總價值的比值,來計算水體的污染損失.經(jīng)調(diào)查研究區(qū)域受納水體的主要用途是生活和工業(yè)用水、漁業(yè)捕撈.其中,生活用水的臨界濃度可由《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[22]獲得,工業(yè)用水的臨界濃度參照《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》[23],漁業(yè)用水的臨界濃度參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[24]III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[25].該方法計算出的水體經(jīng)濟(jì)損失是以人民幣計量的,為了使之與其他事故類型的后果具有可比性,要對水資源損失進(jìn)行一系列換算.根據(jù)國際貨幣基金組織(IMF)公布的數(shù)據(jù),2011年美國人均GDP為48147美元,中國人均GDP為8394美元.因此,結(jié)合生命價值的研究,若經(jīng)濟(jì)損失為C(萬元)人民幣,相當(dāng)于C×48147/(8394×220×人民幣對美元匯率)個體死亡.本研究中,大部分風(fēng)險源都設(shè)有防護(hù)池,因此進(jìn)入受納水體的污染物很少,這些物質(zhì)在下游取水口和漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)的濃度均遠(yuǎn)低于臨界濃度,不會對水體的使用價值產(chǎn)生影響.

5 區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評價結(jié)果

在ArcGIS中對事故后果進(jìn)行空間可視化表達(dá),以事故后果和概率的乘積作為事故的風(fēng)險,并將各風(fēng)險事故的風(fēng)險值在空間疊加,可得區(qū)域的環(huán)境風(fēng)險水平.結(jié)合現(xiàn)有的可接受風(fēng)險水平的研究及表4所列各風(fēng)險等級的性質(zhì)[26],以風(fēng)險的對數(shù)值表示風(fēng)險大小,并據(jù)此對研究區(qū)域進(jìn)行區(qū)劃.

R= 8 + lgr

式中:R是十進(jìn)制表示的風(fēng)險值,且0

表4 不同風(fēng)險等級的性質(zhì)Table 4 Feature list of different risk rank

圖4顯示,考慮多米諾效應(yīng)后,需要采取保護(hù)措施的區(qū)域范圍明顯擴(kuò)大,不少地方的環(huán)境風(fēng)險大幅增加,且這些位置與風(fēng)險源集中區(qū)相對應(yīng).二次事故場景和三次事故場景的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險值分別是一次事故的6.40倍和12.32倍.相較于事故概率的增量,環(huán)境風(fēng)險的增加幅度顯然更大.這是因為能產(chǎn)生較嚴(yán)重后果的風(fēng)險源通常存儲的物質(zhì)量大且毒性高,使得它們更容易引發(fā)多米諾事故,亦或在設(shè)備設(shè)計方面的缺陷使得它們更容易受到臨近風(fēng)險源的影響.其結(jié)果就是風(fēng)險源之間相互促進(jìn),風(fēng)險后果不斷升級,進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域風(fēng)險進(jìn)一步增加.

圖4 一、二、三次事故情景下的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險區(qū)劃Fig.4 Partition map of regional environmental risk under primary, secondary and third scenarios

6 結(jié)語

在諸如化工園等風(fēng)險源相對集中的區(qū)域,某個風(fēng)險源發(fā)生火災(zāi)爆炸事故時,很可能會波及到臨近區(qū)域,引發(fā)其他風(fēng)險源發(fā)生火災(zāi)爆炸及物質(zhì)泄漏事故.本文的研究結(jié)果表明,多米諾事故發(fā)生的概率相當(dāng)高,其對區(qū)域整體風(fēng)險水平的貢獻(xiàn)率甚至可以達(dá)到一次事故的 10倍以上.因此,在進(jìn)行實(shí)用可靠的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評價時,多米諾現(xiàn)象是不容忽視的一個重要因素.

[1]Kourniotis S P, Kiranoudis C T, Markatos N C. Statistical analysis of domino chemical accidents [J]. Journal of Hazardous Materials,2000,71(1-3):239-252.

[2]Abdolhamidzadeh B, Abbasi T, Rashtchian D, et al. Domino effect in process-industry accidents-an inventory of past events and identification of some patterns [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011,24(5):575-593.

[3]Abdolhamidzadeh B, Abbasi T, Rashtchian D, et al. A new method for assessing domino effect in chemical process industry[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010,182(1-3):416-426.

[4]UK HSE (Health and Safety Executive).Canvey: An investigation of the potential hazards from operations in the Canvey Island /Thurrock area [R]. HMSO, 1978.

[5]Bagster D F, Pitblado R M. The estimation of domino incident frequencies - an approach [J]. Process Safety and Environmental Protection, 1991,69(B4):195-199.

[6]Khan F I, Abbasi S A. Models for domino effect analysis in chemical process industries [J]. Process Safety Progress, 1988,17(2):107-123.

[7]Khan F I, Abbasi S A. An assessment of the likelihood of occurrence, and the damage potential of domino effect (chain of accidents) in a typical cluster of industries [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2001,14(4):283-306.

[8]Khan F I, Abbasi S A. Estimation of probabilities and likely consequences of a chain of accidents (domino effect) in Manali Industrial Complex [J]. Journal of Cleaner Production, 2001,9(6):493-508.

[9]Khan F I, Abbasi S A. Studies on the probabilities and likely impacts of chains of accident (domino effect) in a fertilizer industry [J]. Process Safety Progress, 2000,19(1):40-56.

[10]Khan F I, Natarajan B R, Abbasi S A. Avoid the domino effect via proper risk assessment [J]. Chemical Engineering Progress, 2000,96(11):63-72.

[11]CCPS. Guidelines for chemical process quantitative risk analysis[M]. 2nd ed. New York: American Institute of Chemical Engineers, 2000.

[12]Cozzani V, Gubinelli G, Antonioni G, et al. The assessment of risk caused by domino effect in quantitative area risk analysis [J].Journal of Hazardous Materials, 2005,127(1-3):14-30.

[13]Cozzani V, Antonioni G, Spadoni G. Quantitative assessment of domino scenarios by a GIS-based software tool [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2006,19(5):463-477.

[14]Reniers G, Dullaert W, Karel S. Domino effects within a chemical cluster: A game-theoretical modeling approach by using Nash-equilibrium [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,167(1-3):289-293.

[15]Abdolhamidzadeh B, Rashtchian D, Ashuri E. A new methodology for frequency estimation of second or higher level domino accidents in chemical and petrochemical plants using monte carlo simulation [J]. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering-International English Edition, 2009,28(4):21-28.

[16]Tugnoli A, Khan F, Amyotte P, et al. Safety assessment in plant layout design using indexing approach: Implementing inherent safety perspective Part 2-Domino hazard index and case study [J].Journal of Hazardous Materials, 2008,160(1):110-121.

[17]Cozzani V, Gubinelli G, Salzano E. Escalation thresholds in the assessment of domino accidental events [J]. Journal of Hazardous Materials, 2006,129(1-3):1-21.

[18]Committee for the prevention of disasters. Guidelines for quantitative risk assessment (Purple book), CPR18E [M]. New York: The Hague, 2005.

[19]孫燕君,錢 瑜,張玉超.蒙特卡洛分析在氯氣泄漏事故環(huán)境風(fēng)險評價中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2011,31(11):2570-2577.

[20]Arunraj N S, Maiti J. A methodology for overall consequence modeling in chemical industry [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,169(1-3):556-574.

[21]李林子,錢 瑜,張玉超.基于EFDC和WASP模型的突發(fā)水污染事故影響的預(yù)測預(yù)警 [J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2011,20(8):1010-1016.

[22]GB5749-2006 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) [S].

[23]GB/T19923-2005 城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì) [S].

[24]GB3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [S].

[25]GB11607-89 漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) [S].

[26]Xu L, Liu G. The study of a method of regional environmental risk assessment [J]. Journal of Environmental Management,2009,90(11):3290-3296.